大型冶煉企業獨立電力系統控制方案研究

徐 思 佳

(中國電建集團江西省電力設計院有限公司，330000，南昌)

0 引言

國內實現獨立電網運行的企業很少，大多集中在造紙、紡織、氧化鋁、糧食加工、小化工等負荷分散平穩容量較小的行業[1-5]。而對于鎳鐵爐這種負荷集中、波動很大的用電負荷，長期獨立電網運行的企業很少。國內外有以下幾個企業的情況與本文研究的獨立電網類似：1)某企業裝備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4套33 MW的鋼鐵合金冶煉爐生產線，配套建設自備電廠，裝備3×220 t/h高溫高壓循環流化床鍋爐、3×50 MW純凝汽輪發電機組，配備20 MW電負荷平衡系統及機網協調系統；3)青山集團印尼北北蘇鋼鐵項目，一期建設4套33 MW的鋼鐵合金冶煉爐生產線，配套建設自備電廠，裝備2×65 MW純凝汽輪發電機組。配備20 MW電負荷平衡系統，于2014年初投產至今。三期新上3×350 MW機組，增加軋鋼生產線，負荷波動加劇，為了節省投資，配置的40 MW電平衡系統，但在投用后發現電平衡容量不夠，不得不緊急追加20 MW電負荷平衡系統，造成工期延誤和經濟損失。

以上獨立電網與本文的并網電廠相比，存在以下幾個明顯區別[6-8]：1)裝備了電負荷平衡裝置，用于平衡礦熱爐的負荷沖擊；2)裝備了機網協調系統，自建了電網的管理控制功能；3)對發電廠的主輔機的控制性能和電源適應性提出了更高的技術要求。

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

本文的設計目標是：鎳鐵爐、不銹鋼生產線及其自備電廠能夠獨立運行，供電質量滿足用電設備的需求，接近大電網的行業標準要求。參照相關行業標準要求如下：在出現機組跳閘、線路故障等極端故障，應避免電網崩潰，供電頻率允許偏差不應超過± 2.0 Hz。公共電網電壓不平衡度允許值為2%，短時為4%。

1 獨立電網問題分析

獨立電網運行時，機組側發電量與下游用電量需保持實時動態平衡，如果出現不平衡，在毫秒級的時間內，電網頻率、電壓就會出現偏差，不平衡量越大，出現偏差越大，而鎳鐵冶煉負荷波動頻繁、波動幅度較大。因此，如何提高多臺機組實時動態響應能力，如何解決發電量與用電量的實時匹配問題，成為獨立電網運行中需解決的主要技術難點。

1.1 負荷特性分析

1.1.1 用電負荷狀況 按照青島印尼項目電廠項目總體規劃，項目現有6×65 MW發電機組擬為獨立電網運行，直接向下游鎳鐵生產線(33 MVA 的鎳鐵爐)提供所需電力。

1.1.2 鎳鐵爐負荷特性綜述 鎳鐵爐是鎳鐵冶煉工藝中的主要用電設備。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、爐內等3個部分阻抗組成。其中，變壓器阻抗與有載開關檔位有關；短網阻抗一般為一定值；爐內阻抗與原料成分、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而變化。鎳鐵爐變壓器一次側功率不穩定，出現經常性波動和負荷突變現象，且存在三相負荷不平衡，甚至缺相或短路等現象。運行操作根據爐內阻抗值來選擇合適的電極電壓。爐內阻抗較大時，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。鎳鐵爐工況說明如表1所示。

表1 鎳鐵爐運行工況表

1.2 發電機組的特性分析

由于鎳鐵負荷的波動可能會造成瞬時15%的負荷沖擊，然而在獨立電網中發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，無法滿足動態穩定的要求。

發電系統的能量轉換過程如圖1所示。鍋爐將燃料的化學能轉換為蒸汽熱能，汽輪機將熱能轉換為發電機組的動能，發電機將動能轉換為電能，提供給用電側使用[12-13]。一旦用電側出現負荷波動，必然會影響整個能量的轉換過程。

圖1 發電系統能量轉換過程

根據理論分析和經驗總結，獨立電網中存在以下各類風險。

1)無功沖擊和暫態穩定水平下降造成功角振蕩的風險。假如獨立電網出現故障，會出現無功儲備不足的現象，會影響電壓的穩定性。

2)發電機組壽命損耗加速的風險。影響發動機壽命的因素：頻度、幅度、軸系的扭振。

3)發電機組失去廠用電的風險。因為發電機組失去廠用電的風險高于大網，所以各方面的設備會經受更多的考驗。

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

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

2 獨立電網技術解決方案及分析

2.1 構建獨立電網事故時穩定控制的五道防線

在大型電網中，電力系統3道防線的概念[14]被提出，是為了避免獨立電網大面積停電和安全穩定運行。其中電力系統的3道防線如圖2所示。

圖2 電力系統控制階段示意圖

以電力系統3道防線為基礎，為實現獨立電網運行的安全目標，認為必須針對各種可能的事故工況建立完善的調整和保護措施，設置5道防線來應對獨立電網各種工況。本文將其稱之為獨立電網系統的5道防線，如圖3所示。

圖3 獨立電網系統的五道防線

防線1：合理設置元件保護，該防線的目的是在第一時間將故障與電網隔離。企業電網發生故障時，故障后100 ms內或能識別出故障的第1時間主動將故障部分的網絡隔離。

防線2：供電網絡快速重構系統，該防線在故障切除后10 ms內動作，100 ms內完成，從而實現對斷電負荷的不停運恢復供電。供電網絡快速重構主站根據網絡拓撲狀態選擇供電恢復路徑；在出現獨立電網時，進行快速同期合閘，恢復電網的聯通性和完整性。

