郑 东，吉 博，卢俊安，窦勤耘

(贵州大学，贵阳 550025)

贵州省积极引导煤矿用好用足瓦斯抽采政策，利用燃气机组进行瓦斯发电，技术可靠，投资少，见效快，在发电的基础上实现“冷、热、电”相结合，目前已成为贵州煤矿瓦斯综合利用最合理的方式。调研中发现，受煤矿瓦斯量及系统事故影响，发电机组运行中并网操作准同期及正常运行励磁方式、线路保护投入、功角测量装置、电网安全稳控及故障录波装置等与系统发生振荡相关。

1 案例分析

1.1 煤矿信息简介

某煤矿可抽瓦斯量为442.75 Mm3，矿井综合瓦斯抽采浓度为17%，属于低浓度瓦斯。按矿井服务年限计算，可供利用瓦斯量为10.79 Mm3/年。煤矿选用适合中小型瓦斯电站生产的低浓度瓦斯发电600GF1-1RW机组。按高低负压抽采量达到设计值时的瓦斯量计算，需瓦斯发电机组台数为：N=(22.89+9.28)×60×35 190/(1.2×1.5×9 880×600)=6.3台。实际投入运行6台600 kW机组。燃气发电机组运行时产生大量的余热，排气温度达550℃左右。采用热电联供系统进行余热回收，为煤矿提供生活用热水。瓦斯电站余热回收装置系统如图1所示。

图1 瓦斯电站余热回收装置Fig.1 Waste heat recovery device of gas power station

1.2 经济效益

年发电量：6台×480 kW×24 h×360天/年=2 488.32万kW·h。年总运行成本：2 488.32万kWh×0.12元/kW·h=298.60万元。 年发电收益：2 488.32万kWh×0.52元/kWh=1 293.93万元。余热利用收益：1 476 t/a×500元/t=73.8万元。 效益：1 293.93+73.8-298.60=1 069.13万元。

根据预测，矿井年平均排放瓦斯量约为16.9 Mm3，仅从瓦斯发电对资源回收考虑，其利用率可达63.84%。

1.3 线路运行数据

瓦斯发电10 kV通过煤矿35 kV变电站接入系统。35 kV线路1月份最大下网负荷发生在1月16日，最大功率7.85 MW、最大电流137.45，详见图2曲线视图。1月25因瓦斯发电厂停机导致负荷有突变，网内上网电站计量显示线路瞬间负荷为19.50 MW，停机后最大负荷3.25 MW，详见图3曲线视图。

图2 线路1月16日曲线视图Fig.2 Curve view of line on January 16

图3 线路1月25日曲线视图Fig.3 Curve view of line on January 25

从瓦斯发电厂现场操作时序和系统运行曲线分析， 1月25日15点至15点30分35 kV线路下网负荷曲线陡升，主要原因为瓦斯突变后全站停机，后瓦斯发电厂迅速恢复上网，存在多机组同时启动导致异步系统振荡风险。

2 振荡分析

系统振荡时的现象：发、配电各电气量周期性摆动，发电机和变压器发出有节奏的轰鸣声。连接失去同步的发电机或系统联络线上的电流表、功率表摆动最大。失去同期的电网有频率差出现，送电端频率高，受电端频率低并略有摆动。引起振荡的原因：输电线路输送功率超过极限值造成静态稳定破坏。电网与发电机联络的某一线路或设备断开、阻抗突然增加，引起稳定破坏而失去同步。大容量机组突然甩负荷，系统功率发生较大突变，造成电力系统暂态稳定破坏。发电机组失磁，从系统吸收无功功率，无功功率不足致使电压大幅度下降，导致系统失去稳定。原动机调速系统失灵，造成其输入力矩突变失去平衡引起振荡。电源间非同步合闸未能拖入同步。系统振荡事故处理应先判断出是同步振荡还是异步振荡，发生振荡均会出现电气量摆动，但也有明显的区别。

2.1 系统同步振荡

同步振荡是发电机输入或输出功率变化，功角δ随之变化，因机组转动部分的惯性，δ不能立刻达到新的稳态值，需在新的δ值附近多次振荡之后，才能稳定在新的δ下运行。特点是各机组电气量以平均值为中心振荡，摆动频率低，振荡周期清晰稳定，不过零，机组振动较小，仪表波动平缓，可通过频率及电压的变化估算振荡周期，中枢点电压保持较高水平，同步振荡出现各机组仍保持同步运行，频率基本相同。处理措施：可增加电机的励磁电压、功率极限，提高电机稳定性。若单机高功率因数引起，可适当降低有功。若振荡发生在机组启动或停机过程，立即暂停操作。若发电机组非同期并网、调速器、励磁调节器异常等引起的同期振荡，立即进行消除。如短时间无法消除，应解列发电机组。若是厂内输出线路事故跳闸引起，降低机组有功出力直至振荡消除。

2.2 系统异步振荡

异步振荡是发电机受较大扰动，功角δ在0～360°周期性地变化，发电机与电网失去同步运行状态。特点是各机组电气量摆动频率较高，仪表显示跳变，振荡周期不清晰，机组发出不正常的、有节奏轰鸣声；定子电流、机组功率振幅很大，过零；线路电气量出现较高频率摆动，振动中心电压变化很大；异步振荡出现时各机组不能保持同步运行，出现一定的频率差。处理措施：可增加发电机无功出力，尽量使母线电压运行在允许值上限。若频率升高，可减少机组有功出力。若频率降低，可增加机组出力，直至振荡消除。若振荡发生在机组并网时或因发电机失磁引起的系统振荡，应立即解列发电机。

2.3 系统振荡恢复

系统振荡恢复时，相关参数指示值波动减慢，波动幅度及频率差逐渐减小至消失。

3 结论

通过实地考察，调研煤矿瓦斯发电建设、运行情况，针对运行中遇到的系统振荡问题进行分析处理，为煤矿瓦斯发电正常运行提供技术支撑，提高瓦斯发电系统的稳定性。