許海斌

吉林省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，吉林長(zhǎng)春 130022

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，民營(yíng)企業(yè)為了提高經(jīng)濟(jì)效益，很多如鋼鐵、電解鋁、水泥、化工、造紙等高耗能行業(yè)紛紛建立了自備電廠，由于種種原因而不能并入電網(wǎng)，由一臺(tái)機(jī)或幾臺(tái)機(jī)組成局域網(wǎng)（孤網(wǎng)）運(yùn)行。由于局域網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組數(shù)量少，系統(tǒng)容量小，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，調(diào)整不好，往往會(huì)造成系統(tǒng)頻率大幅波動(dòng)，甚至引起機(jī)組跳閘，全廠停電，造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，討論局域網(wǎng)運(yùn)行具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文結(jié)合我院設(shè)計(jì)的新疆東方希望有色金屬有限公司動(dòng)力站工程，從系統(tǒng)角度對(duì)局域網(wǎng)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定、潮流分布等進(jìn)行了分析、計(jì)算。

1 概述

新疆東方希望有色金屬有限公司動(dòng)力站工程是大型電解鋁和電力一體化工程，其中電解鋁電力負(fù)荷約4×678MW。與電解鋁配套建設(shè)大型火電動(dòng)力站，動(dòng)力站本期裝機(jī)規(guī)模為2×125MW+5×350MW。留有擴(kuò)建條件。一期電網(wǎng)規(guī)模：電解鋁變電站2 座，負(fù)荷2×678MW，動(dòng)力站2 座共7 臺(tái)機(jī)組，裝機(jī)分別為2×125MW 和5×350MW。具體見(jiàn)下表1。

表1 東方希望局域網(wǎng)規(guī)模

2 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

一期電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖1 7 臺(tái)機(jī)組時(shí)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方案示意圖

3 計(jì)算和分析

3.1 前提條件

采用軟件中國(guó)電科院PSASP7.0 版對(duì)潮流、暫穩(wěn)、動(dòng)穩(wěn)進(jìn)行了有針對(duì)性的計(jì)算。計(jì)算負(fù)荷取到所接母線(xiàn)，根據(jù)運(yùn)行的實(shí)際情況，負(fù)荷功率因數(shù)為0.91。

正常運(yùn)行情況下潮流電壓范圍為額定電壓的0.95 ～1.05倍，處于網(wǎng)絡(luò)受端的母線(xiàn)取低值；無(wú)功按分區(qū)分層平衡考慮。發(fā)電機(jī)按PV 節(jié)點(diǎn)考慮，端點(diǎn)電壓取發(fā)電機(jī)額定電壓，功率因數(shù)按大于等于0.85 考慮。

穩(wěn)態(tài)模型中發(fā)電機(jī)組均采用考慮直軸、交軸阻尼繞組的5階通用模型。汽輪機(jī)采用串聯(lián)、一次再熱的高、中、低壓三缸模型（350MW 機(jī)組）；考慮電液DEH 調(diào)速系統(tǒng)(含調(diào)節(jié)系統(tǒng)和伺服機(jī))作用?？紤]鍋爐主汽壓力模型。廠用負(fù)荷均采用40%的恒阻抗+60%感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型；電解鋁負(fù)荷采用96%恒阻抗+4%的電動(dòng)機(jī)模型。

電解鋁是直流串聯(lián)負(fù)荷，由整流機(jī)組實(shí)現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換為其供電，供電安全可靠性要求較高，屬于不可停電負(fù)荷，每個(gè)40 萬(wàn)噸整流系列具有以下特點(diǎn)：

1）正常7 臺(tái)整流機(jī)組運(yùn)行方式，切除一臺(tái)，造成電解系列減負(fù)荷約93MW，N-1 即6 臺(tái)整流機(jī)組運(yùn)行方式，切除一臺(tái)，造成電解系列減負(fù)荷約110MW；

2）正常7 臺(tái)方式可以切除2 臺(tái)整流機(jī)組，造成電解系列減負(fù)荷約186MW；N-1 方式只能切除1 臺(tái)機(jī)組，超過(guò)這個(gè)數(shù)量整流整流機(jī)組過(guò)載將全部保護(hù)跳閘；

3）電解鋁負(fù)荷功率穩(wěn)定，短時(shí)停電造成的影響很小，但長(zhǎng)時(shí)間停電會(huì)帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)損失甚至整個(gè)電解鋁系列全部報(bào)廢。

3.2 潮流

表2 為發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的功率平衡情況。由表可見(jiàn)，該局域網(wǎng)一期備用率為34%。

