一种低频控制方法在直供电系统中的应用

伍光慰，赵洪山

（酒钢（集团）公司能源中心，甘肃嘉峪关 735100）

引言

某企业直供电系统由6台350 MW发电机组、4台50 MW以下小机组和配套的4座变电站向2条45万t电解铝生产线和铁合金负荷供电。该系统运行初期由于电解铝阳极效应和换极等因素造成负荷的突增比较明显，引起网内持续低频，而机组的调频参数按照常规电网设置，最终由于机组调频能力有限，导致网内配置的安全稳定控制系统低频控制频繁动作。

笔者从直供电系统电网实际情况，阐述了依据实际电网运行期间的频率变化特性，在系统中成熟应用一次调频技术的基础上，通过优化机组一次调频方式及相关参数，在负荷侧实施了负荷调频功能。在机组一次调频和负荷调频的基础上结合直供电系统频率变化特性进一步优化网内配置的控制系统进行低频控制调整参数，从而保证了直供电系统的稳定运行。

1 正常运行情况下直供电系统频率变化特性

直供电系统内只有电解铝负荷，电网容量较小，并且电解铝负荷存在阳极效应等的负荷波动，所以负荷的波动形成了电网频率的不稳定。另外，网内发电机组调频精度差及调节速度慢，所以对频率的稳定效果较差。具体电网频率变化和机组一次调频动作趋势见图1所示。

图1 直供电系统电网频率变化及机组一次调频动作趋势图

大电网频率范围为50±0.2 Hz，从电网频率调节情况来看，由于网内机组台数众多，在电网发生用电负荷和发电负荷不平衡情况下，依靠诸多机组的调频能够保证电网的稳定运行。但对于直供电电网，由于电网容量较小、机组台数少、调频容量有限等因素，存在网内负荷的正常波动很容易造成直供电系统频率变化的幅值过大和速率过快，易造成机组设备的损坏，甚至直接引起电网的频率崩溃。

2 故障情况下直供电系统频率变化特性

2.1 在实际运行中，该电网出现如下故障时，电网实际频率变化及网内低频减载动作情况

当直供电系统网内负荷增加6 MW负荷时，280 ms后，频率跌落至49.994 Hz；1.512 s后由于第一系列电解铝出现阳极效应，负荷再增加11.30 MW；9.152 s后由于第二系列电解铝出现阳极效应，负荷再次增加到9.12 MW。综合上述负荷共同作用，电网频率出现持续下跌，由正常的运行频率下降至48.950 Hz，网内配置的安稳系统低频动作分别切除铁合金区域15.8 MW负荷和电解铝92.65 MW负荷。

2.2 通过仿真分析软件仿真上述故障时电网频率变化情况

（1）在不考虑网内一次调频作用情况下仿真上述故障条件下频率下滑曲线如图2所示。

（2）考虑网内机组一次调频（机组一次调频参数按照常规电网设置，并且机组备用容量按照当前负荷的百分比设定）后再次通过仿真分析软件仿真频率变化曲线如图3。

图2 不考虑机组一次调频作用下频率变化曲线

图3 考虑机组一次调频后频率变化曲线

3 正常运行和故障情况下直供电系统存在的问题

（1）机组一次调频死区下限值设置偏小，未能躲开正常的电解铝阳极效应，机组一次调频动作频繁。

（2）网内只有机组的一次调频，没有其他调频方式。

（3）网内机组一次调频限幅参数设置偏小，没有释放机组应有的调频能力。

（4）网内配置的安全稳定控制系统低频功能参数设置不合理。

4 改进措施

（1）根据直供电系统中实际电解铝负荷特性，寻找网内系统频率波动范围，逐步调整机组一次调频死区参数整定值，实际试验中发现系统频率悬浮值为49.6 Hz，则依据频率悬浮值将系统内主调频机组的一次调频死区调整为±24 r/min，次调频机组的一次调频死区±28 r/min，第三调频机组的一次调频死区为±30 r/min。

图4 直供电系统机组调频死区调整后一次调频动作趋势图

（2）直供电电网与大电网存在如下差异：大电网网内机组台数多，总调节容量充裕；而直供电电网，应充分发挥关键机组的一次调频能力，通过实验最终确定机组调频幅度按照机组额定负荷的10%进行设置，确保电网中可调出的总储备容量满足电网实际运行需求。

（3）机组一次调频分别在协控（CCS）、功控、阀控模式下进行了调频特性试验，最终确定优先选择在协调模式下进行一次调频方式，在协调模式无法投入的情况下，选择阀控方式。具体试验曲线如图5。

图5 模拟机组调频动作趋势图

（4）电解铝侧增加负荷调频功能

电解铝整流控制系统加装频率变送器，按照“三取二”的方式检测电网频率，在频率跌落至49.3 Hz～49.0 Hz区间时，控制系统调频控制逻辑立即启动，调整稳流控制目标值，分3档（2%－1%－1%）单向减负荷调整电解铝负荷为电解铝总负荷的4%。负荷调整后45 s内不回升。当频率跌落至49.0 Hz及以下时，优先接收并执行安稳装置发来的压负荷控制命令。

（5）上述机组一次调频及负荷调频功能全部释放完成后，在直供电电网持续出现频率跌落的情况下，按照直供电电网的低频情况下启动控制功能，将低频切负荷参数进行了进一步优化，每一轮次增加了0.2 s的延时，并且增加了加速轮。

5 结论

（1）完全释放机组一次调频能力，并且机组一次调频动作频次明显减少，保证了电网的正常运行。

（2）通过调整机组的一次调频参数和调频模式后电解铝侧出现阳极效应时， 机组能够在极短的时间内恢复系统稳定，保证了电网的正常运行。

（3）负荷侧参与调频功能，并且负荷侧调频速度较快，在电网发生频率缓慢下滑时，能够利用快速的调节，恢复系统稳定，避免网内低频切负荷的发生。