首鋼京唐供電系統(tǒng)孤網(wǎng)運行的可行性研究

沈軍，李賀昌

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北唐山063210）

供用電

首鋼京唐供電系統(tǒng)孤網(wǎng)運行的可行性研究

沈軍，李賀昌

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北唐山063210）

首鋼京唐電力系統(tǒng)的特點是雖為用電負荷中心但與主電網(wǎng)聯(lián)系薄弱，一旦形成孤網(wǎng)后，自備發(fā)電機組成為唯一電源。在失去外部電源的情況下，維持發(fā)電機組孤網(wǎng)運行對鋼鐵廠的安全至關重要。由于鋼鐵廠沖擊性用電負荷比重較大，機組孤網(wǎng)運行有一定困難，從發(fā)電機一次調(diào)頻、負荷平衡、低周減載方面探討維持機組孤網(wǎng)運行的可能并給出相關建議。

孤網(wǎng)運行；頻率控制；低周減載

1 引言

局部電網(wǎng)故障、極端天氣或地質(zhì)災害的發(fā)生以及人為操作失誤均可能導致與主網(wǎng)聯(lián)系薄弱的地區(qū)電網(wǎng)與主網(wǎng)解列，形成孤網(wǎng)運行的情況。孤網(wǎng)運行時系統(tǒng)頻率變化劇烈，如果控制措施不當，極可能出現(xiàn)大面積停電事故。

2 發(fā)電機孤網(wǎng)運行的特點

孤網(wǎng)運行最為突出的特點，是由負荷控制轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率控制，這就要求調(diào)速系統(tǒng)具有負荷要求的靜態(tài)特性、良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應特性，以保護在用戶負荷變化的情況下自動保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定即一次調(diào)頻功能。如圖1所示。

圖1 發(fā)電機有功—負荷一次調(diào)頻示意圖

其中發(fā)電機組原動機的頻率特性與負荷頻率特性分別為圖1中為PG與PL直線，最初的原始運行點為圖中O點，如果在O點運行時負荷突然增加ΔPLO，即負荷的頻率特性突然向上移動ΔPLO，則由于負荷突增時發(fā)電機組功率不能及時隨之變動，機組將減速，系統(tǒng)頻率將下降。而在系統(tǒng)頻率下降的同時，發(fā)電機組的功率將因它的調(diào)速器的一次調(diào)整作用而增大，負荷的功率將因它本身的調(diào)節(jié)效應而減少。前者沿原動機的頻率特性向上增加，后者沿負荷的頻率特性向下減少，經(jīng)過一個衰減的震蕩過程，抵達一個新的平衡點即圖1中的O'點，而與此同時系統(tǒng)的頻率也由原來的f0減少到f'0，隨負荷的下降，頻率將繼續(xù)下降，如果負荷的變化超過一定值或者變化速度超出發(fā)電機組調(diào)節(jié)速度，則會引起頻率過低，導致低頻甩負荷甚至發(fā)生發(fā)電機低頻跳機，進而造成整個孤網(wǎng)系統(tǒng)瓦解。

從以上分析可以看出，為了維持孤網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，就要做到出現(xiàn)孤網(wǎng)運行時的發(fā)供電負荷平衡，同時要避免出現(xiàn)較大的沖擊性負荷，否則會引起頻率崩潰。

3 京唐公司形成孤網(wǎng)的可能性

3.1 公司電網(wǎng)配置及負荷情況簡介

首鋼京唐公司共有兩座220 kV變電站，電源均取自同一220 kV變電站。京唐公司2×300 MW煤氣混燒發(fā)電機組均為110 kV系統(tǒng)并網(wǎng)，具體接線如圖2所示，同時公司還配置6臺小發(fā)電機組，均并網(wǎng)于110 kV區(qū)域變電站10 kV母線，裝機容量及并網(wǎng)方式見表1。

圖2 電力系統(tǒng)運行方式簡圖

表1 發(fā)電機組裝機容量及并網(wǎng)方式

根據(jù)2011年度公司發(fā)供電系統(tǒng)實際運行情況，總發(fā)電能力為773 MW，公司總用電負荷平均為670 MW，波動范圍為610～780 MW。

3.2 京唐公司電網(wǎng)孤網(wǎng)運行可行性分析

京唐公司外接4路220 kV電源均來自同一220 kV變電站，一旦上級變電站失電則會導致京唐公司電力系統(tǒng)陷入孤網(wǎng)運行狀態(tài)，而能否維持300 MW發(fā)電機組穩(wěn)定運行則成為我們必須要面對的問題。因此，研究孤網(wǎng)運行及其安全穩(wěn)定控制方案，具有顯著的現(xiàn)實意義。

首先從發(fā)供電系統(tǒng)負荷平衡來說，京唐公司發(fā)電能力（773 MW）足以滿足電網(wǎng)內(nèi)部用電需要（670 MW），而由于存在較大的沖擊性負荷(明細見表2)，有功最大沖擊負荷可達780 MW，變化速率可達42.5 MW/min，一旦機組的即時調(diào)節(jié)能力不能滿足沖擊性負荷及變化速率的需求，可能會造成機組解列停機，以下具體從發(fā)電機組調(diào)節(jié)及負荷性質(zhì)方面進行說明。

