(國家能源集團(tuán)神東熱電公司，陜西 神木 719300)

0 前言

在高耗能行業(yè)中，綜合考慮運(yùn)行成本及經(jīng)濟(jì)效益，普遍采用自備電廠方式進(jìn)行電力供應(yīng)。其工廠電力的安全性和可靠性是以發(fā)電機(jī)組以及整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行為基礎(chǔ)[1]。當(dāng)電源系統(tǒng)處于孤網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，沒有備用電源作為后備電源進(jìn)行補(bǔ)充。一旦發(fā)生事故，就需要使用外部電源來恢復(fù)廠用電，這大大降低了廠用電系統(tǒng)的可靠性[2]。一旦事故停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，可能會(huì)損壞負(fù)載側(cè)設(shè)備[3]，甚至造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。

在電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生故障后，有兩種方式對(duì)廠用電進(jìn)行持續(xù)保障：廠用電切換以及黑啟動(dòng)。廠用電切換是通過其他機(jī)組或外部電源的短時(shí)間切換，以保證自身必要設(shè)備的能源供應(yīng)，如主泵、風(fēng)機(jī)等；而黑啟動(dòng)電源的存在[6]確保了電網(wǎng)的持續(xù)安全運(yùn)行能力，作為后備手段也進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。發(fā)電廠的黑啟動(dòng)已成為越來越普遍的措施，以提高區(qū)域電網(wǎng)的系統(tǒng)互連能力。電力系統(tǒng)的操作和維護(hù)的復(fù)雜性增加了發(fā)生大停電的潛在危險(xiǎn)，在這方面不乏痛苦的教訓(xùn)[7]。因此，對(duì)于孤網(wǎng)運(yùn)行而言，對(duì)廠用電安全問題的研究具有重要的研究?jī)r(jià)值和重要的實(shí)際工程意義。

本文針對(duì)某實(shí)際孤網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組，并基于其與外部公網(wǎng)存在連接的復(fù)雜運(yùn)行條件背景，分析了孤網(wǎng)運(yùn)行條件下廠用電的安全性，研究了故障情況下廠用電切換過程以及黑啟動(dòng)過程中的關(guān)鍵問題，并給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果和操作建議。

1 孤網(wǎng)機(jī)組基本情況介紹

某自備電廠現(xiàn)有型號(hào)NZK-350-24.2/566/566的一次中間加熱、兩缸兩排汽直接空冷凝汽式超臨界汽輪機(jī)，裝機(jī)容量為350 MW。負(fù)載為電解鋁廠，由6臺(tái)整流機(jī)組組成350 KA電解系列直流供電，直流電壓1 148 V，電流370 KA，總交流負(fù)荷約430 MW[8]。由于自備電廠的電力不足，因此采用孤網(wǎng)/公網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行模式[9]。因此，可以在公網(wǎng)電源和孤網(wǎng)電源進(jìn)行切換。圖1所示為某孤網(wǎng)電廠廠用電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化接線圖。

圖1 廠用電系統(tǒng)接線圖

在正常運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)端通過工廠高壓工作變壓器給工廠母線提供的電力，啟動(dòng)/備用變壓器作為電廠的高壓總線或系統(tǒng)的備用電源。工作分支開關(guān)1 DL會(huì)在工作電源發(fā)生故障或發(fā)電機(jī)組受到保護(hù)時(shí)跳閘。這時(shí)，工廠總線上連接的一些旋轉(zhuǎn)負(fù)載將為系統(tǒng)提供一定的電力，而一部分電動(dòng)機(jī)將進(jìn)入惰行狀態(tài)。隨著過程進(jìn)行，殘余電壓的頻率和幅度將逐步下降。此時(shí)，如果關(guān)閉備用電源2 DL和3 DL，將對(duì)工廠總線上的電動(dòng)機(jī)不可避免地造成沖擊，并對(duì)工廠旋轉(zhuǎn)負(fù)載的自啟動(dòng)和安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[10]。

