大型廠礦局部電網振蕩影響因素的研究與分析

周榮玲，陳　謙，鞠　平，張正利，張　浩

電網關聯技術

大型廠礦局部電網振蕩影響因素的研究與分析

周榮玲，陳謙，鞠平，張正利，張浩

（河海大學能源與電氣學院，江蘇南京211100）

含有特殊負荷的大型廠礦局部電網振蕩問題時有發生。針對某鋼鐵企業存在的實際振蕩問題，初步分析事故原因，并仿真分析沖擊負荷相關因素及企業內部發電機組勵磁方式對該電網振蕩的影響。結果表明，特殊負荷的位置、沖擊幅度及企業內部發電機組勵磁方式對局部電網振蕩的影響較顯著。負荷沖擊幅度越大，越易引發振蕩；沖擊負荷與發電機組電氣距離越近，越易引發振蕩；發電機組選用恒功率因數勵磁方式時，容易引發振蕩。仿真結果驗證了理論分析結論。根據仿真分析結果，建議廠礦企業局部電網內部發電機組選用恒電壓勵磁方式；加強局部電網與大電網的電氣聯系；同時合理布局企業內部的沖擊負荷。

局部電網；振蕩；特殊負荷；勵磁方式

隨著我國經濟的快速發展，對能源、材料、冶金等行業的需求與日俱增。因而，相應大型廠礦企業的安全生產一直是重中之重。大型廠礦的特殊負荷容量較大，通常其從電網汲取的功率隨著其生產過程的特性而大幅變化。該類負荷由于自身的特性，可以在極短的時間內（秒級乃至毫秒級）從電網汲取或釋放幾十兆瓦乃至百兆瓦的功率［1］，如軋鋼機（軋鋼）、電解鋁、硅鐵冶煉（電弧爐）等，對電網造成較大地沖擊。特殊負荷對電網的安全穩定帶來了不可忽視的影響，相關的研究也取得了不少進展。文獻［2］以電弧爐為研究對象，分析了由此帶來的電壓波形畸變、電壓閃爍等電能質量問題；文獻［3］和文獻［4］建立了電弧爐模型，分析其對電網的沖擊影響；文獻［5］研究了特殊電力負荷對電網暫態穩定性的影響，并提出了相應的安全控制措施；文獻［6-9］研究了具有沖擊性的特殊負荷對電力系統相關電力設備的危害，如發電機諧振、變壓器發熱升溫造成絕緣破壞等。

目前仿真計算已經成為電力系統設計、分析和控制中最為重要的輔助工具［10-13］。通過仿真分析，一方面可以對大型廠礦局部電網已發生的事故進行分析，進而采取相應的整改措施；另一方面可以對現有的運行方式進行有效校核檢驗，從而大大提高局部電網的安全運行裕度。本文結合某鋼鐵企業局部電網實際振蕩事故，分析了該企業的特殊負荷及發電機組控制方式對電網振蕩的影響，并在PSASP中仿真驗證，得出了有效結論，相應的研究分析思路及結論將有助于改善類似廠礦企業的運行特性。

1　某局部電網實際振蕩事故的過程

某鋼鐵企業局部電網電氣接線圖如圖1所示。該企業內部的特殊負荷主要位于二總降和三總降（企業電網內部變電站），其中二總降主要為軋鋼負荷，三總降為電弧爐精煉負荷。二者沖擊功率之和可達數百兆瓦，是該局部電網中顯著的沖擊源。

事故發生前，其3臺50 MW自備機組穩定運行。事故發生時，值班人員首先觀察到照明功率發生波動，振蕩周期為數秒鐘左右。隨后，2號機開關指示燈熄，判斷2號機組跳機，8 s后隨機手按停機按鈕；48 s后1號機組因發電機組過流，開關跳閘。期間因給水系統波動，導致3號爐鍋爐水位自動調節方式退出，運行人員及時進行人工跟蹤調整，因調整經驗不足，15 min后鍋爐水位低保護動作跳爐；最終3臺發電機組全停。

2　事故原因初步分析

2.1事故可能的原因

結合事故存檔、歷史數據和該局部電網電氣接線圖，發現1號機組所在系統上接有中板等沖擊性負荷，當沖擊負荷隨著生產過程的特性產生較大功率沖擊時，造成發電機出力下降，且該電網當時采用恒功率因數的發電機勵磁控制方式，當有功下降時，無功進一步下降，此時發電機處于較易失穩狀態，發電機轉速發生變化，產生振蕩，機組失步，導致1號發電機過流跳閘。2號機組停機是由事故發生時當班運行人員手動停機。3號機組在1號、2號機組停機后，給水系統波動較大，導致3號鍋爐水位過高，因操作人員經驗不足，在調節鍋爐水位時，因水位低保護動作跳爐。

