大型冶炼企业独立电力系统控制方案研究

徐 思 佳

(中国电建集团江西省电力设计院有限公司，330000，南昌)

0 引言

国内实现独立电网运行的企业很少，大多集中在造纸、纺织、氧化铝、粮食加工、小化工等负荷分散平稳容量较小的行业[1-5]。而对于镍铁炉这种负荷集中、波动很大的用电负荷，长期独立电网运行的企业很少。国内外有以下几个企业的情况与本文研究的独立电网类似：1)某企业装备4台135 MW机组、2台50 MW背压机，带了4组共30余台12.5 MW以上硅铁炉，运行了2 a多；2)甘肃金川印尼北马鲁古省奥比岛钢铁项目，建设4套33 MW的钢铁合金冶炼炉生产线，配套建设自备电厂，装备3×220 t/h高温高压循环流化床锅炉、3×50 MW纯凝汽轮发电机组，配备20 MW电负荷平衡系统及机网协调系统；3)青山集团印尼北北苏钢铁项目，一期建设4套33 MW的钢铁合金冶炼炉生产线，配套建设自备电厂，装备2×65 MW纯凝汽轮发电机组。配备20 MW电负荷平衡系统，于2014年初投产至今。三期新上3×350 MW机组，增加轧钢生产线，负荷波动加剧，为了节省投资，配置的40 MW电平衡系统，但在投用后发现电平衡容量不够，不得不紧急追加20 MW电负荷平衡系统，造成工期延误和经济损失。

以上独立电网与本文的并网电厂相比，存在以下几个明显区别[6-8]：1)装备了电负荷平衡装置，用于平衡矿热炉的负荷冲击；2)装备了机网协调系统，自建了电网的管理控制功能；3)对发电厂的主辅机的控制性能和电源适应性提出了更高的技术要求。

为了提高运行经济性，本文所涉及的镍铁项目急需寻求独立电网运行。可是，独立电网运行面临着几个难以解决的问题[9-11]：1)独立电网的发电机组数量较少，导致储备的动能和热力势能很小，因而独立电网会受到用电负荷的冲击；2)较少的发动机导致系统的可靠性降低；3)较少的镍铁炉导致负荷波动较为频繁，较大范围的负荷冲击会作用于独立电网；4)缺少大电网的协助，难以维持电压和频率的可靠性。

本文的设计目标是：镍铁炉、不锈钢生产线及其自备电厂能够独立运行，供电质量满足用电设备的需求，接近大电网的行业标准要求。参照相关行业标准要求如下：在出现机组跳闸、线路故障等极端故障，应避免电网崩溃，供电频率允许偏差不应超过± 2.0 Hz。公共电网电压不平衡度允许值为2%，短时为4%。

1 独立电网问题分析

独立电网运行时，机组侧发电量与下游用电量需保持实时动态平衡，如果出现不平衡，在毫秒级的时间内，电网频率、电压就会出现偏差，不平衡量越大，出现偏差越大，而镍铁冶炼负荷波动频繁、波动幅度较大。因此，如何提高多台机组实时动态响应能力，如何解决发电量与用电量的实时匹配问题，成为独立电网运行中需解决的主要技术难点。

1.1 负荷特性分析

1.1.1 用电负荷状况 按照青岛印尼项目电厂项目总体规划，项目现有6×65 MW发电机组拟为独立电网运行，直接向下游镍铁生产线(33 MVA 的镍铁炉)提供所需电力。

1.1.2 镍铁炉负荷特性综述 镍铁炉是镍铁冶炼工艺中的主要用电设备。镍铁炉具有非线性、时变、多参量等特性。综合阻抗由镍铁炉变压器、镍铁炉短网、炉内等3个部分阻抗组成。其中，变压器阻抗与有载开关档位有关；短网阻抗一般为一定值；炉内阻抗与原料成分、温度、布料情况、电极插入深度，且伴随着冶炼过程的进行等诸多因数而变化。镍铁炉变压器一次侧功率不稳定，出现经常性波动和负荷突变现象，且存在三相负荷不平衡，甚至缺相或短路等现象。运行操作根据炉内阻抗值来选择合适的电极电压。炉内阻抗较大时，提高电极电压，来获得较大的功率，以熔化物料。炉内阻抗较小时，降低电极电压，将电流控制在电极和变压器允许电流范围内。镍铁炉工况说明如表1所示。

