淺談局域電網中發電與負荷的匹配以及如何提升發電機組在區域電網的穩定性

廣西華磊新材料有限公司 趙 平 戴 懿

某市局域電網是依托電解鋁企業的自備電廠和市內可調配的火電、水電資源，將境內鋁工業企業聯成一體、互為保安的區域電網。同時還接入部分氧化鋁企業熱用戶為其提供高低壓蒸汽，實現鋁電聯營、熱電聯產模式，該市以區域電網為基礎，破除公網電解用電價格偏高的“瓶頸”限制，促進該市生態型鋁產業良性發展。該市局域網具有電網裝機容量小（2320MW）、單臺機組容量大（350MW）、單系列電解負荷大（400～600MW）等特點，原采用基于開關量控制的切發電機、切整流機組平衡控制模式，因需切量和可切量無法精準匹配經常造成過切或少切、進而引起連鎖反應連續切整流機組或發電機組，造成區域電網劇烈波動甚至黑網事故的發生。

通過網內技術統一論證升級穩控系統，轉變電解整流系統和發電機組間的控制模式，把原基于開關量控制的切機模式轉變為依靠可控硅連續可調控制的以調為主、調切結合的控制模式，以及優化網內發電機組OPC 動作策略：動作值梯度設置，確保逐臺啟動；主汽門復位設限（80%），避免過切發生。

1 網內穩控切機模式加速頻率震蕩分析

局域電網與公網的區別：局域電網特點。某市局域網屬典型的網小，網內僅9臺火力發電機組，單機占比大（最大機組350MW、占比15%），電解鋁負荷占比大（最大電解負荷600MW、占比25.8%）等特點，其火電機組單機占比遠超8%的安全標準。由于電解正常生產存在陽極效應，同時也是屬于網小的緣故，系統頻率一般在50±0.3Hz 之間波動，加上新組建局域網，整個電網調度、運行管理水平一般；公網的特點。公網一般在地域上跨度幾個省份，電源種類多，包括火電、水電、核電、風電，具備很強的一次調頻能力，負荷丟失也不會引起較大頻率波動，同時電源側具備N-2(即在網機組同時少2臺機組)能力，網頻基本在50～49.96Hz 之間，加之調度管理和運行管理規范。

整流機組負荷特性及網內機組負荷情況分析：電解生產配置的整流機組一般為N+1，正常允許短時間退出1臺檢修，但運行中跳閘1臺也會存在負荷失去，呈現不規則性且變化范圍較大，例如其中一家企業600MW電解負荷/配置7臺整流機組，跳閘臺數與用電負變化、誤差分別如下：1/20～25%（120～150MW）/30MW，2/40～45%(240～270MW)/30MW，3/63～65%(378～390MW)/12MW，4及以上/100%/0；網內九臺機組機組號、額定容量（MW）、在網運行負荷（MW）、廠用（MW）、實際出力（MW）分別如下：1/350/290/20/270、2/350/290/20/270、3/3 5 0/2 9 0/2 0/2 7 0、4/3 5 0/3 2 0/2 0/3 0 0、5/3 5 0/3 2 0/2 0/3 0 0、6/1 5 0/1 4 0/1 3/1 2 7、7/1 5 0/1 4 0/1 3/1 2 7、8/1 3 5/1 1 0/1 0/1 0 0、9/135/110/10/100。

穩控切機策略導致頻率震蕩分析：電網初期穩控策略是電解整流跳閘選切發電機組，發電機組跳閘就選切整流機組，本網基本無100%匹配的整流負荷和發電出力，例如1臺整流變跳閘失去負荷120～150MW,只能選切6號或7號機組，但是依然存在7～23MW 誤差，2臺整流機組跳閘只能選切1～3號機組，存在30～60MW 誤差。反之如果發電機組跳閘選切整流機組負荷誤差一致。最終由于因需切量和可切量無法精準匹配經常造成過切或少切、導致系統頻率震蕩。

