钢铁企业供电系统孤网运行时电压稳定分层组合控制策略

洪超，王尉杰，刘皓明

(1.景德镇陶瓷学院 机械电子工程学院，江西 景德镇 333000；2.河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100)

钢铁企业供电系统孤网运行时电压稳定分层组合控制策略

洪超1，王尉杰2，刘皓明2

(1.景德镇陶瓷学院 机械电子工程学院，江西 景德镇 333000；2.河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100)

摘要：钢铁企业供电系统中含有大量的感性负荷，孤网运行时冲击负荷的启动和自备电厂发电机组的退出运行将导致严重的电压稳定问题。提出一种电压稳定分层组合控制策略：当电网电压小幅波动时，采用自备电厂发电机组励磁调节控制方式维持电压稳定；当励磁调节控制无法满足要求时，投入静止无功补偿器(static var compensator，SVC)无功补偿控制和有载调压开关(on load tap changer，OLTC)调压控制；对于电压下降严重、仅靠上述3种控制方式已不能使其恢复稳定的情况，则需采取低压减载(under voltage load shedding，UVLS)紧急控制措施。通过仿真分析，验证了所提出分层组合控制策略的有效性。

关键词：钢铁企业；供电系统；孤网运行；电压稳定；冲击负荷；低压减载

钢铁企业供电系统中含有大量的感性负荷，这些负荷的运行会引起无功波动、功率因数降低、三相不平衡、损耗增加、谐波增加等损害，尤其是孤网运行情况下，影响更为严重。所以，研究可靠的无功电压稳定控制方法，对于钢铁企业供电系统提高供电可靠性、降低损耗、提高用电设备生产效率和经济性有着重要意义[1]。

目前，对钢铁企业供电系统稳定控制的研究大都集中在频率稳定方面，而对电压稳定控制的研究较少，尤其是孤网运行时的电压稳定控制问题。同时，钢铁企业生产设备较多属于冲击性负荷，例如中板机、轧钢机、电弧炉等。这些设备在以往的负荷建模中多采用静态负荷模型或者动态负荷模型简化模拟，并没有建立有效的考虑炼钢设备生产过程、反映冲击负荷特性的负荷模型。文献[2]介绍了无功功率与网络、电压的关系，分析了钢铁企业的负荷变化特性，建立了负荷预测模型，提出了一套无功电压协调优化模式，将无功电压协调控制分为无功就地分散补偿和电压集中优化两个层面，满足了钢铁企业电网降低网损的需要，提高了电压静态稳定裕度。文献[3]基于某钢铁企业自备电厂实际电网结构，计算分析了形成孤网后的电压和频率特性，计算得出维持系统电压和频率稳定的功率不平衡范围，提出了频率控制方法，但并没有提出电压稳定控制方法。文献[4]提出了一种基于历史数据的冲击负荷建模方法，采用统计方法，寻找出冲击负荷变化的规律，确定冲击负荷变化趋势的典型曲线，对此曲线作柱形数据处理，简化模型数据，再利用电力系统计算分析软件包BPA(BonnevillePowerAdministration)随机数据卡片输入负荷模型，模拟冲击负荷的大体变化趋势。

本文主要针对钢铁企业供电系统孤网运行方式下的电压稳定控制问题，建立以炼钢电弧炉为代表的考虑设备工作特性的冲击负荷模型，提出包括励磁控制、静止无功补偿器(staticvarcompensator，SVC)控制、有载调压变压器(onloadtapchanger，OLTC)调节控制和低压减载(undervoltageloadshedding，UVLS)紧急控制的分层组合控制策略，并通过仿真验证所提出策略的有效性。

UT—机端电压；PT、QT—发电机有功和无功输出；Δω—机端频率偏差；Uref—参考电压；UAmax、UAmin—调节器增益后对应的励磁电压上、下限；URmax、URmin—调节器出口励磁电压上、下限；Uf—励磁电压；s—微分算子；TR—测量环节时间常数；TB1、TB2、TC1、TC2—2级串联校正环节时间常数；TS—调节器时间常数；K1、K2—电压无功环节和电压有功环节增益；KR—调节器增益。图5　自并励静止励磁系统控制模型

