潮流推演在火电厂电气工程中的应用

2021-01-15王晓华徐智伟

仪器仪表用户 2021年1期

王晓华，徐智伟

（浙江浙能温州发电有限公司，浙江温州 325600）

0 引言

为了提高供电可靠性和运行方式灵活性，现代火电厂电气系统接线方式越来越复杂。系统方式的调整往往涉及解、合环操作，较大合环电流可能造成设备损坏或保护装置误动等异常情况。根据操作方式要求，进行全方位的潮流推演，可验证接线的合理性，并且为运行方式调整提供依据，对提高火电厂安全性具有重要的现实意义。

1 现状

大容量火电机组电气接线普遍采用单元制接线。通常高压厂变接至主变低压侧降压后为6kV系统提供正常电源，另设启动/备用变压器作为后备电源。对于不配置发电机出口开关的机组，机组在启停过程中及发生事故时需要对厂用电源进行切换。6kV母线均配置电源快速切换装置控制工作电源和备用电源实现切换。380V系统普遍采用各类低压厂用变压器降压至380V后带单段母线，同类变压器低压侧母线配置联络开关，及互为暗备用。

为了提高供电可靠性，厂用电系统各母线工作电源、备用电源一般引接至不同的电源系统，并且切换方式往往采用并联切换即不停电切换。不同电气系统合环可能会产生较大的冲击电流，可能造成继电保护装置误动；稳定后的合环电流也可能较大，若不及时解环，将造成电气设备长时间过负荷而损坏。目前火电厂电气系统缺少决策依据，无法针对当前的潮流分布情况对后续的合环状况进行预判。潮流推演的基础是潮流计算，推演的过程是利用实际运行方式的系统网络拓扑、发电、负荷参量条件的重组，求解关注节点的电压幅值和相角，以及相关支路的功率分布等。因此，通过全方面的潮流推演可得出边界条件和变化规律，从而验证运行方式的合理性并且指导实际操作。

2 理论分析

分析典型的大容量火电机组电气主接线，6kV母线电源并列切换是，发电机-变压器组与启备变合环后形成了一个闭环网络，构建等值电路图，如图1所示。在功角大的情况下采用并列切换将产生较大的合环电流，其稳态和暂态计算方法不同，对系统及设备的影响也各有不同。

2.1 稳态合环电流计算

对于简单的环网潮流计算在工程中可用近似计算方法，在功率分点将环网分开为辐射网进行计算。为工作电源侧阻抗，为备用电源侧阻抗，为工作电源运算负荷，为备用电源运算负荷，为循环功率。冲击系数衰减时间常数ta=X/2πfR，衰减时间t取0.01s；X为合环回路等值电抗，R为合环回路等值电阻。

2.2 暂态合环电流计算

根据对合环回路的暂态分析理论，一般合环后1/2周期（0.01s）时冲击电流（有效值）最大，工作电源侧冲击电流有效值Icj可用式（5）计算。冲击电流的幅值较大，但衰减非常快，不会造成电源开关的速断、过流保护动作。冲击电流的危害在于使电气设备将承受巨大的电动力冲击，致使导线变形、设备损坏。另外，可能引起电流互感器过饱和，造成差动保护误动。

图1 发电机-变压器组等值电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of generator-transformer unit

3 仿真计算

对于复杂电气系统，仿真计算是目前普遍采用的分析方法。现在通用的电力系统仿真软件功能强大、计算速度快、结果精度高，基本可适用任何复杂电力网络。如图2所示，一般的仿真过程是在图形化界面利用元件模块构建系统网络，设置元件参数；根据运行方式要求确定边界条件，选择相应的仿真功能进行分析。如进行潮流分析、暂态仿真、电机启动分析、短路计算等。目前，应用较广泛的综合电力系统仿真软件有EMTP、PSCAD、PSS/E、BPA和PSASP等。

