局域網(wǎng)運行的系統(tǒng)分析及計算

許海斌

吉林省電力勘測設(shè)計院，吉林長春 130022

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，民營企業(yè)為了提高經(jīng)濟效益，很多如鋼鐵、電解鋁、水泥、化工、造紙等高耗能行業(yè)紛紛建立了自備電廠，由于種種原因而不能并入電網(wǎng)，由一臺機或幾臺機組成局域網(wǎng)（孤網(wǎng)）運行。由于局域網(wǎng)運行機組數(shù)量少，系統(tǒng)容量小，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，調(diào)整不好，往往會造成系統(tǒng)頻率大幅波動，甚至引起機組跳閘，全廠停電，造成嚴(yán)重損失。因此，討論局域網(wǎng)運行具有很大的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。本文結(jié)合我院設(shè)計的新疆東方希望有色金屬有限公司動力站工程，從系統(tǒng)角度對局域網(wǎng)運行的動態(tài)穩(wěn)定、潮流分布等進行了分析、計算。

1 概述

新疆東方希望有色金屬有限公司動力站工程是大型電解鋁和電力一體化工程，其中電解鋁電力負荷約4×678MW。與電解鋁配套建設(shè)大型火電動力站，動力站本期裝機規(guī)模為2×125MW+5×350MW。留有擴建條件。一期電網(wǎng)規(guī)模：電解鋁變電站2 座，負荷2×678MW，動力站2 座共7 臺機組，裝機分別為2×125MW 和5×350MW。具體見下表1。

表1 東方希望局域網(wǎng)規(guī)模

2 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

一期電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖1 7 臺機組時電網(wǎng)結(jié)構(gòu)方案示意圖

3 計算和分析

3.1 前提條件

采用軟件中國電科院PSASP7.0 版對潮流、暫穩(wěn)、動穩(wěn)進行了有針對性的計算。計算負荷取到所接母線，根據(jù)運行的實際情況，負荷功率因數(shù)為0.91。

正常運行情況下潮流電壓范圍為額定電壓的0.95 ～1.05倍，處于網(wǎng)絡(luò)受端的母線取低值；無功按分區(qū)分層平衡考慮。發(fā)電機按PV 節(jié)點考慮，端點電壓取發(fā)電機額定電壓，功率因數(shù)按大于等于0.85 考慮。

穩(wěn)態(tài)模型中發(fā)電機組均采用考慮直軸、交軸阻尼繞組的5階通用模型。汽輪機采用串聯(lián)、一次再熱的高、中、低壓三缸模型（350MW 機組）；考慮電液DEH 調(diào)速系統(tǒng)(含調(diào)節(jié)系統(tǒng)和伺服機)作用。考慮鍋爐主汽壓力模型。廠用負荷均采用40%的恒阻抗+60%感應(yīng)電動機模型；電解鋁負荷采用96%恒阻抗+4%的電動機模型。

電解鋁是直流串聯(lián)負荷，由整流機組實現(xiàn)交直流轉(zhuǎn)換為其供電，供電安全可靠性要求較高，屬于不可停電負荷，每個40 萬噸整流系列具有以下特點：

1）正常7 臺整流機組運行方式，切除一臺，造成電解系列減負荷約93MW，N-1 即6 臺整流機組運行方式，切除一臺，造成電解系列減負荷約110MW；

2）正常7 臺方式可以切除2 臺整流機組，造成電解系列減負荷約186MW；N-1 方式只能切除1 臺機組，超過這個數(shù)量整流整流機組過載將全部保護跳閘；

3）電解鋁負荷功率穩(wěn)定，短時停電造成的影響很小，但長時間停電會帶來較大經(jīng)濟損失甚至整個電解鋁系列全部報廢。

3.2 潮流

表2 為發(fā)電機和負荷的功率平衡情況。由表可見，該局域網(wǎng)一期備用率為34%。

機組數(shù)量 最大出力MW 125MW機組數(shù)一期 5 0 2 1817.5 1356 34%注：350、220、125 機組廠用分別按9%、9%和10%考慮階段最大負荷MW 350MW機組數(shù)220MW機組數(shù)備用率