1钢铁企业供电系统负荷特性分析

钢铁企业供电系统与一般供电系统有着明显不同的特点。大型钢铁企业一般建有自备电厂作为炼钢的主要电源，但为了提高供电可靠性，钢铁企业供电系统通常会通过高压母线与外部电网相连。正常运行方式下，自备电厂正常发电，外网依照钢铁厂的负荷情况向钢铁厂提供电能或者吸收电能。图1为某钢铁企业供电系统结构[5]。

图1　某钢铁企业供电系统结构

钢铁企业用电设备中，除了大量的用于连续生产的负荷设备外[6]，最突出的特点是含有大量的冲击性负荷，代表性的有中板机、轧钢机、电弧炉等设备[7]。因此，可以将钢铁企业中的负荷分为常规负荷和冲击负荷两类[5]。

当外网发生故障导致连接点断开时，钢铁企业供电系统就会形成孤网运行方式，必须依靠自备电厂维持频率和电压稳定，直到与大电网的连接恢复。在孤网运行期间，冲击负荷的投切会给供电系统造成很大的维持电压稳定的压力。以图1所示的供电系统结构为例，设馈线743和馈线735为主要的冲击负荷线路。假定馈线735上的炼钢电弧炉处于运行状态且供电系统有无功备用，40s时钢铁企业供电系统与大电网解列，发生孤网运行，系统各级电压响应波形如图2所示，炼钢电弧炉的电压波形如图3所示。

U1—发电机侧电压；U2—负荷侧母线电压。图2　系统各级电压响应波形

图3　电弧炉联网和孤网状态下负荷侧母线电压U2波形

由图2波形可知，无功冲击对机端电压的影响并不明显，这是由于电源侧距离冲击负荷扰动中心较远的缘故。而对于冲击负荷连接的母线侧，由于冲击负荷运行过程中形成孤网，电压明显降低，且波动也大。

由图3可以看出，孤网运行中，电弧炉运行造成的电压波动范围比联网运行时大。并且电弧炉冲击负荷工作时，由于生产电压的需要，电压是波动的，变化过程与所建立的冲击负荷模型的工作特点相吻合[5]。

2孤网运行电压稳定分层组合控制策略

现有的电压无功调节控制手段较多，根据控制作用的不同，调控手段也不同。由第1节的仿真结果可知，钢铁企业电网孤网运行时电网电压波动较大，单一控制手段的控制效果通常比较有限，往往达不到预期的控制效果。研究不同控制手段的组合控制，可以更好地提高电压稳定性水平。

考虑钢铁企业供电系统的网架结构和生产实际情况，本文选取研究以下4种电压调节手段：励磁调节控制、SVC无功补偿控制、OLTC调压控制和UVLS控制。基于此4种调节手段的电压稳定分层组合控制原则为：当电网电压小幅波动时，采用自备电厂发电机组励磁调节控制方式维持电压稳定；当励磁调节控制无法满足要求时，投入SVC控制和OLTC调节控制；对于电压下降严重、仅靠上述3种控制方式已不能使其恢复稳定的情况，则需采取UVLS紧急控制措施。电压稳定控制流程如图4所示。

图4　电压稳定控制流程

根据《电力系统安全稳定导则的规定》，设置电压安全稳定判断条件，即动态过程中电压低于0.75(标幺值，下同)的时间小于1s并且稳态电压不小于0.90。当根据系统监测数据和判据，判断出现了电网电压波动时，首先采用发电机侧的励磁调节控制；当励磁调节控制不能满足电压水平要求时，投入无功就地补偿控制和OLTC调节控制。若采取这些措施，还不足以恢复系统电压水平时，则需要采取紧急UVLS控制。

