一種低頻控制方法在直供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

伍光慰，趙洪山

（酒鋼（集團(tuán)）公司能源中心，甘肅嘉峪關(guān) 735100）

引言

某企業(yè)直供電系統(tǒng)由6臺(tái)350 MW發(fā)電機(jī)組、4臺(tái)50 MW以下小機(jī)組和配套的4座變電站向2條45萬(wàn)t電解鋁生產(chǎn)線和鐵合金負(fù)荷供電。該系統(tǒng)運(yùn)行初期由于電解鋁陽(yáng)極效應(yīng)和換極等因素造成負(fù)荷的突增比較明顯，引起網(wǎng)內(nèi)持續(xù)低頻，而機(jī)組的調(diào)頻參數(shù)按照常規(guī)電網(wǎng)設(shè)置，最終由于機(jī)組調(diào)頻能力有限，導(dǎo)致網(wǎng)內(nèi)配置的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)低頻控制頻繁動(dòng)作。

筆者從直供電系統(tǒng)電網(wǎng)實(shí)際情況，闡述了依據(jù)實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行期間的頻率變化特性，在系統(tǒng)中成熟應(yīng)用一次調(diào)頻技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化機(jī)組一次調(diào)頻方式及相關(guān)參數(shù)，在負(fù)荷側(cè)實(shí)施了負(fù)荷調(diào)頻功能。在機(jī)組一次調(diào)頻和負(fù)荷調(diào)頻的基礎(chǔ)上結(jié)合直供電系統(tǒng)頻率變化特性進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)內(nèi)配置的控制系統(tǒng)進(jìn)行低頻控制調(diào)整參數(shù)，從而保證了直供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 正常運(yùn)行情況下直供電系統(tǒng)頻率變化特性

直供電系統(tǒng)內(nèi)只有電解鋁負(fù)荷，電網(wǎng)容量較小，并且電解鋁負(fù)荷存在陽(yáng)極效應(yīng)等的負(fù)荷波動(dòng)，所以負(fù)荷的波動(dòng)形成了電網(wǎng)頻率的不穩(wěn)定。另外，網(wǎng)內(nèi)發(fā)電機(jī)組調(diào)頻精度差及調(diào)節(jié)速度慢，所以對(duì)頻率的穩(wěn)定效果較差。具體電網(wǎng)頻率變化和機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作趨勢(shì)見(jiàn)圖1所示。

圖1 直供電系統(tǒng)電網(wǎng)頻率變化及機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作趨勢(shì)圖

大電網(wǎng)頻率范圍為50±0.2 Hz，從電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)情況來(lái)看，由于網(wǎng)內(nèi)機(jī)組臺(tái)數(shù)眾多，在電網(wǎng)發(fā)生用電負(fù)荷和發(fā)電負(fù)荷不平衡情況下，依靠諸多機(jī)組的調(diào)頻能夠保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但對(duì)于直供電電網(wǎng)，由于電網(wǎng)容量較小、機(jī)組臺(tái)數(shù)少、調(diào)頻容量有限等因素，存在網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的正常波動(dòng)很容易造成直供電系統(tǒng)頻率變化的幅值過(guò)大和速率過(guò)快，易造成機(jī)組設(shè)備的損壞，甚至直接引起電網(wǎng)的頻率崩潰。

2 故障情況下直供電系統(tǒng)頻率變化特性

2.1 在實(shí)際運(yùn)行中，該電網(wǎng)出現(xiàn)如下故障時(shí)，電網(wǎng)實(shí)際頻率變化及網(wǎng)內(nèi)低頻減載動(dòng)作情況

當(dāng)直供電系統(tǒng)網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷增加6 MW負(fù)荷時(shí)，280 ms后，頻率跌落至49.994 Hz；1.512 s后由于第一系列電解鋁出現(xiàn)陽(yáng)極效應(yīng)，負(fù)荷再增加11.30 MW；9.152 s后由于第二系列電解鋁出現(xiàn)陽(yáng)極效應(yīng)，負(fù)荷再次增加到9.12 MW。綜合上述負(fù)荷共同作用，電網(wǎng)頻率出現(xiàn)持續(xù)下跌，由正常的運(yùn)行頻率下降至48.950 Hz，網(wǎng)內(nèi)配置的安穩(wěn)系統(tǒng)低頻動(dòng)作分別切除鐵合金區(qū)域15.8 MW負(fù)荷和電解鋁92.65 MW負(fù)荷。

2.2 通過(guò)仿真分析軟件仿真上述故障時(shí)電網(wǎng)頻率變化情況

（1）在不考慮網(wǎng)內(nèi)一次調(diào)頻作用情況下仿真上述故障條件下頻率下滑曲線如圖2所示。

（2）考慮網(wǎng)內(nèi)機(jī)組一次調(diào)頻（機(jī)組一次調(diào)頻參數(shù)按照常規(guī)電網(wǎng)設(shè)置，并且機(jī)組備用容量按照當(dāng)前負(fù)荷的百分比設(shè)定）后再次通過(guò)仿真分析軟件仿真頻率變化曲線如圖3。

