干货|自备电厂孤网系统控制设计和孤网运行须知

本文结合某自备电厂孤网系统控制方案设计过程，昌晖仪表分析了自备电厂系统 孤网运行 时继电保护和安全稳定控制需注意的问题，主要涉及孤网电厂负荷特性、风险分析、控制措施、机网协调系统等方面。通过采取完善的继电保护和控制方案，最终满足生产工艺要求，保证孤网系统安全稳定的运行。

孤网是孤立电网的简称，一般泛指脱离大电网的小容量电网。最大单机容量小于电网总容量的8%的电网，可以称为大电网；机网容量比大于8%的电网，统称为小网；孤立运行的小网，称为孤网。
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印尼某镍铁冶炼厂自备电厂新建2×66MW燃煤机组，以35kV和10热炉供电。正常运行期间，电厂与当地电网分kV线路向冶炼厂矿热炉供电。正常运行期间，电厂与当地电网分热炉供电。正常运行期间，电厂与当地电网分离，为孤网运行系统，厂内设置10kV柴油发电机组作为黑启动电源。冶炼厂主要设备为四条Φ4.85m×90m回转窑+四台25.5MVA圆型平顶全封闭式矿热电炉。此冶炼厂负荷平衡表见表1。
表1     印尼某镍铁冶炼厂自备电厂(2×66MW)电负荷平衡表

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项目                                         容量                               占发电机容量比例

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电厂自用电容量                        15.84MW                      12%
矿热炉负荷容量                        91.8MW                        69.5%
冶炼公用辅助设备容量              21.4MW                        16.2%
总负荷容量                               129.04MW                    97.7%

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1、负荷特性
一般冶金电厂的矿热炉属于电阻性电炉，由于矿热炉正常运行时焙砂原料受热后处于半熔融态、熔融态阶段，矿渣、铁合金熔融物都具有截然不同的电导率，因此矿热炉正常运行时电负荷频繁波动，三相电流不平衡为工作常态，其典型负荷特性曲线见图1。

图1    冶金厂典型电负荷曲线(33MVA)
冶金自备电厂系统主要存在下列特点：
①由于孤网容量较小，发电机组旋转惯量储存的动能和锅炉本身所具备的热力势能均较小，矿热炉电负荷波动大，对于孤网的频率、电压冲击较大。
②发电机组发生停机故障时孤网系统会出现有功功率缺额，影响冶金正常生产。
③矿热炉负荷波动频繁、幅度大，负荷波动叠加的可能性也较大，对汽轮发电机组产生频繁的大范围负荷冲击，影响孤网安全运行和主设备的寿命。
④孤网缺少大电网的支持，必须独立进行调度，以维持频率、电压、功角的稳定。
根据上述矿热炉的电负荷特性可见：矿热炉三相电负荷频繁波动，严重时有大功率甩负荷情况；三相电流不平衡，严重时发生电极软断甚至硬断事故，多台矿热炉不平衡电流叠加。并且这些不利因素都是不可控的，发生情况具有随机性。