2 廠用電切換原理及公網(wǎng)切換方式

2.1 廠用電系統(tǒng)工作/備用電源切換原理

廠用電及備用系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成部分[11]。在正常和事故工況下，兩個(gè)電源之間的切換可以確保全廠電源設(shè)備的不間斷運(yùn)行。在過去，大多數(shù)電廠備用電源采用工作電源的輔助觸點(diǎn)直接啟動(dòng)或利用繼電器進(jìn)行啟動(dòng)[12]。這種運(yùn)行方案下，在接通備用電源的瞬時(shí)，備用電源電壓與母線的殘留電壓之間會(huì)存在最大180°的相角差，這會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)造成過度影響[12]。因此需要對(duì)其進(jìn)行同步性驗(yàn)證，以避免對(duì)電動(dòng)機(jī)部件產(chǎn)生沖擊。如果在等待母線殘余電壓衰減到較小值之后再接入備用電源，將會(huì)導(dǎo)致原電源斷電時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致重要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)波動(dòng)甚至停機(jī)。如果采取這樣的切換策略將會(huì)在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中產(chǎn)生很大的自起動(dòng)電流，對(duì)于母線電壓影響很大，嚴(yán)重降低發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性[14]。

專門為解決廠用電的安全運(yùn)行而開發(fā)的微機(jī)型備用電源快速切換裝置可以避免這個(gè)問題。使用本設(shè)備后，當(dāng)相角和頻率差過大時(shí)，可以避免后備電源電壓和母線殘余電壓閉合，對(duì)電機(jī)造成影響。如果電源未能快速切換，該設(shè)備將會(huì)自動(dòng)采用到同期判別或者判殘壓長(zhǎng)延遲的緩慢切換方式[15]。同時(shí)，在電壓暫時(shí)下降過程中，可以根據(jù)延遲時(shí)間消除一些非關(guān)鍵負(fù)載，減小重要輔助機(jī)器的自啟動(dòng)的難度，提高切換工廠電源的成功率。圖2為電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電源切換過程中的等值電路圖。后續(xù)均基于等值電路進(jìn)行相關(guān)分析及研究。

圖2 (a)等值電路圖;(b)相量圖

式中Us——電源電壓；

Ud——母線上電動(dòng)機(jī)的殘留電壓；

Xs——電源內(nèi)的等值電抗；

Xm——由低壓母線折算到高壓廠用電壓電動(dòng)機(jī)等值電抗；

ΔU——電源電壓與殘留電壓之間的電壓差。

不同的θ角(電源電壓和電動(dòng)機(jī)殘留電壓之間的相位角)對(duì)應(yīng)于不同的ΔU值。例如，當(dāng)θ=180°時(shí)，ΔU值為最大。此時(shí)接入電源對(duì)電機(jī)的影響最大。根據(jù)電動(dòng)機(jī)承受電流的能力和母線上一組電動(dòng)機(jī)的殘壓特性，可以在極坐標(biāo)上繪制殘余電壓曲線，如圖3所示。

圖3 電動(dòng)機(jī)的殘壓特性曲線和耐受極限

電動(dòng)機(jī)重新接入電源時(shí)，電動(dòng)機(jī)上的電壓Um為

式中Xm——折算到高壓廠用電壓后的負(fù)荷和電動(dòng)機(jī)等值電抗；

Xs——電源等值電抗；

ΔU——電源電壓和殘壓之間的電壓差值。

Um為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的允許電壓，根據(jù)實(shí)際情況及以往經(jīng)驗(yàn)，一般選擇為1.1倍電動(dòng)機(jī)的額定電壓UDe，公式表達(dá)如下所示

則

令

則

假設(shè)K=0.67，則計(jì)算ΔU(%)=164%。在電動(dòng)機(jī)的殘壓特性曲線和耐受極限圖中，繪制以點(diǎn)A為圓心，半徑為1.64的曲線，得到A′-A″弧。而在A′-A″弧右側(cè)的區(qū)域是允許接入備用電源的安全區(qū)域，即電源切換操作區(qū)域。

2.2 公網(wǎng)運(yùn)行廠用電切換方式

公網(wǎng)運(yùn)行火電機(jī)組的廠用電系統(tǒng)在切換前后工作電源和備用電源處于同一電網(wǎng)，兩個(gè)電源電壓、頻率、相位等均相同。根據(jù)上述廠用電切換原理，為了滿足安全要求，公網(wǎng)運(yùn)行廠用電系統(tǒng)可以采用如下切換方式。

(1)快速切換。就是電源在殘壓特性曲線的AB部分中的切換，即切換發(fā)生在圖中的點(diǎn)B(0.3 s)之前，這是符合電動(dòng)機(jī)的安全規(guī)范的。

(2)同期捕捉切換。如果切換被延遲到點(diǎn)C(0.47 s)之后，可以通過同步判斷實(shí)現(xiàn)“同期判別切換”。對(duì)于電機(jī)也是安全的。

