随着可再生能源渗透率持续提升，燃煤火电机组需在40%汽轮机热耗率验收(THA)工况以下的超低频负荷区间提供可靠的一次调频(PFR)支撑，而现有电网导向模型采用固定锅炉蓄热系数，易引发显著仿真偏差。针对上述瓶颈，研究人员构建了适用于次临界汽包锅炉机组的动态PFR模型，在PFR时间尺度内显式刻画锅炉瞬态传热、相变及压力/流量耦合过程；同时提出基于稳态分布式控制系统(DCS)的初始化与参数辨识方法，可在无需扰动试验的前提下实现关键锅炉参数的变工况更新。以600 MW次临界火电机组为对象，在30% THA与40% THA工况下开展验证：相较于标准模型，所提模型将功率输出仿真平均精度由77.91%提升至91.70%，主蒸汽压力仿真平均精度由90.58%提升至96.93%，且更真实地复现了PFR过程中蒸汽流量突增、随之而来的压力跌落及对应功率响应特征。机理分析进一步表明，机组在40% THA工况下的PFR能力优于30% THA工况，但该差异随调节汽阀开度增大逐渐收窄。该模型为评估次临界火电机组超低频负荷下的真实PFR能力提供了兼具物理可解释性与计算高效性的工具。
研究背景方面，高比例可再生能源并网使电力系统频率稳定面临严峻挑战。风电、光伏及储能等电力电子设备的大规模接入导致系统同步惯量缺失，火电机组将在中长期内承担最可靠的PFR责任，需在电网频率偏差越出死区后的60秒内提供精准支撑。然而现行调度采用的PFR模型多基于额定负荷构建，未考虑锅炉动态特性，尤其无法适配低于40% THA的超低频负荷工况——此时机组多采用滑压运行，主蒸汽压力随负荷动态变化，传统固定蓄热系数假设会引发显著仿真失真。2015年华东电网因功率缺额3.55%引发0.41 Hz频率跌落的事件已暴露出现有模型的局限性。现有锅炉建模分为仿真软件建模、数据驱动建模与机理建模三类，但均存在电网仿真适配性、精度与速度的不平衡：商用仿真软件计算效率低难以在线应用；数据驱动模型缺乏物理解释性，无法覆盖宽工况；传统机理模型参数固定、未考虑PFR短时段内的传热细节，难以准确反映超低频负荷特性。针对占电网41%装机容量的次临界汽包锅炉机组，亟需开发适配超低频负荷的PFR动态模型。
研究人员针对上述问题，开展了三项核心工作：一是建立PFR时间尺度（≤60 s）内的汽包锅炉分布参数动态模型，采用热流法分析传热动态，同时考虑工质物性变化，描述传热、相变与流动过程；二是提出基于稳态DCS数据的初始化与参数辨识方法，可在无扰动试验条件下更新变工况关键参数；三是将所建锅炉动态模型嵌入电液伺服系统与汽轮机模型之间，修正传统PFR模型，并以600 MW次临界汽包锅炉机组为对象，在30% THA与40% THA工况下开展PFR试验完成验证。
关键技术方法方面，研究人员选取600 MW次临界汽包锅炉机组作为建模与验证对象，采集DCS记录的稳态结构参数与锅炉热工参数；构建包含瞬态传热、相变、压力/流量耦合的汽包锅炉分布参数动态模型，摒弃固定锅炉蓄热系数假设；开发基于稳态DCS数据的参数辨识算法，实现变工况下模型参数的无扰动更新；设计对比试验，将所提模型与传统BPA标准模型、改进模型在30% THA与40% THA工况下的PFR动态响应进行对标验证。
研究结果部分，研究人员首先完成了模型框架构建。在标准PFR动态模型（含锅炉与汽轮机模块）基础上，结合电网仿真对精度与速度的要求进行合理简化，明确燃烧过程燃料指令至热量释放存在数分钟延迟等假设，确保模型适配电力系统暂态仿真需求。
案例验证环节，研究人员在30% THA与40% THA两个超低频负荷工况下开展现场热工试验，采集DCS实时数据。通过与传统模型对比发现：所提模型将功率输出仿真平均精度从77.91%提升至91.70%，主蒸汽压力仿真平均精度从90.58%提升至96.93%；同时更精准复现了PFR过程中蒸汽流量快速上升、主蒸汽压力随之下降及对应功率响应的动态轨迹，解决了传统模型无法捕捉压力-流量耦合效应的缺陷。
结论部分，研究人员证实：所开发的增强型动态PFR模型通过耦合机理锅炉模型与标准调速器-汽轮机框架，突破了传统固定参数方法的局限，在PFR时间尺度内显式表征瞬态传热、相变与压力/流量动态，并利用稳态DCS数据实现变工况参数更新。基于该模型的机理分析表明，机组在40% THA工况下的PFR能力强于30% THA工况，但该差异随调节汽阀开度增大逐渐收窄。该研究为次临界火电机组超低频负荷下的PFR能力评估提供了兼具物理可解释性与计算效率的工具，可直接服务于新型电力系统频率安全分析与调度决策。
讨论部分，研究人员指出，现有模型普遍存在的电网适配性、精度与速度失衡问题，本质是对超低频负荷下锅炉内部工质传热、相变及压力耦合机制的刻画不足。所提模型通过分布参数建模与无扰动参数辨识，实现了物理机制与电网仿真需求的平衡，既避免了商用软件的计算冗余，又弥补了数据驱动模型的可解释性缺陷。研究成果不仅提升了超低频负荷下火电机组PFR仿真的可信度，更为深入理解变负荷工况下“蒸汽流量提升-主蒸汽压力下降”的竞争机制提供了量化工具，对高比例可再生能源电力系统的频率稳定控制具有重要工程应用价值。论文发表于《Energy》。
