鄧少平

(湖北省電力勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430040)

1 概述

孤網(wǎng)是孤立電網(wǎng)的簡稱，一般泛指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)。最大單機(jī)容量小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%的電網(wǎng)，可以稱為大電網(wǎng)；機(jī)網(wǎng)容量比大于8%的電網(wǎng)，統(tǒng)稱為小網(wǎng)；孤立運(yùn)行的小網(wǎng)，稱為孤網(wǎng)。

印尼某鎳鐵冶煉廠自備電廠新建2×66 MW燃煤機(jī)組，以35 kV和10 kV線路向冶煉廠礦熱爐供電。正常運(yùn)行期間，電廠與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)分離，為孤網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)，廠內(nèi)設(shè)置10 kV柴油發(fā)電機(jī)組作為黑啟動電源。冶煉廠主要設(shè)備為四條Φ4.85 m×90 m 回轉(zhuǎn)窯+四臺25.5 MVA 圓型平頂全封閉式礦熱電爐。此冶煉廠負(fù)荷平衡表見表1。

表1 印尼某鎳鐵冶煉廠自備電廠(2×66 MW)電負(fù)荷平衡表

2 負(fù)荷特性

一般冶金電廠的礦熱爐屬于電阻性電爐，由于礦熱爐正常運(yùn)行時焙砂原料受熱后處于半熔融態(tài)、熔融態(tài)階段，礦渣、鐵合金熔融物都具有截然不同的電導(dǎo)率，因此礦熱爐正常運(yùn)行時電負(fù)荷頻繁波動，三相電流不平衡為工作常態(tài)，其典型負(fù)荷特性曲線見圖1。冶金自備電廠系統(tǒng)主要存在下列特點(diǎn)：

(1)由于孤網(wǎng)容量較小，發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)慣量儲存的動能和鍋爐本身所具備的熱力勢能均較小，礦熱爐電負(fù)荷波動大，對于孤網(wǎng)的頻率、電壓沖擊較大。

(2)發(fā)電機(jī)組發(fā)生停機(jī)故障時孤網(wǎng)系統(tǒng)會出現(xiàn)有功功率缺額，影響冶金正常生產(chǎn)。

(3)礦熱爐負(fù)荷波動頻繁、幅度大，負(fù)荷波動疊加的可能性也較大，對汽輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生頻繁的大范圍負(fù)荷沖擊，影響孤網(wǎng)安全運(yùn)行和主設(shè)備的壽命。

(4)孤網(wǎng)缺少大電網(wǎng)的支持，必須獨(dú)立進(jìn)行調(diào)度，以維持頻率、電壓、功角的穩(wěn)定。

圖1 冶金廠典型電負(fù)荷曲線(33 MVA)

根據(jù)上述礦熱爐的電負(fù)荷特性可見：礦熱爐三相電負(fù)荷頻繁波動，嚴(yán)重時有大功率甩負(fù)荷情況；三相電流不平衡，嚴(yán)重時發(fā)生電極軟斷甚至硬斷事故，多臺礦熱爐不平衡電流疊加。并且這些不利因素都是不可控的，發(fā)生情況具有隨機(jī)性。

3 孤網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險分析

由以上礦熱爐的負(fù)荷特性，不難發(fā)現(xiàn)，在正常運(yùn)行時，冶金電廠孤網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)在系統(tǒng)電壓、頻率、機(jī)組壽命等方面都存有風(fēng)險。

3.1 頻率與電壓的變化

三相負(fù)荷頻繁波動，導(dǎo)致孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率、電壓也隨之頻繁變化。

(1)電壓波動：由于現(xiàn)在中小容量冶金電廠的發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)性能較高，其調(diào)節(jié)速度快，一般可以滿足快速調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)無功功率，保持孤網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的要求。

(2)小幅度頻率波動：礦熱爐三相負(fù)荷頻繁波動引起孤網(wǎng)頻率隨之變化，導(dǎo)致汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一次調(diào)頻跟隨孤網(wǎng)頻率頻繁動作，汽輪機(jī)調(diào)速汽門動作頻繁甚至發(fā)生震顫。

(3)礦熱爐大功率甩負(fù)荷：如果汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)性能不佳，反映遲緩，將導(dǎo)致機(jī)組超速保護(hù)動作，機(jī)組跳閘停機(jī)，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致孤網(wǎng)系統(tǒng)瓦解，發(fā)生電廠全停事故。

