基于火电厂百万机组的电网大UPS电气研究及实践.pdf

电力系统及其自动化 P o we r S y s t e m ＆ A u t o ma t ion 电气 自动化 2 o 1 5年第 3 7卷 第 l期 基 于火 电厂百万机 组的 电网大 U P S电气研 究及 实践 肖华宾 。张杨迪 神华广东国华粤电台山发电有限公司， 广东 台山5 2 9 2 2 8 摘要 随着 电力系统规模 的不断增大和结构的 日益复杂 ， 电网对大型火 电机组有 了做不问断电源 u n i n t e r r u p t i b l e p o w e r s y s t e m， U P S 参与黑启动的更高要求。从电网黑启动背景出发， 分析了火电厂百万机组做电网 U P S的可行性， 提出了电气设计改造方案、 介 绍了仿真分析结果及实践经验， 仅供同行们参考和借鉴。 关键词 百万机组 ； 孤岛运行 ； 快速切负荷 F C B ； 不间断电源 U P S ； 电气研究 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j i s s n ． 1 0 0 0- 3 8 8 6 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 2 9 [ 中图分类号]T M6 2 1 ； T M 7 4 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 5 叭 一 0 0 8 3 0 3 El e c t r ic a I Re s e a r c h a n d Pr a c t ic e o f Su p e r U P S f o r P o we r Gr i d s B a s e d o n MW Th e r ma l P o we r Un i t XI A0 Hua ． b i n． ZHANG Ya n g d i S h e n h u a G u a n g d o n g G u o h u a Y u e d i a n T a i s h a n P o w e r G e n e r a t i o n C o ． ， L t d ． ，T a i s h a n G u a n g d o n g 5 2 9 2 2 8 ， C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e i n c r e a s i n g s c a l e a n d i n c r e a s i n g l y c o mp l e x s t r u c t u r e o f e l e c t r i c p o we r s y s t e ms ，t h e e l e c t r i c g r i d p o s e s a h i g h e r d e ma n d o n l a r g e s c a l e t h e r m a l p o w e r u n i t s p a r t i c i p a t i o n i n b l a c k s t a r t t h r o u g h u s e o f u n i n t e r r u p t i b l e p o w e r s y s t e m U PS ．S t a r t i n g f r o m t h e b a c k g r o u n d o f b l a c k s t a r t o f t h e e l e c t r i c g r i d ， t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e f e a s i b i l i t y o f g r i d U P S i n t h e MW u n i t s o f a n t h e r m a l p o w e r p l a n t ，pr o po s e s a s c h e me f o r e l e c t r i c a l de s i