一種低頻控制方法在直供電系統中的應用

伍光慰，趙洪山

（酒鋼（集團）公司能源中心，甘肅嘉峪關 735100）

引言

某企業直供電系統由6臺350 MW發電機組、4臺50 MW以下小機組和配套的4座變電站向2條45萬t電解鋁生產線和鐵合金負荷供電。該系統運行初期由于電解鋁陽極效應和換極等因素造成負荷的突增比較明顯，引起網內持續低頻，而機組的調頻參數按照常規電網設置，最終由于機組調頻能力有限，導致網內配置的安全穩定控制系統低頻控制頻繁動作。

筆者從直供電系統電網實際情況，闡述了依據實際電網運行期間的頻率變化特性，在系統中成熟應用一次調頻技術的基礎上，通過優化機組一次調頻方式及相關參數，在負荷側實施了負荷調頻功能。在機組一次調頻和負荷調頻的基礎上結合直供電系統頻率變化特性進一步優化網內配置的控制系統進行低頻控制調整參數，從而保證了直供電系統的穩定運行。

1 正常運行情況下直供電系統頻率變化特性

直供電系統內只有電解鋁負荷，電網容量較小，并且電解鋁負荷存在陽極效應等的負荷波動，所以負荷的波動形成了電網頻率的不穩定。另外，網內發電機組調頻精度差及調節速度慢，所以對頻率的穩定效果較差。具體電網頻率變化和機組一次調頻動作趨勢見圖1所示。

圖1 直供電系統電網頻率變化及機組一次調頻動作趨勢圖

大電網頻率范圍為50±0.2 Hz，從電網頻率調節情況來看，由于網內機組臺數眾多，在電網發生用電負荷和發電負荷不平衡情況下，依靠諸多機組的調頻能夠保證電網的穩定運行。但對于直供電電網，由于電網容量較小、機組臺數少、調頻容量有限等因素，存在網內負荷的正常波動很容易造成直供電系統頻率變化的幅值過大和速率過快，易造成機組設備的損壞，甚至直接引起電網的頻率崩潰。

2 故障情況下直供電系統頻率變化特性

2.1 在實際運行中，該電網出現如下故障時，電網實際頻率變化及網內低頻減載動作情況

當直供電系統網內負荷增加6 MW負荷時，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陽極效應，負荷再增加11.30 MW；9.152 s后由于第二系列電解鋁出現陽極效應，負荷再次增加到9.12 MW。綜合上述負荷共同作用，電網頻率出現持續下跌，由正常的運行頻率下降至48.950 Hz，網內配置的安穩系統低頻動作分別切除鐵合金區域15.8 MW負荷和電解鋁92.65 MW負荷。

2.2 通過仿真分析軟件仿真上述故障時電網頻率變化情況

（1）在不考慮網內一次調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）考慮網內機組一次調頻（機組一次調頻參數按照常規電網設置，并且機組備用容量按照當前負荷的百分比設定）后再次通過仿真分析軟件仿真頻率變化曲線如圖3。

圖2 不考慮機組一次調頻作用下頻率變化曲線

圖3 考慮機組一次調頻后頻率變化曲線

3 正常運行和故障情況下直供電系統存在的問題

（1）機組一次調頻死區下限值設置偏小，未能躲開正常的電解鋁陽極效應，機組一次調頻動作頻繁。

（2）網內只有機組的一次調頻，沒有其他調頻方式。

（3）網內機組一次調頻限幅參數設置偏小，沒有釋放機組應有的調頻能力。

（4）網內配置的安全穩定控制系統低頻功能參數設置不合理。

4 改進措施

（1）根據直供電系統中實際電解鋁負荷特性，尋找網內系統頻率波動范圍，逐步調整機組一次調頻死區參數整定值，實際試驗中發現系統頻率懸浮值為49.6 Hz，則依據頻率懸浮值將系統內主調頻機組的一次調頻死區調整為±24 r/min，次調頻機組的一次調頻死區±28 r/min，第三調頻機組的一次調頻死區為±30 r/min。

圖4 直供電系統機組調頻死區調整后一次調頻動作趨勢圖

（2）直供電電網與大電網存在如下差異：大電網網內機組臺數多，總調節容量充裕；而直供電電網，應充分發揮關鍵機組的一次調頻能力，通過實驗最終確定機組調頻幅度按照機組額定負荷的10%進行設置，確保電網中可調出的總儲備容量滿足電網實際運行需求。

（3）機組一次調頻分別在協控（CCS）、功控、閥控模式下進行了調頻特性試驗，最終確定優先選擇在協調模式下進行一次調頻方式，在協調模式無法投入的情況下，選擇閥控方式。具體試驗曲線如圖5。

圖5 模擬機組調頻動作趨勢圖

（4）電解鋁側增加負荷調頻功能

電解鋁整流控制系統加裝頻率變送器，按照“三取二”的方式檢測電網頻率，在頻率跌落至49.3 Hz～49.0 Hz區間時，控制系統調頻控制邏輯立即啟動，調整穩流控制目標值，分3檔（2%－1%－1%）單向減負荷調整電解鋁負荷為電解鋁總負荷的4%。負荷調整后45 s內不回升。當頻率跌落至49.0 Hz及以下時，優先接收并執行安穩裝置發來的壓負荷控制命令。

（5）上述機組一次調頻及負荷調頻功能全部釋放完成后，在直供電電網持續出現頻率跌落的情況下，按照直供電電網的低頻情況下啟動控制功能，將低頻切負荷參數進行了進一步優化，每一輪次增加了0.2 s的延時，并且增加了加速輪。

5 結論

（1）完全釋放機組一次調頻能力，并且機組一次調頻動作頻次明顯減少，保證了電網的正常運行。

（2）通過調整機組的一次調頻參數和調頻模式后電解鋁側出現陽極效應時， 機組能夠在極短的時間內恢復系統穩定，保證了電網的正常運行。

（3）負荷側參與調頻功能，并且負荷側調頻速度較快，在電網發生頻率緩慢下滑時，能夠利用快速的調節，恢復系統穩定，避免網內低頻切負荷的發生。