3.2 汽輪機(jī)負(fù)序電流與功角振蕩

(1)礦熱爐三相負(fù)載不平衡，導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)組三相電流不平衡，負(fù)序電流增大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子端部形成環(huán)流，損耗增大，產(chǎn)生發(fā)熱、腐蝕等問題，影響發(fā)電機(jī)組運(yùn)行壽命。當(dāng)?shù)V熱爐三相負(fù)載嚴(yán)重不平衡時將直接導(dǎo)致發(fā)電機(jī)負(fù)序保護(hù)動作，機(jī)組跳停，孤網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)瓦解，發(fā)生自備電廠全停事故。

(2)無功沖擊和暫態(tài)穩(wěn)定水平下降造成功角振蕩：孤網(wǎng)的無功儲備不足，短路容量較小。如果發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)依靠孤網(wǎng)提供無功，甚至進(jìn)入進(jìn)相運(yùn)行狀態(tài)，對于電壓穩(wěn)定造成風(fēng)險。

3.3 發(fā)電機(jī)組壽命

為了應(yīng)對冶金電廠負(fù)荷的頻繁大幅度波動，孤網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)頻度和幅度都高于并網(wǎng)機(jī)組，發(fā)電機(jī)組的軸系的扭振也會加大。這此因素都會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組壽命損耗加速，進(jìn)而影響孤網(wǎng)運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

3.4 廠用電全停

孤網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)組失去廠用電源的風(fēng)險高于并網(wǎng)機(jī)組，因此發(fā)電機(jī)組的UPS電源、保安電源、潤滑油系統(tǒng)和汽包緊急上水等確保發(fā)電機(jī)組安全停機(jī)的設(shè)備會經(jīng)受更多的考驗。

如果孤網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)的繼電保護(hù)和安全穩(wěn)定控制設(shè)計不完善，或者僅按照并網(wǎng)機(jī)組設(shè)計，則很容易導(dǎo)致上述風(fēng)險的發(fā)生。例如，與此工程情況相同的已投產(chǎn)的印尼某冶煉廠自備電廠，其電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定(孤網(wǎng))，頻繁發(fā)生因三相電流不平衡，導(dǎo)致兩臺機(jī)組每天出現(xiàn)1～2次停機(jī)。造成三相電流不平衡的原因，主要來自于鎳鐵爐加料，塌料或來自于斷極。雖然該項目后來進(jìn)行了部分技術(shù)改造有所改觀，但仍不理想。

4 孤網(wǎng)系統(tǒng)控制措施

結(jié)合冶煉廠的負(fù)荷特點(diǎn)以及已投產(chǎn)電廠運(yùn)行過程中存在的問題，分別從電負(fù)荷平衡、勵磁系統(tǒng)、FCB控制、黑啟動柴油機(jī)與保安柴油機(jī)等方面，針對該冶煉廠采取了以下繼電保護(hù)和安全穩(wěn)定控制方案。

4.1 電負(fù)荷平衡裝置

由于電能無法儲存，在孤網(wǎng)中的每個瞬間，發(fā)電量必須與用電量相平衡，否則就會造成頻率的波動，引起孤網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定問題。但考慮到汽輪發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)頻繁動作引起執(zhí)行操作機(jī)構(gòu)的疲勞、磨損以及影響調(diào)速汽門的密封性，鍋爐燃燒系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度嚴(yán)重滯后等諸多因素，常規(guī)冶金自備電廠孤網(wǎng)運(yùn)行時，無法滿足礦熱爐電負(fù)荷的變化需要，維持孤網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。因此在電廠配置電負(fù)荷平衡裝置，在礦熱爐負(fù)荷波動(或大功率甩負(fù)荷的情況下)時，通過電負(fù)荷平衡裝置耗能電阻(裝設(shè)于蓄水池)的投切，極大地緩沖了對汽輪發(fā)電機(jī)組的沖擊。

