孤网机组厂用电安全问题分析研究

(国家能源集团神东热电公司，陕西 神木 719300)

0 前言

在高耗能行业中，综合考虑运行成本及经济效益，普遍采用自备电厂方式进行电力供应。其工厂电力的安全性和可靠性是以发电机组以及整个电力系统的安全运行为基础[1]。当电源系统处于孤网运行模式时，没有备用电源作为后备电源进行补充。一旦发生事故，就需要使用外部电源来恢复厂用电，这大大降低了厂用电系统的可靠性[2]。一旦事故停机时间较长，可能会损坏负载侧设备[3]，甚至造成巨大的经济损失[4-5]。

在电网内发生故障后，有两种方式对厂用电进行持续保障：厂用电切换以及黑启动。厂用电切换是通过其他机组或外部电源的短时间切换，以保证自身必要设备的能源供应，如主泵、风机等；而黑启动电源的存在[6]确保了电网的持续安全运行能力，作为后备手段也进行了广泛的应用。发电厂的黑启动已成为越来越普遍的措施，以提高区域电网的系统互连能力。电力系统的操作和维护的复杂性增加了发生大停电的潜在危险，在这方面不乏痛苦的教训[7]。因此，对于孤网运行而言，对厂用电安全问题的研究具有重要的研究价值和重要的实际工程意义。

本文针对某实际孤网运行机组，并基于其与外部公网存在连接的复杂运行条件背景，分析了孤网运行条件下厂用电的安全性，研究了故障情况下厂用电切换过程以及黑启动过程中的关键问题，并给出了相应的仿真结果和操作建议。

1 孤网机组基本情况介绍

某自备电厂现有型号NZK-350-24.2/566/566的一次中间加热、两缸两排汽直接空冷凝汽式超临界汽轮机，装机容量为350 MW。负载为电解铝厂，由6台整流机组组成350 KA电解系列直流供电，直流电压1 148 V，电流370 KA，总交流负荷约430 MW[8]。由于自备电厂的电力不足，因此采用孤网/公网联合运行模式[9]。因此，可以在公网电源和孤网电源进行切换。图1所示为某孤网电厂厂用电系统的简化接线图。

图1 厂用电系统接线图

在正常运行中，发电机端通过工厂高压工作变压器给工厂母线提供的电力，启动/备用变压器作为电厂的高压总线或系统的备用电源。工作分支开关1 DL会在工作电源发生故障或发电机组受到保护时跳闸。这时，工厂总线上连接的一些旋转负载将为系统提供一定的电力，而一部分电动机将进入惰行状态。随着过程进行，残余电压的频率和幅度将逐步下降。此时，如果关闭备用电源2 DL和3 DL，将对工厂总线上的电动机不可避免地造成冲击，并对工厂旋转负载的自启动和安全运行产生严重威胁[10]。

2 厂用电切换原理及公网切换方式

2.1 厂用电系统工作/备用电源切换原理

厂用电及备用系统是发电机组稳定运行的重要组成部分[11]。在正常和事故工况下，两个电源之间的切换可以确保全厂电源设备的不间断运行。在过去，大多数电厂备用电源采用工作电源的辅助触点直接启动或利用继电器进行启动[12]。这种运行方案下，在接通备用电源的瞬时，备用电源电压与母线的残留电压之间会存在最大180°的相角差，这会对电动机造成过度影响[12]。因此需要对其进行同步性验证，以避免对电动机部件产生冲击。如果在等待母线残余电压衰减到较小值之后再接入备用电源，将会导致原电源断电时间过长，导致重要设备运行状态出现波动甚至停机。如果采取这样的切换策略将会在电动机启动过程中产生很大的自起动电流，对于母线电压影响很大，严重降低发电系统的稳定性[14]。

专门为解决厂用电的安全运行而开发的微机型备用电源快速切换装置可以避免这个问题。使用本设备后，当相角和频率差过大时，可以避免后备电源电压和母线残余电压闭合，对电机造成影响。如果电源未能快速切换，该设备将会自动采用到同期判别或者判残压长延迟的缓慢切换方式[15]。同时，在电压暂时下降过程中，可以根据延迟时间消除一些非关键负载，减小重要辅助机器的自启动的难度，提高切换工厂电源的成功率。图2为电动机进行电源切换过程中的等值电路图。后续均基于等值电路进行相关分析及研究。

图2 (a)等值电路图;(b)相量图

式中Us——电源电压；

Ud——母线上电动机的残留电压；

Xs——电源内的等值电抗；

Xm——由低压母线折算到高压厂用电压电动机等值电抗；

ΔU——电源电压与残留电压之间的电压差。

不同的θ角(电源电压和电动机残留电压之间的相位角)对应于不同的ΔU值。例如，当θ=180°时，ΔU值为最大。此时接入电源对电机的影响最大。根据电动机承受电流的能力和母线上一组电动机的残压特性，可以在极坐标上绘制残余电压曲线，如图3所示。

