大型冶煉企業(yè)獨立電力系統(tǒng)控制方案研究

徐 思 佳

(中國電建集團江西省電力設計院有限公司，330000，南昌)

0 引言

國內(nèi)實現(xiàn)獨立電網(wǎng)運行的企業(yè)很少，大多集中在造紙、紡織、氧化鋁、糧食加工、小化工等負荷分散平穩(wěn)容量較小的行業(yè)[1-5]。而對于鎳鐵爐這種負荷集中、波動很大的用電負荷，長期獨立電網(wǎng)運行的企業(yè)很少。國內(nèi)外有以下幾個企業(yè)的情況與本文研究的獨立電網(wǎng)類似：1)某企業(yè)裝備4臺135 MW機組、2臺50 MW背壓機，帶了4組共30余臺12.5 MW以上硅鐵爐，運行了2 a多；2)甘肅金川印尼北馬魯古省奧比島鋼鐵項目，建設4套33 MW的鋼鐵合金冶煉爐生產(chǎn)線，配套建設自備電廠，裝備3×220 t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐、3×50 MW純凝汽輪發(fā)電機組，配備20 MW電負荷平衡系統(tǒng)及機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)；3)青山集團印尼北北蘇鋼鐵項目，一期建設4套33 MW的鋼鐵合金冶煉爐生產(chǎn)線，配套建設自備電廠，裝備2×65 MW純凝汽輪發(fā)電機組。配備20 MW電負荷平衡系統(tǒng)，于2014年初投產(chǎn)至今。三期新上3×350 MW機組，增加軋鋼生產(chǎn)線，負荷波動加劇，為了節(jié)省投資，配置的40 MW電平衡系統(tǒng)，但在投用后發(fā)現(xiàn)電平衡容量不夠，不得不緊急追加20 MW電負荷平衡系統(tǒng)，造成工期延誤和經(jīng)濟損失。

以上獨立電網(wǎng)與本文的并網(wǎng)電廠相比，存在以下幾個明顯區(qū)別[6-8]：1)裝備了電負荷平衡裝置，用于平衡礦熱爐的負荷沖擊；2)裝備了機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)，自建了電網(wǎng)的管理控制功能；3)對發(fā)電廠的主輔機的控制性能和電源適應性提出了更高的技術(shù)要求。

為了提高運行經(jīng)濟性，本文所涉及的鎳鐵項目急需尋求獨立電網(wǎng)運行?？墒?，獨立電網(wǎng)運行面臨著幾個難以解決的問題[9-11]：1)獨立電網(wǎng)的發(fā)電機組數(shù)量較少，導致儲備的動能和熱力勢能很小，因而獨立電網(wǎng)會受到用電負荷的沖擊；2)較少的發(fā)動機導致系統(tǒng)的可靠性降低；3)較少的鎳鐵爐導致負荷波動較為頻繁，較大范圍的負荷沖擊會作用于獨立電網(wǎng)；4)缺少大電網(wǎng)的協(xié)助，難以維持電壓和頻率的可靠性。

本文的設計目標是：鎳鐵爐、不銹鋼生產(chǎn)線及其自備電廠能夠獨立運行，供電質(zhì)量滿足用電設備的需求，接近大電網(wǎng)的行業(yè)標準要求。參照相關(guān)行業(yè)標準要求如下：在出現(xiàn)機組跳閘、線路故障等極端故障，應避免電網(wǎng)崩潰，供電頻率允許偏差不應超過± 2.0 Hz。公共電網(wǎng)電壓不平衡度允許值為2%，短時為4%。

1 獨立電網(wǎng)問題分析

獨立電網(wǎng)運行時，機組側(cè)發(fā)電量與下游用電量需保持實時動態(tài)平衡，如果出現(xiàn)不平衡，在毫秒級的時間內(nèi)，電網(wǎng)頻率、電壓就會出現(xiàn)偏差，不平衡量越大，出現(xiàn)偏差越大，而鎳鐵冶煉負荷波動頻繁、波動幅度較大。因此，如何提高多臺機組實時動態(tài)響應能力，如何解決發(fā)電量與用電量的實時匹配問題，成為獨立電網(wǎng)運行中需解決的主要技術(shù)難點。

1.1 負荷特性分析

1.1.1 用電負荷狀況 按照青島印尼項目電廠項目總體規(guī)劃，項目現(xiàn)有6×65 MW發(fā)電機組擬為獨立電網(wǎng)運行，直接向下游鎳鐵生產(chǎn)線(33 MVA 的鎳鐵爐)提供所需電力。

