燃煤发电机组瞬态过程灵活高效协同运行的理论与技术研究综述

赵永亮，许朋江，居文平，陈锋，刘明，王珠，严俊杰

（西安交通大学；西安热工研究院有限公司；华能(浙江)能源开发有限公司玉环分公司）

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.223262

1、研究背景

“碳达峰、碳中和”战略目标下，我国正加快构建“清洁低碳、安全高效”的能源体系，可再生能源占比逐年提高，但间歇性和波动性的可再生能源大规模并网给电力系统安全稳定运行造成巨大冲击。2021年燃煤发电以不足50%的装机占比，生产了全国60%的电量，承担了70%的调峰任务，成为保障我国电力安全稳定供应的“压舱石”。燃煤发电正逐步由主体性电源向提供可靠容量、调峰调频等辅助服务的基础保障性和系统调节性电源转型，运行特征由稳态工况为主向调峰调频为主转变，导致燃煤发电机组将长时间处于变负荷瞬态过程。

现有燃煤发电节能减排技术主要聚焦于稳态工况，难以有效应对长时间瞬态运行下的新需求，存在瞬态过程能耗高、变负荷速率不足等难题。从燃煤发电机组变负荷过程能量转化的角度分析，灵活性表现为充分挖掘机组内部可用能并迅速地转化为输出功率，高效性表现为可用能在各个热力设备存储、传递、输运等过程高效地转化为电能。燃煤发电机组具有大惯性、强耦合、高迟延的特性，其灵活性与高效性受热力系统构型、热力设备蓄热、热工过程控制的综合影响，是相互联系、相互矛盾又可能协同统一的有机整体。本文综述研究可为燃煤发电机组灵活性与高效性的协同提升奠定理论依据，并为燃煤电站的设计、运行及改造等提供有力技术支撑。

2、论文所解决的问题及意义 

本文针对典型燃煤发电机组，从瞬态过程建模、瞬态过程灵活性、瞬态过程灵活高效协同3个方面展开论述。

首先，综述了针对燃煤发电机组热力系统动态建模的3种方法，包括机理建模、数据驱动建模和机理与数据驱动混合建模，并讨论对比了不同动态建模方法的适用条件和优缺点，预测了未来大型能源动力系统动态建模的发展方向。

其次，详细列举了现有燃煤发电机组变负荷速率提升策略，对比了不同策略的特点和蓄热利用位置，分析了不同灵活性提升策略的变负荷性能提升效果及机理，给出了目前国内外不同类型燃煤发电机组的变负荷速率范围；综述了燃煤发电机组参与电网一次调频与AGC性能的研究现状，并总结了未来燃煤发电参与电网调峰调频的技术发展方向。

最后，针对快速变负荷过程，提出了适应不同变负荷速率要求且热经济性最好的灵活性提升策略；针对AGC变负荷过程，提出了蓄能时空分布和内部蓄热主动调控的灵活高效协同控制策略。本文旨在分析总结燃煤发电机组瞬态变负荷过程的灵活性研究现状和存在的技术瓶颈，进而提出瞬态过程高效灵活协同的优化控制策略。

3、论文重点内容  

3.1  燃煤发电机组瞬态过程建模方法

典型燃煤发电热力系统包含制粉系统、锅炉系统、汽轮机系统与冷端系统。研究燃煤发电机组的瞬态特性需要首先建立该热力系统的动态模型。但由于燃煤发电过程涉及到多种物质，包括煤、空气、烟气、蒸汽和水等，不同物质的热物性差异较大，且受温度/压力的影响显著，同时不同热力设备发生的热力过程复杂多样，都为动态模型的建立带来了一定挑战。

燃煤发电机组动态建模共有3种方法：

1）机理建模属于“白箱模型”，建模的过程需要燃煤机组各热力设备详细的几何结构参数，且要熟悉机组各类热力过程特性，通过工质和金属等的质量、动量和能量守恒方程建立动态模型，并经过稳态和动态数据来验证模型的可靠性。整个建模过程较复杂，耗时较多，但能反映的内部参数更全面，适合开展理论及机理分析研究。

2）数据驱动建模属于“黑箱模型”，建模的过程不需要设备的几何参数模型，也不需要熟练掌握各热力过程的特性，只需要海量存储的历史数据，通过智能优化算法即可获得机组的动态模型。整个建模过程较简单，但是可变参数和分析因素很少，针对未发生的事故工况无法预测。

3）机理与数据驱动混合建模是一种介于“白箱”和“黑箱”间的方法，建模的过程首先从热力系统的热力特性出发，将工质和金属等的质量、动量和能量守恒方程转化为输入输出对应的传递函数，之后采用各类智能算法和历史数据对未知参数进行辨识。该方法兼具前两者的优势，且伴随着智能算法的成熟，能满足动态计算的快速性和精度要求，在大型能源动力系统的动态建模中将发挥越来越重要的作用。

