帶有飽和電抗器的整流機(jī)組失電過(guò)流仿真分析

閉冠欽+覃澤純

摘 要：鋁電解生產(chǎn)中需要有低電壓大電流且具有恒流性的直流電，現(xiàn)階段通常使用的為多相二極管整流裝置，為了獲取恒流電流，飽和電抗器作為重要設(shè)備整合至整流機(jī)組中。該文以寧東電解鋁一期為例，利用Simulink建立了整流機(jī)組電力系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)仿真不同調(diào)節(jié)深度下的飽和電抗器在若干臺(tái)整流機(jī)組發(fā)生跳閘故障的情況下，其他機(jī)組是否會(huì)出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象。結(jié)果表明，飽和電抗器調(diào)節(jié)深度越大即電抗值越高，整流機(jī)組部分跳閘時(shí)剩余機(jī)組所產(chǎn)生的過(guò)流現(xiàn)象越明顯，研究成果在實(shí)際工程實(shí)踐中具有顯著參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電解鋁 整流機(jī)組 飽和電抗器 失電過(guò)流

中圖分類(lèi)號(hào)：TM40 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（c）-0046-03

電能是電解鋁產(chǎn)業(yè)的主要能源，由于電解鋁的主要設(shè)備電解槽為直流供電，所以，就需要為電解鋁廠設(shè)置整流機(jī)組某實(shí)現(xiàn)交流電的整流。國(guó)內(nèi)大型整流設(shè)備基本上均采用多相二極管整流方式，這種方式整流得到的電網(wǎng)電壓波動(dòng)幅度較大，一定程度上影響電解鋁槽的穩(wěn)定運(yùn)行，使能耗明顯增加[1]。為了降低電壓波動(dòng)的副作用，同時(shí)增加電解鋁側(cè)負(fù)荷的調(diào)節(jié)性能，采用有載調(diào)壓與自飽和電抗器結(jié)合的恒流控制策略應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)際應(yīng)用證明了其恒流效果十分顯著[2]。

當(dāng)整流機(jī)組配套的發(fā)電機(jī)組因自身原因突然出現(xiàn)停機(jī)或線路跳閘等故障時(shí)，將直接導(dǎo)致其配套的整流機(jī)組全部失電，目前已有學(xué)者對(duì)于整流供配電系統(tǒng)典型故障進(jìn)行了分析并提出了應(yīng)對(duì)策略[3-6]，但是并沒(méi)有針對(duì)局域電網(wǎng)/公網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行下的特點(diǎn)進(jìn)行分析，由于區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性較差，易發(fā)生跳閘故障引起整流機(jī)組失電。根據(jù)整流機(jī)組的設(shè)備特點(diǎn)分析，失電整流機(jī)組的飽和電抗器在失電后的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)提供逐漸下降的電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致其余正常運(yùn)行機(jī)組的電壓不能得到有效下降，從而引起其他正常運(yùn)行整流機(jī)組的電流相比無(wú)飽和電抗器時(shí)更大，甚至有可能引起電網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行的整流機(jī)組觸發(fā)過(guò)流保護(hù)跳閘，導(dǎo)致整個(gè)電解鋁系統(tǒng)的非正常停運(yùn)。該文針對(duì)局域網(wǎng)整流機(jī)組發(fā)生跳閘故障失電時(shí)公網(wǎng)正常運(yùn)行機(jī)組運(yùn)行特性進(jìn)行分析。

1 電解鋁及機(jī)組配置簡(jiǎn)介

1.1 基本情況介紹

某電解鋁廠400 kA電解系列直流供電由6組整流設(shè)備組成等效72脈沖整流機(jī)組，目前直流電壓1 140 V，電流377 kA，總交流負(fù)荷約440 MW。整流機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)包括有載開(kāi)關(guān)粗調(diào)與穩(wěn)流系統(tǒng)細(xì)調(diào)兩部分組成，穩(wěn)流系統(tǒng)根據(jù)單機(jī)組電流給定值，采集直流輸出電流，通過(guò)對(duì)飽和電抗器飽和度的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)主回路壓降的閉環(huán)調(diào)整，每組飽和電抗器電壓調(diào)節(jié)范圍為0～70 V。