防線3：全網緊急汽電協調控制系統。該防線在獨立電網后200 ms內，在頻率、電壓還沒發生大的偏移之前，通過一系列快速功頻控制措施，恢復發電、負荷的平衡，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。當穩控聯切等緊急機網協調措施不能將獨立電網頻率限制在安全頻率和電壓范圍之內時，啟動該防線將已經惡化的頻率和電壓恢復到安全范圍。該防線在穩控系統中實現。

防線5：最小發電系統：在穩控最后防線仍然不能維持電網穩定的情況下，將電網切成具有發電能力的最小系統，從而為企業電網的自動恢復提供電力并維持最基本的重要負荷。該防線在穩控系統中實現。穩控裝置的具體措施為向各發電機組DCS控制系統發出FCB(Fast cut back)指令，機組DCS系統按預設的FCB程序切斷機組并網斷路器，啟動汽輪機組旁路系統，開啟鍋爐安全閥，最終汽輪發電機組帶自身廠用電系統孤島運行，當電網從異常工作狀態恢復后快速重新并網。

2.2 機網協調系統

2.2.1 機網協調系統功能概述 企業電網小電網運行控制系統包括系統在企業電網受到不同比例的負荷沖擊時，會依次綜合采用汽輪機調速控制、勵磁控制、平衡電阻控制、鍋爐PCV閥控、旁路控制、穩控快速切機切負荷、柴發備用電源控制等多種手段協調作用實現企業電網安全穩定運行。

2.2.2 機網協調系統主要控制策略 機網協調控制系統中，為保證快速性，發電機熱工和電氣量全部基于PMU子站上送，可達到10 ms一個斷面的數量級，時標誤差小于1 μm；緊急協調控制主站考慮熱工狀態和約束(主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、主蒸汽流量、轉速、調門開度等)，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前快速有功調節能力的大小，分配至可調節機組，以40 ms的控制周期下發功率目標值給緊急機網協調控制子站。緊急協調控制子站基于調度主站的功率指令，以及各機組的機爐工況，給出汽機調門、OPC電磁閥動作、PCV閥動作、旁路的控制決策及輸出，執行指令由硬接線以20 ms為周期直接發給DCS、DEH，從而實現緊急狀況下的快速功率頻率控制。為了實現對多個電氣島的判斷，緊急協調主站還利用SCADA平臺的開關狀態信息獲取當前的電網拓撲狀態。緊急機網協調控制主站的具體功能包括數據采集、監視分析、控制策略、控制指令、歷史數據、告警展示、參數配置和主備切換，其系統功能圖如圖4所示。

圖4 緊急機網協調控制主站

2.3 安全穩定控制系統

2.3.1 穩控系統整體要求 企業電力獨立電網是一個綜合性的電力系統，發電、供電、配電自成一體，網內接線運行方式較多，每種運行方式下會存在不同的穩定隱患問題。企業獨立電網穩控系統主要解決以下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的穩定問題進行分析，并制定相應的穩控策略；二是對企業電網的預想故障設置符合實際情況的邏輯判據，準確有效地判斷運行方式及區分各種不同的故障類型，并能有效防止誤動；三是對負荷進行梳理排序，區分負荷級別，執行切負荷原則，并考慮工藝連鎖關系。

2.3.2 穩控系統主要功能 穩控系統主要功能：監控控制系統信息、分析控制裝置的運行行為、指導調度人員處理電網事故。

2.3.3 穩控系統組成結構 穩控裝置后臺監控系統從整體上分為3層：設備層、通信層、調度(監控)層[15-17]。其中穩定控制信息管理系統如圖5所示。

圖5 穩定控制信息管理系統

2.4 供電網絡快速重構系統

對于較為復雜的企業電網來說，在系統獨立電網運行時，如果事故導致各母線供電路徑發生變化，為了盡可能少的切除負荷，則需要通過自適應解列轉供控制來實現，具體包括調度主站自適應解列和網絡重構策略的在線制定、自適應解列的實施、失電母線快切、提高負荷的低電壓穿越能力。

2.5 全網實時動態監測

常規的SCADA系統只能對電網實現穩態監視(幾秒1個斷面，有效值量)，忽略了電網的動態變化過程。而故障錄波系統，數據量極大(每秒幾千個斷面、瞬時量)，不能實時上送調度主站進行在線分析。而基于PMU的電網實時動態監測系統可以實現100 個/s斷面的傳輸速度，所傳輸的數據是具有高精度時標(誤差小于1 μs)的相量數據，有利于對全網動態過程進行同步監測和分析。

2.6 電負荷平衡系統

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

表2 電負荷平衡系統

3 結論

本文采用的園區負荷為鎳鐵廠、煉鋼廠、軋鋼廠負荷。鎳鐵冶煉廠礦熱爐負荷隨著負荷增加會產生三相不平衡，軋鋼廠的軋機每次動作時也會帶來很大的沖擊，如何穩定住電網，穩定住供電頻率是園區建設的重中之重。本文通過對電源側熱工控制系統及電力網絡控制系統合理設置，兼顧電廠與冶煉廠的電力聯動機制的制定等，創造了印尼孤網運行的典型案例，為園區電網的穩定以及項目建設成本管控起到了巨大的作用。