本文結(jié)合某自備電廠孤網(wǎng)系統(tǒng)控制方案設(shè)計過程，昌暉儀表分析了自備電廠系統(tǒng)孤網(wǎng)運行時繼電保護和安全穩(wěn)定控制需注意的問題，主要涉及孤網(wǎng)電廠負(fù)荷特性、風(fēng)險分析、控制措施、機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)等方面。通過采取完善的繼電保護和控制方案，最終滿足生產(chǎn)工藝要求，保證孤網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行。

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)。最大單機容量小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%的電網(wǎng)，可以稱為大電網(wǎng)；機網(wǎng)容量比大于8%的電網(wǎng)，統(tǒng)稱為小網(wǎng)；孤立運行的小網(wǎng)，稱為孤網(wǎng)。

印尼某鎳鐵冶煉廠自備電廠新建2×66MW燃煤機組，以35kV和10熱爐供電。正常運行期間，電廠與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)分kV線路向冶煉廠礦熱爐供電。正常運行期間，電廠與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)分熱爐供電。正常運行期間，電廠與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)分離，為孤網(wǎng)運行系統(tǒng)，廠內(nèi)設(shè)置10kV柴油發(fā)電機組作為黑啟動電源。冶煉廠主要設(shè)備為四條Φ4.85m×90m回轉(zhuǎn)窯+四臺25.5MVA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(2×66MW)電負(fù)荷平衡表

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。



圖1    冶金廠典型電負(fù)荷曲線(33MVA)

冶金自備電廠系統(tǒng)主要存在下列特點：

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

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)生情況具有隨機性。

2、孤網(wǎng)系統(tǒng)運行風(fēng)險分析
由以上礦熱爐的負(fù)荷特性，不難發(fā)現(xiàn)，在正常運行時，冶金電廠孤網(wǎng)運行系統(tǒng)在系統(tǒng)電壓、頻率、機組壽命等方面都存有風(fēng)險。
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。
a、電壓波動：由于現(xiàn)在中小容量冶金電廠的發(fā)電機勵磁系統(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)電機無功功率，保持孤網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的要求。
b、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，汽輪機調(diào)速汽門動作頻繁甚至發(fā)生震顫。
c、礦熱爐大功率甩負(fù)荷：如果汽輪機調(diào)速系統(tǒng)性能不佳，反映遲緩，將導(dǎo)致機組超速保護動作，機組跳閘停機，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。

②汽輪機負(fù)序電流與功角振蕩
a、礦熱爐三相負(fù)載不平衡，導(dǎo)致汽輪發(fā)電機組三相電流不平衡，負(fù)序電流增大，發(fā)電機轉(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)電機組運行壽命。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)電機負(fù)序保護動作，機組跳停，孤網(wǎng)運行系統(tǒng)瓦解，發(fā)生自備電廠全停事故。
b、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)電機的勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致發(fā)電機依靠孤網(wǎng)提供無功，甚至進入進相運行狀態(tài)，對于電壓穩(wěn)定造成風(fēng)險。

③發(fā)電機組壽命
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)電機組的調(diào)節(jié)頻度和幅度都高于并網(wǎng)機組，發(fā)電機組的軸系的扭振也會加大。這此因素都會導(dǎo)致發(fā)電機組壽命損耗加速，進而影響孤網(wǎng)運行的安全性與經(jīng)濟性。

④廠用電全停
孤網(wǎng)中的發(fā)電機組失去廠用電源的風(fēng)險高于并網(wǎng)機組，因此發(fā)電機組的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)電機組安全停機的設(shè)備會經(jīng)受更多的考驗。

如果孤網(wǎng)運行系統(tǒng)的繼電保護和安全穩(wěn)定控制設(shè)計不完善，或者僅按照并網(wǎng)機組設(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)致兩臺機組每天出現(xiàn)1-2次停機。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。雖然該項目后來進行了部分技術(shù)改造有所改觀，但仍不理想。

3、孤網(wǎng)系統(tǒng)控制措施
結(jié)合冶煉廠的負(fù)荷特點以及已投產(chǎn)電廠運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、黑啟動柴油機與保安柴油機等方面，針對該冶煉廠采取了以下繼電保護和安全穩(wěn)定控制方案。

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)電機調(diào)速系統(tǒng)頻繁動作引起執(zhí)行操作機構(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)電機組的沖擊。

為了減少發(fā)電機組的壽命損耗，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。



圖2    電負(fù)荷平衡裝置圖

②發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)
發(fā)電機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)選用高性能的汽輪機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(含孤網(wǎng)運行模塊、二次調(diào)頻功能)。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)要求高起始響應(yīng)，調(diào)節(jié)速度快，運行可靠，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)定運行,并且能夠在高負(fù)載的特殊運行方式下保持安全穩(wěn)定。發(fā)電機出口電壓跌到70%時，能維持電網(wǎng)運行1 s，重要輔機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)缺點見表2。