與鋁廠配套的為某局域電網(wǎng)和某省大電網(wǎng)，局域電網(wǎng)帶動(dòng)4臺(tái)整流機(jī)組，剩余2臺(tái)機(jī)組由大電網(wǎng)帶動(dòng)，利用局域網(wǎng)/公網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行實(shí)現(xiàn)電解鋁廠的穩(wěn)定運(yùn)行。這樣同時(shí)會(huì)帶來(lái)問(wèn)題，由于區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行較公網(wǎng)不穩(wěn)定，1臺(tái)火電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)極有可能引起供電側(cè)與用電側(cè)的負(fù)荷不匹配，導(dǎo)致網(wǎng)內(nèi)頻率失步，可能會(huì)引發(fā)一系列的級(jí)組解列故障，根據(jù)上述關(guān)于飽和電抗器的分析，區(qū)域電網(wǎng)側(cè)整流機(jī)組可能偶發(fā)失電現(xiàn)象。

1.2 仿真模型搭建

結(jié)合局域網(wǎng)內(nèi)火電機(jī)組、省內(nèi)大公網(wǎng)及某電解鋁廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況與調(diào)研得到的相關(guān)設(shè)備參數(shù)，在Simulink中建立了局域電網(wǎng)/公網(wǎng)以及整流機(jī)組相關(guān)設(shè)備的整體電力系統(tǒng)模型。

首先根據(jù)電解鋁負(fù)載側(cè)的相關(guān)設(shè)計(jì)要求對(duì)可調(diào)節(jié)飽和電抗器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行選取，在選擇飽和電抗器的規(guī)格時(shí)，需綜合考慮飽和電抗器的調(diào)壓范圍、飽和電抗器的加工水平、負(fù)載側(cè)的功率因數(shù)等諸多因素。電解鋁廠運(yùn)行要求飽和電抗器滿足0～70 V的調(diào)壓范圍，根據(jù)前期仿真結(jié)果選取最大電抗值為10的可控飽和電抗器，它的調(diào)壓范圍約為0～82 V。在增大飽和電抗器容量時(shí)，負(fù)載側(cè)的無(wú)功量將會(huì)發(fā)生明顯的增大，在增大至10時(shí)，負(fù)載側(cè)的功率因數(shù)約為0.929，基本滿足功率因數(shù)0.93的要求，同時(shí)根據(jù)諧波分析得到當(dāng)每臺(tái)整流機(jī)組移相角相差5度時(shí)網(wǎng)內(nèi)諧波含量最小[7]。

根據(jù)電解鋁廠系列參數(shù)、局域電網(wǎng)/公網(wǎng)參數(shù)，結(jié)合上述選取參數(shù)建立的帶有飽和電抗器的整流機(jī)組模型進(jìn)行仿真，用以分析飽和電抗器在不同調(diào)壓深度下不同臺(tái)數(shù)局域網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組跳閘，正常運(yùn)行整流機(jī)組過(guò)流倍數(shù)大小，是否會(huì)出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)跳閘現(xiàn)象。

2 整流跳閘故障仿真分析

針對(duì)不同飽和電抗器調(diào)節(jié)深度，分析局域電網(wǎng)下不同臺(tái)數(shù)整流機(jī)組發(fā)生跳閘故障的仿真。飽和電抗器調(diào)壓范圍0～70 V，對(duì)應(yīng)可控飽和電抗器電抗值約為0～10 μh，整流機(jī)組各支路的額定電流為2×44 kA，以2×44 kA作為基準(zhǔn)值，整流機(jī)組的過(guò)流保護(hù)倍數(shù)為1.05～1.10之間，根據(jù)仿真得到的機(jī)組電流數(shù)據(jù)即可判斷機(jī)組在跳閘故障情況下是否會(huì)觸發(fā)過(guò)流保護(hù)，下面為各電抗器電抗值下典型工況仿真分析結(jié)果。