表2 主要沖擊負荷明細表

3.2.1發(fā)電機組的調(diào)節(jié)能力及負荷性質(zhì)分析

單臺300 MW發(fā)電機組其調(diào)差系數(shù)為σ%=5，所以其單位調(diào)節(jié)功率：

急劇的負荷變化會使火電廠的鍋爐、汽輪機受損傷或因燃燒不穩(wěn)定而引起熄火，一般來說，每分鐘調(diào)節(jié)范圍為2%～5%，對于2臺300 MW發(fā)電機組調(diào)節(jié)范圍最大為30 MW/min，同時根據(jù)《華北電網(wǎng)發(fā)電機組一次調(diào)頻管理規(guī)定》：當電網(wǎng)頻率變化達到一次調(diào)頻動作值到機組負荷開始變化所需的時間為一次調(diào)頻負荷響應滯后時間，應小于3 s。由于京唐公司大部分負荷具有波動性，而非平穩(wěn)的用電負荷，尤其是當LF爐、冷軋、熱軋等工藝系統(tǒng)在軋鋼時的沖擊負荷可以達到很高，主要表現(xiàn)為公司平均小時用電負荷670 MW，而沖擊負荷可達到780 MW（實時用電負荷情況見圖3所示），那么根據(jù)公式（1），則瞬間孤網(wǎng)運行后的電網(wǎng)頻率改變1 Hz，即頻率瞬時下降到49 Hz，同時根據(jù)表3所示，此時會有部分負荷由于頻率降至低周減載定值以下自動切除。由于沖擊負荷的瞬時性，當軋制過程結(jié)束時，負荷降低180 MW，負荷瞬時降低頻率則會瞬時升高1.5 Hz，如此大范圍的頻率變化，會對發(fā)電機組的一次調(diào)頻帶來嚴峻的考驗，一旦出現(xiàn)發(fā)電機組的發(fā)電負荷調(diào)節(jié)量無法響應負荷要求值，則可能瞬時導致頻率崩潰而造成公司電網(wǎng)癱瘓，勢必對公司運行造成巨大影響，因此一旦出現(xiàn)孤網(wǎng)運行時，瞬間切除沖擊負載成為電網(wǎng)能否持續(xù)運行的的關鍵性問題。

圖3 有功負荷分時曲線

由于電網(wǎng)正常運行時公司電網(wǎng)外購電負荷較?。ㄆ骄鶠?0 MW），當電網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)運行時，瞬間切除沖擊性負荷約167 MW，機組的瞬時功率就會與孤網(wǎng)的負荷偏差較大，使機組轉(zhuǎn)速迅速上升，根據(jù)公式（1），則系統(tǒng)頻率將會升高，一旦超過規(guī)定值，則超速保護控制OPC（Over speed Protection Control）觸發(fā)機組跳閘。因此，當機組處于孤網(wǎng)運行時，為了機組與孤網(wǎng)的穩(wěn)定運行，應該適當調(diào)高OPC動作值，具體動作值應根據(jù)試驗數(shù)據(jù)而定，防止因超速導致發(fā)電機損壞甚至出現(xiàn)飛車現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2.2公司低周減載分布情況

當一臺300 MW發(fā)電機組檢修期間，公司電力系統(tǒng)出現(xiàn)孤網(wǎng)運行的情況下，由于發(fā)電能力降為473 MW，除了瞬間切除沖擊性負荷167 MW后，負荷仍高達493 MW，在這種情況下，頻率必然會有所下降，同時在下降過程中，為了保證電網(wǎng)頻率保持在50±0.2 Hz的范圍內(nèi)，必然還需切除部分負荷，使發(fā)供電負荷達到平衡，具體低周減載負荷情況如表3所示，總負荷為233.6 MW，頻率分為6個等級，按照負荷性質(zhì)等級不同，逐步實施甩負荷，從而實現(xiàn)電網(wǎng)頻率在要求范圍內(nèi)，同時各發(fā)電機組也配置低頻解列保護，保證發(fā)電設備不受損害。

