基于鋼鐵企業(yè)自備電廠功率優(yōu)化的孤島控制研究

徐國強

（山鋼集團(tuán)萊蕪鋼鐵新疆有限公司，新疆喀什 844000）

引言

在鋼鐵企業(yè)中，一旦故障引起外部電源跳閘，自備電廠一般保護(hù)都設(shè)置為發(fā)電機組的孤島運行模式，即便能成功進(jìn)入發(fā)電機組的孤島運行，煤氣由高爐、焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐等供應(yīng)停止，孤島時間稍長，由于燃料（煤氣）供應(yīng)不足，不得不進(jìn)行停機。同時正在生產(chǎn)的高爐系統(tǒng)最怕突然停電，因為會導(dǎo)致高爐灌渣，給前后工序造成較大影響，有時候可造成全線停產(chǎn)并發(fā)生次生損害的事故。近年來，鋼鐵企業(yè)的自備電廠發(fā)電量愈來愈大，據(jù)工信部發(fā)布統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2017年，我國鋼鐵行業(yè)自發(fā)電率已接近50%，為鋼鐵企業(yè)最小系統(tǒng)正常運行提供了條件。在保障鋼鐵企業(yè)自備電廠發(fā)電機組（群）安全穩(wěn)定運行的前提下，通過分析和仿真負(fù)荷性質(zhì)、計算和辨識，部分或全部切除最小系統(tǒng)外部設(shè)備負(fù)荷來進(jìn)行功率優(yōu)化，滿足外部停電及局部故障下鋼鐵企業(yè)最小系統(tǒng)的正常運行方式，故障排除后，可快速全線恢復(fù)生產(chǎn)，將損失減小至最少，最大限度地保障人員和設(shè)備的安全運行。

1 模型及原理

1.1 負(fù)荷性質(zhì)

根據(jù)控制目的可分為必須負(fù)荷、可斷負(fù)荷和可替代負(fù)荷，必須負(fù)荷為最小系統(tǒng)運行方式所需的負(fù)荷，可斷負(fù)荷為停電時不會造成設(shè)備損壞或人身傷亡的負(fù)荷，可替代負(fù)荷是指停電后有自啟柴油發(fā)電機、柴油泵、蓄電池等供電的負(fù)荷。根據(jù)以上歸類原則，優(yōu)先級對10 kV及以上的線路和設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計，并建立統(tǒng)計表。

1.2 數(shù)學(xué)模型

式中，Pf——故障發(fā)生時當(dāng)前發(fā)電機有功功率；

b——最小系統(tǒng)運行方式下線路開關(guān)的狀態(tài)，可取1；

ti——第i條可替代負(fù)荷線路開關(guān)狀態(tài)；

ki——第i條可中斷線路開關(guān)狀態(tài)；

pxbi、pxti、pxki——當(dāng)前線路的有功功率。

以上數(shù)據(jù)通過讀取微機保護(hù)裝置可實時獲得。

從式（1）可以看出，最小系統(tǒng)運行線路開關(guān)狀態(tài)取1，根據(jù)鋼廠實際運行情況優(yōu)先級較高，因此求可轉(zhuǎn)換為式（2），求轉(zhuǎn)換為式（3），這樣便可知所有線路的開關(guān)狀態(tài)。

可以看出ki、ti本質(zhì)是相同的，可以用一個參數(shù)zi進(jìn)行表示，式（2）、式（3）合并為：

根據(jù)式（4）可以求出各條可替代負(fù)荷線路開關(guān)狀態(tài)和各條可中斷線路開關(guān)狀態(tài)。

2 應(yīng)用實例

2.1 最小運行方式下系統(tǒng)負(fù)荷

某鋼廠有自備發(fā)電機總?cè)萘?4 MW，除去自用電約3.3 MW，還有大約20.7 MW余量，最小系統(tǒng)運行方式下用電大約為19.5 MW，最小運行系統(tǒng)簡圖如圖1所示，因各線路位于不同的10 kV配電室，母線用虛線代替，其中1082和1095的負(fù)荷為可替代負(fù)荷，其余可中斷負(fù)荷線路較多，沒在簡圖上標(biāo)示，將會在統(tǒng)計表中標(biāo)示。

圖1 最小運行方式系統(tǒng)簡圖

2.2 開關(guān)狀態(tài)優(yōu)化計算

根據(jù)最小系統(tǒng)運行方式要求，按照優(yōu)先級原則，對開關(guān)編號進(jìn)行統(tǒng)計，限于篇幅，只對最小運行方式下系統(tǒng)和優(yōu)先級較高的線路進(jìn)行統(tǒng)計列表如表1，其余線路不在表1列出。

表1 小方式下各開關(guān)狀態(tài)與優(yōu)先級別關(guān)系

3 模擬運行

在psasp軟件上進(jìn)行仿真運行，其主接線簡圖如圖2所示，正常運行時整個鋼廠負(fù)荷為50 MW左右，當(dāng)出現(xiàn)外部故障進(jìn)線斷開時，同時斷開其他負(fù)荷1、負(fù)荷2的斷路器序列時，即優(yōu)先級較低的負(fù)荷，只保留最小運行系統(tǒng)，約19.5 MW。

圖2 模擬狀態(tài)下最小系統(tǒng)線路圖

通過圖3暫態(tài)穩(wěn)定結(jié)果看出，0.1 s后進(jìn)入孤網(wǎng)運行，剛開始有功功率波動較大，經(jīng)過發(fā)電機的短暫調(diào)整，迅速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，最終穩(wěn)定在19.5 MW左右。

圖3 有功功率暫態(tài)穩(wěn)定仿真圖

4 結(jié)論

經(jīng)過仿真模擬，鋼鐵企業(yè)自備電廠基本可以滿足最小系統(tǒng)運行，但時間不宜過長，如時間過長，由于后續(xù)工序無法進(jìn)行，生產(chǎn)的鐵水無法處理，在外部故障消除后，立即進(jìn)行并網(wǎng)操作，可避免高爐灌渣等系列故障，大大縮短了制氧和后續(xù)工序的啟動時間。同時也存在缺陷，在運行期間不宜啟動較大負(fù)荷設(shè)備，系統(tǒng)比較脆弱、自愈能力差。