機(jī)組數(shù)量 最大出力MW 125MW機(jī)組數(shù)一期 5 0 2 1817.5 1356 34%注：350、220、125 機(jī)組廠用分別按9%、9%和10%考慮階段最大負(fù)荷MW 350MW機(jī)組數(shù)220MW機(jī)組數(shù)備用率

正常方式潮流如下圖2 所示。

由以上潮流圖可知，潮流分布合理，電壓正常。為了限制短路電流，機(jī)組升壓變的短路阻抗為18%，再加上電解鋁負(fù)荷功率因數(shù)為0.91，所以局域網(wǎng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在額定功率因數(shù)0.85左右。

3.3 暫態(tài)穩(wěn)定

東方希望局域網(wǎng)非常緊湊，各個(gè)發(fā)電機(jī)同步性很好，功角很難拉開(kāi)，也就是暫態(tài)穩(wěn)定性好，暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 動(dòng)力站-鋁廠單回線(xiàn)三相短路0.12s 跳開(kāi)穩(wěn)定曲線(xiàn)

3.4 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定

圖4 一期1 臺(tái)機(jī)組跳閘角頻率曲線(xiàn)

圖5 一期1 臺(tái)機(jī)組跳閘切270MW 負(fù)荷角頻率曲線(xiàn)

系統(tǒng)存在有功功率缺額時(shí)表現(xiàn)為頻率偏低，此時(shí)電廠輔機(jī)達(dá)不到出力要求，進(jìn)一步降低發(fā)電機(jī)組出力，形成惡性循環(huán)；頻率偏低時(shí)還會(huì)引起系統(tǒng)無(wú)功損耗增大，降低系統(tǒng)電壓水平；更為嚴(yán)重的是影響汽輪機(jī)葉片壽命甚至導(dǎo)致葉片斷裂。當(dāng)系統(tǒng)頻率低于48.5Hz 時(shí)機(jī)組會(huì)在一定延時(shí)后通過(guò)切機(jī)進(jìn)行自我保護(hù)，后果就是整個(gè)系統(tǒng)解列甚至崩潰。

故局域網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行面臨的主要問(wèn)題是頻率穩(wěn)定問(wèn)題。以下對(duì)各個(gè)階段發(fā)生機(jī)組跳閘后的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了仿真并輸出顯示了角頻率隨時(shí)間的變化，如圖4 ～圖6 所示。圖中顯示，發(fā)生機(jī)組跳閘故障對(duì)系統(tǒng)頻率影響很大。

一期7 機(jī)系統(tǒng)掉1 臺(tái)機(jī)頻率最低降到約40Hz 左右。如果對(duì)應(yīng)切除3 臺(tái)整流機(jī)組約270MW 負(fù)荷，頻率就會(huì)快速穩(wěn)定在50Hz 附近；如果只是切除2 臺(tái)整流機(jī)組約180MW 負(fù)荷，頻率就會(huì)穩(wěn)定在49.85Hz 附近，但波動(dòng)時(shí)間會(huì)稍長(zhǎng)。

圖6 一期1 臺(tái)機(jī)組跳閘切180MW 負(fù)荷角頻率曲線(xiàn)

3.5 各種工況下的功率平衡

為確定各種可能的機(jī)組和負(fù)荷的組合方式，以下給出工程一期各種機(jī)組組合方式下的功率平衡表，表中350MW 機(jī)組廠用9.0%，220MW 機(jī)組廠用9.0%，125MW 機(jī)組廠用10%。由表2 可見(jiàn)，一期電解鋁正常生產(chǎn)最低限度為4×350MW+1×125MW 機(jī)組滿(mǎn)出力運(yùn)轉(zhuǎn)。

表2 一期各種情況下功率平衡表

5 結(jié)論

綜上所述：

1）局域網(wǎng)動(dòng)力站機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)必須維持在0.85 附近，因?yàn)樨?fù)荷和升壓變需要消耗較多的無(wú)功功率；

2）局域網(wǎng)電源跟負(fù)荷之間基本沒(méi)有電氣距離，機(jī)組之間功角很難拉開(kāi)，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性能良好；

3）隨著東方希望局域網(wǎng)的完善，其獨(dú)立運(yùn)行的可靠性安全性會(huì)越來(lái)越高。

4）為了確保發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行和用電負(fù)荷的可靠供電，需配置一套安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)。

5）局域網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行還需要從機(jī)組配置、調(diào)試、熱控控制、電氣接線(xiàn)及運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)、能力的提高，并建立統(tǒng)一的調(diào)度中心等方面入手。

[1]鄭良華.孤網(wǎng)運(yùn)行實(shí)踐.吉林電力有限公司電力科學(xué)研究院.吉林電力，2008(2).

[2]黃青.孤網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)探討.包頭市東方希望鋁業(yè)有限公司自備電廠.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2010(12).