g n a nd up g r a d i n g， a n d i n t r o du c e s s i mu l a t i o n r e s u hs a n d pr ac t i c a l e x pe r i e n c e， a s a r e f e r e n c e f o r t h os e p e o p l e wo r ki n g i n t h e s a me t r a d e． Ke y wo r d s MW u n i t ； i s l a n d o p e r a t i o n ； f a s t c u t b a c k F C B ； u n i n t e r r u p t i b l e p o w e r s y s t e m U P S ； e l e c t r i c a l r e s e a r c h O 引 言 随着电网规模的扩大化和复杂化， 南方电网已经形成“ 八交 八直” 共 1 6条 5 0 0 k V及 以上西电东送大通道， 形成 了发供用电 不平衡 、 水火 电容量不 平衡 的电 网架 构 ， 电力 系统运 行风 险不 断 增加， 电网崩溃的诱因越来越难控制 。大型火电机组在电力系 统中的角色已经不再是简单的输出电能和参与系统深度调峰， 如 今更有了做不间断电源 U n i n t e r r u p t i b l e P o w e r S y s t e m， 简称 U P S 参与电网黑启动的新要求 电力系统正常运行时， 机组作为稳定 的输出源向电网供电； 电网谷峰差距大时， 大型火电机组应参与 深度调峰； 当电网故障时， 机组通过快速切负荷 F a s t C u t B a c k ， 简称 F C B 实现 自带厂用电运行孤岛运行， 做电网的 U P S电源参 与黑启动过程。本文以国华台电6号机组为例， 介绍火电厂百万 机组做 电网 U PS 的电气研究及实践 。 1 可行性分析 电网 U P S电源的选择有很多要求， 简单来说有三个 一是机 组应有足够的容量并足够可靠 ， 二是机组应具有 F C B功能， 三是 机组孤岛运行后再并入电网应足够安全。 国华台电是神华国华电力公司在广东省投资的南方电网内 最大的火力发电厂， 从2 0 0 3年 1 2月起 ， 陆续投产了 5台6 0 0 MW 及 2台 1 0 0 0 MW国产燃煤火力发电机组， 分别建成了2 2 0 k V及 5 0 0 k V升压站各一座 ， 在珠三角地区共有 4条 2 2 0 k V、 4条 5 0 0 k V 输电线路， 七台机组投产以来的安全稳定运行为广东省电力负荷 定稿 日期 2 0 1 4 0 3 2 5 中心提供了强力保障。其 5 0 0 k V电力系统简易物理模型如下。 图1中5 0 1 1 ～5 0 5 3为 5 0 0 k V断路器， 8 0 38 0 7为 3 7号 发电机出口断路器。其中 6 、 7号百万机组为上海 电气集团成套 生产， 汽轮机 、 锅炉和发电机等主机参数能够满足快速切负荷运 行工况要求 。国华台电6号机组热力控制系统采用国产分散 控制系统 D i s t r i b u t e d C o n t r o l S y s t e m s ， 简称 D C S 、 数字电液调速 系统 D i g i t a l E l e c t r o h y d r a u l i c C o n t r o l S y s t e m， 简称 D E H ， 均可根 据 1 0 0 ％甩负荷 、 辅机故障减负荷 R u n B a c k ， 简称 R B 试验等结 果进一步优化 F C B逻辑， 有利于机组 F C B功能的实现。电气 5 0 0 k V断路器控制系统和安全稳定控制装置经过进一步的设计 改造， 能够满足局部电网严重故障后孤岛运行条件及电网恢复过 程中的并网发电功能， 最终确定将国华台电6号发电机组做南方 鼓峰 甲线 鼓峰丙线 鼓峰乙线 图 1 国华台电多台6 0 0 1 0 0 0 Mw 容量机组一次接线图 E le c t r i c a I Au t o ma t io n 8 3 电 气自 动 化 2 0 1 5 年 第3 7 卷 第1 期 电力 系统及其 自动化 P o we r S y s t e m ＆Au t o ma t io n 电网 5 0 0 k V系统 的一个 U P S电源点 。 