廣西華磊新材料有限公司 趙 平 戴 懿

某市局域電網(wǎng)是依托電解鋁企業(yè)的自備電廠和市內(nèi)可調(diào)配的火電、水電資源，將境內(nèi)鋁工業(yè)企業(yè)聯(lián)成一體、互為保安的區(qū)域電網(wǎng)。同時(shí)還接入部分氧化鋁企業(yè)熱用戶為其提供高低壓蒸汽，實(shí)現(xiàn)鋁電聯(lián)營、熱電聯(lián)產(chǎn)模式，該市以區(qū)域電網(wǎng)為基礎(chǔ)，破除公網(wǎng)電解用電價(jià)格偏高的“瓶頸”限制，促進(jìn)該市生態(tài)型鋁產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。該市局域網(wǎng)具有電網(wǎng)裝機(jī)容量?。?320MW）、單臺(tái)機(jī)組容量大（350MW）、單系列電解負(fù)荷大（400～600MW）等特點(diǎn)，原采用基于開關(guān)量控制的切發(fā)電機(jī)、切整流機(jī)組平衡控制模式，因需切量和可切量無法精準(zhǔn)匹配經(jīng)常造成過切或少切、進(jìn)而引起連鎖反應(yīng)連續(xù)切整流機(jī)組或發(fā)電機(jī)組，造成區(qū)域電網(wǎng)劇烈波動(dòng)甚至黑網(wǎng)事故的發(fā)生。

通過網(wǎng)內(nèi)技術(shù)統(tǒng)一論證升級(jí)穩(wěn)控系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變電解整流系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)組間的控制模式，把原基于開關(guān)量控制的切機(jī)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽靠煽毓柽B續(xù)可調(diào)控制的以調(diào)為主、調(diào)切結(jié)合的控制模式，以及優(yōu)化網(wǎng)內(nèi)發(fā)電機(jī)組OPC 動(dòng)作策略：動(dòng)作值梯度設(shè)置，確保逐臺(tái)啟動(dòng)；主汽門復(fù)位設(shè)限（80%），避免過切發(fā)生。

1 網(wǎng)內(nèi)穩(wěn)控切機(jī)模式加速頻率震蕩分析

局域電網(wǎng)與公網(wǎng)的區(qū)別：局域電網(wǎng)特點(diǎn)。某市局域網(wǎng)屬典型的網(wǎng)小，網(wǎng)內(nèi)僅9臺(tái)火力發(fā)電機(jī)組，單機(jī)占比大（最大機(jī)組350MW、占比15%），電解鋁負(fù)荷占比大（最大電解負(fù)荷600MW、占比25.8%）等特點(diǎn)，其火電機(jī)組單機(jī)占比遠(yuǎn)超8%的安全標(biāo)準(zhǔn)。由于電解正常生產(chǎn)存在陽極效應(yīng)，同時(shí)也是屬于網(wǎng)小的緣故，系統(tǒng)頻率一般在50±0.3Hz 之間波動(dòng)，加上新組建局域網(wǎng)，整個(gè)電網(wǎng)調(diào)度、運(yùn)行管理水平一般；公網(wǎng)的特點(diǎn)。公網(wǎng)一般在地域上跨度幾個(gè)省份，電源種類多，包括火電、水電、核電、風(fēng)電，具備很強(qiáng)的一次調(diào)頻能力，負(fù)荷丟失也不會(huì)引起較大頻率波動(dòng)，同時(shí)電源側(cè)具備N-2(即在網(wǎng)機(jī)組同時(shí)少2臺(tái)機(jī)組)能力，網(wǎng)頻基本在50～49.96Hz 之間，加之調(diào)度管理和運(yùn)行管理規(guī)范。

整流機(jī)組負(fù)荷特性及網(wǎng)內(nèi)機(jī)組負(fù)荷情況分析：電解生產(chǎn)配置的整流機(jī)組一般為N+1，正常允許短時(shí)間退出1臺(tái)檢修，但運(yùn)行中跳閘1臺(tái)也會(huì)存在負(fù)荷失去，呈現(xiàn)不規(guī)則性且變化范圍較大，例如其中一家企業(yè)600MW電解負(fù)荷/配置7臺(tái)整流機(jī)組，跳閘臺(tái)數(shù)與用電負(fù)變化、誤差分別如下：1/20～25%（120～150MW）/30MW，2/40～45%(240～270MW)/30MW，3/63～65%(378～390MW)/12MW，4及以上/100%/0；網(wǎng)內(nèi)九臺(tái)機(jī)組機(jī)組號(hào)、額定容量（MW）、在網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷（MW）、廠用（MW）、實(shí)際出力（MW）分別如下：1/350/290/20/270、2/350/290/20/270、3/3 5 0/2 9 0/2 0/2 7 0、4/3 5 0/3 2 0/2 0/3 0 0、5/3 5 0/3 2 0/2 0/3 0 0、6/1 5 0/1 4 0/1 3/1 2 7、7/1 5 0/1 4 0/1 3/1 2 7、8/1 3 5/1 1 0/1 0/1 0 0、9/135/110/10/100。