1.1.2 鎳鐵爐負荷特性綜述 鎳鐵爐是鎳鐵冶煉工藝中的主要用電設備。鎳鐵爐具有非線性、時變、多參量等特性。綜合阻抗由鎳鐵爐變壓器、鎳鐵爐短網(wǎng)、爐內(nèi)等3個部分阻抗組成。其中，變壓器阻抗與有載開關(guān)檔位有關(guān)；短網(wǎng)阻抗一般為一定值；爐內(nèi)阻抗與原料成分、溫度、布料情況、電極插入深度，且伴隨著冶煉過程的進行等諸多因數(shù)而變化。鎳鐵爐變壓器一次側(cè)功率不穩(wěn)定，出現(xiàn)經(jīng)常性波動和負荷突變現(xiàn)象，且存在三相負荷不平衡，甚至缺相或短路等現(xiàn)象。運行操作根據(jù)爐內(nèi)阻抗值來選擇合適的電極電壓。爐內(nèi)阻抗較大時，提高電極電壓，來獲得較大的功率，以熔化物料。爐內(nèi)阻抗較小時，降低電極電壓，將電流控制在電極和變壓器允許電流范圍內(nèi)。鎳鐵爐工況說明如表1所示。

表1 鎳鐵爐運行工況表

1.2 發(fā)電機組的特性分析

由于鎳鐵負荷的波動可能會造成瞬時15%的負荷沖擊，然而在獨立電網(wǎng)中發(fā)電量必須與用電量相平衡，按照一般鍋爐和汽機輪的可控能力，無法滿足動態(tài)穩(wěn)定的要求。

發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換過程如圖1所示。鍋爐將燃料的化學能轉(zhuǎn)換為蒸汽熱能，汽輪機將熱能轉(zhuǎn)換為發(fā)電機組的動能，發(fā)電機將動能轉(zhuǎn)換為電能，提供給用電側(cè)使用[12-13]。一旦用電側(cè)出現(xiàn)負荷波動，必然會影響整個能量的轉(zhuǎn)換過程。

圖1 發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過程

根據(jù)理論分析和經(jīng)驗總結(jié)，獨立電網(wǎng)中存在以下各類風險。

1)無功沖擊和暫態(tài)穩(wěn)定水平下降造成功角振蕩的風險。假如獨立電網(wǎng)出現(xiàn)故障，會出現(xiàn)無功儲備不足的現(xiàn)象，會影響電壓的穩(wěn)定性。

2)發(fā)電機組壽命損耗加速的風險。影響發(fā)動機壽命的因素：頻度、幅度、軸系的扭振。

3)發(fā)電機組失去廠用電的風險。因為發(fā)電機組失去廠用電的風險高于大網(wǎng)，所以各方面的設備會經(jīng)受更多的考驗。

4)獨立電網(wǎng)與大網(wǎng)的特性差異對于負荷影響的風險。獨立電網(wǎng)的短路容量較小，與大網(wǎng)的特性存在較大的差異。如果電氣保護沒有考慮這一因素，將會導致保護延時動作，電氣參數(shù)波動過大，對獨立電網(wǎng)造成巨大風險。

5)機組方面。由于機組數(shù)量少，缺少外部大電網(wǎng)的支撐，且下游鎳鐵冶煉時負荷波動大，對系統(tǒng)頻率、電壓的沖擊影響大，如果出現(xiàn)單臺機組非停，將直接影響鎳鐵生產(chǎn)。

2 獨立電網(wǎng)技術(shù)解決方案及分析

2.1 構(gòu)建獨立電網(wǎng)事故時穩(wěn)定控制的五道防線

在大型電網(wǎng)中，電力系統(tǒng)3道防線的概念[14]被提出，是為了避免獨立電網(wǎng)大面積停電和安全穩(wěn)定運行。其中電力系統(tǒng)的3道防線如圖2所示。

圖2 電力系統(tǒng)控制階段示意圖

以電力系統(tǒng)3道防線為基礎，為實現(xiàn)獨立電網(wǎng)運行的安全目標，認為必須針對各種可能的事故工況建立完善的調(diào)整和保護措施，設置5道防線來應對獨立電網(wǎng)各種工況。本文將其稱之為獨立電網(wǎng)系統(tǒng)的5道防線，如圖3所示。