2.1励磁调节控制

自备电厂发电机组的励磁系统采用改进的带电力系统稳定器(powersystemstabilizer，PSS)的自并励静止励磁系统，主要由励磁变压器、整流装置、过电压保护和自动电压调节器组成，其控制模型如图5所示。

励磁系统采用恒机端电压控制方式。为了维持机端电压恒定，根据发电机运行状态的变化，将检测的机端电压UT和发电机无功输出QT作为调节器输入信号，与参考电压Uref相比较后，与经过PSS处理后的信号叠加，所得信号通过自动电压调节控制，输出励磁电压Uf作为同步机的输入，从而调节机端电压的大小以维持恒定。励磁电压的大小由自动电压调节器控制改变整流装置的触发角来调节。

2.2无功就地补偿控制

目前钢铁企业电网应用最多的无功补偿装置是SVC。当冲击负荷的投切引起供电点电压的波动和闪变超过国家规定的标准时，或者负荷侧稳态电压低于0.9时，根据需要补偿的无功容量，在含大量冲击负荷母线处装设SVC，实现无功补偿对于负荷侧电压的调节控制作用。为了获得较好的电压稳定效果，可采用TCR-TSC型SVC和滤波器的组合来改善系统的电压特性。这种无功补偿装置可以快速跟踪电压的变化，平滑地控制无功功率的输出，以满足接入点电压水平的需求。

对于图1所示供电系统结构，可在冲击负荷较多的Ⅱ段110kV母线处安装SVC和滤波器组合。SVC装置的测量环节检测补偿点的电压信号并与参考信号进行比较后，经过数据变化和谐波滤除，得到基频控制信号，再经比例积分(proportional-integral，PI)控制环节处理后，输出晶闸管的触发脉冲信号，以控制SVC装置的无功输出，达到控制电压稳定的目的。当补偿点的电压大于参考电压时，SVC消耗多余的无功功率，起到感性负荷的作用；反之，SVC发出无功功率，起到容性负荷的作用。

2.3OLTC调节控制

OLTC调节控制即改变OLTC的分接头位置以调节两侧的无功潮流分布，进而实现调压的目的。对于有无功备用的系统，可以考虑采用OLTC进行无功电压的调控，若系统无功严重不足，OLTC调节反而会导致电压进一步下降，甚至崩溃。所以对于系统无功严重不足时发生孤网运行的情况，不能采取OLTC调节控制，只能采用无功补偿控制维持电压的稳定。只有通过无功补偿使得系统无功平衡后，才能实施OLTC控制。

OLTC的调节原理是，通过升降电动机改变分接头档位从而改变变压器的变比，可以等效于改变一次侧的等效阻抗，高压侧电压升高时，进行升档操作，此时变比增大，增大了高压侧阻抗，电压回落；反之，进行降档操作，变比减小，电压回升。

为简化计算，忽略变压器励磁电抗和变压器电阻，并将变压器漏电抗视为常数。OLTC的变比计算公式为

(1)

式中：kt为OLTC动作第t次时的变比；Δk为1个档位的调节步距；U为当前测量电压值；f(U)为分接开关升档、降档和不动作的档位动作标识。

为了快速响应调节，忽略各个部分的延时，档位动作标识可由如下逻辑判断式计算得到：

2.4UVLS控制

钢铁企业孤网系统承受功率冲击的能力差，较大的功率冲击可能导致较为严重的电压下降，这是不同于一般大电网的特殊运行特性。为了可靠地阻止钢铁企业系统电压失稳，需安装UVLS紧急控制装置[8]。UVLS实时检测系统电压运行状况，当检测到稳态电压降低到安全阈值以下时，就会触发装置动作，按照事先整定好的减载对象、减载量、动作时间、希望恢复的电压水平，有选择性地切除部分非重要负荷，使得系统电压尽快恢复[9-10]。

2.4.1动作电压和级差的整定

根据电压安全运行水平的要求，设计动作电压的整定值范围为0.75～0.90。本系统设定的UVLS首轮动作电压为0.87，级差取0.03，则电压整定值设置为0.87、0.84、0.81、0.78四个基本级。