2 F C B电气改造 国华台电6号百万机组投产时没有完全考虑 F C B， 为了使得 机组具备完全意义的 F C B功能， 必须进行相应的电气改造， 实现 F C B工况的电气触发以及机组 F C B后可同期并入有载电网。 2 ． 1 F C B触发 F C B的触 发国内尚没有 统 一 的 标 准 ， 国华 台 电 6号 机采 用安 稳装 置的 出 口跳 闸 接点、 断 路器 运行位 置进行 综合逻辑判断 作为触发 F C B 费 稳A 套动作信号r ] 安稳B 套动作信号 或 s 【 H 1 跳闸后 辅助接点D L o D L c 0 与 D L a D L c 、 D L b 图 2 电气 F C B触发逻辑 图 条件， 触发逻辑如图2所示。 A ／ B两套安稳装置动作信号组成或门， 重动三个带延时功能 的中间继电器， 动作信号分别送 D C S及 D E H系统 三取二 ， 通 过与断路器 5 0 4 1 、 5 0 4 2及 8 0 6位 置接 点进行 逻辑 组态 组成 与或 非门， 然后进行 F C B判断， 决定机组是否进入 F C B运行状态。 2 ． 2 同期并网电气设计改造 孤岛运行机组同有载电网再行连接要通过主变高断路器， 但 原设计中6号机组仅有发电机出口断路器 8 0 6一个同期并网点， 所以需在主变高压侧进行同期改造。 6号机组在 5 042断路器处加设同期点 ， 并设计 了自动准 同 期和手动同期两种方式， 5 0 4 2断路器同期合闸后， 再操作 5 041 断 路器进行合环运行。 3 电气安全性研究 电网故障时机组 F C B与电网解列 自带厂用 电孤岛运行， 有 可能出现系统过电压情况； 机组孤岛运行参与黑启动过程并入电 网可能会产生自励磁， 亦可能出现操作过电压影响电力系统和设 备的安全 。 3 ． 1 F C B仿真试验 在 P S C A D ／ E M T D C软件平 台上 搭建 6号 机组 模型 进行 5 0 ％、 1 0 0 ％负荷下机组 F C B进入孤岛运行工况仿真， 检测发电 机机端过电压情况。 从图 3仿真曲线中我们可以看到 5 0 ％和 1 0 0 ％F C B时发 电 机机端电压最高分别升至 1 ． 0 3 7 p u和1 ． 041 p u ， 低于电力系统设 备的绝缘承受能力 - 4 ] 。 3 ． 2 孤岛运行机组空充线路仿真 孤岛运行机组空充线路的操作过程会出现操作过电压 ， 过电 压幅值主要受到合闸相角和三相开关合闸是否同期的影响。理 想工况下最大过电压出现在合闸角为 9 0 。 时， 仿真主要研究三相 不同期合闸时机端电压、 线路首端和末端的过电压情况， 暂态仿 真数据对比见表 1 。 8 4 E l e c t r ic a I A u t o ma l【 io n -- -- - St a t o r Vol t ag e I 29 2 8 圣2 7 2 6 2 5 2 4 a 5 0 ％ 负荷 I I -一---．．J ．．- -- --． ．． ． * 一- ． ． l S t a t o r V o lt a g e l ⋯⋯ ⋯。l 。 。 ⋯⋯ } ⋯． ⋯ ’⋯⋯⋯’⋯⋯‘’ ⋯⋯⋯‘ I I 3 6 3 8 4口4 2 4 4 46 4 8 t ／ s b 1 0 0 ％ 负荷 图 3 F C B试验机端 电压 曲线 表 1 三相不同期合闸线路电压暂态仿真结果 三相不同期合闸时发电机暂态电压 1 ． 2 8 p u 、 主变侧暂态电 压 1 ． 8 3 p u 、 线路末端暂态电压 1 ． 8 4 p u ， 且均在国标范围内 。 3 ． 3 机组自励磁计算 对于检验孤岛运行机组在 参与黑启 动过程 中发 电机 是否会 产生自励磁的判断通常采用阻抗 比较法 电阻可忽略不计 ， 即 当外电路容抗 满足 X X 时， 发 变组不会发生 自励磁 。 以鼓峰丙线为出线线路， 参数采用 仃型等效模型， 其折算 发电机端的容抗有名值 X c 8 ． 