為了減少發(fā)電機(jī)組的壽命損耗，在負(fù)荷突降時，利用電負(fù)荷平衡裝置平緩負(fù)荷突變。另一方面，建立負(fù)荷側(cè)增減負(fù)荷允許信號，在負(fù)荷突變比例超限時，限制負(fù)荷側(cè)的進(jìn)一步變化，同時利用負(fù)荷管理平緩有功負(fù)荷的突變。實現(xiàn)這個功能需要在電網(wǎng)二次系統(tǒng)設(shè)計完善的控制保護(hù)邏輯，與調(diào)速系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)建立快速的信號聯(lián)系。電負(fù)荷平衡裝置的原理圖見圖2。電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(含孤網(wǎng)運(yùn)行模塊、二次調(diào)頻功能)。發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)，要求高起始響應(yīng)，調(diào)節(jié)速度快，運(yùn)行可靠，能實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)、有電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)附加控制單元，應(yīng)能夠在輸出額定有功和無功功率的情況下，長期穩(wěn)定運(yùn)行,并且能夠在高負(fù)載的特殊運(yùn)行方式下保持安全穩(wěn)定。發(fā)電機(jī)出口電壓跌到70%時，能維持電網(wǎng)運(yùn)行1 s，重要輔機(jī)具備上述低電壓穿越能力。

自并勵靜止勵磁系統(tǒng)和無刷勵磁系統(tǒng)是目前常用的兩種勵磁系統(tǒng)，其優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

表2 兩種勵磁系統(tǒng)的特性比較

圖2 電負(fù)荷平衡裝置圖

4.2 發(fā)電機(jī)及其勵磁系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)選用高性能的汽輪機(jī)

雖然三機(jī)無刷勵磁方式成本高于自并勵方式，軸系較長而且調(diào)節(jié)響應(yīng)速度沒有自并勵方式快(但也是滿足要求的)，考慮到發(fā)電機(jī)組容量和孤網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)，三機(jī)無刷勵磁方式更適合在該容量機(jī)組中采用。

4.3 FCB 能力

汽輪發(fā)電機(jī)組應(yīng)具備FCB能力：汽輪發(fā)電機(jī)組僅帶廠用電的“孤島運(yùn)行”。FCB功能的核心是勵磁系統(tǒng)、汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和鍋爐控制系統(tǒng)，應(yīng)能夠在100%負(fù)荷狀態(tài)下，甩負(fù)荷帶廠用電。如果FCB失敗，孤網(wǎng)將全網(wǎng)失電，此種情況下，應(yīng)盡快完成黑啟動電源的切換，啟動潤滑油泵等安保設(shè)備，使得孤網(wǎng)機(jī)組安全停機(jī)。停機(jī)之后再進(jìn)行黑啟動恢復(fù)。

為適應(yīng)孤島運(yùn)行的工況，機(jī)組設(shè)置兩個同期點(diǎn)，發(fā)電機(jī)出口和主變高壓側(cè)斷路器。

4.4 黑啟動柴油發(fā)電機(jī)組與保安柴油發(fā)電機(jī)組

當(dāng)冶煉廠礦熱爐處在生產(chǎn)極不穩(wěn)定的時間段，充分利用柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)的快速反應(yīng)能力，穩(wěn)定孤網(wǎng)系統(tǒng)。

設(shè)置事故應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組，確定機(jī)爐能夠安全停運(yùn)。重點(diǎn)關(guān)注事故柴油發(fā)電機(jī)組的選型與自啟動問題，需滿足有關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求。

4.5 三相不平衡電流問題的應(yīng)對

礦熱爐一般自然功率因數(shù)達(dá)到0.9，其不平衡負(fù)載主要是有功負(fù)載，單相無功補(bǔ)償效果不大。如設(shè)置單相電符合平衡裝置，投資很大，控制回路復(fù)雜，還沒有實施案例,同時其動作時間需與發(fā)電機(jī)負(fù)序保護(hù)配合。

為此，可選用有較大的短路比(0.5 以上)的發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子端部槽楔采用高電導(dǎo)高耐溫材料。需重點(diǎn)關(guān)注礦熱爐的三相負(fù)載不平衡度，礦熱爐三相不平衡負(fù)載的疊加概率，并詳細(xì)研究礦熱爐出現(xiàn)嚴(yán)重三相負(fù)載不平衡工況時切除負(fù)荷的配合問題。

5 機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)

