劉皓明，姚霜晨，袁小慧，李強(qiáng)，呂振華

(1．河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京市211100;2．江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京市211103)

0 引言

鋼鐵企業(yè)通常帶有自備電廠，其與外界電網(wǎng)弱連接，與外界電網(wǎng)交換的功率占其總用電功率的比例較小。當(dāng)企業(yè)電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生擾動時，可以依靠企業(yè)電網(wǎng)自備的穩(wěn)定控制裝置保持系統(tǒng)的有功功率動態(tài)平衡。若鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)與外網(wǎng)斷開獨(dú)立運(yùn)行，則自備發(fā)電廠有功輸出能否實時平衡總有功負(fù)荷將直接影響系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定［1］。特別的，大量沖擊性煉鋼負(fù)荷的存在加大了鋼鐵企業(yè)孤網(wǎng)穩(wěn)定控制的難度。

目前對于鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)穩(wěn)定控制的研究側(cè)重于緊急控制策略，大都基于系統(tǒng)級的暫態(tài)穩(wěn)定分析和控制，未重視自備電廠的調(diào)節(jié)控制能力。文獻(xiàn)［2］針對某鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)發(fā)生多種故障進(jìn)行了暫態(tài)穩(wěn)定分析，提出了低頻減載(under frequency load shedding，UFLS)控制和區(qū)域安全穩(wěn)定控制2種有效的控制策略，對于UFLS控制，提出了增加頻率變化率作為判斷減載動作的依據(jù);針對區(qū)域安全穩(wěn)定控制，仿真分析了切負(fù)荷、切機(jī)和緊急減出力等措施的效果，得出系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時，采取快速準(zhǔn)同期合閘控制可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性的結(jié)論。文獻(xiàn)［3］采用超短期負(fù)荷預(yù)測預(yù)給控制的方法，使發(fā)電機(jī)出力快速響應(yīng)軋鋼沖擊負(fù)荷的變化，從而保證鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)［4］建立了煉鋼企業(yè)電網(wǎng)各動態(tài)元件的數(shù)學(xué)模型，利用BPA軟件對因故障導(dǎo)致孤網(wǎng)運(yùn)行的自備火電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)穩(wěn)定性開展研究。

本文主要針對鋼鐵企業(yè)孤網(wǎng)運(yùn)行方式，基于PSCAD/EMTDC搭建了供電系統(tǒng)火電機(jī)組模型、常規(guī)負(fù)荷模型和沖擊負(fù)荷模型;分析了火電機(jī)組慣性時間常數(shù)、調(diào)差系數(shù)、油動時間常數(shù)等一次調(diào)頻參數(shù)和二次調(diào)頻控制參數(shù)對孤網(wǎng)運(yùn)行的鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的影響;提出了一種自適應(yīng)頻率穩(wěn)定控制策略，討論了低頻減載中首末級頻率、輪數(shù)、級差、每輪切負(fù)荷量和特殊輪設(shè)計等關(guān)鍵問題，通過實時監(jiān)測系統(tǒng)的頻率狀態(tài)，對孤網(wǎng)形成、沖擊負(fù)荷投入、機(jī)組檢修等工況進(jìn)行了仿真分析。

1 鋼鐵企業(yè)供電系統(tǒng)建模

1.1 供電系統(tǒng)概述

與配電系統(tǒng)相比，鋼鐵企業(yè)供電系統(tǒng)有明顯的特點(diǎn)。圖1為某鋼鐵企業(yè)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，自備電廠共有4臺火電機(jī)組，總裝機(jī)容量為1 000 MW，總負(fù)荷900 MW，用電負(fù)荷中743線路、735線路和301線路主要為沖擊性負(fù)荷，742為重要負(fù)荷。為了可靠供電，鋼鐵企業(yè)供電系統(tǒng)通過220 kV母線連入外網(wǎng)。正常運(yùn)行方式下，自備電廠正常發(fā)電，外網(wǎng)依照鋼鐵廠的負(fù)荷情況提供電能或者吸收電能。