图3 电动机的残压特性曲线和耐受极限

电动机重新接入电源时，电动机上的电压Um为

式中Xm——折算到高压厂用电压后的负荷和电动机等值电抗；

Xs——电源等值电抗；

ΔU——电源电压和残压之间的电压差值。

Um为电动机起动时的允许电压，根据实际情况及以往经验，一般选择为1.1倍电动机的额定电压UDe，公式表达如下所示

则

令

则

假设K=0.67，则计算ΔU(%)=164%。在电动机的残压特性曲线和耐受极限图中，绘制以点A为圆心，半径为1.64的曲线，得到A′-A″弧。而在A′-A″弧右侧的区域是允许接入备用电源的安全区域，即电源切换操作区域。

2.2 公网运行厂用电切换方式

公网运行火电机组的厂用电系统在切换前后工作电源和备用电源处于同一电网，两个电源电压、频率、相位等均相同。根据上述厂用电切换原理，为了满足安全要求，公网运行厂用电系统可以采用如下切换方式。

(1)快速切换。就是电源在残压特性曲线的AB部分中的切换，即切换发生在图中的点B(0.3 s)之前，这是符合电动机的安全规范的。

(2)同期捕捉切换。如果切换被延迟到点C(0.47 s)之后，可以通过同步判断实现“同期判别切换”。对于电机也是安全的。

(3)残压切换。当残余电压衰减到某一较小比例时实现的切换称为“残压切换”。为了确保切换成功，当开始事故切换时，设备会自动准备进行残压切换，以保证出现故障时可以成功切换。

因此，公网运行厂用电切换策略为优先采用快速切换，然后是同期捕捉切换，最后是残压切换。

3 孤网运行厂用电切换仿真及策略

3.1 孤网运行厂用电切换模型

基于同网厂用电切换方式的理论分析，本文对不同切换模式下的切换效果进行了仿真分析。由于公网与孤网之间的相位差和频率差的存在，切换时电机承受的电压较大，因此在不同网络之间切换时快速切换的成功率低于同一网络切换。为了使电动机安全地自启动，电动机在切换过程中承受的电压应小于额定电压的1.1倍。在本文研究中以此作为安全运行判断依据。下面是对不同切换方式的分析及仿真结果展示。

上述计算中的K值与机组负载有关。轻载时，某些辅助机器将被切断。切断一部分电动机后，Xm和K值增大，△U会减小。这时，上图中以较小的△U(%)绘制的弧向A′-A″曲线的右侧移动，最终达到B′-B″弧线位置。根据相关文献及设备情况，按照K=0.67设定的允许极限是危险性最大[16]。因此，K的值应被认为是大的值。如果判别和其他慢速切换同时进行，△U(%)取110%；△U(%)为100%;如果△U(%)=100%，那么从图3可知，此时残余电压与备用电源存在约为65°的相位差。假设开关又100 mS的固有时间，那么闭合开关的命令需要大约40°的提前量，即保证残余电压和母线电压之间的相位差在25°以内时，快速切换对电动机来说才是安全的。厂用电快切时的主电源、备用电源相位差、压差如图4和图5所示。

图4 主电源和备用电源相位差

图5 主电源和备用电源压差

从结果可以看出，在仿真时刻第1 s时采取快速切换方案，最大将会产生2倍母线额定电压的电压差以及最大180°的相位差，将会对电网系统带来较大的冲击以及安全隐患。

3.2 孤网运行厂用电切换仿真分析

在电源快速切换装置中，对厂用电母线电压(即切换时产生的残余电压)进行实时频率追踪，对不同电源的频率、相位以及相位差进行实时分析。在同期捕捉判别过程中，设备可以自动计算与目标电源之间的残差以及相角差等信息，并根据目标电源开关的闭合时间来设置提前动作时间，确保在残压和目标电源电压矢量差在出现第一次切换机会时电闸成功动作，避免对网内其他设备产生影响。

假定某时刻残压与目标切换电源相角差变化率为V°，变化加速度为a°，目标切换电源开关的动作时间为Tms，则目需要对标开关发合闸指令的提前角度为

θ=V×T+0.5×a×T2

设当前残压与目标电源之间相位差为ψ，则条件

|360-(ψ+θ)|≤ξ

其中：ψ≥180°且第一次过反相点；ξ为一较小值，即捕捉阈值。

当上述条件同时满足时，切换设备发出切换信号并实现同期捕捉切换。厂用电同期捕捉切换时的主电源、备用电源相位差、压差如图6和图7所示。从仿真结果可以看出，在仿真时刻第1 s时采取同期捕捉切换方案，最大将会产生0.11倍母线额定电压的电压差，相比于快速切换方案对电网系统冲击及影响较小。

图6 主电源和备用电源相位差

图7 主电源和备用电源压差

残余电压切换是指在残余电压下降到额定电压的一定程度后进行切换的方式。该模式一般作为快速切换和同期捕捉切换方式的备用手段，主要用于提高切换操作的完成度。根据机组实际情况及运行需求，仿真研究中将残余电压切换阈值设置为40%，以进行仿真分析，厂用电残压切换时的主电源、备用电源相位差、压差如图8和图9所示。在仿真时刻第1 s时采取残压切换方案，最大将会产生1.4倍母线额定电压的电压差，相比于快速切换方案对电网系统冲击及影响较小，但是相比于同期捕捉切换方案影响较大。