表1 镍铁炉运行工况表

1.2 发电机组的特性分析

由于镍铁负荷的波动可能会造成瞬时15%的负荷冲击，然而在独立电网中发电量必须与用电量相平衡，按照一般锅炉和汽机轮的可控能力，无法满足动态稳定的要求。

发电系统的能量转换过程如图1所示。锅炉将燃料的化学能转换为蒸汽热能，汽轮机将热能转换为发电机组的动能，发电机将动能转换为电能，提供给用电侧使用[12-13]。一旦用电侧出现负荷波动，必然会影响整个能量的转换过程。

图1 发电系统能量转换过程

根据理论分析和经验总结，独立电网中存在以下各类风险。

1)无功冲击和暂态稳定水平下降造成功角振荡的风险。假如独立电网出现故障，会出现无功储备不足的现象，会影响电压的稳定性。

2)发电机组寿命损耗加速的风险。影响发动机寿命的因素：频度、幅度、轴系的扭振。

3)发电机组失去厂用电的风险。因为发电机组失去厂用电的风险高于大网，所以各方面的设备会经受更多的考验。

4)独立电网与大网的特性差异对于负荷影响的风险。独立电网的短路容量较小，与大网的特性存在较大的差异。如果电气保护没有考虑这一因素，将会导致保护延时动作，电气参数波动过大，对独立电网造成巨大风险。

5)机组方面。由于机组数量少，缺少外部大电网的支撑，且下游镍铁冶炼时负荷波动大，对系统频率、电压的冲击影响大，如果出现单台机组非停，将直接影响镍铁生产。

2 独立电网技术解决方案及分析

2.1 构建独立电网事故时稳定控制的五道防线

在大型电网中，电力系统3道防线的概念[14]被提出，是为了避免独立电网大面积停电和安全稳定运行。其中电力系统的3道防线如图2所示。

图2 电力系统控制阶段示意图

以电力系统3道防线为基础，为实现独立电网运行的安全目标，认为必须针对各种可能的事故工况建立完善的调整和保护措施，设置5道防线来应对独立电网各种工况。本文将其称之为独立电网系统的5道防线，如图3所示。

图3 独立电网系统的五道防线

防线1：合理设置元件保护，该防线的目的是在第一时间将故障与电网隔离。企业电网发生故障时，故障后100 ms内或能识别出故障的第1时间主动将故障部分的网络隔离。

防线2：供电网络快速重构系统，该防线在故障切除后10 ms内动作，100 ms内完成，从而实现对断电负荷的不停运恢复供电。供电网络快速重构主站根据网络拓扑状态选择供电恢复路径；在出现独立电网时，进行快速同期合闸，恢复电网的联通性和完整性。

防线3：全网紧急汽电协调控制系统。该防线在独立电网后200 ms内，在频率、电压还没发生大的偏移之前，通过一系列快速功频控制措施，恢复发电、负荷的平衡，并保持主蒸汽压力安全。

防线4：低频低压减载和高频切机控制。当稳控联切等紧急机网协调措施不能将独立电网频率限制在安全频率和电压范围之内时，启动该防线将已经恶化的频率和电压恢复到安全范围。该防线在稳控系统中实现。

防线5：最小发电系统：在稳控最后防线仍然不能维持电网稳定的情况下，将电网切成具有发电能力的最小系统，从而为企业电网的自动恢复提供电力并维持最基本的重要负荷。该防线在稳控系统中实现。稳控装置的具体措施为向各发电机组DCS控制系统发出FCB(Fast cut back)指令，机组DCS系统按预设的FCB程序切断机组并网断路器，启动汽轮机组旁路系统，开启锅炉安全阀，最终汽轮发电机组带自身厂用电系统孤岛运行，当电网从异常工作状态恢复后快速重新并网。

2.2 机网协调系统

2.2.1 机网协调系统功能概述 企业电网小电网运行控制系统包括系统在企业电网受到不同比例的负荷冲击时，会依次综合采用汽轮机调速控制、励磁控制、平衡电阻控制、锅炉PCV阀控、旁路控制、稳控快速切机切负荷、柴发备用电源控制等多种手段协调作用实现企业电网安全稳定运行。

