發電單元

火力發電單元協調控制作為單元機組的主控系統，對於單元機組運行的安全性、調節響應的快速性，以及機組參與調峯、調頻的能力都有重要影響。

火力發電單元通常由鍋爐、汽輪機、發電機組成，其結構示意圖如下圖《火力發電單元結構示意圖》所示。在發電單元運行過程中，鍋爐、汽輪機、發電機共同完成上層調度的指令，適應外部負荷的變化，同時也要共同保證內部關鍵物理量的穩定，例如機組轉速和主蒸汽壓力是單元機組安全穩定運行的關鍵變量。

多數發電單元在設計協調控制策略時，均不考慮電網負荷變化對發電機組的影響，只是在保證主汽壓力平穩的同時，響應上層調度的有功指令。此種考慮適用於平穩運行工況，此時發電機將從汽輪機處得到的機械功率轉換為電磁功率，整個過程很快，轉速波動很小，因此目前研究採用的假設是認為汽輪機輸出的機械功率P_M 與發電機向電網輸送的電磁功率P_E 相等。由於該假設忽略了發電機環節的動態特性，發電單元協調控制目標中的電磁功率P_E就被機械功率P_M 替代。

火力發電單元運行包括爐跟機、機跟爐、以及機爐協調運行方式。爐跟機運行方式，意味着“按需調節”，汽輪機以滿足能量需求（上層指令或外界負荷需求）為控制目標，需要多少就供給多少；機跟爐運行方式意味着“按供調節”，鍋爐在不超過其能量供應能力的約束下能供多少就供多少。現有的協調控制策略本質上是爐跟機與機跟爐運行方式的折衷，互相向對方靠攏的結果。目前常用的火力發電單元模型有發電單元簡化模型和發電單元整體模型 ^[2]  。

發電單元簡化模型的前提是假設汽輪機輸出的機械功率與發電機輸出的電磁功率相等，不考慮發電機轉速的變化。目前，在多數與發電單元能量轉化相關問題的研究中，設計相關控制策略時，考慮的工況均是發電單元接到上層調度的指令，不考慮電網負荷變化對發電單元的影響，在保證主蒸汽壓力盡量平穩的同時，增減鍋爐的燃料投放量，迅速響應上層的有功調度指令。

在此運行工況下，發電機的功能僅僅是將從汽輪機處得到的機械功率轉變為電磁功率，該能量轉化過程快，同時汽輪機汽門處蒸汽做功能力很難直接測量，故目前研究採用的假設是認為機械功率!與發電機向電網輸送的電磁功率相等。

這種假設本質上是忽略發電機環節的動態特性，進而將發電單元簡化為雙輸入、雙輸出的機爐系統，其有功控制的輸出本質上是機械功率 。典型發電單元模型框圖如下，該模型是在對鍋爐、汽機動態及工質做功過程中各個部分的能量供需關係研究的基礎上。從物質平衡、容積平衡和能量平衡角度構造的，體現出機爐對象的兩 個本質非線性特徵：汽包壓力和主蒸汽壓力差值同蒸汽流量存在的平方根關係；主蒸汽流量同主汽門開度和主汽壓力的乘積成比例關係 ^[1]  。

發電單元完整模型中包括了發電機的動態過程，發電機將汽輪機提供的機械能轉化為電磁能供給電網負荷。其中發電機轉子轉速與電網頻率密切相關。

基於發電單元簡化模型設計協調控制策略，本質上是將發電單元作為一個孤立的系統進行分析，只能反映發電單元接受有功指令後“汽輪機提供多少能量”，不能反映電力系統緊急狀態下區域有功失衡，負荷快速變化向發電單元機組“強行”索取能量（來自發電機的旋轉動能）的情況。發電單元機組在緊急狀態下供給電網的電磁功率P_E與來自汽輪機的機械功率P_M之間會存在明顯差異，顯然不可再用P_M近似替代P_E。因此，將電磁功率作為協調控制目標之一，並針對多種運行工況設計協調控制策略，使用發電單元完整模型是非常必要的。

火力發電單元是由鍋爐’汽輪機發電機三部分組成，下圖《火力發電單元完整模型框圖》是發電單元整體模型框圖，完整描述了發電單元內部能量轉化過程 ^[2]  。

利用可再生能源發電的分佈式發電單元通常包含光伏發電、風力發電、微型燃氣輪機、燃料電池等發電設備，以及相應的功率變換設備、用電負載和儲能單元等組成部分。分佈式發電單元一般都利用特定的方式將各個發電設備的輸出互聯起來，以發揮電能互補作用，提高整個系統供電的可靠性和穩定性。

各組發電源通過功率變換設備與系統公共的直流母線互聯，輸出的直流電能供給連接到母線上的負載和其它用户，這類的分佈式發電系統稱為直流分佈式電力系統（DC Distributed Power System）。直流並聯技術簡單可靠，將其運用到利用可再生能源發電的分佈式系統中，依託高壓直流輸電技術的日漸成熟，直流分佈式電力系統有更廣闊的發展和應用空間。

直流分佈式發電單元通常都有公共的母線，電源側為各種性質的發電源，這些發電源或者供電設備經過各自的接口功率變換器輸出穩定的直流電能供給直流母線。例如，光伏發電系統中太陽能電池的功率變換器一般為 Boost 斬波電路，工作在最大功率點跟蹤（Maximum powerpoint tracking，MPPT）模式下。同時，各種類型的負載通過功率變換設備並聯到直流母線上獲取電能，或者通過逆變裝置將電能饋送至大電網中。

直流分佈式電力系統中的組成單元進行阻抗界定：以直流分佈式電力系統的母線為分界面，各種發電設備及其功率變換器組成了系統的電源模塊，而負載及其功率變換器則為系統的負載模塊，電源模塊和負載模塊通過直流母線連接。其中，Z₀為系統電源模塊的等效總輸出阻抗，Z_i為系統負載模塊等效負載總輸入阻抗 ^[3]  。

發電單元簡化模型在電力系統穩定運行時尚可接受，但在電力系統緊急狀態下，發電機與電網之間的動態能量交換較大，汽輪機輸出的機械功率與發電機輸出的電磁功率之間相差較大，上述假設將不再成立。此時，應考慮發電機環節的動態性能，有必要基於發電單元完整模型（即機爐電模型，包括鍋爐、汽輪機和發電機的模型）設計協調控制策略。

考慮發電機環節的發電單元整體模型，通過本機轉子轉速的變化，感知整個系統有功平衡的情況，將發電單元的自身安全運行和系統安全運行綜合考慮，為發電單元的有功協調控制提供了新的思路，但與此同時相應的系統結構也變得複雜 ^[1]  。