2.4.2减载量的确定

UVLS切除的负荷量的确定，要满足不同故障下动作切除负荷后的系统电压恢复目标[11]，可用如下方法分析得出：

a)假设本轮次(第i次)动作切除负荷前，电压正好下降到了本轮的动作电压值Ui，从而本轮切负荷前无功缺额ΔQL(i-1)=(1-Ui)KLQ，其中，ΔQL(i-1)为本轮切负荷前的无功缺额，Ui为本轮动作电压值，KLQ为负荷无功电压调节效应系数。

b)假定本轮次动作切除负荷后，系统电压可以恢复到Ui+1，则此时剩余的无功缺额ΔQL(i)=(1-Ui+1)KLQ。

c)采用近似计算，将系统处于运行临界点时的无功缺额作为减载量的依据。各轮次减载量ΔQi=ΔQL(i-1)-ΔQL(i)。

2.4.3延时时间的确定

延时时间的确定主要取决于负荷特性。本文采用的静态负荷模型，电压降低对其影响较大，所以应快速减载，延时不能超过1.5s。该系统电压降落瞬时变化快，为了防止UVLS来不及动作，设置延时为0.1s。

综上所述，制定UVLS配置方案见表1。

表1UVLS配置方案

轮次动作电压/kV延时/s切除负荷比例/%10.870.11520.840.11030.810.11040.790.110

3算例分析

算例仿真分析采用图1所示供电系统结构。馈线743和735为主要的冲击负荷线路，而UVLS装置安装在馈线735、736、741、761、764等线路上。OLTC的可调节分接头设置在三相并网总降压变压器220kV侧。SVC无功补偿装置安装在Ⅱ段110kV母线处，容量为200MVA。

3.1孤网运行，投入大量冲击负荷

设置孤网运行工况，50s时启动馈线743和735上的冲击负荷，启动前后的系统无功功率波形如图6(a)所示，系统的电压响应曲线如图6(b)所示。

(a)无功功率波形

(b)系统电压响应波形图6　冲击负荷启动前后的无功功率和电压波形

从图6(a)可以看出，大量冲击负荷同时启动会造成无功负荷需求的短时大幅度上升。从图6(b)可以看出，由于无功供给不足，使得自备发电机侧电压U1和负荷母线侧电压U2下降至0.96和0.88的最低点。由于电压明显下降，发电机的励磁调节控制迅速投入作用，使得U1迅速恢复至初始电压水平，但U2在大量冲击负荷的作用下电压下降严重，整个过程仅仅依靠励磁系统的调节作用已不足以维持负荷侧的电压水平，稳态电压仅约为0.9，出现电压失稳。建议钢铁企业供电系统孤网运行时，要尽量减少冲击负荷的大量启动运行。

若部分重要的冲击负荷不能退出运行，则需要在冲击负荷多的线路附近装设无功补偿装置。图7为有、无投入无功补偿时负荷侧母线电压响应波形。

图7　有、无投入无功补偿时负荷侧母线电压U2响应波形

由图7可以看出，通过励磁调节系统和SVC装置的共同作用，使得负荷侧母线电压在各个运行阶段都有了明显提升。尤其稳态运行阶段的电压提升更为明显，提高到了0.912，且电压振荡幅度从0.01减小到0.008，降低了炼钢冲击负荷运行过程对负荷侧电压的影响。

炼钢效率与电压水平成正比，为了提高经济效益，还需进一步对电压进行调节控制。投入OLTC调节控制，进行降档操作后，负荷侧母线电压响应波形如图8所示。

图8　有、无投入OLTC和无功补偿时负荷侧母线电压响应波形

从图8可以看出，在励磁调节控制、无功补偿控制和OLTC调压控制的共同作用下，负荷侧母线稳态运行电压提高到0.919，进一步提高了生产负荷电压水平，提高了生产效率，降低了钢铁企业运行成本，对于钢铁企业电网的经济运行有着重要的意义。