4 推演策略

潮流推演的目的是评估系统结构、运行方式的合理性，寻找潮流变化的规律，验证调节手段的有效性，为系统规划、运行操作提供决策支持。为了实现潮流推演的目的，在实施过程中要充分考虑以下因素。首先是保证准确性，搭建的模型是能准确表征实际的系统；二是目的明确，围绕着需要解决的问题构建方案；三是需要系统化的视角，预设的边界的组合方式要典型、全面，便于归纳分析，推演运行方式组合要完整，要涵盖所有正常操作及可能的事故状态；四是实用性要强，推演的状态组合必须是合理的、符合实际的，归纳得出的措施应注重实用性和可操作性。

5 应用实例

某大型火电厂为了适应外部电网结构的要求，对#4、#5机组（330MW）的接入系统进行改造。改造后机组的厂用电工作电源与备用电源引接至不同的220kV电气供区。为了分析改造后接线方式对运行及操作的影响，寻求合适的并列点及减小合环电流的措施，进行了全面的潮流推演。Ig为合环后工作电源电流，Ib为合环后备用电源电流，dq为220kVⅢ段电压相位超前220kVⅡ段角度，dq1为6kV母线工作电源供电时，备用电源电压相位超前母线角度，dq2为6kV母线备用电源供电时，工作电源电压相位超前母线角度。

图2 #5机100%+#4机50%-潮流Fig.2 #5 machine 100% + #4 machine 50%-trend

表1 理论计算/仿真计算/装置记录对比Table 1 Comparison of theoretical calculation/simulation calculation/device record

推演主要基于仿真计算，同时也选取了典型方式进行理论计算，与仿真计算及实际运行状态对比，验证仿真计算构建的模型及方案的正确性。以#5机组2018年6月24日启动过程中的厂用电切换为例分析，P=197.1MW,Q=84.5Mvar，厂用电由备用电源切至工作电源。对比表1数据，判断仿真模型可用。

表2 220kV系统方式Table 2 220kV System mode

基于接线方式及机组实际可能出现的运行状态，分析得出推演所需模型组合。如各机组带高、中、低负荷的状态组；运行与检修状态的组合；工作电源及备用电源的切换方向等。此次推演一共列举分析了9种组合。如图2所示，#5机组100%负荷且#4机组50%负荷时，潮流分布情况。

推演过程中所需的节点负荷的设定应与机组实际运行状态相匹配。如不同的6kV母线负荷随着机组处在不同的负荷区间而呈现显著变化。机组启、停过程的带低负荷段，6kVB段上大容量的电动给水泵处于运行，则6kVB段的备用电源侧明显较大。此次推演均采用出现概率较高的历史数据，是实际运行状态的还原。

由于6kV母线电源并列切换dq整定值为15°，根据推演可求得dq边界值。由表3、表4可见机组高负荷段时，dq边界范围较机组中间负荷段明显缩小，并且对照表发现系统运行方式5、方式6及方式1超机组高负荷段dq边界。

表3 #4、#5机组高负荷段dq（°）边界值Table 3 #4、#5 Unit high load section dq (°) boundary value

图3 6kV4B段推演趋势Fig.3 Deduction trend of 6kV4B segment

对于超限的运行方式应寻求解决的措施。因此，推演的另外一个重要环节，根据系统特点预设调节手段，反复模拟，归纳数据，从而寻求变化规律及验证措施的有效性。如为了了解发电机励磁调节器、变压器有载调压装置、6kV母线负荷配置对的综合影响就需要进行多次组合推演。因篇幅所限，列举在实际运行中最普遍的#4、#5机组处于中间负荷段时6kV4B、6kV5A的推演趋势图。

经过系统性的推演，归纳得出潮流规律。首先，明确了改造方案是可行的，机组适合进行厂用电并列切换的时机为带30%～70%左右负荷段；二是调节发电机的无功功率对于改变dU的作用明显，对于dq1、dq2的影响不大，对合环电流稳态值的大小影响不大。dU、dq的变化趋势与发电机的无功功率变化方向有关联性，视运行方式而定；三是dq＞0，则#4机组dq1、dq2绝对值明显大于#5机组；dq＜0，则反之。dq绝对值越大，则#4、#5机组6kV母线dq1、dq2越大。dq＞0，#4机组dq1、dq2随着机组出力增大而增大，#5机组则变化趋势相反；四是厂用电负荷为感性，备用电源带运行时的dq2绝对值明显大于工作电源带时的dq1绝对值。