圖1 某鋼鐵企業(yè)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Supply system structure in a steel enterprise

大電網(wǎng)220 kV母線經(jīng)總降壓變壓器降壓后與企業(yè)供配電系統(tǒng)相連，同時4臺自備發(fā)電機(jī)組通過110 kV聯(lián)絡(luò)線對企業(yè)供配電系統(tǒng)供電，形成了大電網(wǎng)—企業(yè)供配電系統(tǒng)—自備電廠的兩端供電串聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有較高的供電可靠性［5］。

本文主要研究鋼鐵企業(yè)供電系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下的頻率穩(wěn)定問題，主要控制對象包括自備火電機(jī)組和負(fù)荷，因此整個供電系統(tǒng)的頻率控制模型可簡化為圖2所示的模型，包含同步發(fā)電機(jī)組、勵磁控制系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、用電負(fù)荷、大電網(wǎng)模塊等。

圖2 含自備電廠的供電系統(tǒng)頻率控制簡化模型Fig.2 Frequency control simplified model of power supply system with autonomous power plant

1.2 火電機(jī)組調(diào)速模型

由于鋼鐵企業(yè)負(fù)荷的特殊性，供電系統(tǒng)所面臨的不穩(wěn)定問題突出，要求火電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)具有快速充足的調(diào)節(jié)能力，因此汽輪機(jī)采用串聯(lián)組合單再熱器模型，調(diào)速器采用數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(digital electrichydraulic control system，DEH)。DEH能夠快速跟隨系統(tǒng)狀態(tài)變化、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，并且DEH系統(tǒng)具有超速保護(hù)控制功能(overspeed protect controller，OPC)，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速超過閾值時，OPC動作，快速關(guān)閉汽輪機(jī)閥門降低進(jìn)汽量，使原動機(jī)功率輸出降低，從而降低電網(wǎng)頻率。

DEH模型如圖3所示。該模型中有4種控制方式可供選擇，即調(diào)節(jié)級壓力控制、純轉(zhuǎn)速控制、負(fù)荷控制和轉(zhuǎn)速PI控制［6］，如圖3(a)所示。其中，調(diào)節(jié)級壓力控制和負(fù)荷控制屬于功率反饋閉環(huán)控制，適用于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式。而轉(zhuǎn)速控制方式為開環(huán)控制，適用于企業(yè)級電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行方式。這是因為運(yùn)行中若有功缺額較大，發(fā)電機(jī)機(jī)械功率將會增大，在功率閉環(huán)控制積分環(huán)節(jié)的累積作用下，頻率會繼續(xù)上升，出現(xiàn)反調(diào)現(xiàn)象，可能導(dǎo)致OPC頻繁動作，最終使得機(jī)組停機(jī)，所以孤網(wǎng)運(yùn)行時，調(diào)速器往往工作在開環(huán)控制方式。圖3(b)所示為電液伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型，將調(diào)速器產(chǎn)生的閥位指令電壓信號PCV轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤盒盘?，以推動油動機(jī)的滑閥移動，通過控制調(diào)門開度PGV改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，從而使得系統(tǒng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。其中，To、Tc為油動機(jī)的開啟、關(guān)閉時間常數(shù)，T2為調(diào)門開度傳感器測量時間常數(shù)。

圖3 DEH調(diào)速系統(tǒng)控制模型Fig.3 Control model of DEH speed regulation system

1.3 負(fù)荷模型

對于鋼鐵企業(yè)，除了大量的用于連續(xù)生產(chǎn)的常規(guī)負(fù)荷設(shè)備外，還含有大量的沖擊性負(fù)荷，例如中板、軋鋼、電弧爐等［7］。

