电网故障与火电厂机组控制应对措施
作者：cad 提交日期：2009-7-4| 分类: | 访问量：
电网故障与火电厂机组控制应对措施
美加电网大面积停电，普遍关注的焦点是电网的安全。而本文试从发电厂的角度，讨论针对电网发生故障，电厂应对的保护和控制，以在某种方面减轻电网故障范围、缩短故障时间。
关键词：电网；发电厂；汽轮发电机组；一次调频；OPC；FCB
0 引言
美国东部时间2003年8月14日15：06 美国俄亥俄州北部5条超高压输电线路陆续发生故障，目前认为，由潮流大范围转移导致的快速电压崩溃，线路跳闸及系统解列后的频率崩溃原因，输电系统发生连锁反应，到16：11事故扩大到美国东北部8个州，以及接壤的加拿大南部地区。发生了自1965年以来的北美洲最严重的停电事件，也是世界电力史上前所未有的。致使该地区近5000万人失去了赖以生存的电力供应。 经42时 49分后电力供应才基本恢复。经济学家测算该事故造成的经济损失在每天300亿美元。
美加电网大面积停电事故引起世界各国政府和电力工作者的关注，主要涉及的是国家能源链中的电力传输、电网可靠性、电力安全以及电力体制等问题。
面对电网故障后的发电安全问题，同样引起我们在宝钢从事电力工作人员的极大关注与反思。在电网发生故障时，电厂控制系统做出了什么样的应对？为什么经过很长时间机组才能恢复运行，电网才完全正常？
1 电力运行可靠性的挑战
1.1 电力系统的脆弱性
从美加电网停电后仅 50 天，英国、澳洲、瑞士、意大利等工业国家先后发生大面积停电事故。这不会是偶然巧合。
就上海电网而言，最近一次重大故障发生在2002年2月19日，上海南桥变电站站控系统P13 的总线耦合器故障，造成断路器频繁分合闸，导致南桥、杨高两站 15组500kV相关线路跳闸，上海南网与华东网解列，造成大面积停电。（2）
就宝钢而言，1988年3月30日与1999年8月13日先后发生了电网蕴站、新站故障，造成宝钢电网与上海电网解列，孤立运行，造成程度不同的损失。我们注意到引发电网故障的原因各不相同，但表明其脆弱性就在身边。
1.2 宝钢电网与上海电网系统的连接
宝钢三期工程建成后，从2001年开始，宝钢电网与上海电网的连接结构如图1：
从目前看，该系统与上海电网有4回线联结，较为可靠。但作为电厂还考虑到线路、变电站、电厂本身的检修，宝钢变电站及电厂本身可能突发的故障，网络的可靠性就会下降。
1.3宝钢电厂在钢铁联合企业中位置
宝钢电厂是宝钢股份公司这个钢铁联合企业中，按能源先行原则率先投入生产的单元厂。1、2号350MW火力机组分别于1982年、1983年投入运行。 1997年与1999年10月又相继投入1台145MW 联合循环燃气轮机组，和1台350MW的火力机组。宝钢电厂发电总容量为1195MW，受电网控制年发电量约在72亿kWh。宝钢股份用电主要依靠宝钢电厂供给，目前用电负荷在800MW-1000MW之间。四期工程投产后将使负荷有阶跃性上升。
图1：目前宝钢电网基本连接图
若上海电网、宝钢电网发生故障， 对宝钢电厂机组带来不可克服的扰动，引起机组不稳定；若宝钢电厂的机组故障，电网对宝钢的供电在数量上受限制，两者都将给连续生产的钢铁企业带来不堪设想的后果。
再则，由于电力行业正在进行新一轮电力体制改革，快步进入市场化。由于要分摊投资、输配、发供电各方的成本、利润，电网向宝钢供电的电价远高于宝钢向网上供电的电价。所以电厂是否能确保安全发电不仅涉及到宝钢股份的安全生产、能源平衡、环境保护，而且对其经营目标都有 举足轻重的影响。
不仅如此，宝钢这个大型钢铁企业在不断发展扩建过程中，应具有基本战略，这就是电源与电网的建设应有相对超前，电源、电网、用户同时建设，其能源链就必定是薄弱的。
2 电网故障后的电厂应对
可靠的发电厂、完善的电网、精益的管理必定提高电力系统的可靠性，但对于数年一遇，甚至是数十年一遇的由电网固有的脆弱性带来的系统故障，仍无法避免。一旦发生，电厂处在了被动地位。在任何时间，由电网的故障性质、范围决定发电机组承受扰动的程度，由电网恢复的时间决定电厂设备承受特殊工况下运行的时间。
但我们认为，电厂面临电网故障亦应有积极、有效的应对。只要电厂在电网故障发生时，能保护发电机组，安全度过第一冲击，机组继续发电，即使仅带厂用电。如此，起码是避免电网故障的扩大，再则是缩短电网故障恢复时间。