表3 京唐公司低周減載具體明細表

3.3 京唐公司區(qū)域電網(wǎng)孤網(wǎng)運行可行性分析

京唐公司電力系統(tǒng)形成孤網(wǎng)后，一旦出現(xiàn)電網(wǎng)電壓或頻率震蕩下行較大時，則極可能會發(fā)生300 MW機組解列停機。而TRT發(fā)電機組（煤氣壓差發(fā)電）及25 MW發(fā)電機組（煤氣鍋爐發(fā)電）受高爐多方面因素的制約難以保持正常生產(chǎn)，從而也就無法保證所在區(qū)域的孤網(wǎng)運行。而對焦化工序來說，從理論上講由于其受制約因素少，只要保證對其正常供電，就可以保證CDQ發(fā)電機組正常發(fā)電，由于其所在區(qū)域電網(wǎng)1#110 kV變電站不含沖擊性負荷，也就形成了孤網(wǎng)運行的有利條件。否則300 MW機組停機最終必定會導致各小發(fā)電機組全部停機，因此當4條220 kV進線開關變位或頻率下降到一定值時1#110 kV變電站的110 kV進線開關應自動與電網(wǎng)解列，從而可以保持此區(qū)域電網(wǎng)的繼續(xù)運行，避免公司電網(wǎng)系統(tǒng)全部崩潰。要實現(xiàn)CDQ孤網(wǎng)穩(wěn)定運行需要在1#110 kV變電站與系統(tǒng)解列后，根據(jù)負荷平衡情況，及時切除部分用電線路，實現(xiàn)發(fā)供電負荷平衡，并在運行中避免大功率設備的起停，維持其穩(wěn)定用電負荷，以確保發(fā)電機組穩(wěn)定運行。

而對于孤網(wǎng)運行成功后的再并網(wǎng)問題可以在110 kV進線加裝同期裝置，在系統(tǒng)恢復供電后與系統(tǒng)并網(wǎng)，這就避免了必須停電的可能。

3.4 京唐公司電網(wǎng)孤網(wǎng)運行情況總結(jié)

由于孤網(wǎng)出現(xiàn)后，發(fā)電機組成為唯一供電來源，保證機組穩(wěn)定運行成為關鍵。而確保機組穩(wěn)定運行必須使發(fā)供電系統(tǒng)負荷達到平衡，才能保證頻率和電壓的質(zhì)量。根據(jù)以上分析公司目前只實現(xiàn)了部分低周甩負荷功能，然而對于如何檢測孤島情況的產(chǎn)生及在發(fā)生孤網(wǎng)情況下如何瞬時切除沖擊性負荷，這也是實現(xiàn)公司孤網(wǎng)運行穩(wěn)定的關鍵，根據(jù)實際情況應以4條220 kV進線斷路器狀態(tài)作為參考依據(jù)。

4 結(jié)論

孤網(wǎng)運行發(fā)生后發(fā)電機組成為唯一供電來源，保證機組穩(wěn)定運行成為關鍵。根據(jù)本文分析，原則上必須保證部分區(qū)域電網(wǎng)孤網(wǎng)穩(wěn)定運行，其次是實現(xiàn)京唐公司大電網(wǎng)孤網(wǎng)穩(wěn)定運行。要維持機組穩(wěn)定運行，除了具備必要的低周減載手段，還需進行以下三個方面的工作：

（1）發(fā)生孤網(wǎng)時需要瞬時切除沖擊性負荷，因此如何檢測出孤島情況的產(chǎn)生是實現(xiàn)公司孤網(wǎng)運行穩(wěn)定的關鍵，根據(jù)公司情況應該以4條220 kV進線斷路器狀態(tài)作為依據(jù)。

（2）在檢測出發(fā)生孤網(wǎng)情況下，如何瞬時動作切除沖擊負荷是防止孤網(wǎng)頻率崩潰，維持孤網(wǎng)穩(wěn)定運行的另一關鍵因素，應在沖擊負荷處加裝孤網(wǎng)運行模式下的瞬時切除裝置，并應考慮在沖擊性負荷停電后如何迅速開啟如柴油發(fā)電機、柴油泵、事故水塔等應急設備，保證重要設備的安全。

（3）在進入孤網(wǎng)運行模式時，適當調(diào)高汽機超速保護的動作值，防止超速保護動作使發(fā)電機滅磁解列。

[1]陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]周志平，孫新良，付晨鵬等.電力系統(tǒng)孤網(wǎng)運行動態(tài)特性試驗[J].電網(wǎng)技術，2008，47(2)：78-79.

[3]曾文清.馬鋼新區(qū)鋼軋系統(tǒng)電網(wǎng)孤網(wǎng)運行探討[C].全國冶金熱電專業(yè)年會論文集，2010：118-119.

Feasibility Study of Isolated Power Grid Operation of Power Supply System of Shougang Jingtang Co.

SHEN Jun，LI Hechang

(Shougang Jingtang Iron&Steel United Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063210,China)

The character of the power grid in Jingtang Co.is that although it is the power load center yet it has weak linkage with the main power grid.Once it becomes an isolated power grid,it’s generator set becomes the only power supply.Maintaining isolated grid operation of the generator set is very important for safety of iron and steel plants in the case of a loss of external power supply.The isolated grid operation of the generator set has certain difficulty due to large impact load proportion of the iron and steel plants.The feasibility to maintain the isolated grid operation of the generator set is discussed from generator’s primary frequency,load balancing and under frequency load shedding,and some suggestions are offered.

isolated grid operation;frequency control;under frequency load shedding

TM7

B

1006-6764(2013)07-0001-03

2013-02-18

沈軍（1972-），男，2010年年畢業(yè)于東北大學控制工程專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)從事電力系統(tǒng)運行管理工作。