7 1 1 n， 6号发电机有名值 X 1 ． 7 1 4 Q。主变短路 电抗折算至发电机端的有名值 X 0 ． 1 1 5 Q， 。 8 ． 7 1 1 X 1 ． 8 2 9 成立， 故不会发生 自励磁。 4 实践结果及分析 2 0 1 3年 7月 4日， 国华 台电 6号机组 完成 5 0 ％F C B试 验 ， 1 1 月 7日完成 1 0 0 ％F C B试验， 机端电压最大幅值分别达到 1 ． 1 8 1 p u 和 1 ． 2 1 2 p u 。 进行孤岛运行机组带空线路零起升压试验以考杳 白励磁情 况 ， 结果见表 2 由表 2可 以看到 随着励磁 电压逐渐 升高 ， 各 测点 电 Ⅱ 王 平 稳升高 ， 发电机电流 、 有功 、 无 功也 平稳 增大 且满足机组安 全运行 的要求 ， 发电机未发生自励磁。 用 9 0 ％发电机额定 电压空充线路以校核过电压情况 ， 空 充 电力系统及其 自动化 P o we r S y s t e m ＆ Au t o ma t io n 试验数据见表 3 。 表 2 发 电机带空线路 零启 升压试验结果 电气 自动化 2 o 1 5年第 3 7卷 第 1 期 表 3 9 0 ％发电机额定 电压 空充线路试 验结果 通过对比分析， 可以发现空充线路试验时各暂态过电压与仿 真数据基本相符， 其中主变高压侧为 1 ． 8 1倍、 线路末端 1 ． 8 9倍 ， 发电机机端为 1 ． 4 0倍， 均满足国标和设备参数要求 j 5 。 5 结束语 由于黑启动时系统缺乏阻尼， 为进一步提高 U P S电源参与 黑启动的成功率， 减少空充线路 自励磁 、 操作过电压及低频振荡 的几率 ， 建议将电力系统安全稳定控制器 p o w e r s y s t e m s t a b i l i z e r ， P S S 有功功率 自动控制值进行调整 ， 根 据经验可尝试将 4 0 ％调整 到 3 ％ ． 上接第 4 1页 4结束语 本研究通过对 m序列的数学模型分析研究， 借助于 S y s t e m V i e w仿真软件， 设计实现了4级 1 5位 m序列的电路，实验结果 表 明 ， 设计 电路合 理 ， 仿 真结果 与理论 分析 相一 致。依据 被研 究 的真实模型， 利用电子仿真软件构建被对象系统的仿真模型， 进 行电路设计 、 仿真 、 调试， 完成通常在相应硬件实验室才可以完成 的实验 ， 比较真实地描述系统的运行、 演变及其发展过程。该方 法为以后的其他相关研究提供了理论和实验基础。本文所做的 工作对深入分析和促进 P N序列的工程应用具有重要的意义。 参考 文献 [1]于超鹏 ， 郝亮飞 ， 谢金华． 线性调频和 巴克码组合调制雷达信号 [ J ] ． 探 测与控制学报 ， 2 0 0 9， 3 1 5 2 O一 2 4 ． [ 2]杨帆， 杨烨， 李国平， 等． 基于 A T 8 9 S 5 2的温度测控系统设计[ J ] ． 电 气 自动化 ， 2 0 0 9， 3 1 3 5 35 4 ． [ 3]李 向军 ， 李静． 巴克码序列在 目标探测 技术 中的应用 [ J ] ． 西安 工程 科技 学院学报 ， 2 0 0 4 ， 1 8 4 4 1 74 1 9 ． [ 4]吴 明捷 ， 杜天苍． 伪随机码及计算机 的产生 [ J ] ． 辽宁工 程技术 大学 学 报 自然科 学版 ， 2 0 0 2 ， 2 1 2 2 0 32 0 6 ． [ 5]徐庆， 徐继麟 ， 周先敏， 等． 线性调频二相编码雷达信号分析[ J ] ． 系 统 工程与电子技术 ， 2 0 0 0 ， 2 2 1 2 7 8 ． 考虑到成本和生产实际， 并不要求所有的机组均具备成为 电网 U P S的能力 ， 对于同一电厂的众多机组来说， 如果有一台或者 两台机组成为电网 U P S ， 那么通过本厂内部的厂用电互联或者启 备变返送电即可启动其他机组， 从而短时间内整个电厂可作为大 U P S ， 向所连接的不同输电线路送电。 为保证电网的安全 、 优质、 经济运行和电厂的安全稳定 ， 建议 每年对电网U P S电源进行一次 F C B试验 参考文献 [ 1 ]辛 阔， 吴小辰 ， 和识之． 