主要改善措施：針對雙切穩控策略實際問題分兩步解決，第一步解決機組跳閘選切整流問題，改為連續調節為主，調切結合策略。第二步是解決整流跳閘，提升發電機組一次調頻和快速降負荷能力問題。第一步在確定電解系列連續可調節的最大功率額約30～60%之間、按總額定負荷40%實施，確定最佳調節級數可取8～15級，兼顧精度和速度；切機策略。超出可調節最大功率后的策略是依次切1、2臺，最后全部切除整流機組；可控硅整流機組應對區域電網頻率大范圍波動策略：擴大可控硅整流機組因電網頻率過高或過低引起截止的范圍（0.5Hz以內設計），提高整流機組運行穩定性；基于電網頻率監控的負荷側調升和調降策略：頻率低時快速調降或切除負荷策略，頻率高時暫短提升電解系列負荷策略（20kA 以內設置）。

2 發電機組涉網保護動作原理以及加速頻率震蕩分析

2.1 涉網保護動作原理

2.1.1 OPC 超速保護動作原理[1]

OPC 信號是由測速板經過硬件邏輯判斷發出，OPC 信號在硬件邏輯中是延時2s 斷開。在硬件中OPC 信號發出條件有：當汽輪機轉速大于103%、DEH 不在110%或機械超速實驗位且機組未并網；主油開關合閘且汽輪機中亞排氣閥大于30%且汽輪機轉速大于2000r/min 的工況下，主油開關斷開的瞬間，不等汽機超速，直接發出OPC 信號延時2s再判斷當轉速低于3090r/min 后釋放；當延時2s 后判斷轉速還高于3090r/min 則通過超速保護OPC 繼續動作，直到轉速低于3090r/min 后釋放。OPC 動作邏輯：OPC 動作信號一旦發出，DEH 軟件邏輯和SDP 卡的硬件邏輯都會發出關閉高、中壓調門的指令。

硬件邏輯的動作過程：當OPC 動作時，除有兩路OPC 信號直接送給OPC 電磁閥使其動作，泄掉高、中壓調門的保安油壓從而關閉高、中壓調門。還有一路OPC 信號給高、中壓調門的伺服閥（VPC卡），將高、中壓調門手動指令清零，配合關閉高、中壓調門伺服閥。

軟件邏輯的動作過程：中壓調門動作過程。當測速板發OPC 信號或實際轉速大于3090轉、且DEH 不在110%或機械超速試驗位時全關中壓調門，OPC 復位且實際轉速小于3090轉延時3s 全開中壓調門（無速率限制）；高壓調門動作過程。當測速板發OPC 信號或實際轉速大于3090轉，且機組未并網及DEH 不在110%或機械超速試驗位時全關高壓調門。當并網信號發出或實際轉速小于3000轉且再熱器出口壓力小于0.6MPa 時，則根據轉速回路發出的開度指令（根據當前轉速與目標轉速的偏差值計算得出）開高壓調門，即低于3000轉由PID 調節開啟。即在OPC 發生時則切為轉速回路控制，在OPC 復位后根據轉速來調節恢復高調門的開度。

2.1.2 一次調頻動作原理

一次調頻的功能是當機組轉速超出死區后，通過調整閥門指令來穩定電網頻率。局域電網初期規定DEH 一次調頻的速度不等率5%，死區為7轉，幅度正負5%。實際轉速值與初始值轉數（正常下是3000轉）相比較，轉速超過9轉就增加或減少開度，確保轉速控制在初始值（正常下是3000轉），其差值經函數運算得出需調節的功率值（幅值限制為±17MW），一次調頻投入時功率給定值疊加此功率值后輸出[2]。

