王國冠,李秀琴，馬 驍

(1.遼寧調兵山煤矸石發(fā)電有限責任公司，遼寧 鐵嶺 711783; 2.國家能源集團神東熱電公司，陜西 神木 719300;3.國家電投集團科學技術研究有限公司，北京 102209)

0 前言

近些年，由于電解鋁產業(yè)能耗較高，電解鋁企業(yè)紛紛建設自備電廠，既可節(jié)約資源，提升利用效率，又有良好的經濟效益[1]。一般情況下，電廠發(fā)電遵循自發(fā)自用原則，發(fā)電直供機組與電解鋁負荷以及供電線路，共同構成一體——孤網系統(tǒng)。孤網運行與公網運行模式存在較大區(qū)別，由于負載變化的影響將全部反映到直供機組中，且孤網運行復雜性較高，控制策略較公網運行難，這對于直供機組的運行需求將更加嚴格。由于企業(yè)自備電廠容量較小，孤網運行系統(tǒng)穩(wěn)定性差，網頻率波動幅度大，超速保護動作頻繁。如果孤網內設備出現故障導致電廠解列，電網系統(tǒng)會受到很大沖擊且穩(wěn)定性下降，嚴重時甚至會引起停機、停電等嚴重事故[2]。而在電解鋁生產過程中，若停電3h以上將造成重大的經濟損失。因此，對于孤網運行中存在的問題需要進行深入研究并探究其可行性，尤其是供電系統(tǒng)的控制策略，利用優(yōu)化手段對相應設備和控制方式進行優(yōu)化，對提升孤網運行機組的安全性和經濟性具有重大現實意義。

本文以某電解鋁自備電廠運行為例，建立了該系統(tǒng)相應的模型，并在此基礎上分析了直供機組在孤網條件下運行可能出現的問題，針對問題存在的本質原因分別設計優(yōu)化策略，最終對優(yōu)化效果進行了仿真分析，驗證了措施的有效性與可行性。

1 基本情況介紹及主要問題分析

1.1 機組基本情況介紹

某孤網火電機組單機直供負載系統(tǒng)中，火電機組裝機容量為350 MW，負載為電解鋁廠，350 KA電解系列直流供電由6臺整流機組組成，直流電壓1 148 V，電流370 KA，總交流負荷約430 MW。由于自備電廠功率不足，因此采用孤網/公網聯合運行方式，即4臺整流機組與孤網機組直連，另外2臺整流機組與公網連接。

1.2 單機直供負載關鍵問題研究

本文研究的孤網系統(tǒng)與公網運行的主要差異體現在：

(1)較公網運行，孤網運行負荷波動明顯增大；

(2)公網運行的負荷由多臺機組共同承擔，多臺機組之間分配負荷，而孤網運行的機組發(fā)電功率與負荷需要直接平衡；

(3)鋁廠六臺整流機組由完全依靠電網供電，變成兩臺機組公網供電和其余四臺機組孤網供電兩網聯合運行。

相對于大電網而言，孤網電力系統(tǒng)中，其功率平衡(有功功率平衡和無功功率平衡)的控制方法由大電網的功率分配變成孤網的直接平衡(頻率控制和電壓控制)，在發(fā)生較大范圍的變負荷后，孤網內功率平衡被打破，可能導致孤網內頻率發(fā)生較大范圍變化引起安全事故。同時由于孤網系統(tǒng)中整流系統(tǒng)的存在，會產生諧波問題，對孤網穩(wěn)定運行具有危害[3]。因此，本文針對孤網穩(wěn)定運行問題分析主要從以下三個方向進行分析研究：有功功率平衡、無功功率平衡以及整流機組諧波。

1.3 仿真模型建立

本文主要針對孤網系統(tǒng)運行下，直供機組調頻控制策略的優(yōu)化研究，采用模塊化建模方式，主要的模型有機組主汽輪機系統(tǒng)、鍋爐運行系統(tǒng)、整流機組以及鋁廠的負荷系統(tǒng)，并整合上述模型系統(tǒng)。下文對基本建模方法進行簡要敘述。

1.3.1 主汽輪機系統(tǒng)模型

本研究中利用的汽輪機模型借鑒于達仁[4-5]等建立的模型，主要包含以下主要模塊：汽輪機高調門模型、考慮容積效應的各缸及回熱、再熱系統(tǒng)模型、汽輪機轉子模型、冷端凝汽器及空冷島模型、DCS與DEH相關控制系統(tǒng)模型等。

1.3.2 鍋爐系統(tǒng)模型

案例機組的鍋爐為超臨界參數滑壓運行螺旋管圈直流爐。由于給水在進入鍋爐后，水的加熱、蒸發(fā)和水蒸氣功的過熱，都是在受熱面中連續(xù)進行的，不需要進行汽水分離，因此它沒有自然循環(huán)的汽包。建立鍋爐模型時考慮主要模塊以符合自身動態(tài)特性，包含燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)等。

鍋爐燃燒系統(tǒng)可以近似看成一個帶延遲的一階慣性環(huán)節(jié)[6]

(1)