穩(wěn)控切機(jī)策略導(dǎo)致頻率震蕩分析：電網(wǎng)初期穩(wěn)控策略是電解整流跳閘選切發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組跳閘就選切整流機(jī)組，本網(wǎng)基本無100%匹配的整流負(fù)荷和發(fā)電出力，例如1臺(tái)整流變跳閘失去負(fù)荷120～150MW,只能選切6號(hào)或7號(hào)機(jī)組，但是依然存在7～23MW 誤差，2臺(tái)整流機(jī)組跳閘只能選切1～3號(hào)機(jī)組，存在30～60MW 誤差。反之如果發(fā)電機(jī)組跳閘選切整流機(jī)組負(fù)荷誤差一致。最終由于因需切量和可切量無法精準(zhǔn)匹配經(jīng)常造成過切或少切、導(dǎo)致系統(tǒng)頻率震蕩。

主要改善措施：針對(duì)雙切穩(wěn)控策略實(shí)際問題分兩步解決，第一步解決機(jī)組跳閘選切整流問題，改為連續(xù)調(diào)節(jié)為主，調(diào)切結(jié)合策略。第二步是解決整流跳閘，提升發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻和快速降負(fù)荷能力問題。第一步在確定電解系列連續(xù)可調(diào)節(jié)的最大功率額約30～60%之間、按總額定負(fù)荷40%實(shí)施，確定最佳調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)可取8～15級(jí)，兼顧精度和速度；切機(jī)策略。超出可調(diào)節(jié)最大功率后的策略是依次切1、2臺(tái)，最后全部切除整流機(jī)組；可控硅整流機(jī)組應(yīng)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)頻率大范圍波動(dòng)策略：擴(kuò)大可控硅整流機(jī)組因電網(wǎng)頻率過高或過低引起截止的范圍（0.5Hz以內(nèi)設(shè)計(jì)），提高整流機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性；基于電網(wǎng)頻率監(jiān)控的負(fù)荷側(cè)調(diào)升和調(diào)降策略：頻率低時(shí)快速調(diào)降或切除負(fù)荷策略，頻率高時(shí)暫短提升電解系列負(fù)荷策略（20kA 以內(nèi)設(shè)置）。

2 發(fā)電機(jī)組涉網(wǎng)保護(hù)動(dòng)作原理以及加速頻率震蕩分析

2.1 涉網(wǎng)保護(hù)動(dòng)作原理

2.1.1 OPC 超速保護(hù)動(dòng)作原理[1]

OPC 信號(hào)是由測(cè)速板經(jīng)過硬件邏輯判斷發(fā)出，OPC 信號(hào)在硬件邏輯中是延時(shí)2s 斷開。在硬件中OPC 信號(hào)發(fā)出條件有：當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速大于103%、DEH 不在110%或機(jī)械超速實(shí)驗(yàn)位且機(jī)組未并網(wǎng)；主油開關(guān)合閘且汽輪機(jī)中亞排氣閥大于30%且汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速大于2000r/min 的工況下，主油開關(guān)斷開的瞬間，不等汽機(jī)超速，直接發(fā)出OPC 信號(hào)延時(shí)2s再判斷當(dāng)轉(zhuǎn)速低于3090r/min 后釋放；當(dāng)延時(shí)2s 后判斷轉(zhuǎn)速還高于3090r/min 則通過超速保護(hù)OPC 繼續(xù)動(dòng)作，直到轉(zhuǎn)速低于3090r/min 后釋放。OPC 動(dòng)作邏輯：OPC 動(dòng)作信號(hào)一旦發(fā)出，DEH 軟件邏輯和SDP 卡的硬件邏輯都會(huì)發(fā)出關(guān)閉高、中壓調(diào)門的指令。

硬件邏輯的動(dòng)作過程：當(dāng)OPC 動(dòng)作時(shí)，除有兩路OPC 信號(hào)直接送給OPC 電磁閥使其動(dòng)作，泄掉高、中壓調(diào)門的保安油壓從而關(guān)閉高、中壓調(diào)門。還有一路OPC 信號(hào)給高、中壓調(diào)門的伺服閥（VPC卡），將高、中壓調(diào)門手動(dòng)指令清零，配合關(guān)閉高、中壓調(diào)門伺服閥。

