孤網(wǎng)機組廠用電安全問題分析研究

(國家能源集團神東熱電公司，陜西 神木 719300)

0 前言

在高耗能行業(yè)中，綜合考慮運行成本及經(jīng)濟效益，普遍采用自備電廠方式進行電力供應(yīng)。其工廠電力的安全性和可靠性是以發(fā)電機組以及整個電力系統(tǒng)的安全運行為基礎(chǔ)[1]。當電源系統(tǒng)處于孤網(wǎng)運行模式時，沒有備用電源作為后備電源進行補充。一旦發(fā)生事故，就需要使用外部電源來恢復(fù)廠用電，這大大降低了廠用電系統(tǒng)的可靠性[2]。一旦事故停機時間較長，可能會損壞負載側(cè)設(shè)備[3]，甚至造成巨大的經(jīng)濟損失[4-5]。

在電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生故障后，有兩種方式對廠用電進行持續(xù)保障：廠用電切換以及黑啟動。廠用電切換是通過其他機組或外部電源的短時間切換，以保證自身必要設(shè)備的能源供應(yīng)，如主泵、風機等；而黑啟動電源的存在[6]確保了電網(wǎng)的持續(xù)安全運行能力，作為后備手段也進行了廣泛的應(yīng)用。發(fā)電廠的黑啟動已成為越來越普遍的措施，以提高區(qū)域電網(wǎng)的系統(tǒng)互連能力。電力系統(tǒng)的操作和維護的復(fù)雜性增加了發(fā)生大停電的潛在危險，在這方面不乏痛苦的教訓(xùn)[7]。因此，對于孤網(wǎng)運行而言，對廠用電安全問題的研究具有重要的研究價值和重要的實際工程意義。

本文針對某實際孤網(wǎng)運行機組，并基于其與外部公網(wǎng)存在連接的復(fù)雜運行條件背景，分析了孤網(wǎng)運行條件下廠用電的安全性，研究了故障情況下廠用電切換過程以及黑啟動過程中的關(guān)鍵問題，并給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果和操作建議。

1 孤網(wǎng)機組基本情況介紹

某自備電廠現(xiàn)有型號NZK-350-24.2/566/566的一次中間加熱、兩缸兩排汽直接空冷凝汽式超臨界汽輪機，裝機容量為350 MW。負載為電解鋁廠，由6臺整流機組組成350 KA電解系列直流供電，直流電壓1 148 V，電流370 KA，總交流負荷約430 MW[8]。由于自備電廠的電力不足，因此采用孤網(wǎng)/公網(wǎng)聯(lián)合運行模式[9]。因此，可以在公網(wǎng)電源和孤網(wǎng)電源進行切換。圖1所示為某孤網(wǎng)電廠廠用電系統(tǒng)的簡化接線圖。

圖1 廠用電系統(tǒng)接線圖

在正常運行中，發(fā)電機端通過工廠高壓工作變壓器給工廠母線提供的電力，啟動/備用變壓器作為電廠的高壓總線或系統(tǒng)的備用電源。工作分支開關(guān)1 DL會在工作電源發(fā)生故障或發(fā)電機組受到保護時跳閘。這時，工廠總線上連接的一些旋轉(zhuǎn)負載將為系統(tǒng)提供一定的電力，而一部分電動機將進入惰行狀態(tài)。隨著過程進行，殘余電壓的頻率和幅度將逐步下降。此時，如果關(guān)閉備用電源2 DL和3 DL，將對工廠總線上的電動機不可避免地造成沖擊，并對工廠旋轉(zhuǎn)負載的自啟動和安全運行產(chǎn)生嚴重威脅[10]。

2 廠用電切換原理及公網(wǎng)切換方式

2.1 廠用電系統(tǒng)工作/備用電源切換原理

廠用電及備用系統(tǒng)是發(fā)電機組穩(wěn)定運行的重要組成部分[11]。在正常和事故工況下，兩個電源之間的切換可以確保全廠電源設(shè)備的不間斷運行。在過去，大多數(shù)電廠備用電源采用工作電源的輔助觸點直接啟動或利用繼電器進行啟動[12]。這種運行方案下，在接通備用電源的瞬時，備用電源電壓與母線的殘留電壓之間會存在最大180°的相角差，這會對電動機造成過度影響[12]。因此需要對其進行同步性驗證，以避免對電動機部件產(chǎn)生沖擊。如果在等待母線殘余電壓衰減到較小值之后再接入備用電源，將會導(dǎo)致原電源斷電時間過長，導(dǎo)致重要設(shè)備運行狀態(tài)出現(xiàn)波動甚至停機。如果采取這樣的切換策略將會在電動機啟動過程中產(chǎn)生很大的自起動電流，對于母線電壓影響很大，嚴重降低發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性[14]。