機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)是電廠與用電負(fù)荷之間加強(qiáng)協(xié)作和溝通的平臺，是保證機(jī)網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要手段，有利于提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。孤網(wǎng)運(yùn)行的電廠及冶煉廠參照電網(wǎng)的調(diào)度系統(tǒng)功能，要求孤網(wǎng)的協(xié)調(diào)系統(tǒng)也具備自動發(fā)電控制(AGC)、自動電壓控制(AVC)、功角測量、特殊控制系統(tǒng)(SPS，也叫穩(wěn)控系統(tǒng)SCS)、低頻低壓減載(UFLS)、遠(yuǎn)動通訊(RTU)這些通用功能。同時還包括了機(jī)組壽命優(yōu)化、功角/功率因數(shù)調(diào)節(jié)、礦熱爐負(fù)荷管理系統(tǒng)(DMS)等特殊功能。

機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)功能：

(1)自動發(fā)電控制(AGC)與DCS和DEH配合，快速分配有功功率，維持孤網(wǎng)頻率在50 Hz。

(2)自動電壓控制(AVC)與勵磁系統(tǒng)配合，分配無功功率，維持孤網(wǎng)電壓。

(3)協(xié)調(diào)無功補(bǔ)償和機(jī)組有功、無功負(fù)荷，維持功角/功素因數(shù)平衡。

(4)根據(jù)有功、無功備用計算，向大負(fù)荷發(fā)出增減負(fù)荷允許條件和聯(lián)鎖降負(fù)荷指令。

(5)根據(jù)有功、無功備用計算和孤網(wǎng)參數(shù)監(jiān)測，發(fā)出切負(fù)荷、切機(jī)指令。

(6)對發(fā)電和用電負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)一管理，減少發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)頻率，降低壽命損耗。

(7)與電負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，減少電負(fù)荷平衡裝置的無效耗電量；將其作為切機(jī)和切負(fù)荷的反向穩(wěn)控手段，提高孤網(wǎng)穩(wěn)定性；利用電負(fù)荷平衡裝置避免鍋爐向空排汽動作。

(8)為調(diào)度人員提供監(jiān)控發(fā)電和用電的數(shù)據(jù)平臺，可以作為電廠的調(diào)度平臺。機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功能涵蓋了大電網(wǎng)中各種調(diào)度、控制和保護(hù)裝置的核心功能，建立了孤網(wǎng)的三道防線。第一道防線：采用多臺機(jī)組的有功無功快速平衡分配，在5%在線額定容量的負(fù)荷沖擊下，保障孤網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。第二道防線：通過負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)和對大負(fù)荷的啟動允許控制，使得孤網(wǎng)在電負(fù)荷平衡裝置容量允許的沖擊下安全穩(wěn)定運(yùn)行。第三道防線：在更大規(guī)模的負(fù)荷沖擊下，通過安全穩(wěn)定控制功能，切除部分負(fù)荷或機(jī)組，維持廠用電和重要負(fù)荷的運(yùn)行，避免孤網(wǎng)崩潰。

6 結(jié)語

目前孤網(wǎng)主要見于各類自備電廠和國外欠發(fā)達(dá)地區(qū)的發(fā)電廠，以往設(shè)計時，電廠的繼電保護(hù)措施、安全穩(wěn)定控制策略、設(shè)備選型等主要是基于大電網(wǎng)運(yùn)行方式下進(jìn)行的，對孤網(wǎng)運(yùn)行方式下研究較少，實際中不少孤網(wǎng)系統(tǒng)也因此出現(xiàn)了不少問題。

本文利用實際工程案例，根據(jù)孤網(wǎng)運(yùn)行的負(fù)荷特點(diǎn)和運(yùn)行風(fēng)險，采用電負(fù)荷平衡裝置、優(yōu)良的勵磁系統(tǒng)、汽輪機(jī)FCB控制、黑啟動柴油機(jī)與保安柴油機(jī)以及完善的機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)等技術(shù)措施，使孤網(wǎng)系統(tǒng)能安全穩(wěn)定運(yùn)行，滿足冶金工藝要求。

[1] 劉皓明，等．含自備電廠的鋼鐵企業(yè)孤網(wǎng)頻率穩(wěn)定控制策略[J]．電力建設(shè)，2015，(12)．

[2] 楊寶起．地區(qū)電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行安穩(wěn)策略分析[J]．技術(shù)與應(yīng)用，2013，(6)．

[3] 楊文強(qiáng)，等．具有孤網(wǎng)運(yùn)行方式的DEH 系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[J]．山東電力技術(shù), 2014，(5)．