軟件邏輯的動(dòng)作過程：中壓調(diào)門動(dòng)作過程。當(dāng)測(cè)速板發(fā)OPC 信號(hào)或?qū)嶋H轉(zhuǎn)速大于3090轉(zhuǎn)、且DEH 不在110%或機(jī)械超速試驗(yàn)位時(shí)全關(guān)中壓調(diào)門，OPC 復(fù)位且實(shí)際轉(zhuǎn)速小于3090轉(zhuǎn)延時(shí)3s 全開中壓調(diào)門（無速率限制）；高壓調(diào)門動(dòng)作過程。當(dāng)測(cè)速板發(fā)OPC 信號(hào)或?qū)嶋H轉(zhuǎn)速大于3090轉(zhuǎn)，且機(jī)組未并網(wǎng)及DEH 不在110%或機(jī)械超速試驗(yàn)位時(shí)全關(guān)高壓調(diào)門。當(dāng)并網(wǎng)信號(hào)發(fā)出或?qū)嶋H轉(zhuǎn)速小于3000轉(zhuǎn)且再熱器出口壓力小于0.6MPa 時(shí)，則根據(jù)轉(zhuǎn)速回路發(fā)出的開度指令（根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差值計(jì)算得出）開高壓調(diào)門，即低于3000轉(zhuǎn)由PID 調(diào)節(jié)開啟。即在OPC 發(fā)生時(shí)則切為轉(zhuǎn)速回路控制，在OPC 復(fù)位后根據(jù)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)恢復(fù)高調(diào)門的開度。

2.1.2 一次調(diào)頻動(dòng)作原理

一次調(diào)頻的功能是當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速超出死區(qū)后，通過調(diào)整閥門指令來穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。局域電網(wǎng)初期規(guī)定DEH 一次調(diào)頻的速度不等率5%，死區(qū)為7轉(zhuǎn)，幅度正負(fù)5%。實(shí)際轉(zhuǎn)速值與初始值轉(zhuǎn)數(shù)（正常下是3000轉(zhuǎn)）相比較，轉(zhuǎn)速超過9轉(zhuǎn)就增加或減少開度，確保轉(zhuǎn)速控制在初始值（正常下是3000轉(zhuǎn)），其差值經(jīng)函數(shù)運(yùn)算得出需調(diào)節(jié)的功率值（幅值限制為±17MW），一次調(diào)頻投入時(shí)功率給定值疊加此功率值后輸出[2]。

2.2 涉網(wǎng)保護(hù)動(dòng)作加速頻率震蕩分析

圖1 DEH 軟件OPC 邏輯圖

圖2 一次調(diào)頻邏輯圖

OPC 超速保護(hù)動(dòng)作分析。當(dāng)局域電網(wǎng)甩部分用電負(fù)荷，局域電網(wǎng)的頻率會(huì)有較大幅度的波動(dòng)（上升），波動(dòng)幅度與甩負(fù)荷的電量占局域電網(wǎng)容量比例的大小成正比。因?yàn)榇藭r(shí)汽輪機(jī)組并未與局域電網(wǎng)斷開，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速可能跟隨局域電網(wǎng)產(chǎn)生大幅度波動(dòng)（升高），如一旦達(dá)到103%即3090r/min,由于網(wǎng)內(nèi)機(jī)組同OPC 動(dòng)作值相同，多臺(tái)機(jī)組同時(shí)啟動(dòng)OPC，導(dǎo)致全網(wǎng)瞬間損失多臺(tái)機(jī)組發(fā)電出力，電網(wǎng)由發(fā)電機(jī)出力偏高變瞬間轉(zhuǎn)為出力不足，OPC 多次動(dòng)作整個(gè)電網(wǎng)極易震蕩潰網(wǎng)。

一次調(diào)頻定值動(dòng)作分析。一次調(diào)頻的功能是當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速超出死區(qū)后，通過調(diào)整閥門指令來穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。對(duì)于局域電網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組，為克服電解鋁陽極效應(yīng)或部分用電或發(fā)電負(fù)荷跳閘引起的局域電網(wǎng)頻率波動(dòng)，全網(wǎng)的機(jī)組保持同樣的死區(qū)出現(xiàn)同時(shí)參與調(diào)整，網(wǎng)頻波動(dòng)頻繁，機(jī)組主汽門頻繁動(dòng)作，威脅設(shè)備的壽命。因此汽輪機(jī)的一次調(diào)頻功能應(yīng)根據(jù)機(jī)組大小，調(diào)門性能在轉(zhuǎn)速不等率、調(diào)頻死區(qū)、調(diào)頻幅度等方面的參數(shù)應(yīng)當(dāng)重新進(jìn)行考慮。