專門為解決廠用電的安全運行而開發(fā)的微機型備用電源快速切換裝置可以避免這個問題。使用本設(shè)備后，當相角和頻率差過大時，可以避免后備電源電壓和母線殘余電壓閉合，對電機造成影響。如果電源未能快速切換，該設(shè)備將會自動采用到同期判別或者判殘壓長延遲的緩慢切換方式[15]。同時，在電壓暫時下降過程中，可以根據(jù)延遲時間消除一些非關(guān)鍵負載，減小重要輔助機器的自啟動的難度，提高切換工廠電源的成功率。圖2為電動機進行電源切換過程中的等值電路圖。后續(xù)均基于等值電路進行相關(guān)分析及研究。

圖2 (a)等值電路圖;(b)相量圖

式中Us——電源電壓；

Ud——母線上電動機的殘留電壓；

Xs——電源內(nèi)的等值電抗；

Xm——由低壓母線折算到高壓廠用電壓電動機等值電抗；

ΔU——電源電壓與殘留電壓之間的電壓差。

不同的θ角(電源電壓和電動機殘留電壓之間的相位角)對應(yīng)于不同的ΔU值。例如，當θ=180°時，ΔU值為最大。此時接入電源對電機的影響最大。根據(jù)電動機承受電流的能力和母線上一組電動機的殘壓特性，可以在極坐標上繪制殘余電壓曲線，如圖3所示。

圖3 電動機的殘壓特性曲線和耐受極限

電動機重新接入電源時，電動機上的電壓Um為

式中Xm——折算到高壓廠用電壓后的負荷和電動機等值電抗；

Xs——電源等值電抗；

ΔU——電源電壓和殘壓之間的電壓差值。

Um為電動機起動時的允許電壓，根據(jù)實際情況及以往經(jīng)驗，一般選擇為1.1倍電動機的額定電壓UDe，公式表達如下所示

則

令

則

假設(shè)K=0.67，則計算ΔU(%)=164%。在電動機的殘壓特性曲線和耐受極限圖中，繪制以點A為圓心，半徑為1.64的曲線，得到A′-A″弧。而在A′-A″弧右側(cè)的區(qū)域是允許接入備用電源的安全區(qū)域，即電源切換操作區(qū)域。

2.2 公網(wǎng)運行廠用電切換方式

公網(wǎng)運行火電機組的廠用電系統(tǒng)在切換前后工作電源和備用電源處于同一電網(wǎng)，兩個電源電壓、頻率、相位等均相同。根據(jù)上述廠用電切換原理，為了滿足安全要求，公網(wǎng)運行廠用電系統(tǒng)可以采用如下切換方式。

(1)快速切換。就是電源在殘壓特性曲線的AB部分中的切換，即切換發(fā)生在圖中的點B(0.3 s)之前，這是符合電動機的安全規(guī)范的。

(2)同期捕捉切換。如果切換被延遲到點C(0.47 s)之后，可以通過同步判斷實現(xiàn)“同期判別切換”。對于電機也是安全的。

(3)殘壓切換。當殘余電壓衰減到某一較小比例時實現(xiàn)的切換稱為“殘壓切換”。為了確保切換成功，當開始事故切換時，設(shè)備會自動準備進行殘壓切換，以保證出現(xiàn)故障時可以成功切換。

因此，公網(wǎng)運行廠用電切換策略為優(yōu)先采用快速切換，然后是同期捕捉切換，最后是殘壓切換。

3 孤網(wǎng)運行廠用電切換仿真及策略

3.1 孤網(wǎng)運行廠用電切換模型

基于同網(wǎng)廠用電切換方式的理論分析，本文對不同切換模式下的切換效果進行了仿真分析。由于公網(wǎng)與孤網(wǎng)之間的相位差和頻率差的存在，切換時電機承受的電壓較大，因此在不同網(wǎng)絡(luò)之間切換時快速切換的成功率低于同一網(wǎng)絡(luò)切換。為了使電動機安全地自啟動，電動機在切換過程中承受的電壓應(yīng)小于額定電壓的1.1倍。在本文研究中以此作為安全運行判斷依據(jù)。下面是對不同切換方式的分析及仿真結(jié)果展示。

上述計算中的K值與機組負載有關(guān)。輕載時，某些輔助機器將被切斷。切斷一部分電動機后，Xm和K值增大，△U會減小。這時，上圖中以較小的△U(%)繪制的弧向A′-A″曲線的右側(cè)移動，最終達到B′-B″弧線位置。根據(jù)相關(guān)文獻及設(shè)備情況，按照K=0.67設(shè)定的允許極限是危險性最大[16]。因此，K的值應(yīng)被認為是大的值。如果判別和其他慢速切換同時進行，△U(%)取110%；△U(%)為100%;如果△U(%)=100%，那么從圖3可知，此時殘余電壓與備用電源存在約為65°的相位差。假設(shè)開關(guān)又100 mS的固有時間，那么閉合開關(guān)的命令需要大約40°的提前量，即保證殘余電壓和母線電壓之間的相位差在25°以內(nèi)時，快速切換對電動機來說才是安全的。廠用電快切時的主電源、備用電源相位差、壓差如圖4和圖5所示。

