徐 思 佳

(中國電建集團江西省電力設(shè)計院有限公司，330000，南昌)

0 引言

國內(nèi)實現(xiàn)獨立電網(wǎng)運行的企業(yè)很少，大多集中在造紙、紡織、氧化鋁、糧食加工、小化工等負(fù)荷分散平穩(wěn)容量較小的行業(yè)[1-5]。而對于鎳鐵爐這種負(fù)荷集中、波動很大的用電負(fù)荷，長期獨立電網(wǎng)運行的企業(yè)很少。國內(nèi)外有以下幾個企業(yè)的情況與本文研究的獨立電網(wǎng)類似：1)某企業(yè)裝備4臺135 MW機組、2臺50 MW背壓機，帶了4組共30余臺12.5 MW以上硅鐵爐，運行了2 a多；2)甘肅金川印尼北馬魯古省奧比島鋼鐵項目，建設(shè)4套33 MW的鋼鐵合金冶煉爐生產(chǎn)線，配套建設(shè)自備電廠，裝備3×220 t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐、3×50 MW純凝汽輪發(fā)電機組，配備20 MW電負(fù)荷平衡系統(tǒng)及機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)；3)青山集團印尼北北蘇鋼鐵項目，一期建設(shè)4套33 MW的鋼鐵合金冶煉爐生產(chǎn)線，配套建設(shè)自備電廠，裝備2×65 MW純凝汽輪發(fā)電機組。配備20 MW電負(fù)荷平衡系統(tǒng)，于2014年初投產(chǎn)至今。三期新上3×350 MW機組，增加軋鋼生產(chǎn)線，負(fù)荷波動加劇，為了節(jié)省投資，配置的40 MW電平衡系統(tǒng)，但在投用后發(fā)現(xiàn)電平衡容量不夠，不得不緊急追加20 MW電負(fù)荷平衡系統(tǒng)，造成工期延誤和經(jīng)濟損失。

以上獨立電網(wǎng)與本文的并網(wǎng)電廠相比，存在以下幾個明顯區(qū)別[6-8]：1)裝備了電負(fù)荷平衡裝置，用于平衡礦熱爐的負(fù)荷沖擊；2)裝備了機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)，自建了電網(wǎng)的管理控制功能；3)對發(fā)電廠的主輔機的控制性能和電源適應(yīng)性提出了更高的技術(shù)要求。

為了提高運行經(jīng)濟性，本文所涉及的鎳鐵項目急需尋求獨立電網(wǎng)運行。可是，獨立電網(wǎng)運行面臨著幾個難以解決的問題[9-11]：1)獨立電網(wǎng)的發(fā)電機組數(shù)量較少，導(dǎo)致儲備的動能和熱力勢能很小，因而獨立電網(wǎng)會受到用電負(fù)荷的沖擊；2)較少的發(fā)動機導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性降低；3)較少的鎳鐵爐導(dǎo)致負(fù)荷波動較為頻繁，較大范圍的負(fù)荷沖擊會作用于獨立電網(wǎng)；4)缺少大電網(wǎng)的協(xié)助，難以維持電壓和頻率的可靠性。

本文的設(shè)計目標(biāo)是：鎳鐵爐、不銹鋼生產(chǎn)線及其自備電廠能夠獨立運行，供電質(zhì)量滿足用電設(shè)備的需求，接近大電網(wǎng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。參照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求如下：在出現(xiàn)機組跳閘、線路故障等極端故障，應(yīng)避免電網(wǎng)崩潰，供電頻率允許偏差不應(yīng)超過± 2.0 Hz。公共電網(wǎng)電壓不平衡度允許值為2%，短時為4%。

1 獨立電網(wǎng)問題分析

獨立電網(wǎng)運行時，機組側(cè)發(fā)電量與下游用電量需保持實時動態(tài)平衡，如果出現(xiàn)不平衡，在毫秒級的時間內(nèi)，電網(wǎng)頻率、電壓就會出現(xiàn)偏差，不平衡量越大，出現(xiàn)偏差越大，而鎳鐵冶煉負(fù)荷波動頻繁、波動幅度較大。因此，如何提高多臺機組實時動態(tài)響應(yīng)能力，如何解決發(fā)電量與用電量的實時匹配問題，成為獨立電網(wǎng)運行中需解決的主要技術(shù)難點。

1.1 負(fù)荷特性分析

1.1.1 用電負(fù)荷狀況 按照青島印尼項目電廠項目總體規(guī)劃，項目現(xiàn)有6×65 MW發(fā)電機組擬為獨立電網(wǎng)運行，直接向下游鎳鐵生產(chǎn)線(33 MVA 的鎳鐵爐)提供所需電力。