2.2 涉網保護動作加速頻率震蕩分析

圖1 DEH 軟件OPC 邏輯圖

圖2 一次調頻邏輯圖

OPC 超速保護動作分析。當局域電網甩部分用電負荷，局域電網的頻率會有較大幅度的波動（上升），波動幅度與甩負荷的電量占局域電網容量比例的大小成正比。因為此時汽輪機組并未與局域電網斷開，汽輪機的轉速可能跟隨局域電網產生大幅度波動（升高），如一旦達到103%即3090r/min,由于網內機組同OPC 動作值相同，多臺機組同時啟動OPC，導致全網瞬間損失多臺機組發電出力，電網由發電機出力偏高變瞬間轉為出力不足，OPC 多次動作整個電網極易震蕩潰網。

一次調頻定值動作分析。一次調頻的功能是當機組轉速超出死區后，通過調整閥門指令來穩定電網頻率。對于局域電網運行的發電機組，為克服電解鋁陽極效應或部分用電或發電負荷跳閘引起的局域電網頻率波動，全網的機組保持同樣的死區出現同時參與調整，網頻波動頻繁，機組主汽門頻繁動作，威脅設備的壽命。因此汽輪機的一次調頻功能應根據機組大小，調門性能在轉速不等率、調頻死區、調頻幅度等方面的參數應當重新進行考慮。

3 分梯度對發電機組涉網定值優化的應用

優化涉網定值的應用難點。涉網定值都是依照設備性能參數、電網規定以及電力系統二十五項反措設置，由于局域電網與大網不同，如何實現既能保證局域電網極端情況下的穩定，同時也不傷電廠的主設備，是優化定值的考慮重點。OPC 動作轉速提升將會導致機組偏周波運行的頻率范圍增大，影響動葉片和轉子的壽命，同時也降低了甩負荷等工況下轉子最大飛升轉速和轉速跳機之間的安全裕度。對此，通過與局域網技術人員對以往的潰網數據分析研究，確定OPC、一次調頻調整建議發送至汽輪機廠家，通過三方共同努力破解難點。

分梯度參與調頻并放大一次調頻動作幅度定值。全網機組調頻一并考慮，根據容量大小不同、即大機組(350MW)承擔主要調頻，減少小機組150MW、135MW 的擾動，大機組里面根據機組主汽閥門能力確定優先等級，如1號機組±5轉、2號機組±7轉、3號機組±9轉。同時為提升依次調頻深度的能力，在參考公用電網不設下限的規定下，根據局域網特點在保持上浮10%不變的情況下降下浮增加至80%。

分梯度的OPC 保護定值優化。為避免OPC 保護的頻繁動作，以及全網機組同時動作造成震蕩潰網，適當放大OPC 超速保護定值的范圍并實施梯度應用。如1～3機組OPC 動作值3090轉提升至3120轉以上，且每臺機組錯開10～20轉，同時取消延時2s 再次開啟主汽門，直接設置動作后回做80%，確保OPC動作后能快速恢復頻率穩定。1～3機組原邏輯動作值3090r/min，2s 后全開主汽門。現邏輯分別為：1號3125r/min，0秒開主汽門80%；2號3135r/min，0秒開主汽門80%；3號3155r/min，0秒開主汽門80%。

4 結語

通過實施后，該市區域電網內發電、整流兩側功率匹配調節實現了從“手動擋”到“自動擋”無級調節的轉變，網內負荷平衡控制更為精準；某年5月26日網內某廠2號機組、3號機組在16s 內先后跳閘，分別損失發電出力189.3MW、208.3MW，整流機組先調降175MW，后全切260.6MW，電網運行穩定，控制系統動作敏捷、邏輯正確。通過涉網定值分梯度的進行優化設置，具備了負荷側異常情況的機組調節能力，由100MW 負荷波動提升至200MW 以內可自行調節平衡，在更大負荷失去時加上人工干預開啟高低旁，電網完全具備600MW快速降負荷調節能力。在原本局域電網穩控裝置電源側異常瞬時調整電解電流形成了雙側異常的保障方案。

本方案實施至今，已成功避免了80多次因發電機組出力急劇降低或切機、整流機組故障跳閘甩負荷引起電解生產線停產事故的發生，機組調節能力提升有效促進了局域電網更加穩定。