电网大停 电回顾及其警 示与对策 探讨 [ J ] ． 南 方 电网技术 ， 2 0 1 3 ， 7 7 3 23 8 ． [ 2 ]宁继宏． 1 0 0 0 M W火电机组 F C B功能与系统配置探讨[ J ] ． ， 西电 力 ， 2 0 0 9， 3 2 4 6 3 6 7 ． [ 3 ] 中华人 民共 和 国国家质 量监督 检验 检疫 总局． G B ／ T 1 8 4 8 12 0 0 1 ． 电能 质 堆 暂 时 过 电压 和 瞬态 过 电压 [ S] ． 北 京 中 国 电 力 出 版 社 ． 2 0 0 2 ． [ 4]危雪 ， 周 云海 ． 黑启动 中的 自励磁 判据及仿 真 [ J ] ． 三峡 大学学报 自 然科学版 ， 2 0 0 5， 2 7 3 2 0 1 2 0 4， 2 1 7 ． [ 5 ]余长军， 熊巍 ， 曾毅． 电网黑启动试验及励磁控制[ J ] ． 水电站机电技 术 ， 2 0 1 1 ， 3 4 1 4 l一 4 3 ． [ 6 ]徐庆中， 丁玎， 詹昕． 电力系统低频振荡的协调控制 [ J ] ． 广东电力， 2 0 1 3 ， 2 6 9 7 2 7 6 ． [ 7 ]刘栋 ， 孙英 云． 基 于社会效益最大化 的黑启动 电源规划 [ J ] ． 电力 系统 及 自动化 ， 2 0 0 9， 3 3 1 2 1 72 1 ． 【 作者简介】肖华宾 1 9 7 0一 ， 男， 江西南昌人， 高级工程师、 高级技师， 电气二次一级主管， 长期从事大型发电厂继电保护及安全 自 动装置的调 试及技术管理工作。 张杨迪 1 9 9 0一 ， 男， 安徽濉溪人 ， 助理 工程 师， 从 事大型火电机组继电保护调试和维护工作， 研 究方向发变组及厂用 电 保 护 [ 6] 王会华 ， 李宝平 ． m序列发生器 的设 计与实现 [ J ] ． 北京 电子科技 学 院学报 ， 2 0 0 7， 1 5 2 5 8 6 1 ． [ 7]李栋 ， 刘进 江． m序列 的 M A T L A B仿 真与实现 [ J ] ． 重庆工学院学报 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 2 2 4 1 3 91 4 1 1 5 9 ． [ 8]程受浩， 徐德华， 刘华． 随机二元码调相连续波信号分析与波形设计 [ J ] ． 探测与控制学报 ， 2 0 0 2， 2 4 4 79 ． [ 9]曹志刚， 钱亚生． 现代通信原理[ M] ． 北京 清华大学出版社， 1 9 9 2 ． [ 1 O ]林秀鼎 ． m序列 自相关系数的递 推算法 [ J ] ． 应用 数学学报 ， 1 9 8 4 ， 7 2 1 3 31 4 1 ． [ 1 1 ]朱士信 ． 产生 m序列 的一个递推算 法 [ J ] ． 通信保密 ， 1 9 9 5 ， 6 3 3 7 57 7． [ 1 2 ]章照止， 罗乔林． 产生 m序列 的一个递推算法[ J ] ． 系统科学与数 学 ， 1 9 8 7， 7 4 3 3 53 4 3 ． [ 1 3 ]郭梯云， 杨家玮， 李建东． 数字移动通信 [ M] ． 北京 人民邮电出版 社 ， 2 0 0 5 ． [ 1 4 ]王傲． 易 白年． 信 号波形 合成分 解 的设计与 实现 [ J ] ． 电气 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 5 3 2 42 6 ． [ 1 5 ]陈军， 李春光． 具有自适应反馈突触的神经元模型中的混沌 电路设 计 [ J ] ． 物理学报 ， 2 0 1 1 ， 6 0 5 5 0 3 1 5 0 3 7 ． [ 1 6 ]陈军． 基于 S y s t e m V i e w的数字基带传输系统模型设 计与分析[ J ] ． 实验室研究与探索 ， 2 0 1 3， 3 2 1 0 9 81 0 1 ． 【 作者简介】陈军 1 9 6 9一 男， 甘肃通渭人， 博士， 副教授， 主要研 究方向 为信号与信息处理。 Ele c t r ic a I A u t o ma t io n 8 5