(3)殘壓切換。當(dāng)殘余電壓衰減到某一較小比例時(shí)實(shí)現(xiàn)的切換稱為“殘壓切換”。為了確保切換成功，當(dāng)開始事故切換時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)準(zhǔn)備進(jìn)行殘壓切換，以保證出現(xiàn)故障時(shí)可以成功切換。

因此，公網(wǎng)運(yùn)行廠用電切換策略為優(yōu)先采用快速切換，然后是同期捕捉切換，最后是殘壓切換。

3 孤網(wǎng)運(yùn)行廠用電切換仿真及策略

3.1 孤網(wǎng)運(yùn)行廠用電切換模型

基于同網(wǎng)廠用電切換方式的理論分析，本文對(duì)不同切換模式下的切換效果進(jìn)行了仿真分析。由于公網(wǎng)與孤網(wǎng)之間的相位差和頻率差的存在，切換時(shí)電機(jī)承受的電壓較大，因此在不同網(wǎng)絡(luò)之間切換時(shí)快速切換的成功率低于同一網(wǎng)絡(luò)切換。為了使電動(dòng)機(jī)安全地自啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)在切換過程中承受的電壓應(yīng)小于額定電壓的1.1倍。在本文研究中以此作為安全運(yùn)行判斷依據(jù)。下面是對(duì)不同切換方式的分析及仿真結(jié)果展示。

上述計(jì)算中的K值與機(jī)組負(fù)載有關(guān)。輕載時(shí)，某些輔助機(jī)器將被切斷。切斷一部分電動(dòng)機(jī)后，Xm和K值增大，△U會(huì)減小。這時(shí)，上圖中以較小的△U(%)繪制的弧向A′-A″曲線的右側(cè)移動(dòng)，最終達(dá)到B′-B″弧線位置。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及設(shè)備情況，按照K=0.67設(shè)定的允許極限是危險(xiǎn)性最大[16]。因此，K的值應(yīng)被認(rèn)為是大的值。如果判別和其他慢速切換同時(shí)進(jìn)行，△U(%)取110%；△U(%)為100%;如果△U(%)=100%，那么從圖3可知，此時(shí)殘余電壓與備用電源存在約為65°的相位差。假設(shè)開關(guān)又100 mS的固有時(shí)間，那么閉合開關(guān)的命令需要大約40°的提前量，即保證殘余電壓和母線電壓之間的相位差在25°以內(nèi)時(shí)，快速切換對(duì)電動(dòng)機(jī)來說才是安全的。廠用電快切時(shí)的主電源、備用電源相位差、壓差如圖4和圖5所示。

圖4 主電源和備用電源相位差

圖5 主電源和備用電源壓差

從結(jié)果可以看出，在仿真時(shí)刻第1 s時(shí)采取快速切換方案，最大將會(huì)產(chǎn)生2倍母線額定電壓的電壓差以及最大180°的相位差，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)帶來較大的沖擊以及安全隱患。

3.2 孤網(wǎng)運(yùn)行廠用電切換仿真分析

在電源快速切換裝置中，對(duì)廠用電母線電壓(即切換時(shí)產(chǎn)生的殘余電壓)進(jìn)行實(shí)時(shí)頻率追蹤，對(duì)不同電源的頻率、相位以及相位差進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。在同期捕捉判別過程中，設(shè)備可以自動(dòng)計(jì)算與目標(biāo)電源之間的殘差以及相角差等信息，并根據(jù)目標(biāo)電源開關(guān)的閉合時(shí)間來設(shè)置提前動(dòng)作時(shí)間，確保在殘壓和目標(biāo)電源電壓矢量差在出現(xiàn)第一次切換機(jī)會(huì)時(shí)電閘成功動(dòng)作，避免對(duì)網(wǎng)內(nèi)其他設(shè)備產(chǎn)生影響。

假定某時(shí)刻殘壓與目標(biāo)切換電源相角差變化率為V°，變化加速度為a°，目標(biāo)切換電源開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間為Tms，則目需要對(duì)標(biāo)開關(guān)發(fā)合閘指令的提前角度為

