大型廠礦局部電網(wǎng)振蕩影響因素的研究與分析

周榮玲，陳　謙，鞠　平，張正利，張　浩

電網(wǎng)關(guān)聯(lián)技術(shù)

大型廠礦局部電網(wǎng)振蕩影響因素的研究與分析

周榮玲，陳謙，鞠平，張正利，張浩

（河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京211100）

含有特殊負(fù)荷的大型廠礦局部電網(wǎng)振蕩問題時(shí)有發(fā)生。針對(duì)某鋼鐵企業(yè)存在的實(shí)際振蕩問題，初步分析事故原因，并仿真分析沖擊負(fù)荷相關(guān)因素及企業(yè)內(nèi)部發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁方式對(duì)該電網(wǎng)振蕩的影響。結(jié)果表明，特殊負(fù)荷的位置、沖擊幅度及企業(yè)內(nèi)部發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁方式對(duì)局部電網(wǎng)振蕩的影響較顯著。負(fù)荷沖擊幅度越大，越易引發(fā)振蕩；沖擊負(fù)荷與發(fā)電機(jī)組電氣距離越近，越易引發(fā)振蕩；發(fā)電機(jī)組選用恒功率因數(shù)勵(lì)磁方式時(shí)，容易引發(fā)振蕩。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析結(jié)論。根據(jù)仿真分析結(jié)果，建議廠礦企業(yè)局部電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)電機(jī)組選用恒電壓勵(lì)磁方式；加強(qiáng)局部電網(wǎng)與大電網(wǎng)的電氣聯(lián)系；同時(shí)合理布局企業(yè)內(nèi)部的沖擊負(fù)荷。

局部電網(wǎng)；振蕩；特殊負(fù)荷；勵(lì)磁方式

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源、材料、冶金等行業(yè)的需求與日俱增。因而，相應(yīng)大型廠礦企業(yè)的安全生產(chǎn)一直是重中之重。大型廠礦的特殊負(fù)荷容量較大，通常其從電網(wǎng)汲取的功率隨著其生產(chǎn)過程的特性而大幅變化。該類負(fù)荷由于自身的特性，可以在極短的時(shí)間內(nèi)（秒級(jí)乃至毫秒級(jí)）從電網(wǎng)汲取或釋放幾十兆瓦乃至百兆瓦的功率［1］，如軋鋼機(jī)（軋鋼）、電解鋁、硅鐵冶煉（電弧爐）等，對(duì)電網(wǎng)造成較大地沖擊。特殊負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來了不可忽視的影響，相關(guān)的研究也取得了不少進(jìn)展。文獻(xiàn)［2］以電弧爐為研究對(duì)象，分析了由此帶來的電壓波形畸變、電壓閃爍等電能質(zhì)量問題；文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］建立了電弧爐模型，分析其對(duì)電網(wǎng)的沖擊影響；文獻(xiàn)［5］研究了特殊電力負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，并提出了相應(yīng)的安全控制措施；文獻(xiàn)［6-9］研究了具有沖擊性的特殊負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)相關(guān)電力設(shè)備的危害，如發(fā)電機(jī)諧振、變壓器發(fā)熱升溫造成絕緣破壞等。

目前仿真計(jì)算已經(jīng)成為電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析和控制中最為重要的輔助工具［10-13］。通過仿真分析，一方面可以對(duì)大型廠礦局部電網(wǎng)已發(fā)生的事故進(jìn)行分析，進(jìn)而采取相應(yīng)的整改措施；另一方面可以對(duì)現(xiàn)有的運(yùn)行方式進(jìn)行有效校核檢驗(yàn)，從而大大提高局部電網(wǎng)的安全運(yùn)行裕度。本文結(jié)合某鋼鐵企業(yè)局部電網(wǎng)實(shí)際振蕩事故，分析了該企業(yè)的特殊負(fù)荷及發(fā)電機(jī)組控制方式對(duì)電網(wǎng)振蕩的影響，并在PSASP中仿真驗(yàn)證，得出了有效結(jié)論，相應(yīng)的研究分析思路及結(jié)論將有助于改善類似廠礦企業(yè)的運(yùn)行特性。

1　某局部電網(wǎng)實(shí)際振蕩事故的過程

某鋼鐵企業(yè)局部電網(wǎng)電氣接線圖如圖1所示。該企業(yè)內(nèi)部的特殊負(fù)荷主要位于二總降和三總降（企業(yè)電網(wǎng)內(nèi)部變電站），其中二總降主要為軋鋼負(fù)荷，三總降為電弧爐精煉負(fù)荷。二者沖擊功率之和可達(dá)數(shù)百兆瓦，是該局部電網(wǎng)中顯著的沖擊源。