3.2无功备用不足时发生孤网运行

设G3、G4机组检修退出运行，系统无功备用严重不足，40s时发生孤网，投入SVC装置。系统电压响应波形如图9所示。

图9　无功备用不足时发生孤网的系统电压响应波形

由于系统无功备用不足，所以孤网发生时，不能采用OLTC调节控制。从图9可以看出，孤网发生后，即使在励磁调节控制和SVC无功补偿控制的共同作用下，发电机侧电压和负荷侧母线电压的下降仍然很严重，负荷侧电压最低降至0.624，稳态电压也仅为0.855，严重失稳，且动态过程中低于0.75的时间大于1s，已经不满足《电力系统安全稳定导则的规定》中的电压安全水平要求，必须要启动UVLS装置紧急切除部分负荷，此时负荷侧母线电压响应波形如图10所示。

图10　UVLS装置动作后的负荷侧母线电压U2响应波形

形成孤网时，发电机组无功输出为0.6，而负荷侧无功需求为1，无功缺额严重。启动UVLS装置后，装置的第1、2、3级轮次动作切除了0.35的无功负荷。从图10可以看出，UVLS装置动作后，负荷侧母线电压最低降至0.75，且持续时间小于1s，当电压恢复稳定时，稳态电压从0.855上升到0.918，满足了电压安全运行水平的要求，较好地维持了钢铁企业供电系统孤网运行的电压稳定性。

4结束语

钢铁企业用电设备包含了炼钢电弧炉等大量冲击性负荷，使得钢铁企业供电系统具有较为特殊的负荷结构。冲击负荷的启动和退出运行将带来较为严峻的电压稳定性控制问题，必须加以重视和专门研究。钢铁企业一般建有自备电厂，供给用电设备所需大部分电能。针对含自备电厂的钢铁企业供电特性，设计了包含励磁控制调节、SVC控制、OLTC调节控制、UVLS紧急控制的分层组合电压稳定控制策略。对孤网运行过程中冲击负荷投入和机组检修时形成孤网等工况进行了仿真分析，验证了控制策略的有效性。仿真研究表明，所提出的电压稳定分层组合控制策略能很好地适应钢铁企业供电系统运行过程中的各种工况和扰动，控制效果良好。

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ControlStrategyforVoltageStabilityHierarchicalCombinationUnderIsolated

PowerGridOperationModeofPowerSupplySystemsofSteelEnterprises

HONGChao1,WANGWeijie2,LIUHaoming2

(1.SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,JingdezhenCeramicInstitute,Jingdezhen,Jiangxi333000,China; 2.CollegeofEnergyandElectricalEngineering,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu211100,China)

Abstract：There are many inductive loads in power supply systems of steel enterprises. Startup of impact loads and outage of generating units of owned power plants at the time of isolated power grid operation may cause serious voltage stability problem. Therefore, this paper presents a kind of control strategy for voltage stability hierarchical combination which is to use excitation adjustment control mode to keep voltage stable when voltage of the power grid fluctuates within a narrow range, when excitation adjustment control could not meet requirements, static var compensator (SVC) reactive power compensation control and on-load tap changer (OLTC) voltage regulation control are put into operation. If voltage descends too seriously to be recovered only by the above three control strategies, it is needed to use an emergent control measure of under voltage load shedding (UVLS). Simulating analysis verifies validity of the proposed control strategy.

Key words：steel enterprise; power supply system; isolated power grid operation; voltage stability; impact load; under voltage load shedding

收稿日期：2015-11-30修回日期：2016-01-28

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.05.007

中图分类号：TM712

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)05-0032-06

作者简介：

洪超(1982)，男，江西景德镇人。讲师，工学硕士，研究方向为电力电子和电力市场。

王尉杰(1991)，男，江苏南通人。在读硕士研究生，研究方向为用电负荷建模与优化运行。

刘皓明(1977)，男，江苏东台人。副教授，工学博士，研究方向为智能配电网、微电网和电力市场。

(编辑彭艳)