火电厂灵活性改造中的电气系统适应性优化

引言

在全球能源结构向清洁化、低碳化转型的浪潮下，风电、光伏等新能源装机容量持续激增，但因其出力波动性强、随机性高的特性，对电网调峰能力和安全稳定运行提出了严峻挑战。作为电力系统的传统主力电源，火电厂正从 “基荷运行” 向 “灵活调峰” 角色转变，其灵活性改造已成为保障新能源消纳、提升电网韧性的核心举措。电气系统作为火电厂能量转换与传输的中枢，直接决定机组快速变负荷、宽范围调节及电网协同响应的能力。然而，传统电气设备及控制策略以额定工况设计，在低负荷运行、频繁启停等灵活工况下，普遍面临发电机电压波动、变压器绝缘老化加速、厂用电谐波超标及保护系统误动等问题，严重制约改造效果。因此，针对电气系统开展适应性优化研究，破解灵活性运行中的技术瓶颈，对推动火电厂高效参与调峰、支撑新型电力系统构建具有重要现实意义。

1. 改造核心目标

火电厂灵活性改造中，电气系统适应性优化需紧扣机组调峰能力提升的核心诉求，实现四大目标协同。一是动态响应提速，支撑机组快速变负荷运行，将 AGC 调节速率从传统 ±2%Pe/h 提升至 ±5%Pe/ h 以上，确保 10-30 秒内响应电网负荷指令，缩短低负荷至满负荷过渡时间。二是宽负荷稳定运行，在 15%-100% 额定负荷区间内，维持发电机电压波动 ⩽±1.5% 额定值，变压器温升 ⩽75K ，厂用电系统总谐波畸变率（THD） ⩽5% ，突破传统 30% Pe 的最低稳定负荷限制。三是电网协同能力强化，满足一次调频响应时间 ⩽1s 、调差率 ⩽2% 的要求，适配 AVC 动态电压控制精度，实现与新能源电站的平滑功率互补。四是设备安全防护升级，通过优化励磁调节、冷却控制等策略，降低灵活工况下电气设备的机械应力与热老化速率，保障机组寿命周期内安全运行，为高比例新能源电网提供可靠调峰支撑。

2. 电气系统面临的核心挑战

灵活性改造中，电气系统因工况剧烈变化面临多重挑战。发电机在低负荷时励磁电流不稳定，易引发电压波动，快速变负荷则加剧功角摇摆，增加失步风险，且传统冷却系统难适配 15% Pe 以下负荷的散热需求。变压器承受 “低负荷 - 满负荷” 循环冲击，暂态过电压 /过电流导致绝缘老化加速，振动幅值较额定工况上升 30% 以上。厂用电侧，变频辅机变工况运行使谐波畸变率超 10% ，威胁 PLC 等敏感设备；辅机频繁启停引发电压跌落达 15% ，传统供电切换装置响应滞后（ >100ms ）。保护与自动化系统因定值固化，在宽负荷区间误动率提升 2 倍，DCS 控制周期（ 500ms ）无法匹配 ±5% Pe/h 的调节速率。此外，新能源并网使电网波动加剧，火电厂需满足 ±1% Pe 的调峰精度，现有 AGC/AVC 逻辑难以应对，协同响应时延超 20s ，制约与新能源电站的功率互补。

3. 分系统优化框架

3.1 发电机系统优化

发电机系统优化聚焦三大方向。升级为高响应数字励磁系统，响应时间 ⩽0.1s ，结合 PID+ 模糊控制算法，实时稳定低负荷时的励磁电流，将电压波动控制在 ±1.5% 内。加装先进 PSS 抑制 1-2Hz 低频振荡，降低快速变负荷时的功角摇摆风险。扩展运行边界，通过真机试验将最低稳定负荷降至 15% Pe，明确各负荷段励磁电流与定子电压限值。优化氢冷系统，实现氢压自适应调节，解决低负荷下定子端部过热问题，保障宽负荷区间安全运行。

3.2 变压器与输电系统优化

变压器与输电系统优化需双向发力。主变、高厂变采用有载调压改造，分接头调节响应 ⩽5s ，配合智能温控系统，实时适配负荷波动，将温升控制在 75K 内，延缓绝缘老化。加装振动监测装置，预警绕组松动风险。输电侧配置 STATCOM， 20ms 内补偿无功缺额，维持母线电压波动 ⩽±2% 。关键线路加装 TCSC，抑制甩负荷时的暂态过电压，提升线路输送能力，保障灵活工况下能量传输稳定。

3.3 厂用电系统优化

厂用电系统优化需以可靠性提升与电能质量治理为核心，构建高效稳定的供电体系。采用双回路冗余供电架构，搭配快速切换装置（切换时间 ⩽50ms ），可在单回路故障时实现毫秒级电源切换，有效避免辅机因瞬时电源波动停运，保障机组连续运行。针对高耗能辅机，实施高压变频驱动改造（效率 ⩾97% ），通过负荷与转速的线性调节机制，动态匹配工况需求，大幅降低能耗损失。在变频设备集中区域加装有源电力滤波器（APF），将谐波治理率提升至 95% 以上，确保系统总谐波畸变率（THD） ⩽5% ，消除谐波对设备的干扰。配置动态电压恢复器（DVR）应对负荷骤变引发的电压跌落（ ⩽10% 额定值），为PLC、DCS 等敏感控制设备提供稳定电压环境，增强机组在调峰过程中的运行灵活性，全面提升厂用电系统的安全与经济性。

3.4 继电保护与自动化系统优化

继电保护与自动化系统优化需适配灵活工况。采用智能保护装置，内置多套定值（对应不同负荷区间），与 DCS 实时通信实现 100ms 内自动切换，新增低负荷失磁判别逻辑防误动。升级 DCS/PLC 控制周期至 100ms ，优化机 - 电 - 炉协同逻辑，提前 10s 下发辅机指令。部署边缘计算节点，实时负荷预测误差 ⩽3% ，支撑无功补偿超前调节，保障系统动态响应。

3.5 与电网调度的协同优化

与电网调度的协同优化需强化响应精度与交互效率。升级 AGC 策略，采用 “前馈 + 反馈” 控制，调节死区缩至 ±0.5% Pe，响应时延⩽10s ，满足 ±5%Pe/h 调节需求。AVC 引入电压 - 无功灵敏度矩阵，动态分配无功调节量。搭建厂网数据平台，实时上传机组状态，接收三级调度指令。优化一次调频调差率至 2% ，提升辅助服务收益，支撑新能源并网消纳。

总结

火电厂灵活性改造中，电气系统适应性优化围绕提升调峰能力展开。通过发电机励磁升级、变压器调压改造、厂用电谐波治理等措施，解决了宽负荷下的电压波动、设备老化等问题。优化后，机组 AGC调节速率达 ±5%Pe/h 以上，一次调频响应 ⩽1s ，电压波动控制在±1.5% 内，厂用电 THD⩽5% ，满足电网协同需求。评估显示，设备安全与经济性指标达标，为火电厂参与新能源消纳、支撑新型电力系统提供了可靠的电气系统支撑。

参考文献：

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