事故發(fā)生前，其3臺(tái)50 MW自備機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。事故發(fā)生時(shí)，值班人員首先觀察到照明功率發(fā)生波動(dòng)，振蕩周期為數(shù)秒鐘左右。隨后，2號(hào)機(jī)開關(guān)指示燈熄，判斷2號(hào)機(jī)組跳機(jī)，8 s后隨機(jī)手按停機(jī)按鈕；48 s后1號(hào)機(jī)組因發(fā)電機(jī)組過流，開關(guān)跳閘。期間因給水系統(tǒng)波動(dòng)，導(dǎo)致3號(hào)爐鍋爐水位自動(dòng)調(diào)節(jié)方式退出，運(yùn)行人員及時(shí)進(jìn)行人工跟蹤調(diào)整，因調(diào)整經(jīng)驗(yàn)不足，15 min后鍋爐水位低保護(hù)動(dòng)作跳爐；最終3臺(tái)發(fā)電機(jī)組全停。

2　事故原因初步分析

2.1事故可能的原因

結(jié)合事故存檔、歷史數(shù)據(jù)和該局部電網(wǎng)電氣接線圖，發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組所在系統(tǒng)上接有中板等沖擊性負(fù)荷，當(dāng)沖擊負(fù)荷隨著生產(chǎn)過程的特性產(chǎn)生較大功率沖擊時(shí)，造成發(fā)電機(jī)出力下降，且該電網(wǎng)當(dāng)時(shí)采用恒功率因數(shù)的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式，當(dāng)有功下降時(shí)，無功進(jìn)一步下降，此時(shí)發(fā)電機(jī)處于較易失穩(wěn)狀態(tài)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，產(chǎn)生振蕩，機(jī)組失步，導(dǎo)致1號(hào)發(fā)電機(jī)過流跳閘。2號(hào)機(jī)組停機(jī)是由事故發(fā)生時(shí)當(dāng)班運(yùn)行人員手動(dòng)停機(jī)。3號(hào)機(jī)組在1號(hào)、2號(hào)機(jī)組停機(jī)后，給水系統(tǒng)波動(dòng)較大，導(dǎo)致3號(hào)鍋爐水位過高，因操作人員經(jīng)驗(yàn)不足，在調(diào)節(jié)鍋爐水位時(shí)，因水位低保護(hù)動(dòng)作跳爐。

綜上所述，初步分析認(rèn)為該電網(wǎng)發(fā)生此次振蕩的電力系統(tǒng)方面主要原因是特殊負(fù)荷離內(nèi)部機(jī)組較近，當(dāng)特殊負(fù)荷功率大幅變化時(shí)，對(duì)內(nèi)部機(jī)組產(chǎn)生較大沖擊，由于發(fā)電機(jī)采用恒功率因數(shù)勵(lì)磁控制方式，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)處于較易失穩(wěn)狀態(tài)，最終過流跳閘。

2.2特殊負(fù)荷沖擊特性對(duì)振蕩的影響

特殊負(fù)荷區(qū)別于常規(guī)負(fù)荷，主要表現(xiàn)為自變性和沖擊性，不僅設(shè)備容量較大，其生產(chǎn)過程中，設(shè)備的啟停、工藝因素等時(shí)常造成負(fù)荷水平地突變，給電網(wǎng)帶來較大功率沖擊，故又常稱為沖擊負(fù)荷，可能造成電網(wǎng)低頻振蕩問題。近年來，我國西部地區(qū)某330 kV輸電線上屢次發(fā)生頻率0.6 Hz左右低頻振蕩，振蕩發(fā)生時(shí)間與附近大型鋼鐵企業(yè)沖擊負(fù)荷投入時(shí)間有一定關(guān)聯(lián)。

沖擊負(fù)荷的組成、沖擊量、沖擊速率以及沖擊負(fù)荷與發(fā)電機(jī)組電氣距離等沖擊特性都可能對(duì)電網(wǎng)振蕩問題帶來不同影響。電動(dòng)機(jī)負(fù)荷相較于恒阻抗負(fù)荷，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，更易引發(fā)振蕩，故沖擊負(fù)荷組成中電動(dòng)機(jī)比例越高，越易引發(fā)振蕩；不同的負(fù)荷沖擊量在短時(shí)間里（秒級(jí)）會(huì)給系統(tǒng)造成不同程度的負(fù)荷缺口或盈余，沖擊負(fù)荷造成的功率偏差會(huì)造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化，一方面會(huì)給系統(tǒng)電壓帶來不同程度的波動(dòng)，同時(shí)也會(huì)影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定；沖擊速率越快，對(duì)電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行帶來的隱患也就越大；系統(tǒng)兩點(diǎn)之間的聯(lián)系阻抗稱為電氣距離，電氣距離近的兩點(diǎn)之間聯(lián)系較緊密，相互影響也較大，故沖擊負(fù)荷與局部電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)電機(jī)組之間電氣距離越近，造成電網(wǎng)振蕩的可能性越大。