1.1.2 鎳鐵爐負(fù)荷特性綜述 鎳鐵爐是鎳鐵冶煉工藝中的主要用電設(shè)備。鎳鐵爐具有非線性、時變、多參量等特性。綜合阻抗由鎳鐵爐變壓器、鎳鐵爐短網(wǎng)、爐內(nèi)等3個部分阻抗組成。其中，變壓器阻抗與有載開關(guān)檔位有關(guān)；短網(wǎng)阻抗一般為一定值；爐內(nèi)阻抗與原料成分、溫度、布料情況、電極插入深度，且伴隨著冶煉過程的進行等諸多因數(shù)而變化。鎳鐵爐變壓器一次側(cè)功率不穩(wěn)定，出現(xiàn)經(jīng)常性波動和負(fù)荷突變現(xiàn)象，且存在三相負(fù)荷不平衡，甚至缺相或短路等現(xiàn)象。運行操作根據(jù)爐內(nèi)阻抗值來選擇合適的電極電壓。爐內(nèi)阻抗較大時，提高電極電壓，來獲得較大的功率，以熔化物料。爐內(nèi)阻抗較小時，降低電極電壓，將電流控制在電極和變壓器允許電流范圍內(nèi)。鎳鐵爐工況說明如表1所示。

表1 鎳鐵爐運行工況表

1.2 發(fā)電機組的特性分析

由于鎳鐵負(fù)荷的波動可能會造成瞬時15%的負(fù)荷沖擊，然而在獨立電網(wǎng)中發(fā)電量必須與用電量相平衡，按照一般鍋爐和汽機輪的可控能力，無法滿足動態(tài)穩(wěn)定的要求。

發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換過程如圖1所示。鍋爐將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為蒸汽熱能，汽輪機將熱能轉(zhuǎn)換為發(fā)電機組的動能，發(fā)電機將動能轉(zhuǎn)換為電能，提供給用電側(cè)使用[12-13]。一旦用電側(cè)出現(xiàn)負(fù)荷波動，必然會影響整個能量的轉(zhuǎn)換過程。

圖1 發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過程

根據(jù)理論分析和經(jīng)驗總結(jié)，獨立電網(wǎng)中存在以下各類風(fēng)險。

1)無功沖擊和暫態(tài)穩(wěn)定水平下降造成功角振蕩的風(fēng)險。假如獨立電網(wǎng)出現(xiàn)故障，會出現(xiàn)無功儲備不足的現(xiàn)象，會影響電壓的穩(wěn)定性。

2)發(fā)電機組壽命損耗加速的風(fēng)險。影響發(fā)動機壽命的因素：頻度、幅度、軸系的扭振。

3)發(fā)電機組失去廠用電的風(fēng)險。因為發(fā)電機組失去廠用電的風(fēng)險高于大網(wǎng)，所以各方面的設(shè)備會經(jīng)受更多的考驗。

4)獨立電網(wǎng)與大網(wǎng)的特性差異對于負(fù)荷影響的風(fēng)險。獨立電網(wǎng)的短路容量較小，與大網(wǎng)的特性存在較大的差異。如果電氣保護沒有考慮這一因素，將會導(dǎo)致保護延時動作，電氣參數(shù)波動過大，對獨立電網(wǎng)造成巨大風(fēng)險。

5)機組方面。由于機組數(shù)量少，缺少外部大電網(wǎng)的支撐，且下游鎳鐵冶煉時負(fù)荷波動大，對系統(tǒng)頻率、電壓的沖擊影響大，如果出現(xiàn)單臺機組非停，將直接影響鎳鐵生產(chǎn)。

2 獨立電網(wǎng)技術(shù)解決方案及分析

2.1 構(gòu)建獨立電網(wǎng)事故時穩(wěn)定控制的五道防線

在大型電網(wǎng)中，電力系統(tǒng)3道防線的概念[14]被提出，是為了避免獨立電網(wǎng)大面積停電和安全穩(wěn)定運行。其中電力系統(tǒng)的3道防線如圖2所示。

圖2 電力系統(tǒng)控制階段示意圖

以電力系統(tǒng)3道防線為基礎(chǔ)，為實現(xiàn)獨立電網(wǎng)運行的安全目標(biāo)，認(rèn)為必須針對各種可能的事故工況建立完善的調(diào)整和保護措施，設(shè)置5道防線來應(yīng)對獨立電網(wǎng)各種工況。本文將其稱之為獨立電網(wǎng)系統(tǒng)的5道防線，如圖3所示。