正常方式潮流如下圖2 所示。

由以上潮流圖可知，潮流分布合理，電壓正常。為了限制短路電流，機組升壓變的短路阻抗為18%，再加上電解鋁負荷功率因數(shù)為0.91，所以局域網(wǎng)發(fā)電機運行在額定功率因數(shù)0.85左右。

3.3 暫態(tài)穩(wěn)定

東方希望局域網(wǎng)非常緊湊，各個發(fā)電機同步性很好，功角很難拉開，也就是暫態(tài)穩(wěn)定性好，暫態(tài)穩(wěn)定計算結(jié)果如圖3。

圖3 動力站-鋁廠單回線三相短路0.12s 跳開穩(wěn)定曲線

3.4 動態(tài)穩(wěn)定

圖4 一期1 臺機組跳閘角頻率曲線

圖5 一期1 臺機組跳閘切270MW 負荷角頻率曲線

系統(tǒng)存在有功功率缺額時表現(xiàn)為頻率偏低，此時電廠輔機達不到出力要求，進一步降低發(fā)電機組出力，形成惡性循環(huán)；頻率偏低時還會引起系統(tǒng)無功損耗增大，降低系統(tǒng)電壓水平；更為嚴(yán)重的是影響汽輪機葉片壽命甚至導(dǎo)致葉片斷裂。當(dāng)系統(tǒng)頻率低于48.5Hz 時機組會在一定延時后通過切機進行自我保護，后果就是整個系統(tǒng)解列甚至崩潰。

故局域網(wǎng)獨立運行面臨的主要問題是頻率穩(wěn)定問題。以下對各個階段發(fā)生機組跳閘后的動態(tài)過程進行了仿真并輸出顯示了角頻率隨時間的變化，如圖4 ～圖6 所示。圖中顯示，發(fā)生機組跳閘故障對系統(tǒng)頻率影響很大。

一期7 機系統(tǒng)掉1 臺機頻率最低降到約40Hz 左右。如果對應(yīng)切除3 臺整流機組約270MW 負荷，頻率就會快速穩(wěn)定在50Hz 附近；如果只是切除2 臺整流機組約180MW 負荷，頻率就會穩(wěn)定在49.85Hz 附近，但波動時間會稍長。

圖6 一期1 臺機組跳閘切180MW 負荷角頻率曲線

3.5 各種工況下的功率平衡

為確定各種可能的機組和負荷的組合方式，以下給出工程一期各種機組組合方式下的功率平衡表，表中350MW 機組廠用9.0%，220MW 機組廠用9.0%，125MW 機組廠用10%。由表2 可見，一期電解鋁正常生產(chǎn)最低限度為4×350MW+1×125MW 機組滿出力運轉(zhuǎn)。

表2 一期各種情況下功率平衡表

5 結(jié)論

綜上所述：

1）局域網(wǎng)動力站機組正常運行時功率因數(shù)必須維持在0.85 附近，因為負荷和升壓變需要消耗較多的無功功率；

2）局域網(wǎng)電源跟負荷之間基本沒有電氣距離，機組之間功角很難拉開，系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性能良好；

3）隨著東方希望局域網(wǎng)的完善，其獨立運行的可靠性安全性會越來越高。

4）為了確保發(fā)電機組的穩(wěn)定運行和用電負荷的可靠供電，需配置一套安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)。

5）局域網(wǎng)的穩(wěn)定運行還需要從機組配置、調(diào)試、熱控控制、電氣接線及運行人員經(jīng)驗、能力的提高，并建立統(tǒng)一的調(diào)度中心等方面入手。

[1]鄭良華.孤網(wǎng)運行實踐.吉林電力有限公司電力科學(xué)研究院.吉林電力，2008(2).

[2]黃青.孤網(wǎng)運行技術(shù)探討.包頭市東方希望鋁業(yè)有限公司自備電廠.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2010(12).