式中μB——燃燒率指令；

Qr——燃料燃燒時的放熱量；

τ——燃燒通道的純時延時間；

T1——燃燒通道的時間常數。

對螺旋管圈以及過熱器內工質建模時，綜合運用質量守恒與能量守恒定律，建立微分方程式完善鍋爐模型。

1.3.3 鋁廠負荷系統(tǒng)模型

該鋁廠的電解負荷系統(tǒng)有288個電解槽，采用串聯方式，每個電解槽可看作原電池，具有反電勢和槽電阻。每一個電解槽系列利用整流機組進行供電，供給電解鋁生產系統(tǒng)結構如圖1所示。該系統(tǒng)共包括 6個整流機組，根據電解鋁系列負載特性，選擇4臺機組與孤網機組連接，2臺機組直接與公網連接。

圖1 孤網電力系統(tǒng)模型系統(tǒng)圖

根據上述對于孤網系統(tǒng)內主要設備的分析，在MATLAB中建立基本的單機直供負載模型。

2 有功功率平衡仿真分析及優(yōu)化

利用上述模型對負荷側突甩負荷25%情況進行仿真分析，對于機組功率變化的仿真結果如圖2所示。

圖2 汽功率隨時間變化放大圖

分析結果圖，當負載側負荷下降時，汽輪機的轉速首先出現快速上升，導致一次調頻動作出現，控制系統(tǒng)控制閥門減小開度，抑制汽機轉速的上升趨勢。但是由于一次調頻幅度有限，無法對轉速進行有效控制，造成汽輪機的轉速快速到達103%額定轉速并觸發(fā)OPC動作。此時由于負載側負荷依然處于較高水平，汽輪機旋轉備用被迅速消耗并導致轉速降低。3 s后OPC復位，此時主調門的開度保持高位，而鍋爐慣性較強導致壓力未發(fā)生較大變化，因此汽機轉速又快速上升，直到再次觸發(fā)OPC動作，如此循環(huán)。在此情況下，電機端的電壓和電流受汽輪機影響變化劇烈，為保證輸出功率穩(wěn)定，勵磁電動勢變化頻繁?？偨Y分析結果，暴露了幾個孤網運行中存在的問題：

(1)一次調頻限幅的存在，限制了調節(jié)能力，引發(fā)汽輪機超速；

(2)OPC動作中，延遲3 s復位時間太長，此時發(fā)電機所帶負載較大，汽機轉速迅速下降，3 s后復位，汽機轉速已嚴重偏離3 000 r/min；

(3)鍋爐負荷調節(jié)滯后。

根據上述仿真結果分析，找出了現有控制方式存在的問題，提出了針對孤網運行的優(yōu)化手段，具體優(yōu)化方式如下：

在實施上述優(yōu)化手段后，通過鋁側突甩負荷25%情況下進行仿真對比分析。根據仿真結果可以看出，優(yōu)化后系統(tǒng)頻率被穩(wěn)定控制在48.5～51.5 Hz，其中超出49.5～50.5 Hz范圍的時間約5 s，各項指標均滿足機組安全運行要求。具體仿真結果如圖3至圖5所示。

表1 優(yōu)化策略對比

圖3 發(fā)電頻率變化曲線

圖4 汽功率變化曲線

圖5 OPC信號變化曲線

3 無功功率平衡仿真分析及優(yōu)化

在電網中許多非線性裝置在工作時會消耗大量的無功功率，在相關設備工作時基波電流會滯后于電網電壓，造成無功功率的消耗。另外在二極管整流電路中也會存在著明顯的諧波電流，同時造成無功功率的消耗[7]。除此之外，逆變器和直流斬波器等裝置也有很嚴重的諧波和無功功率問題。

無功功率會對系統(tǒng)產生以下負面影響：

(1)成本增大。無功功率造成電網總電流增加，在有功功率一定時，會使得設備損耗增加，電壓損失增加。用戶內部的各種設備規(guī)格增大，因而使成本增大。

(2)對電網電壓造成影響。無功容量不足時，會出現負載側的電壓不穩(wěn)定，影響設備運行安全性；而如果無功容量過大，則會造成負載側電壓過高并出現大幅波動，同樣影響用電設備安全。

(3)造成電能損耗增加，當功率因數下降時，電能損耗會逐倍增加。

(4)造成發(fā)電設備無功電流增大，導致汽輪機轉子去磁效應增加，電壓降低。

根據上述分析，目前電力系統(tǒng)無功調節(jié)最有效的方式是采用靜止無功補償裝置，因此，本文也采用該裝置對鋁側進行無功補償[8]。帶線路負載以及補償裝置模型如圖6所示。

圖6 加入SVC的孤網電路模型

針對無功功率問題，通過開展仿真分析，得到如下結論。

表2 無功功率仿真分析結果

(1)在絕大多數情況下(包括電廠RB)均能實現機端電壓穩(wěn)定控制在19.85～20.19 kV范圍內，過電壓倍數為1.01；突甩負荷25%，實現機端電壓穩(wěn)定在19.98～20.81 kV范圍內，過電壓倍數為1.04；突甩負荷超過25%，機端電壓最低為19.7 kV，最高為25.22 kV，過電壓倍數為1.26。滿足工頻過電壓要求。