图8 主电源和备用电源相位差

图9 主电源和备用电源压差

3.3 孤网厂用电切换方式对比及切换策略

通过仿真和理论分析，将厂用电从公网切换到孤网时，同期捕捉切换引起的电压冲击较小。表1显示了在同一电网和不同电网之间进行切换时，快速切换、同期捕捉切换、残压切换三种不同切换方式下的母线电压过电压倍数。

表1不同厂用电切换方式对比

切换方式同电网切换时压差和母线额定电压之比不同电网切换时压差和母线额定电压之比快速切换0.53最大为2倍母线额定电压同期捕捉切换0.090.11残压切换最大为1.4倍母线额定电压最大为1.4倍母线额定电压

根据上述结果对比表格可以看出，在孤网运行中，孤网与公网之间可能存在较大的相位差。当两个电网之间的初始相位差较大时，执行快速切换将产生较大的冲击电压，这对厂用电切换效果不利。因此，在本文机组孤网运行条件下，建议优先采用同期捕捉切换方式，其次选择残压切换方式，这样既可以确保两者的相位差尽可能小，并且同时保证不同电源间电压压差最小，可以达到最佳的切换效果。

4 孤网运行黑启动电源配置

黑启动是指整个电网由于故障导致失去电源后，无需其他电网的帮助，系统利用可自启动的设备对机组内其他主要设备进行启动，进而向整机供电，再逐步扩大启动范围，最终恢复整个系统正常运行的过程。在发生停电后，按照现有的黑启动计划的指导，调度员可以迅速地恢复系统运行，从而将停电造成的损失降到最低。对于黑启动的研究主要集中在大规模停电后电力系统的恢复策略以及恢复过程中遇到的问题。它主要涉及发电机在黑启动期间的自励磁，空载线路的过电压问题，恢复过程中的功率平衡和电压调整，启动电流以及系统初始恢复后的稳定性问题。对于单机直接供电负载机组，没有外部电源可以借助。如果该机组出现故障而停止运行，则该机组和负载侧都将失去电源，并且只能通过黑启动方法来恢复系统电源。

按照黑启动过程对启动状态进行划分，主要可以分为3个阶段[17]：

(1)黑启动阶段：首先，黑启动电源在临界时间限制内向已经跳闸的电源上充电，以恢复其发电能力，然后将其与启动电源一起并网运行以形成孤立运行的子系统。

(2)建立网络体系结构：在此阶段，将通过启动具有基本负荷的大型机组并输入主传输线来逐步恢复主电网。一方面，应加强发电厂之间的连接，以确保为发电厂提供可靠的电力供应。另一方面，将各个子系统并置在一起，以建立稳定的网架，作为下一阶段全面恢复负荷的基础。

(3)负载恢复阶段：由于系统逐步提高供给有功和无功功率，可以按照系统的频率特性逐步投入负载。一次投入的负荷量不会引起太多的频率下降，也不会导致低频负减载动作。

鉴于本文火力发电机组直接供电的结构特点，为了确保该机组在没有公网和断电的情况下启动，将柴油发电机组作为自启动备用电源投入运行。它提高了工厂电力系统的可靠性，大大减少了事故发生后的恢复时间，避免了用电端长期停电，并提高了供电质量和电网运行的稳定性。黑启动柴油机的容量配置分析如下：

该设备的额定厂用电有功功率约占发电总额定负载的10%。在启动过程中，厂用电的启动功率约占额定功率的50%。黑启动期间工厂电力的有功功率为17.5 MW，工厂电气设备在额定条件下的功率因数为0.85，无功功率为10.8 MVar。

在启动机组时，厂用电系统最大辅机为一台额定功率9 MW的给水泵，该设备启动时需要消耗大量无功，启动电流约为额定电流的6倍，为此，计算给水泵启动时的有功功率。对于额定功率因数为0.85，额定电压为6.3 kV的给水泵电机，其额定电流为

在6倍启动电流下，电动机的启动容量为

所以黑启动柴油机的容量应不小于63.5 MVA，才能保证厂用电辅机设备依次顺利启动。

5 结论

在孤网中运行的电站的电力系统没有电网电源的支持，这大大降低了其运行可靠性。本文某孤网运行机组为例，讨论和分析其厂用电系统运行中与安全有关的问题。

本文从两个角度分析了孤网厂用电的电力安全问题。首先，分析了孤网/公网的电源切换方法，并给出了不同切换方法的仿真结果。结果证明，同期捕捉方法可最大程度地减少工厂电源切换引起的电压波动。电压差和母线额定电压的最小比率为0.11，满足了孤网机组的运行需求。然后，基于不考虑外部电源的基础上，选择柴油发电机组作为黑启动的备用电源。根据分析，当厂用电启动时辅机的额定功率为9 MW时，柴油发电机的容量应不小于63.5 MVA，以确保工厂电力系统顺利启动。