3 分梯度對(duì)發(fā)電機(jī)組涉網(wǎng)定值優(yōu)化的應(yīng)用

優(yōu)化涉網(wǎng)定值的應(yīng)用難點(diǎn)。涉網(wǎng)定值都是依照設(shè)備性能參數(shù)、電網(wǎng)規(guī)定以及電力系統(tǒng)二十五項(xiàng)反措設(shè)置，由于局域電網(wǎng)與大網(wǎng)不同，如何實(shí)現(xiàn)既能保證局域電網(wǎng)極端情況下的穩(wěn)定，同時(shí)也不傷電廠的主設(shè)備，是優(yōu)化定值的考慮重點(diǎn)。OPC 動(dòng)作轉(zhuǎn)速提升將會(huì)導(dǎo)致機(jī)組偏周波運(yùn)行的頻率范圍增大，影響動(dòng)葉片和轉(zhuǎn)子的壽命，同時(shí)也降低了甩負(fù)荷等工況下轉(zhuǎn)子最大飛升轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速跳機(jī)之間的安全裕度。對(duì)此，通過與局域網(wǎng)技術(shù)人員對(duì)以往的潰網(wǎng)數(shù)據(jù)分析研究，確定OPC、一次調(diào)頻調(diào)整建議發(fā)送至汽輪機(jī)廠家，通過三方共同努力破解難點(diǎn)。

分梯度參與調(diào)頻并放大一次調(diào)頻動(dòng)作幅度定值。全網(wǎng)機(jī)組調(diào)頻一并考慮，根據(jù)容量大小不同、即大機(jī)組(350MW)承擔(dān)主要調(diào)頻，減少小機(jī)組150MW、135MW 的擾動(dòng)，大機(jī)組里面根據(jù)機(jī)組主汽閥門能力確定優(yōu)先等級(jí)，如1號(hào)機(jī)組±5轉(zhuǎn)、2號(hào)機(jī)組±7轉(zhuǎn)、3號(hào)機(jī)組±9轉(zhuǎn)。同時(shí)為提升依次調(diào)頻深度的能力，在參考公用電網(wǎng)不設(shè)下限的規(guī)定下，根據(jù)局域網(wǎng)特點(diǎn)在保持上浮10%不變的情況下降下浮增加至80%。

分梯度的OPC 保護(hù)定值優(yōu)化。為避免OPC 保護(hù)的頻繁動(dòng)作，以及全網(wǎng)機(jī)組同時(shí)動(dòng)作造成震蕩潰網(wǎng)，適當(dāng)放大OPC 超速保護(hù)定值的范圍并實(shí)施梯度應(yīng)用。如1～3機(jī)組OPC 動(dòng)作值3090轉(zhuǎn)提升至3120轉(zhuǎn)以上，且每臺(tái)機(jī)組錯(cuò)開10～20轉(zhuǎn)，同時(shí)取消延時(shí)2s 再次開啟主汽門，直接設(shè)置動(dòng)作后回做80%，確保OPC動(dòng)作后能快速恢復(fù)頻率穩(wěn)定。1～3機(jī)組原邏輯動(dòng)作值3090r/min，2s 后全開主汽門?，F(xiàn)邏輯分別為：1號(hào)3125r/min，0秒開主汽門80%；2號(hào)3135r/min，0秒開主汽門80%；3號(hào)3155r/min，0秒開主汽門80%。

4 結(jié)語

通過實(shí)施后，該市區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電、整流兩側(cè)功率匹配調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了從“手動(dòng)擋”到“自動(dòng)擋”無級(jí)調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)變，網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷平衡控制更為精準(zhǔn)；某年5月26日網(wǎng)內(nèi)某廠2號(hào)機(jī)組、3號(hào)機(jī)組在16s 內(nèi)先后跳閘，分別損失發(fā)電出力189.3MW、208.3MW，整流機(jī)組先調(diào)降175MW，后全切260.6MW，電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制系統(tǒng)動(dòng)作敏捷、邏輯正確。通過涉網(wǎng)定值分梯度的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，具備了負(fù)荷側(cè)異常情況的機(jī)組調(diào)節(jié)能力，由100MW 負(fù)荷波動(dòng)提升至200MW 以內(nèi)可自行調(diào)節(jié)平衡，在更大負(fù)荷失去時(shí)加上人工干預(yù)開啟高低旁，電網(wǎng)完全具備600MW快速降負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。在原本局域電網(wǎng)穩(wěn)控裝置電源側(cè)異常瞬時(shí)調(diào)整電解電流形成了雙側(cè)異常的保障方案。

本方案實(shí)施至今，已成功避免了80多次因發(fā)電機(jī)組出力急劇降低或切機(jī)、整流機(jī)組故障跳閘甩負(fù)荷引起電解生產(chǎn)線停產(chǎn)事故的發(fā)生，機(jī)組調(diào)節(jié)能力提升有效促進(jìn)了局域電網(wǎng)更加穩(wěn)定。