綜上所述，初步分析認為該電網發生此次振蕩的電力系統方面主要原因是特殊負荷離內部機組較近，當特殊負荷功率大幅變化時，對內部機組產生較大沖擊，由于發電機采用恒功率因數勵磁控制方式，導致發電機處于較易失穩狀態，最終過流跳閘。

2.2特殊負荷沖擊特性對振蕩的影響

特殊負荷區別于常規負荷，主要表現為自變性和沖擊性，不僅設備容量較大，其生產過程中，設備的啟停、工藝因素等時常造成負荷水平地突變，給電網帶來較大功率沖擊，故又常稱為沖擊負荷，可能造成電網低頻振蕩問題。近年來，我國西部地區某330 kV輸電線上屢次發生頻率0.6 Hz左右低頻振蕩，振蕩發生時間與附近大型鋼鐵企業沖擊負荷投入時間有一定關聯。

沖擊負荷的組成、沖擊量、沖擊速率以及沖擊負荷與發電機組電氣距離等沖擊特性都可能對電網振蕩問題帶來不同影響。電動機負荷相較于恒阻抗負荷，當系統發電機轉速發生變化時，更易引發振蕩，故沖擊負荷組成中電動機比例越高，越易引發振蕩；不同的負荷沖擊量在短時間里（秒級）會給系統造成不同程度的負荷缺口或盈余，沖擊負荷造成的功率偏差會造成發電機轉子的轉速變化，一方面會給系統電壓帶來不同程度的波動，同時也會影響系統的安全穩定；沖擊速率越快，對電網平穩運行帶來的隱患也就越大；系統兩點之間的聯系阻抗稱為電氣距離，電氣距離近的兩點之間聯系較緊密，相互影響也較大，故沖擊負荷與局部電網內部發電機組之間電氣距離越近，造成電網振蕩的可能性越大。

2.3發電機控制方式對振蕩的影響

發電機的勵磁控制可以維持機端電壓在給定水平，并調節機組間的無功分配，進而提高系統的靜態和暫態穩定性［14，15］。廠礦企業大都建有自備電廠，而自備電廠的機組有相當一部分是容量較小的機組，該局部電網的3臺機組容量均為50 MW。對于受容量限制的同步發電機，通過小機組勵磁控制提高電壓水平，進而改善系統穩定性是不現實的［16］。因此采用不同勵磁方式具有實際意義。該企業事故發生時采用恒功率因數發電機勵磁控制方式，沖擊負荷的大幅變化造成發電機有功出力下降，無功隨之也下降，進而可能造成發電機失穩，引起振蕩。若采用恒無功勵磁控制方式，當發電機有功出力下降時，無功出力不會隨之下降，系統振蕩的可能性相對較小；而當采用恒電壓勵磁控制方式時，特殊負荷帶來較大沖擊時，發電機出力下降幅度相對恒功率因數勵磁控制方式較小，因此發電機失穩可能性較小，引起振蕩的可能性較小。

圖1　某鋼鐵企業局部電網電氣接線圖

3　仿真分析

根據以上對該局部電網振蕩影響因素的理論分析，結合實際調研情況，在PSASP中仿真分析勵磁方式、負荷組成、沖擊負荷幅度、沖擊速率及電氣距離5個因素對該電網振蕩的影響。通過仿真分析，得到了這些因素對局部電網振蕩影響的定性結論，驗證了前述理論分析結論。在此給出勵磁方式、沖擊負荷量及沖擊負荷與發電機組之間的電氣距離這3個影響因素的仿真分析過程。

3.1勵磁方式

調研發現該局部電網系統內機組先后使用了恒功率因數和恒機端電壓的勵磁控制系統，為充分地對比分析，在仿真研究中加入了恒無功控制方式。其余影響因素設置相同。在不同勵磁方式作用下，發電機1號的有功功率P、無功功率Q以及勵磁電壓Efd變化曲線如圖2所示。

圖2　勵磁方式對發電機的影響曲線

由圖2曲線可以看出，相同沖擊負荷作用下，恒功率因素勵磁方式最易引起系統強迫振蕩，恒無功控制方式次之，恒電壓勵磁方式較為理想；臨界情況下，不同的勵磁方式能夠定性地改變系統穩定性。