2.1 工況一仿真結(jié)果

電抗器電抗值為5，一臺(tái)孤網(wǎng)機(jī)組發(fā)生跳閘的仿真結(jié)果如圖1所示。在整流機(jī)組未發(fā)生跳閘的情況下，機(jī)組輸出直流電流為66.5 kA，在跳閘發(fā)生后，未跳閘機(jī)組輸出的直流電流為78.5 kA，過(guò)流倍數(shù)為1.05～1.10之間，故可得出結(jié)論當(dāng)1臺(tái)機(jī)組發(fā)生跳閘時(shí)，其他機(jī)組不會(huì)發(fā)生過(guò)流保護(hù)。

2.2 工況二仿真結(jié)果

電抗器電抗值為5，2臺(tái)孤網(wǎng)機(jī)組發(fā)生跳閘的仿真結(jié)果如圖2所示。在整流機(jī)組未發(fā)生跳閘的情況下，機(jī)組輸出直流電流為66.5 kA，在跳閘發(fā)生后，未跳閘機(jī)組輸出的直流電流為95.4 kA。過(guò)流倍數(shù)與上限1.10非常接近，故可得出結(jié)論當(dāng)2臺(tái)機(jī)組發(fā)生跳閘時(shí)，其他機(jī)組可能會(huì)發(fā)生過(guò)流保護(hù)。

2.3 工況三仿真結(jié)果

電抗器電抗值為5，4臺(tái)孤網(wǎng)機(jī)組發(fā)生跳閘的仿真結(jié)果如圖3所示。在整流機(jī)組未發(fā)生跳閘的情況下，機(jī)組輸出直流電流為66.5 kA，在跳閘發(fā)生后，未跳閘機(jī)組輸出的直流電流為171.6 kA，過(guò)流倍數(shù)大于1.10，故當(dāng)四臺(tái)機(jī)組發(fā)生跳閘時(shí)，其他機(jī)組會(huì)發(fā)生過(guò)流保護(hù)。

2.4 工況四仿真結(jié)果

電抗器電抗值為10，4臺(tái)孤網(wǎng)機(jī)組發(fā)生跳閘如圖4所示。在整流機(jī)組未發(fā)生跳閘的情況下，機(jī)組輸出直流電流為64.1 kA，在跳閘發(fā)生后，未跳閘機(jī)組輸出的直流電流為158.8 kA，過(guò)流倍數(shù)大于1.10，故可得出結(jié)論當(dāng)4臺(tái)機(jī)組發(fā)生跳閘時(shí)，其他機(jī)組會(huì)發(fā)生過(guò)流保護(hù)。

上述各仿真結(jié)果與部分未詳細(xì)列出的仿真分析結(jié)果綜合如下表1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

該文以某電解鋁廠一期電解系列為案例建立了帶有飽和電抗器的整流機(jī)組Simulink模型，利用模型進(jìn)行仿真計(jì)算后得出以下結(jié)論。

可調(diào)節(jié)飽和電抗器電抗值越大時(shí)負(fù)載側(cè)電壓調(diào)節(jié)深度越大，整流機(jī)組出現(xiàn)跳閘故障時(shí)剩余正常運(yùn)行機(jī)組所產(chǎn)生的過(guò)流現(xiàn)象越明顯。飽和電抗器未設(shè)置調(diào)節(jié)深度時(shí)，無(wú)調(diào)節(jié)電壓能力，即使出現(xiàn)跳閘故障下正常運(yùn)行整流機(jī)組不出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象；飽和電抗器處于中間調(diào)節(jié)深度即電抗值為5 μh時(shí)，2臺(tái)整流機(jī)組跳閘，剩余4臺(tái)接近過(guò)流保護(hù)跳閘極限；若4臺(tái)整流機(jī)組跳閘，無(wú)論飽和電抗器調(diào)節(jié)深度多少，運(yùn)行在公網(wǎng)的2臺(tái)整流機(jī)組一定出發(fā)過(guò)流保護(hù)同時(shí)跳閘。

上述仿真成果在實(shí)際工程實(shí)踐中具有顯著參考價(jià)值。

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