(2)#3發(fā)電機對空載線路全段充電方式操作過電壓倍數為1.15，分段充電方式操作過電壓倍數為1.23，均滿足要求，建議優(yōu)先選用全段充電方式。

4 整流機組諧波分析

4.1 諧波問題

化工電解所需要的大電流直流電源是由交流電通過整流裝置所得。整流裝置在接入正弦電壓的電網運行時，各相線圈中的電流波形并不是完整的正弦波。這種波形含有各次諧波電流。各次諧波的存在會使諧波放大，并且增加旋轉電機、變壓器的損耗，造成繼電保護、自動裝置工作紊亂，最終可能損壞電力系統(tǒng)設備。除使用頻率和電壓這兩個常用的指標外，諧波成為了評價電能質量的另一項重要指標[9]。因此，為了保證電力系統(tǒng)安全運行以及負載側用電設備正常工作，都應采取有效措施消除諧波帶來的負面影響。

諧波含量是周期性電氣量中含有的各次諧波分量有效值的方均根值，總諧波畸變率是指諧波含量的方均根值與基波的方均根值之比。在本文研究中利用上述指標對諧波量大小進行量化評價[10]。

4.2 諧波仿真分析

在考慮實際分配方式，即孤網四臺機組、公網兩臺機組的實際組合條件下，對不同公網/孤網移相角組合方式進行綜合對比分析，最終發(fā)現在公網側運行的整流機組移相角相差15°時，僅在23、25次諧波中存在較小分量，其余頻次諧波包括影響最大的低次諧波分量為0，總諧波畸變率最小，不會對發(fā)電機運行等產生影響。具體實施方式如：公網兩臺機組移相角分別為+2.5°與-12.5°，孤網側四臺機組移相角分別為-2.5°、-7.5°、7.5°、12.5°。

因此在移相角分配合理的條件下，單機直供負載使孤網/公網總畸變率以及低頻次諧波量均滿足運行要求。

表3 公網移相角相差15°網側母線諧波分量

5 實際運行效果

將上述優(yōu)化后的控制策略應用到案例電廠運行過程中，并利用實際工況對效果進行驗證。在帶有鋁側負荷的情況下，對整流機組進行倒換操作，從實際數據看出，汽機主汽壓力由初始的15.35 MPa上升到15.63 MPa，隨后經過一超調過程恢復至15.35 MPa，波動范圍較小且穩(wěn)定時間較快。有功功率的大小由151 MW降至120 MW后恢復到正常值151 MW。一次調頻由于微分作用超前動作及時抑制轉速大幅度波動。二次調頻是無差調節(jié)使轉速穩(wěn)定維持在3 000 r/min。實際現場控制效果如圖7所示。

圖7 鋁側倒換整流機組典型工況實際現場控制效果

6 結論

針對某電解鋁保安供電線路工程的特殊性，從發(fā)電-輸電-用電的角度出發(fā)需首先評估孤網運行條件下發(fā)電和用電的平衡問題，然后在此基礎上針對孤網運行所帶來的整流機組、廠用電系統(tǒng)等工作條件的變化進行評估。針對上述問題，經過建模、仿真分析和優(yōu)化控制，得到主要結論如下：

(1)在絕大多數情況下均能實現頻率的穩(wěn)定控制在49.5～50.5 Hz范圍內；在負載側負荷突甩25%情況下，仍然能實現頻率穩(wěn)定控制在48.5～51.5 Hz，其中超過49.5～50.5 Hz范圍的時間僅為5 s；

(2)在絕大多數情況下均能實現機端電壓穩(wěn)定控制在19.85～20.19 kV范圍內，過電壓倍數為1.01；突甩負荷25%能實現機端電壓穩(wěn)定控制在19.98～20.81 kV范圍內，過電壓倍數為1.04；突甩負荷超過25%，機端電壓最低為19.7 kV，最高為25.22 kV，過電壓倍數為1.26，滿足工頻過電壓要求。

(3)#3發(fā)電機對空載線路全段充電方式操作過電壓倍數為1.15，分段充電方式操作過電壓倍數為1.23，均滿足要求，建議優(yōu)先選用全段充電方式。

(4)孤網四臺機組、公網兩臺機組相比于六臺機組全部由公網供電，總畸變率增加較多，但仍能較好地滿足諧波量要求；將公網的兩臺機組置于相位角相差15°的位置，所產生的諧波量是各種組合方式下最??；孤網四臺機組、公網兩臺機組運行，23次以下的諧波量很小幾乎不存在，不會對系統(tǒng)運行等產生影響。

本文針對孤網運行機組運行中存在的三類典型問題進行了建模仿真分析，分析仿真結果中存在的問題及其本質原因，并給出了響應的優(yōu)化策略。孤網系統(tǒng)投運后實際運行效果驗證了提出優(yōu)化方法的可行性。本研究為后續(xù)孤網運行機組提供了重要的工程借鑒意義。