2.3發(fā)電機(jī)控制方式對(duì)振蕩的影響

發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制可以維持機(jī)端電壓在給定水平，并調(diào)節(jié)機(jī)組間的無功分配，進(jìn)而提高系統(tǒng)的靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定性［14，15］。廠礦企業(yè)大都建有自備電廠，而自備電廠的機(jī)組有相當(dāng)一部分是容量較小的機(jī)組，該局部電網(wǎng)的3臺(tái)機(jī)組容量均為50 MW。對(duì)于受容量限制的同步發(fā)電機(jī)，通過小機(jī)組勵(lì)磁控制提高電壓水平，進(jìn)而改善系統(tǒng)穩(wěn)定性是不現(xiàn)實(shí)的［16］。因此采用不同勵(lì)磁方式具有實(shí)際意義。該企業(yè)事故發(fā)生時(shí)采用恒功率因數(shù)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制方式，沖擊負(fù)荷的大幅變化造成發(fā)電機(jī)有功出力下降，無功隨之也下降，進(jìn)而可能造成發(fā)電機(jī)失穩(wěn)，引起振蕩。若采用恒無功勵(lì)磁控制方式，當(dāng)發(fā)電機(jī)有功出力下降時(shí)，無功出力不會(huì)隨之下降，系統(tǒng)振蕩的可能性相對(duì)較?。欢?dāng)采用恒電壓勵(lì)磁控制方式時(shí)，特殊負(fù)荷帶來較大沖擊時(shí)，發(fā)電機(jī)出力下降幅度相對(duì)恒功率因數(shù)勵(lì)磁控制方式較小，因此發(fā)電機(jī)失穩(wěn)可能性較小，引起振蕩的可能性較小。

圖1　某鋼鐵企業(yè)局部電網(wǎng)電氣接線圖

3　仿真分析

根據(jù)以上對(duì)該局部電網(wǎng)振蕩影響因素的理論分析，結(jié)合實(shí)際調(diào)研情況，在PSASP中仿真分析勵(lì)磁方式、負(fù)荷組成、沖擊負(fù)荷幅度、沖擊速率及電氣距離5個(gè)因素對(duì)該電網(wǎng)振蕩的影響。通過仿真分析，得到了這些因素對(duì)局部電網(wǎng)振蕩影響的定性結(jié)論，驗(yàn)證了前述理論分析結(jié)論。在此給出勵(lì)磁方式、沖擊負(fù)荷量及沖擊負(fù)荷與發(fā)電機(jī)組之間的電氣距離這3個(gè)影響因素的仿真分析過程。

3.1勵(lì)磁方式

調(diào)研發(fā)現(xiàn)該局部電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)機(jī)組先后使用了恒功率因數(shù)和恒機(jī)端電壓的勵(lì)磁控制系統(tǒng)，為充分地對(duì)比分析，在仿真研究中加入了恒無功控制方式。其余影響因素設(shè)置相同。在不同勵(lì)磁方式作用下，發(fā)電機(jī)1號(hào)的有功功率P、無功功率Q以及勵(lì)磁電壓Efd變化曲線如圖2所示。

圖2　勵(lì)磁方式對(duì)發(fā)電機(jī)的影響曲線

由圖2曲線可以看出，相同沖擊負(fù)荷作用下，恒功率因素勵(lì)磁方式最易引起系統(tǒng)強(qiáng)迫振蕩，恒無功控制方式次之，恒電壓勵(lì)磁方式較為理想；臨界情況下，不同的勵(lì)磁方式能夠定性地改變系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.2沖擊負(fù)荷量

選取2種不同幅度的沖擊（沖擊A：60 MW/45 Mvar，沖擊B：120 MW/90 Mvar），功率因數(shù)均為0.8。其他影響因素設(shè)置相同。不同沖擊幅度下，發(fā)電機(jī)1號(hào)的有功功率P、無功功率Q以及勵(lì)磁電壓Efd變化曲線如圖3所示。

圖3　沖擊負(fù)荷量對(duì)發(fā)電機(jī)的影響曲線

由圖3可以看出，相同條件下，特殊負(fù)荷沖擊幅度越大，系統(tǒng)振蕩越大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致勵(lì)磁電壓達(dá)到上限，引起系統(tǒng)強(qiáng)迫振蕩。