圖3 獨立電網(wǎng)系統(tǒng)的五道防線

防線1：合理設(shè)置元件保護，該防線的目的是在第一時間將故障與電網(wǎng)隔離。企業(yè)電網(wǎng)發(fā)生故障時，故障后100 ms內(nèi)或能識別出故障的第1時間主動將故障部分的網(wǎng)絡(luò)隔離。

防線2：供電網(wǎng)絡(luò)快速重構(gòu)系統(tǒng)，該防線在故障切除后10 ms內(nèi)動作，100 ms內(nèi)完成，從而實現(xiàn)對斷電負(fù)荷的不停運恢復(fù)供電。供電網(wǎng)絡(luò)快速重構(gòu)主站根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)選擇供電恢復(fù)路徑；在出現(xiàn)獨立電網(wǎng)時，進行快速同期合閘，恢復(fù)電網(wǎng)的聯(lián)通性和完整性。

防線3：全網(wǎng)緊急汽電協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。該防線在獨立電網(wǎng)后200 ms內(nèi)，在頻率、電壓還沒發(fā)生大的偏移之前，通過一系列快速功頻控制措施，恢復(fù)發(fā)電、負(fù)荷的平衡，并保持主蒸汽壓力安全。

防線4：低頻低壓減載和高頻切機控制。當(dāng)穩(wěn)控聯(lián)切等緊急機網(wǎng)協(xié)調(diào)措施不能將獨立電網(wǎng)頻率限制在安全頻率和電壓范圍之內(nèi)時，啟動該防線將已經(jīng)惡化的頻率和電壓恢復(fù)到安全范圍。該防線在穩(wěn)控系統(tǒng)中實現(xiàn)。

防線5：最小發(fā)電系統(tǒng)：在穩(wěn)控最后防線仍然不能維持電網(wǎng)穩(wěn)定的情況下，將電網(wǎng)切成具有發(fā)電能力的最小系統(tǒng)，從而為企業(yè)電網(wǎng)的自動恢復(fù)提供電力并維持最基本的重要負(fù)荷。該防線在穩(wěn)控系統(tǒng)中實現(xiàn)。穩(wěn)控裝置的具體措施為向各發(fā)電機組DCS控制系統(tǒng)發(fā)出FCB(Fast cut back)指令，機組DCS系統(tǒng)按預(yù)設(shè)的FCB程序切斷機組并網(wǎng)斷路器，啟動汽輪機組旁路系統(tǒng)，開啟鍋爐安全閥，最終汽輪發(fā)電機組帶自身廠用電系統(tǒng)孤島運行，當(dāng)電網(wǎng)從異常工作狀態(tài)恢復(fù)后快速重新并網(wǎng)。

2.2 機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)

2.2.1 機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)功能概述 企業(yè)電網(wǎng)小電網(wǎng)運行控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)在企業(yè)電網(wǎng)受到不同比例的負(fù)荷沖擊時，會依次綜合采用汽輪機調(diào)速控制、勵磁控制、平衡電阻控制、鍋爐PCV閥控、旁路控制、穩(wěn)控快速切機切負(fù)荷、柴發(fā)備用電源控制等多種手段協(xié)調(diào)作用實現(xiàn)企業(yè)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

2.2.2 機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)主要控制策略 機網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，為保證快速性，發(fā)電機熱工和電氣量全部基于PMU子站上送，可達(dá)到10 ms一個斷面的數(shù)量級，時標(biāo)誤差小于1 μm；緊急協(xié)調(diào)控制主站考慮熱工狀態(tài)和約束(主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、主蒸汽流量、轉(zhuǎn)速、調(diào)門開度等)，將總功率突變量以及頻率校正需要的功率變化量按照機組當(dāng)前快速有功調(diào)節(jié)能力的大小，分配至可調(diào)節(jié)機組，以40 ms的控制周期下發(fā)功率目標(biāo)值給緊急機網(wǎng)協(xié)調(diào)控制子站。緊急協(xié)調(diào)控制子站基于調(diào)度主站的功率指令，以及各機組的機爐工況，給出汽機調(diào)門、OPC電磁閥動作、PCV閥動作、旁路的控制決策及輸出，執(zhí)行指令由硬接線以20 ms為周期直接發(fā)給DCS、DEH，從而實現(xiàn)緊急狀況下的快速功率頻率控制。為了實現(xiàn)對多個電氣島的判斷，緊急協(xié)調(diào)主站還利用SCADA平臺的開關(guān)狀態(tài)信息獲取當(dāng)前的電網(wǎng)拓?fù)錉顟B(tài)。緊急機網(wǎng)協(xié)調(diào)控制主站的具體功能包括數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視分析、控制策略、控制指令、歷史數(shù)據(jù)、告警展示、參數(shù)配置和主備切換，其系統(tǒng)功能圖如圖4所示。