2.2.2 机网协调系统主要控制策略 机网协调控制系统中，为保证快速性，发电机热工和电气量全部基于PMU子站上送，可达到10 ms一个断面的数量级，时标误差小于1 μm；紧急协调控制主站考虑热工状态和约束(主蒸汽压力、主蒸汽温度、主蒸汽流量、转速、调门开度等)，将总功率突变量以及频率校正需要的功率变化量按照机组当前快速有功调节能力的大小，分配至可调节机组，以40 ms的控制周期下发功率目标值给紧急机网协调控制子站。紧急协调控制子站基于调度主站的功率指令，以及各机组的机炉工况，给出汽机调门、OPC电磁阀动作、PCV阀动作、旁路的控制决策及输出，执行指令由硬接线以20 ms为周期直接发给DCS、DEH，从而实现紧急状况下的快速功率频率控制。为了实现对多个电气岛的判断，紧急协调主站还利用SCADA平台的开关状态信息获取当前的电网拓扑状态。紧急机网协调控制主站的具体功能包括数据采集、监视分析、控制策略、控制指令、历史数据、告警展示、参数配置和主备切换，其系统功能图如图4所示。

图4 紧急机网协调控制主站

2.3 安全稳定控制系统

2.3.1 稳控系统整体要求 企业电力独立电网是一个综合性的电力系统，发电、供电、配电自成一体，网内接线运行方式较多，每种运行方式下会存在不同的稳定隐患问题。企业独立电网稳控系统主要解决以下3个方面的问题：一是通过仿真分析建立仿真分析报告，对全厂的运行方式进行梳理，对每种运行方式对应的稳定问题进行分析，并制定相应的稳控策略；二是对企业电网的预想故障设置符合实际情况的逻辑判据，准确有效地判断运行方式及区分各种不同的故障类型，并能有效防止误动；三是对负荷进行梳理排序，区分负荷级别，执行切负荷原则，并考虑工艺连锁关系。

2.3.2 稳控系统主要功能 稳控系统主要功能：监控控制系统信息、分析控制装置的运行行为、指导调度人员处理电网事故。

2.3.3 稳控系统组成结构 稳控装置后台监控系统从整体上分为3层：设备层、通信层、调度(监控)层[15-17]。其中稳定控制信息管理系统如图5所示。

图5 稳定控制信息管理系统

2.4 供电网络快速重构系统

对于较为复杂的企业电网来说，在系统独立电网运行时，如果事故导致各母线供电路径发生变化，为了尽可能少的切除负荷，则需要通过自适应解列转供控制来实现，具体包括调度主站自适应解列和网络重构策略的在线制定、自适应解列的实施、失电母线快切、提高负荷的低电压穿越能力。

2.5 全网实时动态监测

常规的SCADA系统只能对电网实现稳态监视(几秒1个断面，有效值量)，忽略了电网的动态变化过程。而故障录波系统，数据量极大(每秒几千个断面、瞬时量)，不能实时上送调度主站进行在线分析。而基于PMU的电网实时动态监测系统可以实现100 个/s断面的传输速度，所传输的数据是具有高精度时标(误差小于1 μs)的相量数据，有利于对全网动态过程进行同步监测和分析。

2.6 电负荷平衡系统

电负荷平衡系统主要用于解决小型电网中发生大型负载非计划停运造成的有功功率不平衡的问题。电负荷平衡系统的容量主要取决于系统中最大负载的容量，在预算许可的情况下可近似等于最大的负载的容量。也可通过技术经济比较，采用电力系统仿真软件计算最大负载停运是系统频率的升高，在保证系统频率不高于51 Hz的情况下，采用较小容量。

表2 电负荷平衡系统

3 结论

本文采用的园区负荷为镍铁厂、炼钢厂、轧钢厂负荷。镍铁冶炼厂矿热炉负荷随着负荷增加会产生三相不平衡，轧钢厂的轧机每次动作时也会带来很大的冲击，如何稳定住电网，稳定住供电频率是园区建设的重中之重。本文通过对电源侧热工控制系统及电力网络控制系统合理设置，兼顾电厂与冶炼厂的电力联动机制的制定等，创造了印尼孤网运行的典型案例，为园区电网的稳定以及项目建设成本管控起到了巨大的作用。