圖2 不考慮機(jī)組一次調(diào)頻作用下頻率變化曲線

圖3 考慮機(jī)組一次調(diào)頻后頻率變化曲線

3 正常運(yùn)行和故障情況下直供電系統(tǒng)存在的問(wèn)題

（1）機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)下限值設(shè)置偏小，未能躲開(kāi)正常的電解鋁陽(yáng)極效應(yīng)，機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作頻繁。

（2）網(wǎng)內(nèi)只有機(jī)組的一次調(diào)頻，沒(méi)有其他調(diào)頻方式。

（3）網(wǎng)內(nèi)機(jī)組一次調(diào)頻限幅參數(shù)設(shè)置偏小，沒(méi)有釋放機(jī)組應(yīng)有的調(diào)頻能力。

（4）網(wǎng)內(nèi)配置的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)低頻功能參數(shù)設(shè)置不合理。

4 改進(jìn)措施

（1）根據(jù)直供電系統(tǒng)中實(shí)際電解鋁負(fù)荷特性，尋找網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)頻率波動(dòng)范圍，逐步調(diào)整機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)參數(shù)整定值，實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)頻率懸浮值為49.6 Hz，則依據(jù)頻率懸浮值將系統(tǒng)內(nèi)主調(diào)頻機(jī)組的一次調(diào)頻死區(qū)調(diào)整為±24 r/min，次調(diào)頻機(jī)組的一次調(diào)頻死區(qū)±28 r/min，第三調(diào)頻機(jī)組的一次調(diào)頻死區(qū)為±30 r/min。

圖4 直供電系統(tǒng)機(jī)組調(diào)頻死區(qū)調(diào)整后一次調(diào)頻動(dòng)作趨勢(shì)圖

（2）直供電電網(wǎng)與大電網(wǎng)存在如下差異：大電網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)機(jī)組臺(tái)數(shù)多，總調(diào)節(jié)容量充裕；而直供電電網(wǎng)，應(yīng)充分發(fā)揮關(guān)鍵機(jī)組的一次調(diào)頻能力，通過(guò)實(shí)驗(yàn)最終確定機(jī)組調(diào)頻幅度按照機(jī)組額定負(fù)荷的10%進(jìn)行設(shè)置，確保電網(wǎng)中可調(diào)出的總儲(chǔ)備容量滿足電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行需求。

（3）機(jī)組一次調(diào)頻分別在協(xié)控（CCS）、功控、閥控模式下進(jìn)行了調(diào)頻特性試驗(yàn)，最終確定優(yōu)先選擇在協(xié)調(diào)模式下進(jìn)行一次調(diào)頻方式，在協(xié)調(diào)模式無(wú)法投入的情況下，選擇閥控方式。具體試驗(yàn)曲線如圖5。

圖5 模擬機(jī)組調(diào)頻動(dòng)作趨勢(shì)圖

（4）電解鋁側(cè)增加負(fù)荷調(diào)頻功能

電解鋁整流控制系統(tǒng)加裝頻率變送器，按照“三取二”的方式檢測(cè)電網(wǎng)頻率，在頻率跌落至49.3 Hz～49.0 Hz區(qū)間時(shí)，控制系統(tǒng)調(diào)頻控制邏輯立即啟動(dòng)，調(diào)整穩(wěn)流控制目標(biāo)值，分3檔（2%－1%－1%）單向減負(fù)荷調(diào)整電解鋁負(fù)荷為電解鋁總負(fù)荷的4%。負(fù)荷調(diào)整后45 s內(nèi)不回升。當(dāng)頻率跌落至49.0 Hz及以下時(shí)，優(yōu)先接收并執(zhí)行安穩(wěn)裝置發(fā)來(lái)的壓負(fù)荷控制命令。

（5）上述機(jī)組一次調(diào)頻及負(fù)荷調(diào)頻功能全部釋放完成后，在直供電電網(wǎng)持續(xù)出現(xiàn)頻率跌落的情況下，按照直供電電網(wǎng)的低頻情況下啟動(dòng)控制功能，將低頻切負(fù)荷參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，每一輪次增加了0.2 s的延時(shí)，并且增加了加速輪。

5 結(jié)論

（1）完全釋放機(jī)組一次調(diào)頻能力，并且機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作頻次明顯減少，保證了電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

（2）通過(guò)調(diào)整機(jī)組的一次調(diào)頻參數(shù)和調(diào)頻模式后電解鋁側(cè)出現(xiàn)陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)， 機(jī)組能夠在極短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定，保證了電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

（3）負(fù)荷側(cè)參與調(diào)頻功能，并且負(fù)荷側(cè)調(diào)頻速度較快，在電網(wǎng)發(fā)生頻率緩慢下滑時(shí)，能夠利用快速的調(diào)節(jié)，恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定，避免網(wǎng)內(nèi)低頻切負(fù)荷的發(fā)生。