圖4 主電源和備用電源相位差

圖5 主電源和備用電源壓差

從結(jié)果可以看出，在仿真時刻第1 s時采取快速切換方案，最大將會產(chǎn)生2倍母線額定電壓的電壓差以及最大180°的相位差，將會對電網(wǎng)系統(tǒng)帶來較大的沖擊以及安全隱患。

3.2 孤網(wǎng)運行廠用電切換仿真分析

在電源快速切換裝置中，對廠用電母線電壓(即切換時產(chǎn)生的殘余電壓)進行實時頻率追蹤，對不同電源的頻率、相位以及相位差進行實時分析。在同期捕捉判別過程中，設(shè)備可以自動計算與目標電源之間的殘差以及相角差等信息，并根據(jù)目標電源開關(guān)的閉合時間來設(shè)置提前動作時間，確保在殘壓和目標電源電壓矢量差在出現(xiàn)第一次切換機會時電閘成功動作，避免對網(wǎng)內(nèi)其他設(shè)備產(chǎn)生影響。

假定某時刻殘壓與目標切換電源相角差變化率為V°，變化加速度為a°，目標切換電源開關(guān)的動作時間為Tms，則目需要對標開關(guān)發(fā)合閘指令的提前角度為

θ=V×T+0.5×a×T2

設(shè)當前殘壓與目標電源之間相位差為ψ，則條件

|360-(ψ+θ)|≤ξ

其中：ψ≥180°且第一次過反相點；ξ為一較小值，即捕捉閾值。

當上述條件同時滿足時，切換設(shè)備發(fā)出切換信號并實現(xiàn)同期捕捉切換。廠用電同期捕捉切換時的主電源、備用電源相位差、壓差如圖6和圖7所示。從仿真結(jié)果可以看出，在仿真時刻第1 s時采取同期捕捉切換方案，最大將會產(chǎn)生0.11倍母線額定電壓的電壓差，相比于快速切換方案對電網(wǎng)系統(tǒng)沖擊及影響較小。

圖6 主電源和備用電源相位差

圖7 主電源和備用電源壓差

殘余電壓切換是指在殘余電壓下降到額定電壓的一定程度后進行切換的方式。該模式一般作為快速切換和同期捕捉切換方式的備用手段，主要用于提高切換操作的完成度。根據(jù)機組實際情況及運行需求，仿真研究中將殘余電壓切換閾值設(shè)置為40%，以進行仿真分析，廠用電殘壓切換時的主電源、備用電源相位差、壓差如圖8和圖9所示。在仿真時刻第1 s時采取殘壓切換方案，最大將會產(chǎn)生1.4倍母線額定電壓的電壓差，相比于快速切換方案對電網(wǎng)系統(tǒng)沖擊及影響較小，但是相比于同期捕捉切換方案影響較大。

圖8 主電源和備用電源相位差

圖9 主電源和備用電源壓差

3.3 孤網(wǎng)廠用電切換方式對比及切換策略

通過仿真和理論分析，將廠用電從公網(wǎng)切換到孤網(wǎng)時，同期捕捉切換引起的電壓沖擊較小。表1顯示了在同一電網(wǎng)和不同電網(wǎng)之間進行切換時，快速切換、同期捕捉切換、殘壓切換三種不同切換方式下的母線電壓過電壓倍數(shù)。

表1不同廠用電切換方式對比

切換方式同電網(wǎng)切換時壓差和母線額定電壓之比不同電網(wǎng)切換時壓差和母線額定電壓之比快速切換0.53最大為2倍母線額定電壓同期捕捉切換0.090.11殘壓切換最大為1.4倍母線額定電壓最大為1.4倍母線額定電壓

根據(jù)上述結(jié)果對比表格可以看出，在孤網(wǎng)運行中，孤網(wǎng)與公網(wǎng)之間可能存在較大的相位差。當兩個電網(wǎng)之間的初始相位差較大時，執(zhí)行快速切換將產(chǎn)生較大的沖擊電壓，這對廠用電切換效果不利。因此，在本文機組孤網(wǎng)運行條件下，建議優(yōu)先采用同期捕捉切換方式，其次選擇殘壓切換方式，這樣既可以確保兩者的相位差盡可能小，并且同時保證不同電源間電壓壓差最小，可以達到最佳的切換效果。

