构建以新能源为主体的新型电力系统是实现“双碳”目标的重要手段和必由之路。然而,新能源的大规模并网给燃煤机组提出了新的挑战。燃煤机组需要逐步完成由基荷电源向灵活性电源的转变。随着针对纯凝机组的供热改造逐渐展开,热电联产机组在燃煤机组中的比重也将稳步提升。未来热电联产机组在供热季可能需要同时面对严峻的调峰调频和供热任务,需要机组具备快速的负荷响应速率和调节深度。然而,热电联产机组由于热电耦合的作用,目前所能提供的灵活性供给能力无法满足电网日益增长的灵活性需求。面对这种情况,本文以提高热电联产机组运行过程中的灵活性为目标,从机-炉-热非线性系统动态建模、面向负荷响应速率提升的机-炉-热协调控制、面向宽负荷灵活运行的机-炉-热协调控制、基于热电解耦的电热协调控制与调度等方面展开研究,主要内容包括以下4个部分。1.针对反映热电联产机组输入输出运行特性的建模问题,通过分析工质在汽包炉和直流炉热电联产机组的机-炉-热系统中受热膨胀做功过程中的运动机理,依据质量平衡与能量平衡定律,结合系统在稳态和动态过程中的历史运行数据,建立了反映机-炉-热系统运行特性的非线性动态数学模型。通过开环与闭环测试,验证了非线性模型的准确性。结果表明,直流炉热电联产机组机-炉-热系统的非线性模型精度在90.03%以上,可以为控制系统的设计提供支撑。2.针对热电联产机组在稳态工况点附近的灵活控制问题,提出了一种面向负荷响应速率提升的机-炉-热协调控制策略,通过为输入与状态矩阵分配相应的线性二次型调节器权重矩阵,使热源在变负荷初期主动响应电负荷的变化,在不对供热产生明显影响的前提下,提高机组对电网负荷指令的响应速率。与此同时,通过重构供热质量信号与电热一体化信号,并设计相应的控制回路,实现了热源的快速恢复与机-炉-热系统的精准能量平衡。两种负荷工况下的仿真结果表明,优化后的机-炉-热协调控制策略的自动发电控制性能指标相比传统协调控制策略分别提高了 22.3%和24.1%。3.针对热电联产机组在宽负荷运行时的灵活控制问题,提出了一种基于离线强化学习的机-炉-热协调控制策略,保证机组的电负荷与热负荷在不同的运行模式下均具备良好的响应与跟踪能力。在离线环境构建方面,采用了多个多层感知机网络集成模式,以解决单个网络模型可能出现的过拟合。考虑到锅炉侧的迟延与惯性,以及机组在不同运行模式下的控制要求,设置合适的环境状态与奖赏。通过具有最大熵模型的软演员评论算法实现策略训练,以保证在多变的工况与目标下具有更强的搜索能力。结果表明,在离线强化学习的作用下,机组在不同运行模式下的负荷跟踪能力都强于传统控制策略。4.针对热电联产机组在热电解耦后的灵活控制与调度问题,首先提出了一种蓄热罐参与下的机-炉-热-蓄协调控制策略,通过蓄热罐的动态调节,解决热源主动响应电网负荷指令后的恢复问题,减小电负荷波动对热负荷的影响。进一步地,基于蓄热罐与碳捕集设备对热电联产机组热电解耦的积极作用,提出了一种基于热电解耦的电热协调调度策略,定量化地描述了热电解耦设备对新能源消纳的促进作用。结果表明,在蓄热罐和碳捕集系统的作用下,电热综合能源系统的弃风率和弃光率由3.87%和9.69%下降到1.48%和0.08%。