图1  三种热力系统动态建模方法对比

3.2  燃煤发电机组瞬态过程的灵活性

目前，燃煤发电机组的灵活性越来越受到专家学者们的关注，图2为根据检索论文绘制的燃煤发电机组灵活性的词云分析，可见“运行灵活性”、“储能”、“储热”、“控制策略”“优化”、“动态模拟”等词出现频率最高。从各国研究的主题演变分析（图3）也可以发现：灵活性与储能近年来备受各国学者的关注。

图2  燃煤发电机组灵活性的词云分析

图3  燃煤发电机组灵活性的主题演变分析

从燃煤发电机组灵活性的国家分析（图4）和机构分析（图5）结果可以看出：中国在燃煤发电机组的灵活性研究最活跃，其次是美国和德国；而从研究机构来看：西安交通大学、华北电力大学和清华大学的相关研究成果占比超过一半以上。

图4  燃煤发电机组灵活性的国家分析

图5  燃煤发电机组灵活性的机构分析

燃煤发电机组瞬态过程的灵活性研究可以从机组自身调整和参与电网调节两个方面论述（图6）。从机组自身调整来看，包括构型调整策略和变负荷灵活性指标两部分；不同灵活性调整策略利用的机组蓄能不同，产生的效果也有差异，且各种策略各自都有优缺点；变负荷灵活性指标主要包括快速变负荷爬坡速率、附加功率输出量和附加电能生成量等。从参与电网调节来看，主要表现为短期内的一次调频PFR特性和中长期内的自动发电控制AGC二次调频特性。本文综述了各自的评价指标和调控策略研究现状并总结了未来发展方向。

图6  燃煤发电机组的灵活性研究现状

3.3  燃煤发电机组瞬态过程灵活高效协同运行的控制策略优化

本文主要从快速变负荷及构型恢复过程、AGC变负荷过程两个角度综述了目前燃煤发电机组瞬态过程灵活高效协同运行的控制策略优化研究现状（图7）。快速变负荷及构型恢复过程，实时计算不同策略下的蓄㶲利用效率和㶲损失，从而在满足快速变负荷速率需求下优选最优构型调整策略，在构型恢复过程中以热力系统蓄㶲偏差修正锅炉风-水-煤主控指令，快速调整热力系统的蓄能不足或超量，实现了快速变负荷及构型恢复全过程灵活与高效的协同。瞬态AGC变负荷过程，燃煤机组锅炉和汽轮机子系统内蓄热时空分布特性复杂，基于燃煤发电机组的分布式蓄㶲量对变负荷速率进行线性分解，并引入到风-水-煤主控制逻辑，主动调控机组内部蓄热，实现了AGC变负荷过程的灵活与高效的协同。

图7  燃煤发电机组瞬态过程灵活高效协同运行的控制策略优化研究现状

4、结论  

双碳目标下，燃煤发电机组正逐步由主体电源向支撑性和调节性电源转变，承担更多调峰调频服务，导致机组长时间处于变负荷瞬态过程。实现燃煤发电机组高效灵活运行是我国能源领域的重大战略需求。本文综述了现有燃煤发电机组瞬态过程建模方法、灵活性以及灵活高效协同运行的理论和技术研究现状，并展望了未来的发展方向。主要结论如下：

1）机理与数据驱动混合建模在大型能源动力系统的动态建模中发挥越来越重要的作用。未来燃煤电站向数字化智能化转变，数字孪生技术成为燃煤电站离/在线性能检测、状态检修、控制优化的重要手段，利用先进智能算法完善机理与数据驱动混合建模方法，为智慧燃煤电站的实现提供有力支撑。

2）通过调整热力系统构型可快速储/释燃煤发电机组内部的蓄热，并迅速转化为做功来提升变负荷速率。现有六种灵活性调节策略中，热力设备蓄热转化为做功的能力取决于蓄热品位，不同策略利用的蓄热品位不同，灵活性效果差异明显。未来燃煤电站仍将长期频繁参与到电网辅助服务，充分利用好机组内部蓄热并优化匹配大规模外部储热/储能技术，有望进一步提升机组瞬态过程的灵活性。

3）燃煤发电机组不同灵活性提升策略利用的蓄热位置和品位存在差异，可根据快速变负荷速率要求，优选经济的调节策略；基于燃煤发电机组的分布式蓄㶲量对变负荷速率进行线性分解，实现机组内部蓄热的主动调控，获得适应不同AGC变负荷过程的高效灵活协同优化控制策略。未来燃煤发电机组向着高效、灵活、清洁的方向发展，如何保证燃煤发电机组变负荷瞬态过程高效灵活清洁协同运行是能源领域新的挑战也是机遇。

引文信息

赵永亮，许朋江，居文平，等．燃煤发电机组瞬态过程灵活高效协同运行的理论与技术研究综述[J]．中国电机工程学报，2023，43(6)：2080-2099．

ZHAO Yongliang，XU Pengjiang，JU Wenping，et al. Overview of theoretical and technical research on flexible and efficient synergistic operation of coal-fired power units during transient processes[J]．Proceedings of the CSEE，2023，43(6)：2080-2099(in Chinese)．