圖4 緊急機網(wǎng)協(xié)調(diào)控制主站

2.3 安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)

2.3.1 穩(wěn)控系統(tǒng)整體要求 企業(yè)電力獨立電網(wǎng)是一個綜合性的電力系統(tǒng)，發(fā)電、供電、配電自成一體，網(wǎng)內(nèi)接線運行方式較多，每種運行方式下會存在不同的穩(wěn)定隱患問題。企業(yè)獨立電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)主要解決以下3個方面的問題：一是通過仿真分析建立仿真分析報告，對全廠的運行方式進行梳理，對每種運行方式對應(yīng)的穩(wěn)定問題進行分析，并制定相應(yīng)的穩(wěn)控策略；二是對企業(yè)電網(wǎng)的預(yù)想故障設(shè)置符合實際情況的邏輯判據(jù)，準(zhǔn)確有效地判斷運行方式及區(qū)分各種不同的故障類型，并能有效防止誤動；三是對負(fù)荷進行梳理排序，區(qū)分負(fù)荷級別，執(zhí)行切負(fù)荷原則，并考慮工藝連鎖關(guān)系。

2.3.2 穩(wěn)控系統(tǒng)主要功能 穩(wěn)控系統(tǒng)主要功能：監(jiān)控控制系統(tǒng)信息、分析控制裝置的運行行為、指導(dǎo)調(diào)度人員處理電網(wǎng)事故。

2.3.3 穩(wěn)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) 穩(wěn)控裝置后臺監(jiān)控系統(tǒng)從整體上分為3層：設(shè)備層、通信層、調(diào)度(監(jiān)控)層[15-17]。其中穩(wěn)定控制信息管理系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定控制信息管理系統(tǒng)

2.4 供電網(wǎng)絡(luò)快速重構(gòu)系統(tǒng)

對于較為復(fù)雜的企業(yè)電網(wǎng)來說，在系統(tǒng)獨立電網(wǎng)運行時，如果事故導(dǎo)致各母線供電路徑發(fā)生變化，為了盡可能少的切除負(fù)荷，則需要通過自適應(yīng)解列轉(zhuǎn)供控制來實現(xiàn)，具體包括調(diào)度主站自適應(yīng)解列和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)策略的在線制定、自適應(yīng)解列的實施、失電母線快切、提高負(fù)荷的低電壓穿越能力。

2.5 全網(wǎng)實時動態(tài)監(jiān)測

常規(guī)的SCADA系統(tǒng)只能對電網(wǎng)實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)監(jiān)視(幾秒1個斷面，有效值量)，忽略了電網(wǎng)的動態(tài)變化過程。而故障錄波系統(tǒng)，數(shù)據(jù)量極大(每秒幾千個斷面、瞬時量)，不能實時上送調(diào)度主站進行在線分析。而基于PMU的電網(wǎng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)100 個/s斷面的傳輸速度，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是具有高精度時標(biāo)(誤差小于1 μs)的相量數(shù)據(jù)，有利于對全網(wǎng)動態(tài)過程進行同步監(jiān)測和分析。

2.6 電負(fù)荷平衡系統(tǒng)

電負(fù)荷平衡系統(tǒng)主要用于解決小型電網(wǎng)中發(fā)生大型負(fù)載非計劃停運造成的有功功率不平衡的問題。電負(fù)荷平衡系統(tǒng)的容量主要取決于系統(tǒng)中最大負(fù)載的容量，在預(yù)算許可的情況下可近似等于最大的負(fù)載的容量。也可通過技術(shù)經(jīng)濟比較，采用電力系統(tǒng)仿真軟件計算最大負(fù)載停運是系統(tǒng)頻率的升高，在保證系統(tǒng)頻率不高于51 Hz的情況下，采用較小容量。

表2 電負(fù)荷平衡系統(tǒng)

3 結(jié)論

本文采用的園區(qū)負(fù)荷為鎳鐵廠、煉鋼廠、軋鋼廠負(fù)荷。鎳鐵冶煉廠礦熱爐負(fù)荷隨著負(fù)荷增加會產(chǎn)生三相不平衡，軋鋼廠的軋機每次動作時也會帶來很大的沖擊，如何穩(wěn)定住電網(wǎng)，穩(wěn)定住供電頻率是園區(qū)建設(shè)的重中之重。本文通過對電源側(cè)熱工控制系統(tǒng)及電力網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)合理設(shè)置，兼顧電廠與冶煉廠的電力聯(lián)動機制的制定等，創(chuàng)造了印尼孤網(wǎng)運行的典型案例，為園區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定以及項目建設(shè)成本管控起到了巨大的作用。