(1)常規(guī)負(fù)荷模型。

鋼鐵企業(yè)的常規(guī)用電設(shè)備運(yùn)行時有功和無功隨時間及工況變化而不斷變化，但變動的幅度不大，對系統(tǒng)不會造成太大影響，這類負(fù)荷也稱為基本負(fù)荷。對于該類負(fù)荷一般用靜態(tài)等值負(fù)荷模擬，而不需要建立每個負(fù)荷的詳細(xì)模型。靜態(tài)等值負(fù)荷模型如下:

式中:P0、Q0、V0分別為有功、無功、電壓的基準(zhǔn)值;PV，QV分別為有功、無功的電壓效應(yīng)系數(shù);KP，KQ分別為有功、無功的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù);Δf為頻率偏移量。

(2)沖擊負(fù)荷模型。

在以往的研究中多用靜態(tài)負(fù)荷模型或者動態(tài)負(fù)荷模型簡化模擬，如電弧爐沖擊負(fù)荷往往被簡化為恒阻抗模型。但沖擊負(fù)荷的生產(chǎn)過程比較復(fù)雜，通常伴有化學(xué)反應(yīng)，有功功率發(fā)生跳躍性變化，引起等效阻抗突變，這些特性使得沖擊負(fù)荷不能采用一般的負(fù)荷模型模擬［8］。

以典型煉鋼電弧爐為例，其工作原理是:三相交流電流過電極，在電極和爐料之間電離形成高溫電弧，從而加熱鋼鐵，使之熔化，實現(xiàn)煉鋼的目的，其電壓較低但電流很大。整個過程遵循能量守恒定律，所以可以基于能量守恒定律推導(dǎo)電弧動態(tài)特性微分方程，在PSCAD中搭建自定義模型模塊。

設(shè)P1為以熱能形式散發(fā)到周圍環(huán)境中的功率;P2為增加電弧內(nèi)部能量從而影響其半徑的功率，即電弧爐內(nèi)部所消耗的功率;P3為電弧消耗功率和轉(zhuǎn)換為熱能功率之和。若電弧柱內(nèi)的溫度各處都是相同的，則電弧的功率平衡方程為

電弧半徑和電弧溫度對電弧的散熱都會產(chǎn)生影響，其中電弧溫度的影響很小，若忽略不計可得:

電弧爐內(nèi)部消耗的功率與電弧內(nèi)部能量的導(dǎo)數(shù)成正比，而電弧爐內(nèi)部能量與電弧半徑的平方成正比，則:

電弧爐的弧柱電阻率與電弧半徑的m次方成反比，因此:

式(3)至(5)中:r(t)為電弧半徑;i(t)為電弧電流;v(t)為電弧電壓，v(t)=，它們都是隨著時間變化的;k1、k2、k3為比例系數(shù)，與運(yùn)行參數(shù)相關(guān);n和m依據(jù)環(huán)境和電弧長短以及電弧半徑的大小不同取值，當(dāng)n、m取值不同時可以模擬電弧爐3種不同的工作狀態(tài)(n=2，m=0，處于熔化期;n=1，m=1，處于氧化期;n=0，m=2，處于還原期［9］)。

由式(3)至(5)，可得:

在PSCAD中建立電弧爐數(shù)學(xué)模型，并接入三相電源仿真，得到的電弧爐功率曲線如圖4所示。由圖4可知，煉鋼電弧爐的啟動會引起較大的有功和無功的變化，且其在生產(chǎn)過程中，有功和無功都呈現(xiàn)出上下的沖擊波動，證實了所建立的自定義交流電弧爐模型符合沖擊負(fù)荷的變化趨勢。

圖4 煉鋼電弧爐功率曲線Fig.4 Power curve of arc furnace in steelmaking

2 自適應(yīng)頻率穩(wěn)定控制策略

當(dāng)鋼鐵企業(yè)孤網(wǎng)運(yùn)行時，與大電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，所有負(fù)荷的供電完全由火電機(jī)組承擔(dān)?？紤]到鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)在實際運(yùn)行中會出現(xiàn)形成孤網(wǎng)過程、線路故障、大容量負(fù)荷脫網(wǎng)等特殊情況［10］，引起較大的功率不平衡，為了保證生產(chǎn)負(fù)荷的正常運(yùn)行，需要優(yōu)先考慮火電機(jī)組自身的調(diào)頻能力，保證對鋼鐵企業(yè)重要負(fù)荷的持續(xù)供電［11］。若采取這些措施后，頻率仍下降嚴(yán)重，必須實施緊急負(fù)荷控制措施。