θ=V×T+0.5×a×T2

設(shè)當(dāng)前殘壓與目標(biāo)電源之間相位差為ψ，則條件

|360-(ψ+θ)|≤ξ

其中：ψ≥180°且第一次過反相點(diǎn)；ξ為一較小值，即捕捉閾值。

當(dāng)上述條件同時(shí)滿足時(shí)，切換設(shè)備發(fā)出切換信號(hào)并實(shí)現(xiàn)同期捕捉切換。廠用電同期捕捉切換時(shí)的主電源、備用電源相位差、壓差如圖6和圖7所示。從仿真結(jié)果可以看出，在仿真時(shí)刻第1 s時(shí)采取同期捕捉切換方案，最大將會(huì)產(chǎn)生0.11倍母線額定電壓的電壓差，相比于快速切換方案對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)沖擊及影響較小。

圖6 主電源和備用電源相位差

圖7 主電源和備用電源壓差

殘余電壓切換是指在殘余電壓下降到額定電壓的一定程度后進(jìn)行切換的方式。該模式一般作為快速切換和同期捕捉切換方式的備用手段，主要用于提高切換操作的完成度。根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況及運(yùn)行需求，仿真研究中將殘余電壓切換閾值設(shè)置為40%，以進(jìn)行仿真分析，廠用電殘壓切換時(shí)的主電源、備用電源相位差、壓差如圖8和圖9所示。在仿真時(shí)刻第1 s時(shí)采取殘壓切換方案，最大將會(huì)產(chǎn)生1.4倍母線額定電壓的電壓差，相比于快速切換方案對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)沖擊及影響較小，但是相比于同期捕捉切換方案影響較大。

圖8 主電源和備用電源相位差

圖9 主電源和備用電源壓差

3.3 孤網(wǎng)廠用電切換方式對(duì)比及切換策略

通過仿真和理論分析，將廠用電從公網(wǎng)切換到孤網(wǎng)時(shí)，同期捕捉切換引起的電壓沖擊較小。表1顯示了在同一電網(wǎng)和不同電網(wǎng)之間進(jìn)行切換時(shí)，快速切換、同期捕捉切換、殘壓切換三種不同切換方式下的母線電壓過電壓倍數(shù)。

表1不同廠用電切換方式對(duì)比

切換方式同電網(wǎng)切換時(shí)壓差和母線額定電壓之比不同電網(wǎng)切換時(shí)壓差和母線額定電壓之比快速切換0.53最大為2倍母線額定電壓同期捕捉切換0.090.11殘壓切換最大為1.4倍母線額定電壓最大為1.4倍母線額定電壓

根據(jù)上述結(jié)果對(duì)比表格可以看出，在孤網(wǎng)運(yùn)行中，孤網(wǎng)與公網(wǎng)之間可能存在較大的相位差。當(dāng)兩個(gè)電網(wǎng)之間的初始相位差較大時(shí)，執(zhí)行快速切換將產(chǎn)生較大的沖擊電壓，這對(duì)廠用電切換效果不利。因此，在本文機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行條件下，建議優(yōu)先采用同期捕捉切換方式，其次選擇殘壓切換方式，這樣既可以確保兩者的相位差盡可能小，并且同時(shí)保證不同電源間電壓壓差最小，可以達(dá)到最佳的切換效果。

4 孤網(wǎng)運(yùn)行黑啟動(dòng)電源配置

黑啟動(dòng)是指整個(gè)電網(wǎng)由于故障導(dǎo)致失去電源后，無需其他電網(wǎng)的幫助，系統(tǒng)利用可自啟動(dòng)的設(shè)備對(duì)機(jī)組內(nèi)其他主要設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)，進(jìn)而向整機(jī)供電，再逐步擴(kuò)大啟動(dòng)范圍，最終恢復(fù)整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的過程。在發(fā)生停電后，按照現(xiàn)有的黑啟動(dòng)計(jì)劃的指導(dǎo)，調(diào)度員可以迅速地恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行，從而將停電造成的損失降到最低。對(duì)于黑啟動(dòng)的研究主要集中在大規(guī)模停電后電力系統(tǒng)的恢復(fù)策略以及恢復(fù)過程中遇到的問題。它主要涉及發(fā)電機(jī)在黑啟動(dòng)期間的自勵(lì)磁，空載線路的過電壓?jiǎn)栴}，恢復(fù)過程中的功率平衡和電壓調(diào)整，啟動(dòng)電流以及系統(tǒng)初始恢復(fù)后的穩(wěn)定性問題。對(duì)于單機(jī)直接供電負(fù)載機(jī)組，沒有外部電源可以借助。如果該機(jī)組出現(xiàn)故障而停止運(yùn)行，則該機(jī)組和負(fù)載側(cè)都將失去電源，并且只能通過黑啟動(dòng)方法來恢復(fù)系統(tǒng)電源。