3.3電氣距離

由該企業(yè)局部電網(wǎng)電氣接線圖可知，二總降和內(nèi)部總發(fā)1號(hào)機(jī)和總發(fā)2號(hào)機(jī)直接相連，電氣距離短；三總降和外網(wǎng)蘇盤城變采用雙回路直接相連，和內(nèi)部發(fā)電機(jī)組距離相對(duì)較長?？紤]不同電氣距離的負(fù)荷沖擊點(diǎn)對(duì)局部系統(tǒng)穩(wěn)定性影響：二總降和三總降。其余影響因素設(shè)置相同。不同電氣距離的沖擊負(fù)荷作用下，發(fā)電機(jī)1號(hào)有功功率P、無功功率Q以及勵(lì)磁電壓Efd變化曲線如圖4所示。

圖4　電氣距離對(duì)發(fā)電機(jī)的影響曲線

由圖4可見，不同地點(diǎn)的沖擊負(fù)荷由于在網(wǎng)架中的位置差異，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性影響差異顯著。三總降與外電網(wǎng)聯(lián)系緊密，和內(nèi)部發(fā)電機(jī)組距離相對(duì)較長，負(fù)荷沖擊對(duì)內(nèi)部機(jī)組影響較?。欢偨岛蛢?nèi)部1號(hào)機(jī)和2號(hào)機(jī)電氣距離短，對(duì)內(nèi)部機(jī)組有明顯地影響。

總結(jié)5個(gè)因素對(duì)該局部電網(wǎng)振蕩問題的仿真分析結(jié)果如表1所示。

表1　某鋼鐵企業(yè)局部電網(wǎng)振蕩影響因素仿真分析結(jié)果

以上仿真分析結(jié)果基本驗(yàn)證了前述理論分析結(jié)論。該廠礦企業(yè)事后將勵(lì)磁控制方式由恒功率因數(shù)勵(lì)磁控制方式改為恒電壓勵(lì)磁控制方式，振蕩情況得到了較好地控制。

4　結(jié)束語

本文結(jié)合某鋼鐵企業(yè)局部電網(wǎng)實(shí)際振蕩事故，初步分析事故原因，并仿真分析沖擊負(fù)荷相關(guān)因素及企業(yè)內(nèi)部發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁方式對(duì)該電網(wǎng)振蕩的影響。仿真結(jié)果表明，負(fù)荷沖擊越大，越易引發(fā)振蕩；沖擊負(fù)荷與局部電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)電機(jī)組電氣距離越近，越易引發(fā)振蕩；發(fā)電機(jī)組選用恒功率因數(shù)勵(lì)磁方式時(shí)，容易引發(fā)振蕩。該仿真結(jié)果基本驗(yàn)證了理論分析結(jié)論。根據(jù)仿真分析結(jié)果，建議廠礦企業(yè)局部電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)電機(jī)組選用恒電壓勵(lì)磁控制方式；加強(qiáng)局部電網(wǎng)與大電網(wǎng)的電氣聯(lián)系；合理布局企業(yè)內(nèi)部的沖擊負(fù)荷，以減少對(duì)企業(yè)內(nèi)部發(fā)電機(jī)組的沖擊。

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Research and Analysis for the Factors of Local Oscillation of the Electric Network of Large-sized Mine

ZHOU Rongling，CHEN Qian，JU Ping，ZHANG Zhengli，ZHANG Hao
（College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China）

The local oscillation occurs occasionally in the electric network of large-sized mine.This paper focuses on the oscillation problem in a steel enterprise with a mass of special loads.The possible reasons of the local oscillation is analyzed firstly，and then the simulation considering the mentioned reasons including the impact characters of special load，the excitation mode of local generators，etc.are implemented.It is manifested that the changes of impact load，the location of impact load and the excitation mode of a local generator may significantly affect the oscillation in the small grid.Moreover，the larger the change of impact load is，the larger possibility of the oscillation will be，and the closer the distance between the impact load and generators is，the more significant the oscillation will be.If the exciter of local generator is operated in the constant power factor mode，the generator tends to oscillate more easily than in other modes.The simulation results suggest that the constant voltage mode is a good choice for the exciting regulator，connecting the local grid to the outer power grid improves its reliability，and the impact loads should be reasonably distributed.

local power grid；oscillation；special power load；excitation mode

TM714

A

1009-0665（2015）06-0070-04

2015-08-10；

2015-09-21

國家自然科學(xué)基金（51377046，51190121）；國家電網(wǎng)公司大電網(wǎng)重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目課題：

（SGCC-MPLG001（001-031）-2012）

周榮玲（1992），女，江蘇揚(yáng)州人，河海大學(xué)碩士在讀，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)建模與控制；

陳謙（1972），男，江蘇南京人，河海大學(xué)副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)建模、電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；

鞠平（1962），男，江蘇靖江人，河海大學(xué)教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)建模與控制；

張正利（1990），男，江蘇淮安人，河海大學(xué)碩士在讀，研究方向?yàn)榉植际皆诰€建模；

張浩（1990），男，江蘇張家港人，河海大學(xué)碩士在讀，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)建模與控制。