針對以上分析，提出一種自適應(yīng)頻率穩(wěn)定控制策略，實時監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行情況，以控制系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，如圖5所示。其控制原理總結(jié)如下。

(1)正常運(yùn)行時，利用火電機(jī)組的調(diào)頻系統(tǒng)維持頻率穩(wěn)定，保證穩(wěn)態(tài)頻率偏差在Δf0以內(nèi)。

(2)系統(tǒng)受到較大擾動，若引起頻率偏差大于Δf0，進(jìn)一步判斷頻率是否低于49 Hz，若未越界，則僅通過自備電廠的調(diào)節(jié)控制裝置即可使得系統(tǒng)頻率恢復(fù)至正常水平，此時UFLS裝置不動作。

(3)若系統(tǒng)受到大的擾動，造成較大的有功功率缺額，系統(tǒng)頻率低于49 Hz，此時僅靠火電機(jī)組的調(diào)控作用已經(jīng)不足以維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，應(yīng)立刻執(zhí)行緊急UFLS控制策略，確保系統(tǒng)快速恢復(fù)穩(wěn)定。

圖5 自適應(yīng)頻率穩(wěn)定控制原理Fig.5 Self-adaptive frequency stability control principle

2.1 自備電廠的調(diào)節(jié)控制

自備電廠發(fā)電機(jī)組的慣性時間常數(shù)、調(diào)差系數(shù)、油動時間常數(shù)等一次調(diào)頻參數(shù)和二次調(diào)頻控制參數(shù)對孤網(wǎng)運(yùn)行的鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定都有較大影響。孤網(wǎng)系統(tǒng)功率缺額變化時，在火電機(jī)組頻率特性和負(fù)荷頻率特性的共同作用下，系統(tǒng)頻率會達(dá)到新的平衡，它們共同的單位調(diào)節(jié)功率可表示為

式中:KL和KG分別為負(fù)荷和火電機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率;ΔPL為總負(fù)荷功率偏差。

(1)慣性時間常數(shù)。

孤網(wǎng)運(yùn)行時火電機(jī)組動態(tài)方程為

式中:Tj為火電機(jī)組慣性時間常數(shù);PT和PE分別為機(jī)械輸入功率和電磁輸出功率。

不同Tj下孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)不同，如圖6所示。可見，慣性時間常數(shù)越大，系統(tǒng)暫態(tài)頻率偏差越小，越有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖6 不同慣性時間常數(shù)下系統(tǒng)孤網(wǎng)頻率響應(yīng)Fig.6 Frequency response in isolated operation mode with different inertia time constants

(2)調(diào)差系數(shù)。

調(diào)差系數(shù)σG%決定了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率偏差的關(guān)系，在數(shù)值上為發(fā)電機(jī)組單位調(diào)節(jié)功率KG的倒數(shù)，其標(biāo)幺值為

不同調(diào)差系數(shù)下孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)不同，如圖7所示。調(diào)差系數(shù)越小，系統(tǒng)一次調(diào)頻能力越強(qiáng)，頻率穩(wěn)定性越好 ，因此要在保證穩(wěn)定性的前提下，盡可能減小調(diào)差系數(shù)。

圖7 不同調(diào)差系數(shù)下系統(tǒng)孤網(wǎng)頻率響應(yīng)Fig.7 Frequency response in isolated operation mode with different difference coefficients