圖3 獨立電網(wǎng)系統(tǒng)的五道防線

防線1：合理設置元件保護，該防線的目的是在第一時間將故障與電網(wǎng)隔離。企業(yè)電網(wǎng)發(fā)生故障時，故障后100 ms內(nèi)或能識別出故障的第1時間主動將故障部分的網(wǎng)絡隔離。

防線2：供電網(wǎng)絡快速重構(gòu)系統(tǒng)，該防線在故障切除后10 ms內(nèi)動作，100 ms內(nèi)完成，從而實現(xiàn)對斷電負荷的不停運恢復供電。供電網(wǎng)絡快速重構(gòu)主站根據(jù)網(wǎng)絡拓撲狀態(tài)選擇供電恢復路徑；在出現(xiàn)獨立電網(wǎng)時，進行快速同期合閘，恢復電網(wǎng)的聯(lián)通性和完整性。

防線3：全網(wǎng)緊急汽電協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。該防線在獨立電網(wǎng)后200 ms內(nèi)，在頻率、電壓還沒發(fā)生大的偏移之前，通過一系列快速功頻控制措施，恢復發(fā)電、負荷的平衡，并保持主蒸汽壓力安全。

防線4：低頻低壓減載和高頻切機控制。當穩(wěn)控聯(lián)切等緊急機網(wǎng)協(xié)調(diào)措施不能將獨立電網(wǎng)頻率限制在安全頻率和電壓范圍之內(nèi)時，啟動該防線將已經(jīng)惡化的頻率和電壓恢復到安全范圍。該防線在穩(wěn)控系統(tǒng)中實現(xiàn)。

防線5：最小發(fā)電系統(tǒng)：在穩(wěn)控最后防線仍然不能維持電網(wǎng)穩(wěn)定的情況下，將電網(wǎng)切成具有發(fā)電能力的最小系統(tǒng)，從而為企業(yè)電網(wǎng)的自動恢復提供電力并維持最基本的重要負荷。該防線在穩(wěn)控系統(tǒng)中實現(xiàn)。穩(wěn)控裝置的具體措施為向各發(fā)電機組DCS控制系統(tǒng)發(fā)出FCB(Fast cut back)指令，機組DCS系統(tǒng)按預設的FCB程序切斷機組并網(wǎng)斷路器，啟動汽輪機組旁路系統(tǒng)，開啟鍋爐安全閥，最終汽輪發(fā)電機組帶自身廠用電系統(tǒng)孤島運行，當電網(wǎng)從異常工作狀態(tài)恢復后快速重新并網(wǎng)。

2.2 機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)

2.2.1 機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)功能概述 企業(yè)電網(wǎng)小電網(wǎng)運行控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)在企業(yè)電網(wǎng)受到不同比例的負荷沖擊時，會依次綜合采用汽輪機調(diào)速控制、勵磁控制、平衡電阻控制、鍋爐PCV閥控、旁路控制、穩(wěn)控快速切機切負荷、柴發(fā)備用電源控制等多種手段協(xié)調(diào)作用實現(xiàn)企業(yè)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

2.2.2 機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)主要控制策略 機網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，為保證快速性，發(fā)電機熱工和電氣量全部基于PMU子站上送，可達到10 ms一個斷面的數(shù)量級，時標誤差小于1 μm；緊急協(xié)調(diào)控制主站考慮熱工狀態(tài)和約束(主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、主蒸汽流量、轉(zhuǎn)速、調(diào)門開度等)，將總功率突變量以及頻率校正需要的功率變化量按照機組當前快速有功調(diào)節(jié)能力的大小，分配至可調(diào)節(jié)機組，以40 ms的控制周期下發(fā)功率目標值給緊急機網(wǎng)協(xié)調(diào)控制子站。緊急協(xié)調(diào)控制子站基于調(diào)度主站的功率指令，以及各機組的機爐工況，給出汽機調(diào)門、OPC電磁閥動作、PCV閥動作、旁路的控制決策及輸出，執(zhí)行指令由硬接線以20 ms為周期直接發(fā)給DCS、DEH，從而實現(xiàn)緊急狀況下的快速功率頻率控制。為了實現(xiàn)對多個電氣島的判斷，緊急協(xié)調(diào)主站還利用SCADA平臺的開關(guān)狀態(tài)信息獲取當前的電網(wǎng)拓撲狀態(tài)。緊急機網(wǎng)協(xié)調(diào)控制主站的具體功能包括數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視分析、控制策略、控制指令、歷史數(shù)據(jù)、告警展示、參數(shù)配置和主備切換，其系統(tǒng)功能圖如圖4所示。

