局域网运行的系统分析及计算

2013-08-24许海斌

科技传播 2013年23期

许海斌

吉林省电力勘测设计院，吉林长春 130022

0 引言

随着我国经济的快速发展，民营企业为了提高经济效益，很多如钢铁、电解铝、水泥、化工、造纸等高耗能行业纷纷建立了自备电厂，由于种种原因而不能并入电网，由一台机或几台机组成局域网（孤网）运行。由于局域网运行机组数量少，系统容量小，系统稳定性差，调整不好，往往会造成系统频率大幅波动，甚至引起机组跳闸，全厂停电，造成严重损失。因此，讨论局域网运行具有很大的现实意义和应用价值。本文结合我院设计的新疆东方希望有色金属有限公司动力站工程，从系统角度对局域网运行的动态稳定、潮流分布等进行了分析、计算。

1 概述

新疆东方希望有色金属有限公司动力站工程是大型电解铝和电力一体化工程，其中电解铝电力负荷约4×678MW。与电解铝配套建设大型火电动力站，动力站本期装机规模为2×125MW+5×350MW。留有扩建条件。一期电网规模：电解铝变电站2 座，负荷2×678MW，动力站2 座共7 台机组，装机分别为2×125MW 和5×350MW。具体见下表1。

表1 东方希望局域网规模

2 电网结构

一期电网结构如下图所示：

图1 7 台机组时电网结构方案示意图

3 计算和分析

3.1 前提条件

采用软件中国电科院PSASP7.0 版对潮流、暂稳、动稳进行了有针对性的计算。计算负荷取到所接母线，根据运行的实际情况，负荷功率因数为0.91。

正常运行情况下潮流电压范围为额定电压的0.95 ～1.05倍，处于网络受端的母线取低值；无功按分区分层平衡考虑。发电机按PV 节点考虑，端点电压取发电机额定电压，功率因数按大于等于0.85 考虑。

稳态模型中发电机组均采用考虑直轴、交轴阻尼绕组的5阶通用模型。汽轮机采用串联、一次再热的高、中、低压三缸模型（350MW 机组）；考虑电液DEH 调速系统(含调节系统和伺服机)作用。考虑锅炉主汽压力模型。厂用负荷均采用40%的恒阻抗+60%感应电动机模型；电解铝负荷采用96%恒阻抗+4%的电动机模型。

电解铝是直流串联负荷，由整流机组实现交直流转换为其供电，供电安全可靠性要求较高，属于不可停电负荷，每个40 万吨整流系列具有以下特点：

1）正常7 台整流机组运行方式，切除一台，造成电解系列减负荷约93MW，N-1 即6 台整流机组运行方式，切除一台，造成电解系列减负荷约110MW；

2）正常7 台方式可以切除2 台整流机组，造成电解系列减负荷约186MW；N-1 方式只能切除1 台机组，超过这个数量整流整流机组过载将全部保护跳闸；

3）电解铝负荷功率稳定，短时停电造成的影响很小，但长时间停电会带来较大经济损失甚至整个电解铝系列全部报废。

3.2 潮流

表2 为发电机和负荷的功率平衡情况。由表可见，该局域网一期备用率为34%。

机组数量最大出力MW 125MW机组数一期 5 0 2 1817.5 1356 34%注：350、220、125 机组厂用分别按9%、9%和10%考虑阶段最大负荷MW 350MW机组数220MW机组数备用率

正常方式潮流如下图2 所示。

由以上潮流图可知，潮流分布合理，电压正常。为了限制短路电流，机组升压变的短路阻抗为18%，再加上电解铝负荷功率因数为0.91，所以局域网发电机运行在额定功率因数0.85左右。

3.3 暂态稳定

东方希望局域网非常紧凑，各个发电机同步性很好，功角很难拉开，也就是暂态稳定性好，暂态稳定计算结果如图3。

图3 动力站-铝厂单回线三相短路0.12s 跳开稳定曲线

3.4 动态稳定

图4 一期1 台机组跳闸角频率曲线

图5 一期1 台机组跳闸切270MW 负荷角频率曲线

系统存在有功功率缺额时表现为频率偏低，此时电厂辅机达不到出力要求，进一步降低发电机组出力，形成恶性循环；频率偏低时还会引起系统无功损耗增大，降低系统电压水平；更为严重的是影响汽轮机叶片寿命甚至导致叶片断裂。当系统频率低于48.5Hz 时机组会在一定延时后通过切机进行自我保护，后果就是整个系统解列甚至崩溃。

故局域网独立运行面临的主要问题是频率稳定问题。以下对各个阶段发生机组跳闸后的动态过程进行了仿真并输出显示了角频率随时间的变化，如图4 ～图6 所示。图中显示，发生机组跳闸故障对系统频率影响很大。

一期7 机系统掉1 台机频率最低降到约40Hz 左右。如果对应切除3 台整流机组约270MW 负荷，频率就会快速稳定在50Hz 附近；如果只是切除2 台整流机组约180MW 负荷，频率就会稳定在49.85Hz 附近，但波动时间会稍长。