[科普中国]-发电单元

火力发电单元

火力发电单元协调控制作为单元机组的主控系统，对于单元机组运行的安全性、调节响应的快速性，以及机组参与调峰、调频的能力都有重要影响。

火力发电单元通常由锅炉、汽轮机、发电机组成，其结构示意图如下 所示。在发电单元运行过程中，锅炉、汽轮机、发电机共同完成上层调度的指令，适应外部负荷的变化，同时也要共同保证内部关键物理量的稳定，例如机组转速和主蒸汽压力是单元机组安全稳定运行的关键变量。

多数发电单元在设计协调控制策略时，均不考虑电网负荷变化对发电机组的影响，只是在保证主汽压力平稳的同时，响应上层调度的有功指令。此种考虑适用于平稳运行工况，此时发电机将从汽轮机处得到的机械功率转换为电磁功率，整个过程很快，转速波动很小，因此目前研究采用的假设是认为汽轮机输出的机械功率PM 与发电机向电网输送的电磁功率PE 相等。由于该假设忽略了发电机环节的动态特性，发电单元协调控制目标中的电磁功率PE就被机械功率PM 替代。

火力发电单元运行包括炉跟机、机跟炉、以及机炉协调运行方式。炉跟机运行方式，意味着“按需调节”，汽轮机以满足能量需求（上层指令或外界负荷需求）为控制目标，需要多少就供给多少；机跟炉运行方式意味着“按供调节”，锅炉在不超过其能量供应能力的约束下能供多少就供多少。现有的协调控制策略本质上是炉跟机与机跟炉运行方式的折衷，互相向对方靠拢的结果。目前常用的火力发电单元模型有发电单元简化模型和发电单元整体模型2。

发电单元简化模型发电单元简化模型的前提是假设汽轮机输出的机械功率与发电机输出的电磁功率相等，不考虑发电机转速的变化。目前，在多数与发电单元能量转化相关问题的研究中，设计相关控制策略时，考虑的工况均是发电单元接到上层调度的指令，不考虑电网负荷变化对发电单元的影响，在保证主蒸汽压力尽量平稳的同时，增减锅炉的燃料投放量，迅速响应上层的有功调度指令。

在此运行工况下，发电机的功能仅仅是将从汽轮机处得到的机械功率转变为电磁功率，该能量转化过程快，同时汽轮机汽门处蒸汽做功能力很难直接测量，故目前研究采用的假设是认为机械功率!与发电机向电网输送的电磁功率相等。

这种假设本质上是忽略发电机环节的动态特性，进而将发电单元简化为双输入、双输出的机炉系统，其有功控制的输出本质上是机械功率 。典型发电单元模型框图如下，该模型是在对锅炉、汽机动态及工质做功过程中各个部分的能量供需关系研究的基础上。从物质平衡、容积平衡和能量平衡角度构造的，体现出机炉对象的两 个本质非线性特征：汽包压力和主蒸汽压力差值同蒸汽流量存在的平方根关系；主蒸汽流量同主汽门开度和主汽压力的乘积成比例关系1。

发电单元整体模型发电单元完整模型中包括了发电机的动态过程，发电机将汽轮机提供的机械能转化为电磁能供给电网负荷。其中发电机转子转速与电网频率密切相关。

基于发电单元简化模型设计协调控制策略，本质上是将发电单元作为一个孤立的系统进行分析，只能反映发电单元接受有功指令后“汽轮机提供多少能量”，不能反映电力系统紧急状态下区域有功失衡，负荷快速变化向发电单元机组“强行”索取能量（来自发电机的旋转动能）的情况。发电单元机组在紧急状态下供给电网的电磁功率PE与来自汽轮机的机械功率PM之间会存在明显差异，显然不可再用PM近似替代PE。因此，将电磁功率作为协调控制目标之一，并针对多种运行工况设计协调控制策略，使用发电单元完整模型是非常必要的。

火力发电单元是由锅炉’汽轮机发电机三部分组成，下图是发电单元整体模型框图，完整描述了发电单元内部能量转化过程2。

分布式发电单元利用可再生能源发电的分布式发电单元通常包含光伏发电、风力发电、微型燃气轮机、燃料电池等发电设备，以及相应的功率变换设备、用电负载和储能单元等组成部分。分布式发电单元一般都利用特定的方式将各个发电设备的输出互联起来，以发挥电能互补作用，提高整个系统供电的可靠性和稳定性。

各组发电源通过功率变换设备与系统公共的直流母线互联，输出的直流电能供给连接到母线上的负载和其它用户，这类的分布式发电系统称为直流分布式电力系统（DC Distributed Power System）。直流并联技术简单可靠，将其运用到利用可再生能源发电的分布式系统中，依托高压直流输电技术的日渐成熟，直流分布式电力系统有更广阔的发展和应用空间。

直流分布式发电单元通常都有公共的母线，电源侧为各种性质的发电源，这些发电源或者供电设备经过各自的接口功率变换器输出稳定的直流电能供给直流母线。例如，光伏发电系统中太阳能电池的功率变换器一般为 Boost 斩波电路，工作在最大功率点跟踪（Maximum powerpoint tracking，MPPT）模式下。同时，各种类型的负载通过功率变换设备并联到直流母线上获取电能，或者通过逆变装置将电能馈送至大电网中。

直流分布式电力系统中的组成单元进行阻抗界定：以直流分布式电力系统的母线为分界面，各种发电设备及其功率变换器组成了系统的电源模块，而负载及其功率变换器则为系统的负载模块，电源模块和负载模块通过直流母线连接。其中，Z0为系统电源模块的等效总输出阻抗，Zi为系统负载模块等效负载总输入阻抗3。

优缺点发电单元简化模型在电力系统稳定运行时尚可接受，但在电力系统紧急状态下，发电机与电网之间的动态能量交换较大，汽轮机输出的机械功率与发电机输出的电磁功率之间相差较大，上述假设将不再成立。此时，应考虑发电机环节的动态性能，有必要基于发电单元完整模型（即机炉电模型，包括锅炉、汽轮机和发电机的模型）设计协调控制策略。

考虑发电机环节的发电单元整体模型，通过本机转子转速的变化，感知整个系统有功平衡的情况，将发电单元的自身安全运行和系统安全运行综合考虑，为发电单元的有功协调控制提供了新的思路，但与此同时相应的系统结构也变得复杂1。