(3)油動時間常數(shù)。

不同油動時間常數(shù)Ts對應(yīng)的頻率響應(yīng)能力不同，如圖8所示。油動時間常數(shù)越小，伺服系統(tǒng)響應(yīng)越快，頻率波動越小，穩(wěn)定時間也會縮短。因此，孤網(wǎng)運(yùn)行時，油動時間常數(shù)越小，越利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖8 不同油動時間常數(shù)下系統(tǒng)孤網(wǎng)頻率響應(yīng)Fig.8 Frequency response in isolated operation mode with different oil motor time constants

(4)二次轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

一次調(diào)頻是有差調(diào)節(jié)，孤網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定后頻率不能回到額定值，需要單獨(dú)設(shè)置二次調(diào)頻邏輯，以增強(qiáng)發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)范圍。

與圖3一次調(diào)頻控制方式不同，投入二次調(diào)頻后的DEH調(diào)速系統(tǒng)整體模型如圖9所示。孤網(wǎng)運(yùn)行要求及時切換功率運(yùn)行模式，在投入一次調(diào)頻的同時，投入轉(zhuǎn)速PI控制實現(xiàn)二次轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。實現(xiàn)自動二次調(diào)頻的原理是，將所測得的頻率偏差通過一個PI控制器產(chǎn)生控制信號，與現(xiàn)有的一次調(diào)頻共同作用于閥門控制指令，通過增加或減少閥門開度來調(diào)節(jié)機(jī)組有功功率。

圖9 投入二次調(diào)頻轉(zhuǎn)速PI控制模型Fig.9 Rotative speed PI control model after second frequency regulation

2.2 低頻減載策略

對于大電網(wǎng)的三道防線，任一機(jī)組檢修或者跳閘故障發(fā)生時，電力系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)保持穩(wěn)定運(yùn)行，這是第一道防線的標(biāo)準(zhǔn)要求，此時不需要采取緊急控制措施。而對于鋼鐵企業(yè)孤網(wǎng)運(yùn)行的系統(tǒng)，任一臺機(jī)組脫網(wǎng)都會對電網(wǎng)造成較大的功率沖擊，可能導(dǎo)致頻率嚴(yán)重下降，必須采取緊急控制策略，這一點(diǎn)與大電網(wǎng)有很大的不同［12］。

為了保證鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)安全和對重要負(fù)荷的供電，啟用UFLS控制，有選擇地切除部分非重要負(fù)荷，阻止系統(tǒng)頻率崩潰［13］。首先要針對鋼鐵企業(yè)供電系統(tǒng)形成孤網(wǎng)后的UFLS裝置進(jìn)行設(shè)定值整定，確定首級末級頻率、輪次和級差等［2］。

(1)首級末級頻率。

ULFS首級動作頻率f1取決于自備電廠的有功儲備能力及所要求的頻率恢復(fù)水平，末級動作頻率fm取決于自備電廠火電機(jī)組的特性。按照規(guī)定，有火電機(jī)組的發(fā)電廠，動作頻率不能低于47 Hz。

(2)輪數(shù)和級差。

裝置前后級動作的頻率級差Δfδ主要由頻率測量元件的最大誤差頻率Δfσ和要求的頻率裕度Δfy有關(guān)，計算表達(dá)式為

則UFLS裝置的輪數(shù)m為

(3)最大有功功率缺額。

確定發(fā)生擾動后的最大可能的有功功率缺額ΔPmax，由此制定接入UFLS裝置的功率值PJ，是保證企業(yè)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行安全的重要保證。通常希望在切除負(fù)荷后的恢復(fù)頻率fh要略小于系統(tǒng)額定頻率fN，則:

式中PLN為額定有功負(fù)荷。

(4)每輪切負(fù)荷量。

在頻率發(fā)生偏移后，切除負(fù)荷越多，系統(tǒng)頻率就恢復(fù)得越高。在實際的運(yùn)行工況中，頻率下降嚴(yán)重引起的切除負(fù)荷量通常設(shè)計得略微過切，這樣有助于頻率恢復(fù)水平的提高。為了頻率更好的恢復(fù)，所設(shè)計首級減載量要略微比其他級多一些。