圖4 緊急機網(wǎng)協(xié)調(diào)控制主站

2.3 安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)

2.3.1 穩(wěn)控系統(tǒng)整體要求 企業(yè)電力獨立電網(wǎng)是一個綜合性的電力系統(tǒng)，發(fā)電、供電、配電自成一體，網(wǎng)內(nèi)接線運行方式較多，每種運行方式下會存在不同的穩(wěn)定隱患問題。企業(yè)獨立電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)主要解決以下3個方面的問題：一是通過仿真分析建立仿真分析報告，對全廠的運行方式進行梳理，對每種運行方式對應的穩(wěn)定問題進行分析，并制定相應的穩(wěn)控策略；二是對企業(yè)電網(wǎng)的預想故障設置符合實際情況的邏輯判據(jù)，準確有效地判斷運行方式及區(qū)分各種不同的故障類型，并能有效防止誤動；三是對負荷進行梳理排序，區(qū)分負荷級別，執(zhí)行切負荷原則，并考慮工藝連鎖關(guān)系。

2.3.2 穩(wěn)控系統(tǒng)主要功能 穩(wěn)控系統(tǒng)主要功能：監(jiān)控控制系統(tǒng)信息、分析控制裝置的運行行為、指導調(diào)度人員處理電網(wǎng)事故。

2.3.3 穩(wěn)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) 穩(wěn)控裝置后臺監(jiān)控系統(tǒng)從整體上分為3層：設備層、通信層、調(diào)度(監(jiān)控)層[15-17]。其中穩(wěn)定控制信息管理系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定控制信息管理系統(tǒng)

2.4 供電網(wǎng)絡快速重構(gòu)系統(tǒng)

對于較為復雜的企業(yè)電網(wǎng)來說，在系統(tǒng)獨立電網(wǎng)運行時，如果事故導致各母線供電路徑發(fā)生變化，為了盡可能少的切除負荷，則需要通過自適應解列轉(zhuǎn)供控制來實現(xiàn)，具體包括調(diào)度主站自適應解列和網(wǎng)絡重構(gòu)策略的在線制定、自適應解列的實施、失電母線快切、提高負荷的低電壓穿越能力。

2.5 全網(wǎng)實時動態(tài)監(jiān)測

常規(guī)的SCADA系統(tǒng)只能對電網(wǎng)實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)監(jiān)視(幾秒1個斷面，有效值量)，忽略了電網(wǎng)的動態(tài)變化過程。而故障錄波系統(tǒng)，數(shù)據(jù)量極大(每秒幾千個斷面、瞬時量)，不能實時上送調(diào)度主站進行在線分析。而基于PMU的電網(wǎng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)100 個/s斷面的傳輸速度，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是具有高精度時標(誤差小于1 μs)的相量數(shù)據(jù)，有利于對全網(wǎng)動態(tài)過程進行同步監(jiān)測和分析。

2.6 電負荷平衡系統(tǒng)

電負荷平衡系統(tǒng)主要用于解決小型電網(wǎng)中發(fā)生大型負載非計劃停運造成的有功功率不平衡的問題。電負荷平衡系統(tǒng)的容量主要取決于系統(tǒng)中最大負載的容量，在預算許可的情況下可近似等于最大的負載的容量。也可通過技術(shù)經(jīng)濟比較，采用電力系統(tǒng)仿真軟件計算最大負載停運是系統(tǒng)頻率的升高，在保證系統(tǒng)頻率不高于51 Hz的情況下，采用較小容量。

表2 電負荷平衡系統(tǒng)

3 結(jié)論

本文采用的園區(qū)負荷為鎳鐵廠、煉鋼廠、軋鋼廠負荷。鎳鐵冶煉廠礦熱爐負荷隨著負荷增加會產(chǎn)生三相不平衡，軋鋼廠的軋機每次動作時也會帶來很大的沖擊，如何穩(wěn)定住電網(wǎng)，穩(wěn)定住供電頻率是園區(qū)建設的重中之重。本文通過對電源側(cè)熱工控制系統(tǒng)及電力網(wǎng)絡控制系統(tǒng)合理設置，兼顧電廠與冶煉廠的電力聯(lián)動機制的制定等，創(chuàng)造了印尼孤網(wǎng)運行的典型案例，為園區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定以及項目建設成本管控起到了巨大的作用。