4 孤網(wǎng)運行黑啟動電源配置

黑啟動是指整個電網(wǎng)由于故障導(dǎo)致失去電源后，無需其他電網(wǎng)的幫助，系統(tǒng)利用可自啟動的設(shè)備對機組內(nèi)其他主要設(shè)備進行啟動，進而向整機供電，再逐步擴大啟動范圍，最終恢復(fù)整個系統(tǒng)正常運行的過程。在發(fā)生停電后，按照現(xiàn)有的黑啟動計劃的指導(dǎo)，調(diào)度員可以迅速地恢復(fù)系統(tǒng)運行，從而將停電造成的損失降到最低。對于黑啟動的研究主要集中在大規(guī)模停電后電力系統(tǒng)的恢復(fù)策略以及恢復(fù)過程中遇到的問題。它主要涉及發(fā)電機在黑啟動期間的自勵磁，空載線路的過電壓問題，恢復(fù)過程中的功率平衡和電壓調(diào)整，啟動電流以及系統(tǒng)初始恢復(fù)后的穩(wěn)定性問題。對于單機直接供電負載機組，沒有外部電源可以借助。如果該機組出現(xiàn)故障而停止運行，則該機組和負載側(cè)都將失去電源，并且只能通過黑啟動方法來恢復(fù)系統(tǒng)電源。

按照黑啟動過程對啟動狀態(tài)進行劃分，主要可以分為3個階段[17]：

(1)黑啟動階段：首先，黑啟動電源在臨界時間限制內(nèi)向已經(jīng)跳閘的電源上充電，以恢復(fù)其發(fā)電能力，然后將其與啟動電源一起并網(wǎng)運行以形成孤立運行的子系統(tǒng)。

(2)建立網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)：在此階段，將通過啟動具有基本負荷的大型機組并輸入主傳輸線來逐步恢復(fù)主電網(wǎng)。一方面，應(yīng)加強發(fā)電廠之間的連接，以確保為發(fā)電廠提供可靠的電力供應(yīng)。另一方面，將各個子系統(tǒng)并置在一起，以建立穩(wěn)定的網(wǎng)架，作為下一階段全面恢復(fù)負荷的基礎(chǔ)。

(3)負載恢復(fù)階段：由于系統(tǒng)逐步提高供給有功和無功功率，可以按照系統(tǒng)的頻率特性逐步投入負載。一次投入的負荷量不會引起太多的頻率下降，也不會導(dǎo)致低頻負減載動作。

鑒于本文火力發(fā)電機組直接供電的結(jié)構(gòu)特點，為了確保該機組在沒有公網(wǎng)和斷電的情況下啟動，將柴油發(fā)電機組作為自啟動備用電源投入運行。它提高了工廠電力系統(tǒng)的可靠性，大大減少了事故發(fā)生后的恢復(fù)時間，避免了用電端長期停電，并提高了供電質(zhì)量和電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。黑啟動柴油機的容量配置分析如下：

該設(shè)備的額定廠用電有功功率約占發(fā)電總額定負載的10%。在啟動過程中，廠用電的啟動功率約占額定功率的50%。黑啟動期間工廠電力的有功功率為17.5 MW，工廠電氣設(shè)備在額定條件下的功率因數(shù)為0.85，無功功率為10.8 MVar。

在啟動機組時，廠用電系統(tǒng)最大輔機為一臺額定功率9 MW的給水泵，該設(shè)備啟動時需要消耗大量無功，啟動電流約為額定電流的6倍，為此，計算給水泵啟動時的有功功率。對于額定功率因數(shù)為0.85，額定電壓為6.3 kV的給水泵電機，其額定電流為

在6倍啟動電流下，電動機的啟動容量為

所以黑啟動柴油機的容量應(yīng)不小于63.5 MVA，才能保證廠用電輔機設(shè)備依次順利啟動。

5 結(jié)論

在孤網(wǎng)中運行的電站的電力系統(tǒng)沒有電網(wǎng)電源的支持，這大大降低了其運行可靠性。本文某孤網(wǎng)運行機組為例，討論和分析其廠用電系統(tǒng)運行中與安全有關(guān)的問題。

本文從兩個角度分析了孤網(wǎng)廠用電的電力安全問題。首先，分析了孤網(wǎng)/公網(wǎng)的電源切換方法，并給出了不同切換方法的仿真結(jié)果。結(jié)果證明，同期捕捉方法可最大程度地減少工廠電源切換引起的電壓波動。電壓差和母線額定電壓的最小比率為0.11，滿足了孤網(wǎng)機組的運行需求。然后，基于不考慮外部電源的基礎(chǔ)上，選擇柴油發(fā)電機組作為黑啟動的備用電源。根據(jù)分析，當廠用電啟動時輔機的額定功率為9 MW時，柴油發(fā)電機的容量應(yīng)不小于63.5 MVA，以確保工廠電力系統(tǒng)順利啟動。