表2 自并勵磁靜止勵磁系統(tǒng)和無刷勵磁系統(tǒng)的特性比較

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自并勵磁靜止勵磁系統(tǒng)特性
1、機械性能
沿用發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸段結(jié)構(gòu)，發(fā)電機軸系短，整個轉(zhuǎn)子動力特性變化較小，易保證穩(wěn)定性。
2、電氣性能
①優(yōu)點：高起始響應(yīng)，調(diào)節(jié)速度快；無旋轉(zhuǎn)設(shè)備，可靠性高；全監(jiān)控，事故易判斷處理；整流器件冗余大，安全性高、易維護；
②缺點：需要定期更換電刷，有碳粉產(chǎn)生；有易爆氣體環(huán)境不宜采用；需設(shè)置后備啟勵電源。
3、經(jīng)濟性能
取消了主、副勵磁機，縮短了機組長度，減少了大軸聯(lián)接環(huán)節(jié)，提高了軸系穩(wěn)定性，而且對建設(shè)同等容量的機組，使主廠房長度大幅減小，降低了廠房造價。

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無刷勵磁系統(tǒng)特性
1、機械性能
發(fā)電機端與勵磁機連接后再與副勵磁機連接，連接環(huán)節(jié)多，軸系較長，軸系復(fù)雜性高。
2、電氣性能
①優(yōu)點：響應(yīng)速度較快；控制功率小，控制保護線路可簡化；無電刷和碳粉，維護工作量小；無換相火花問題，適宜防爆場合；
②缺點：發(fā)電機勵磁電流無法直接測量監(jiān)控；滅磁時間較長；有旋轉(zhuǎn)設(shè)備。
3、經(jīng)濟性能
無刷勵磁對旋轉(zhuǎn)二極管的要求很高，目前能夠提供用于發(fā)電機無刷勵磁的旋轉(zhuǎn)二極管廠家較少(多采用進口品牌)，成本比自并勵靜止勵磁高。

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雖然三機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)電機組容量和孤網(wǎng)運行環(huán)境特點，三機無刷勵磁方式更適合在該容量機組中采用。

③FCB能力
汽輪發(fā)電機組應(yīng)具備FCB能力：汽輪發(fā)電機組僅帶廠用電的“孤島運行”。FCB功能的核心是勵磁系統(tǒng)、汽輪機調(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)機組安全停機。停機之后再進行黑啟動恢復(fù)。為適應(yīng)孤島運行的工況，機組設(shè)置兩個同期點，發(fā)電機出口和主變高壓側(cè)斷路器。

④黑啟動柴油發(fā)電機組與保安柴油發(fā)電機組
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)電機組，確定機爐能夠安全停運。重點關(guān)注事故柴油發(fā)電機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。

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)達到0.9，其不平衡負(fù)載主要是有功負(fù)載，單相無功補償效果不大。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)電機負(fù)序保護配合。為此，可選用有較大的短路比(0.5以上)的發(fā)電機，其轉(zhuǎn)子端部槽楔采用高電導(dǎo)高耐溫材料。需重點關(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。

4、機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)
機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)是電廠與用電負(fù)荷之間加強協(xié)作和溝通的平臺，是保證機網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的重要手段，有利于提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。孤網(wǎng)運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)、遠動通訊(RTU)這些通用功能。同時還包括了機組壽命優(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。

機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)功能：
a、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。
b、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。
c、協(xié)調(diào)無功補償和機組有功、無功負(fù)荷，維持功角/功素因數(shù)平衡。
d、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。
e、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、切機指令。
f、對發(fā)電和用電負(fù)荷進行統(tǒng)一管理，減少發(fā)電機組調(diào)節(jié)頻率，降低壽命損耗。
g、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。
h、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)荷或機組，維持廠用電和重要負(fù)荷的運行，避免孤網(wǎng)崩潰。

目前孤網(wǎng)主要見于各類自備電廠和國外欠發(fā)達地區(qū)的發(fā)電廠，以往設(shè)計時，電廠的繼電保護措施、安全穩(wěn)定控制策略、設(shè)備選型等主要是基于大電網(wǎng)運行方式下進行的，對孤網(wǎng)運行方式下研究較少，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)運行的負(fù)荷特點和運行風(fēng)險，采用電負(fù)荷平衡裝置、優(yōu)良的勵磁系統(tǒng)、汽輪機FCB控制、黑啟動柴油機與保安柴油機以及完善的機網(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)定運行，滿足冶金工藝要求。

作者：湖北省電力勘測設(shè)計院 鄧少平

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