3.2沖擊負荷量

選取2種不同幅度的沖擊（沖擊A：60 MW/45 Mvar，沖擊B：120 MW/90 Mvar），功率因數均為0.8。其他影響因素設置相同。不同沖擊幅度下，發電機1號的有功功率P、無功功率Q以及勵磁電壓Efd變化曲線如圖3所示。

圖3　沖擊負荷量對發電機的影響曲線

由圖3可以看出，相同條件下，特殊負荷沖擊幅度越大，系統振蕩越大，嚴重時導致勵磁電壓達到上限，引起系統強迫振蕩。

3.3電氣距離

由該企業局部電網電氣接線圖可知，二總降和內部總發1號機和總發2號機直接相連，電氣距離短；三總降和外網蘇盤城變采用雙回路直接相連，和內部發電機組距離相對較長?？紤]不同電氣距離的負荷沖擊點對局部系統穩定性影響：二總降和三總降。其余影響因素設置相同。不同電氣距離的沖擊負荷作用下，發電機1號有功功率P、無功功率Q以及勵磁電壓Efd變化曲線如圖4所示。

圖4　電氣距離對發電機的影響曲線

由圖4可見，不同地點的沖擊負荷由于在網架中的位置差異，對電網穩定性影響差異顯著。三總降與外電網聯系緊密，和內部發電機組距離相對較長，負荷沖擊對內部機組影響較??；二總降和內部1號機和2號機電氣距離短，對內部機組有明顯地影響。

總結5個因素對該局部電網振蕩問題的仿真分析結果如表1所示。

表1　某鋼鐵企業局部電網振蕩影響因素仿真分析結果

以上仿真分析結果基本驗證了前述理論分析結論。該廠礦企業事后將勵磁控制方式由恒功率因數勵磁控制方式改為恒電壓勵磁控制方式，振蕩情況得到了較好地控制。

4　結束語

本文結合某鋼鐵企業局部電網實際振蕩事故，初步分析事故原因，并仿真分析沖擊負荷相關因素及企業內部發電機組勵磁方式對該電網振蕩的影響。仿真結果表明，負荷沖擊越大，越易引發振蕩；沖擊負荷與局部電網內部發電機組電氣距離越近，越易引發振蕩；發電機組選用恒功率因數勵磁方式時，容易引發振蕩。該仿真結果基本驗證了理論分析結論。根據仿真分析結果，建議廠礦企業局部電網內部發電機組選用恒電壓勵磁控制方式；加強局部電網與大電網的電氣聯系；合理布局企業內部的沖擊負荷，以減少對企業內部發電機組的沖擊。

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Research and Analysis for the Factors of Local Oscillation of the Electric Network of Large-sized Mine

ZHOU Rongling，CHEN Qian，JU Ping，ZHANG Zhengli，ZHANG Hao
（College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China）

The local oscillation occurs occasionally in the electric network of large-sized mine.This paper focuses on the oscillation problem in a steel enterprise with a mass of special loads.The possible reasons of the local oscillation is analyzed firstly，and then the simulation considering the mentioned reasons including the impact characters of special load，the excitation mode of local generators，etc.are implemented.It is manifested that the changes of impact load，the location of impact load and the excitation mode of a local generator may significantly affect the oscillation in the small grid.Moreover，the larger the change of impact load is，the larger possibility of the oscillation will be，and the closer the distance between the impact load and generators is，the more significant the oscillation will be.If the exciter of local generator is operated in the constant power factor mode，the generator tends to oscillate more easily than in other modes.The simulation results suggest that the constant voltage mode is a good choice for the exciting regulator，connecting the local grid to the outer power grid improves its reliability，and the impact loads should be reasonably distributed.

local power grid；oscillation；special power load；excitation mode

TM714

A

1009-0665（2015）06-0070-04

2015-08-10；

2015-09-21

國家自然科學基金（51377046，51190121）；國家電網公司大電網重大專項資助項目課題：

（SGCC-MPLG001（001-031）-2012）

周榮玲（1992），女，江蘇揚州人，河海大學碩士在讀，研究方向為電力系統建模與控制；

陳謙（1972），男，江蘇南京人，河海大學副教授，研究方向為電力系統建模、電力電子在電力系統中的應用；

鞠平（1962），男，江蘇靖江人，河海大學教授，研究方向為電力系統建模與控制；

張正利（1990），男，江蘇淮安人，河海大學碩士在讀，研究方向為分布式在線建模；

張浩（1990），男，江蘇張家港人，河海大學碩士在讀，研究方向為電力系統建模與控制。