基于钢铁企业自备电厂功率优化的孤岛控制研究

徐国强

（山钢集团莱芜钢铁新疆有限公司，新疆喀什 844000）

引言

在钢铁企业中，一旦故障引起外部电源跳闸，自备电厂一般保护都设置为发电机组的孤岛运行模式，即便能成功进入发电机组的孤岛运行，煤气由高炉、焦炉、转炉等供应停止，孤岛时间稍长，由于燃料（煤气）供应不足，不得不进行停机。同时正在生产的高炉系统最怕突然停电，因为会导致高炉灌渣，给前后工序造成较大影响，有时候可造成全线停产并发生次生损害的事故。近年来，钢铁企业的自备电厂发电量愈来愈大，据工信部发布统计数据，2017年，我国钢铁行业自发电率已接近50%，为钢铁企业最小系统正常运行提供了条件。在保障钢铁企业自备电厂发电机组（群）安全稳定运行的前提下，通过分析和仿真负荷性质、计算和辨识，部分或全部切除最小系统外部设备负荷来进行功率优化，满足外部停电及局部故障下钢铁企业最小系统的正常运行方式，故障排除后，可快速全线恢复生产，将损失减小至最少，最大限度地保障人员和设备的安全运行。

1 模型及原理

1.1 负荷性质

根据控制目的可分为必须负荷、可断负荷和可替代负荷，必须负荷为最小系统运行方式所需的负荷，可断负荷为停电时不会造成设备损坏或人身伤亡的负荷，可替代负荷是指停电后有自启柴油发电机、柴油泵、蓄电池等供电的负荷。根据以上归类原则，优先级对10 kV及以上的线路和设备进行统计，并建立统计表。

1.2 数学模型

式中，Pf——故障发生时当前发电机有功功率；

b——最小系统运行方式下线路开关的状态，可取1；

ti——第i条可替代负荷线路开关状态；

ki——第i条可中断线路开关状态；

pxbi、pxti、pxki——当前线路的有功功率。

以上数据通过读取微机保护装置可实时获得。

从式（1）可以看出，最小系统运行线路开关状态取1，根据钢厂实际运行情况优先级较高，因此求可转换为式（2），求转换为式（3），这样便可知所有线路的开关状态。

可以看出ki、ti本质是相同的，可以用一个参数zi进行表示，式（2）、式（3）合并为：

根据式（4）可以求出各条可替代负荷线路开关状态和各条可中断线路开关状态。

2 应用实例

2.1 最小运行方式下系统负荷

某钢厂有自备发电机总容量24 MW，除去自用电约3.3 MW，还有大约20.7 MW余量，最小系统运行方式下用电大约为19.5 MW，最小运行系统简图如图1所示，因各线路位于不同的10 kV配电室，母线用虚线代替，其中1082和1095的负荷为可替代负荷，其余可中断负荷线路较多，没在简图上标示，将会在统计表中标示。

图1 最小运行方式系统简图

2.2 开关状态优化计算

根据最小系统运行方式要求，按照优先级原则，对开关编号进行统计，限于篇幅，只对最小运行方式下系统和优先级较高的线路进行统计列表如表1，其余线路不在表1列出。

表1 小方式下各开关状态与优先级别关系

3 模拟运行

在psasp软件上进行仿真运行，其主接线简图如图2所示，正常运行时整个钢厂负荷为50 MW左右，当出现外部故障进线断开时，同时断开其他负荷1、负荷2的断路器序列时，即优先级较低的负荷，只保留最小运行系统，约19.5 MW。

图2 模拟状态下最小系统线路图

通过图3暂态稳定结果看出，0.1 s后进入孤网运行，刚开始有功功率波动较大，经过发电机的短暂调整，迅速进入稳定状态，最终稳定在19.5 MW左右。

图3 有功功率暂态稳定仿真图

4 结论

经过仿真模拟，钢铁企业自备电厂基本可以满足最小系统运行，但时间不宜过长，如时间过长，由于后续工序无法进行，生产的铁水无法处理，在外部故障消除后，立即进行并网操作，可避免高炉灌渣等系列故障，大大缩短了制氧和后续工序的启动时间。同时也存在缺陷，在运行期间不宜启动较大负荷设备，系统比较脆弱、自愈能力差。