(5)特殊輪。

特殊輪是在基本輪動作后，用以恢復(fù)系統(tǒng)頻率到可以操作的較高數(shù)值。例如:在第i輪動作后，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在低于恢復(fù)頻率的低限，但又不足以使第i+1輪減載裝置動作，此時出現(xiàn)所謂的頻率懸浮現(xiàn)象，可以啟動帶時限的特殊輪動作，以幫助系統(tǒng)頻率的恢復(fù)。特殊輪可以設(shè)置多個，其動作時限為系統(tǒng)時間常數(shù)的2～3倍，例如可以設(shè)置為10～20 s。

3 算例仿真分析

算例如圖1所示。線路743、735和301為主要的沖擊負(fù)荷，而UFLS裝置安裝在線路735、736、741、761、764上。設(shè)置UFLS首輪動作頻率f1為49 Hz，由于孤網(wǎng)系統(tǒng)對火電機(jī)組的要求更高，末級動作頻率fm設(shè)置為47.8 Hz。級差計算公式取Δfσ=0.1 Hz、Δfy=0.1 Hz，得到級差 Δfδ=0.3 Hz，輪數(shù) m=5 。負(fù)荷和火電機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率KL和KG分別為2和20，取fh為49.8 Hz，則最大可能的有功功率缺額ΔPmax=440 MW，由式(13)得到接入UFLS裝置的功率值PJ=420 MW。由此得到UFLS整定策略表，如表1所示。

表1 UFLS裝置定值設(shè)定Table 1 Setting of UFLS

3.1 與大電網(wǎng)解列孤網(wǎng)運(yùn)行

設(shè)置火電機(jī)組慣性時間常數(shù)Tj=10 s，調(diào)差系數(shù)σ*G%=0.05，油動時間常數(shù)Ts=0.5 s。鋼鐵企業(yè)電網(wǎng)與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，在2 s時與大電網(wǎng)解列，形成孤網(wǎng)運(yùn)行，此時投入發(fā)電機(jī)組二次調(diào)頻系統(tǒng)，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線如圖10所示。

圖10 形成孤網(wǎng)時系統(tǒng)頻率響應(yīng)Fig.10 Frequency response before/after isolated operation mode

由圖10可見，在火電機(jī)組一次調(diào)頻和二次調(diào)頻的共同作用下，企業(yè)電網(wǎng)切換為孤網(wǎng)運(yùn)行時，自備火電機(jī)組迅速響應(yīng)功率缺額，暫態(tài)頻率偏差小，調(diào)節(jié)時間短，頻率快速恢復(fù)至50 Hz穩(wěn)定運(yùn)行，實現(xiàn)了無差調(diào)節(jié)，保證了孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 孤網(wǎng)運(yùn)行時投入沖擊負(fù)荷

鋼鐵企業(yè)孤網(wǎng)運(yùn)行，在第50 s時投入電弧爐沖擊負(fù)荷，工作15 s后退出，并且在正常工作時，電弧爐沖擊負(fù)荷功率在最大95 MW和最小75 MW間變化波動。控制系統(tǒng)判定此時為小擾動情況，調(diào)速系統(tǒng)為二次轉(zhuǎn)速控制模式，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)如圖11所示。

圖11 沖擊負(fù)荷啟停和工作過程中系統(tǒng)頻率響應(yīng)Fig.11 Frequency response when shock load start-up and shutdown

沖擊負(fù)荷投入后，電網(wǎng)頻率有所下降，自備電廠調(diào)速系統(tǒng)迅速響應(yīng)。從圖11可以看出，在運(yùn)行過程中，20 MW以內(nèi)的功率波動幾乎對系統(tǒng)頻率沒有影響。在沖擊負(fù)荷退出后，系統(tǒng)頻率迅速恢復(fù)至50 Hz。孤網(wǎng)可以承受的沖擊負(fù)荷范圍是有限的，圖12給出了在一次調(diào)頻作用下和一次調(diào)頻、二次調(diào)頻共同作用下不同沖擊負(fù)荷引起的系統(tǒng)頻率變化對比曲線。