作为电厂可去思考和实践的是，针对本系统电网的结构，分析电网可能故障的类型，设计、调试、完善应对故障的自动保护、控制策略。 原则首先是确保发电机组在故障发生、恢复的过程中的安全，机组在危及自身安全的工况下运行，一旦设备损坏，电网也就成了无米之炊。所以它要求发电机组的热工、继电保护系统及整定值要正确、完善。 机组在良好保护下，才有条件讨论以下的应对：
1）当电网突然故障解列时，发电机组不能跳闸，否则将可能导致电厂停电事故。而停电后的保护发电设备将成为风险巨大的工作，它全靠备用的柴油发电机组、蓄电池组、电源切换等系统的万无一失。且电厂全停后，就要承受等待外来电、汽源等能源的时间，它将延长电网恢复时间，可能引发更大故障。
2）机组瞬间自动将负荷降到与外界负荷相适应的范围，它可能是带发电机组在最低负荷运行；针对宝钢电网而言，只要宝钢电网尚未瓦解，它可能是带宝钢的基本负荷运行。）若宝钢电网故障解列，则发电机组应能带厂用电运行，一旦电网恢复，机组能以min数量级迅速加负荷，满足用户的需求。
依此原则，机组控制系统应对的技术方案是：
3 一次调频
3.1 一、二次调频原理
一次调频是电网发供电及用电之间的重要平衡方式。电网周率由并网发电机组的一次调频功能共同承担，具有足够的一次调频能力的电网，可以保证在瞬息万变的负荷下有稳定的周率。 但为了发电机组的运行的稳定，电网一次调频的能力是有限的。所以还需要由电网调度发指令，命令相关机组增减负荷以使供需平衡，即二次调频。
3.2 电网故障时一次调频的作用
电网的一次调频过程是个随机过程，电力系统所调节的负荷分量主要是短周期（0.2-1Hz）的随机变动负荷。根据该特性， 一旦上海电网故障，宝钢电网 单独运行，在目前两网负荷潮流下，电厂机组能够应对的功能首先是一次调频。
设定机组运行负荷1000MW，宝钢电网负荷为800MW，则200MW余额有可能不触发OPC动作，利用一次调频来克服。若1、2、3号机组按4%的不等率运行，独立网周波将为50.38 Hz。此时调度能及时通过电厂值长，通过二次调频即人为减负荷，即可迅速恢复电网周率。
目前宝钢电厂的一次调频还未作如此事故预想，所以有4%负荷变动的上下限。如果为适应故障工况， 可开放上限至额定负荷，下限至50%负荷。只要机组负荷大于70%，均应依靠一次调频功能应对。一次调频功能分别设置在汽机DEH侧与协调控制MCS侧，其中汽机侧是快速系统，试验表明，其响应在2～3sec内，作用时间约为20sec, MCS侧指令则要延迟20sec。
4 OPC保护
OPC（Turbine Over speed Protection Control）保护是针对汽轮机组在受到外界扰动，主要是指电网或是汽轮发电机自身故障，急甩负荷时，瞬间关闭汽轮机的高中压调节汽门，避免机组超速跳闸，可能维持运行的功能。
4.1 汽机负荷急减将导致汽机跳闸
大容量的汽轮机组具有相对较小的转动惯量和转子飞升时间常数。宝钢电厂350MW汽轮机组转子在额定蒸汽作用下从0 r/min上升到3000r/min仅需6.7-6.8 sec时间。同时，汽轮机转子的加速度与汽机蒸汽动力矩Mt和发电机磁阻力矩Me有如下关系：
带350MW负荷运行的机组突甩负荷时，巨大能量瞬间将使汽轮机组超速。作为机组的最基本保护，汽轮机危机保安器动作（在没有OPC保护时），它的设定动作值在额定转速的110%，即转速飞升到3300r/min时，汽轮机跳闸。
4.2 OPC保护原理
OPC的动作原理如下图:
图3: 汽轮发电机组的OPC保护动作原理
由图可知, 一次中间再热的汽轮机组在下述情况下, 运行参数进入图中阴影区, OPC动作。
1）利用当机组甩负荷时, 汽机中压缸参数滞后发电机参数的特性, 即检测到中压缸进汽压力所代表的汽机瞬时功率大于发电机电流所代表的发电机功率60%, 表示机组已处甩负荷状态，OPC动作；
2） 当汽轮发电机组转速达到额定转速的107%时, 它亦表示机组已处甩负荷状态，OPC动作；
3） 在以上两种边界状态中间的任何落在阴影区的状态，OPC动作。
OPC动作, 汽轮机的高、中压调节汽门将脱离正常的负荷控制而瞬间关闭, 防止甩负荷导致汽轮机跳闸。动作后，机组的功率、转速瞬间返回非阴影区
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*本文摘自：http://www.jxcad.com.cn/read.php?tid=419519&fpage=105