按照黑啟動(dòng)過程對(duì)啟動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行劃分，主要可以分為3個(gè)階段[17]：

(1)黑啟動(dòng)階段：首先，黑啟動(dòng)電源在臨界時(shí)間限制內(nèi)向已經(jīng)跳閘的電源上充電，以恢復(fù)其發(fā)電能力，然后將其與啟動(dòng)電源一起并網(wǎng)運(yùn)行以形成孤立運(yùn)行的子系統(tǒng)。

(2)建立網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)：在此階段，將通過啟動(dòng)具有基本負(fù)荷的大型機(jī)組并輸入主傳輸線來逐步恢復(fù)主電網(wǎng)。一方面，應(yīng)加強(qiáng)發(fā)電廠之間的連接，以確保為發(fā)電廠提供可靠的電力供應(yīng)。另一方面，將各個(gè)子系統(tǒng)并置在一起，以建立穩(wěn)定的網(wǎng)架，作為下一階段全面恢復(fù)負(fù)荷的基礎(chǔ)。

(3)負(fù)載恢復(fù)階段：由于系統(tǒng)逐步提高供給有功和無功功率，可以按照系統(tǒng)的頻率特性逐步投入負(fù)載。一次投入的負(fù)荷量不會(huì)引起太多的頻率下降，也不會(huì)導(dǎo)致低頻負(fù)減載動(dòng)作。

鑒于本文火力發(fā)電機(jī)組直接供電的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了確保該機(jī)組在沒有公網(wǎng)和斷電的情況下啟動(dòng)，將柴油發(fā)電機(jī)組作為自啟動(dòng)備用電源投入運(yùn)行。它提高了工廠電力系統(tǒng)的可靠性，大大減少了事故發(fā)生后的恢復(fù)時(shí)間，避免了用電端長(zhǎng)期停電，并提高了供電質(zhì)量和電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。黑啟動(dòng)柴油機(jī)的容量配置分析如下：

該設(shè)備的額定廠用電有功功率約占發(fā)電總額定負(fù)載的10%。在啟動(dòng)過程中，廠用電的啟動(dòng)功率約占額定功率的50%。黑啟動(dòng)期間工廠電力的有功功率為17.5 MW，工廠電氣設(shè)備在額定條件下的功率因數(shù)為0.85，無功功率為10.8 MVar。

在啟動(dòng)機(jī)組時(shí)，廠用電系統(tǒng)最大輔機(jī)為一臺(tái)額定功率9 MW的給水泵，該設(shè)備啟動(dòng)時(shí)需要消耗大量無功，啟動(dòng)電流約為額定電流的6倍，為此，計(jì)算給水泵啟動(dòng)時(shí)的有功功率。對(duì)于額定功率因數(shù)為0.85，額定電壓為6.3 kV的給水泵電機(jī)，其額定電流為

在6倍啟動(dòng)電流下，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)容量為

所以黑啟動(dòng)柴油機(jī)的容量應(yīng)不小于63.5 MVA，才能保證廠用電輔機(jī)設(shè)備依次順利啟動(dòng)。

5 結(jié)論

在孤網(wǎng)中運(yùn)行的電站的電力系統(tǒng)沒有電網(wǎng)電源的支持，這大大降低了其運(yùn)行可靠性。本文某孤網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組為例，討論和分析其廠用電系統(tǒng)運(yùn)行中與安全有關(guān)的問題。

本文從兩個(gè)角度分析了孤網(wǎng)廠用電的電力安全問題。首先，分析了孤網(wǎng)/公網(wǎng)的電源切換方法，并給出了不同切換方法的仿真結(jié)果。結(jié)果證明，同期捕捉方法可最大程度地減少工廠電源切換引起的電壓波動(dòng)。電壓差和母線額定電壓的最小比率為0.11，滿足了孤網(wǎng)機(jī)組的運(yùn)行需求。然后，基于不考慮外部電源的基礎(chǔ)上，選擇柴油發(fā)電機(jī)組作為黑啟動(dòng)的備用電源。根據(jù)分析，當(dāng)廠用電啟動(dòng)時(shí)輔機(jī)的額定功率為9 MW時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)的容量應(yīng)不小于63.5 MVA，以確保工廠電力系統(tǒng)順利啟動(dòng)。