圖12 沖擊負(fù)荷不同時系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線Fig.12 Frequency response curve with different shock loads

沖擊負(fù)荷越大，調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間越長。沖擊負(fù)荷為190 MW時，一次調(diào)頻的系統(tǒng)頻率最低下降到約49 Hz，可能會引起UFLS裝置動作。沖擊負(fù)荷小于190 MW時，系統(tǒng)可以僅在一次調(diào)頻作用下，使得系統(tǒng)頻率恢復(fù)到49.56 Hz以上，或者同時投入轉(zhuǎn)速二次調(diào)頻，使得系統(tǒng)頻率恢復(fù)到49.86 Hz以上。當(dāng)沖擊負(fù)荷超過190 MW時，應(yīng)該投入二次調(diào)頻控制。由此可見，二次轉(zhuǎn)速控制的投入可大大提高孤網(wǎng)對沖擊負(fù)荷的承受能力。

3.3 孤網(wǎng)運(yùn)行時機(jī)組母線無故障跳閘

在孤網(wǎng)運(yùn)行時，假設(shè)火電機(jī)組G3在50 s時故障跳閘退出運(yùn)行，若無UFLS裝置，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線如圖13所示。

圖13 G3機(jī)組退出運(yùn)行時系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線Fig.13 Frequency response curve during G3 unit quitting

此時孤網(wǎng)系統(tǒng)有功缺額為200 MW，頻率下降到47 Hz以下的時間接近10 s，最低下降到46.805 Hz，已經(jīng)不滿足頻率安全穩(wěn)定運(yùn)行要求?？刂葡到y(tǒng)判定此時屬于大擾動情況，需啟動UFLS系統(tǒng)，實施緊急控制措施。在啟動UFLS裝置后，第一級和第二級相繼動作切除180 MW負(fù)荷，在兩級動作后，系統(tǒng)頻率開始恢復(fù)，并最終穩(wěn)定至49.92 Hz，滿足了頻率安全運(yùn)行的要求(見圖14)。

圖14 UFLS作用后系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線Fig.14 Frequency response curve with UFLS

由上可知，所提出的自備電廠調(diào)頻控制措施可以保證該鋼鐵企業(yè)供電系統(tǒng)在孤網(wǎng)運(yùn)行時頻率的穩(wěn)定性，對于機(jī)組跳閘等頻率下降較為嚴(yán)重的情況，UFLS裝置可以較好地保證系統(tǒng)頻率恢復(fù)穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文針對鋼鐵企業(yè)孤網(wǎng)運(yùn)行提出了一套自適應(yīng)頻率穩(wěn)定控制策略，并基于PSCAD/EMTDC搭建了供電系統(tǒng)和控制策略的模型，仿真驗證了各種運(yùn)行工況下系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定控制效果。通過研究發(fā)現(xiàn):自備電廠火電機(jī)組二次轉(zhuǎn)速調(diào)頻控制的投入可以提高孤網(wǎng)的調(diào)頻能力;并且在發(fā)生更大的沖擊負(fù)荷或者機(jī)組退出運(yùn)行等大擾動情況下，需要投入UFLS裝置，通過優(yōu)化整定，能夠保證鋼鐵企業(yè)孤網(wǎng)運(yùn)行時具有很強(qiáng)的頻率穩(wěn)定性。

［1］黃華，丁勇，常寶立，等．基于高壓調(diào)功器的沖擊負(fù)荷平衡研究［J］．江蘇電機(jī)工程，2014，33(4):63-65．Huang Hua，Ding Yong，Chang Baoli，et al．Research of impact load balancing based on high-voltage power regulator［J］．Jiangsu Electrical Engineering，2014，33(4):63-65．

［2］馬光磊．大型用電企業(yè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方案研究［D］．北京:華北電力大學(xué)，2009．Ma Guanglei．Stability control plans in power supply system of large power consumption enterprise［D］．Beijing:North China Electric Power University，2009．

［3］李春全，羅劍波．攀鋼SCADA及軋鋼沖擊負(fù)荷功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)［J］．電力系統(tǒng)自動化，1998，22(9):80-82．Li Chunquan，Luo Jianbo．The SCADA and steel rolling impact load power regulating system ［J］．Automation ofElectric Power Systems，1998，22(9):80-82．

［4］高超，程浩忠，李宏仲，等．大容量沖擊負(fù)荷對地區(qū)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(1):31-35．Gao Chao，Cheng Haozhong，Li Hongzhong，et al．Influence of high-capacity impact loads on transient stability of regional power system［J］．Power System Technology，2008，32(1):31-35．

［5］《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊》編委會．鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1996．

［6］葉健忠，鄒俊雄，龍霏，等．地區(qū)電網(wǎng)火電機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行頻率控制策略研究［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(7):123-128．Ye Jianzhong， Zou Junxiong， Long Fei， et al． Research on frequency control strategy for isolated grid operation of thermal power unit in regional power network［J］．Power System Protection and Control，2012，40(7):123-128．

［7］孫文華，陳龍，袁曉冬．冶金企業(yè)集中接入配網(wǎng)的諧波影響及對策分析［J］．江蘇電機(jī)工程，2013，32(3):46-49．Sun Wenhua，Chen Long，Yuan Xiaodong．Harmonic effect and strategy analysis of metallurgical enterprises centralized connected to distribution gird［J］．Jiangsu Electrical Engineering，2013，32(3):46-49．

［8］賀仁睦，王吉利，史可琴，等．實測沖擊負(fù)荷分析與建模［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，30(25):59-65．He Renmu，Wang Jili，Shi Keqin，et al．Analysis and modeling of shock load via measurement［J］．Proceedings of the CSEE，2010，30(25):59-65．

［9］申展，朱永強(qiáng)．PSCAD中基于能量平衡關(guān)系的電弧爐負(fù)荷模型的參數(shù)［J］．現(xiàn)代電力，2007，24(3):34-38．Shen Zhan，Zhu Yongqiang．Parameters of electric ARC furance model in PSCAD based on energy conservation［J］．Modern Electric Power，2007，24(3):34-38．

［10］張健銘，畢天姝，劉輝，等．孤網(wǎng)運(yùn)行與頻率穩(wěn)定研究綜述［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(11):149-153．Zhang Jianming，Bi Tianshu，Liu Hui，et al．Review of frequency stability for islanded power system ［J］．Power System Protection and Control，2011，39(11):149-153．

［11］劉皓明，黃海萍，高元，等．考慮有載調(diào)壓變壓器的電解鋁穩(wěn)流控制及其能效分析［J］．電力需求側(cè)管理，2013，15(3):34-37．Liu Haoming， Huang Haiping， Gao Yuan， etal． Current stabilization control strategy and energy efficiency analysis in an aluminum smelter considering OLTC［J］．Power Demand Side Management，2013，15(3):34-37．

［12］張培高，李興源，李政．孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定與控制策略研究［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(15):143-149．Zhang Peigao，Li Xingyuan，Li Zheng．Research on frequency stability and control strategy in isolated power grid［J］．Power System Protection and Control，2012，40(15):143-149．

［13］周霞，羅凱明，李威，等．江蘇分區(qū)電網(wǎng)低頻低壓減載方案適應(yīng)性分析［J］．江蘇電機(jī)工程，2012，31(2):5-7．Zhou Xia，Luo Kaiming，Li Wei，et al．Analysis on adaptability of UFLS ＆ UVLS scheme in jiangsu district grids［J］．Jiangsu Electrical Engineering，2012，31(2):5-7．