2、孤网系统运行风险分析
由以上矿热炉的负荷特性，不难发现，在正常运行时，冶金电厂孤网运行系统在系统电压、频率、机组寿命等方面都存有风险。
①频率与电压的变化
三相负荷频繁波动，导致孤网系统频率、电压也随之频繁变化。
a、电压波动：由于现在中小容量冶金电厂的发电机励磁系统性能较高，其调节速度快，一般可以满足快速调节发电机无功功率，保持孤网系统电压稳定的要求。
b、小幅度频率波动：矿热炉三相负荷频繁波动引起孤网频率随之变化，导致汽轮机调速系统一次调频跟随孤网频率频繁动作，汽轮机调速汽门动作频繁甚至发生震颤。
c、矿热炉大功率甩负荷：如果汽轮机调速系统性能不佳，反映迟缓，将导致机组超速保护动作，机组跳闸停机，严重时甚至导致孤网系统瓦解，发生电厂全停事故。
②汽轮机负序电流与功角振荡
a、矿热炉三相负载不平衡，导致汽轮发电机组三相电流不平衡，负序电流增大，发电机转子端部形成环流，损耗增大，产生发热、腐蚀等问题，影响发电机组运行寿命。当矿热炉三相负载严重不平衡时将直接导致发电机负序保护动作，机组跳停，孤网运行系统瓦解，发生自备电厂全停事故。
b、无功冲击和暂态稳定水平下降造成功角振荡：孤网的无功储备不足，短路容量较小。如果发电机的励磁系统出现故障，可能导致发电机依靠孤网提供无功，甚至进入进相运行状态，对于电压稳定造成风险。
③发电机组寿命
为了应对冶金电厂负荷的频繁大幅度波动，孤网中的发电机组的调节频度和幅度都高于并网机组，发电机组的轴系的扭振也会加大。这此因素都会导致发电机组寿命损耗加速，进而影响孤网运行的安全性与经济性。
④厂用电全停
孤网中的发电机组失去厂用电源的风险高于并网机组，因此发电机组的UPS电源、保安电源、润滑油系统和汽包紧急上水等确保发电机组安全停机的设备会经受更多的考验。
如果孤网运行系统的继电保护和安全稳定控制设计不完善，或者仅按照并网机组设计，则很容易导致上述风险的发生。例如，与此工程情况相同的已投产的印尼某冶炼厂自备电厂，其电网运行不稳定(孤网)，频繁发生因三相电流不平衡，导致两台机组每天出现1-2次停机。造成三相电流不平衡的原因，主要来自于镍铁炉加料，塌料或来自于断极。虽然该项目后来进行了部分技术改造有所改观，但仍不理想。

3、孤网系统控制措施
结合冶炼厂的负荷特点以及已投产电厂运行过程中存在的问题，分别从电负荷平衡、励磁系统、FCB控制、黑启动柴油机与保安柴油机等方面，针对该冶炼厂采取了以下继电保护和安全稳定控制方案。
①电负荷平衡装置
由于电能无法储存，在孤网中的每个瞬间，发电量必须与用电量相平衡，否则就会造成频率的波动，引起孤网的动态稳定问题。但考虑到汽轮发电机调速系统频繁动作引起执行操作机构的疲劳、磨损以及影响调速汽门的密封性，锅炉燃烧系统的调节速度严重滞后等诸多因素，常规冶金自备电厂孤网运行时，无法满足矿热炉电负荷的变化需要，维持孤网系统安全、稳定运行。因此在电厂配置电负荷平衡装置，在矿热炉负荷波动(或大功率甩负荷的情况下)时，通过电负荷平衡装置耗能电阻(装设于蓄水池)的投切，极大地缓冲了对汽轮发电机组的冲击。
为了减少发电机组的寿命损耗，在负荷突降时，利用电负荷平衡装置平缓负荷突变。另一方面，建立负荷侧增减负荷允许信号，在负荷突变比例超限时，限制负荷侧的进一步变化，同时利用负荷管理平缓有功负荷的突变。实现这个功能需要在电网二次系统设计完善的控制保护逻辑，与调速系统和励磁系统建立快速的信号联系。电负荷平衡装置的原理图见图2。

图2    电负荷平衡装置图
②发电机及其励磁系统

发电机电液调节系统选用高性能的汽轮机电液调节系统(含孤网运行模块、二次调频功能)。发电机励磁系统要求高起始响应，调节速度快，运行可靠，能实现自动调节励磁系统、有电力系统稳定器(PSS)附加控制单元，应能够在输出额定有功和无功功率的情况下，长期稳定运行,并且能够在高负载的特殊运行方式下保持安全稳定。发电机出口电压跌到70%时，能维持电网运行1 s，重要辅机具备上述低电压穿越能力。自并励静止励磁系统和无刷励磁系统是目前常用的两种励磁系统，其优缺点见表2。

表2 自并励磁静止励磁系统和无刷励磁系统的特性比较

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自并励磁静止励磁系统特性
1、机械性能
沿用发电机转子轴段结构，发电机轴系短，整个转子动力特性变化较小，易保证稳定性。
2、电气性能
①优点：高起始响应，调节速度快；无旋转设备，可靠性高；全监控，事故易判断处理；整流器件冗余大，安全性高、易维护；
②缺点：需要定期更换电刷，有碳粉产生；有易爆气体环境不宜采用；需设置后备启励电源。
3、经济性能
取消了主、副励磁机，缩短了机组长度，减少了大轴联接环节，提高了轴系稳定性，而且对建设同等容量的机组，使主厂房长度大幅减小，降低了厂房造价。

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无刷励磁系统特性
1、机械性能
发电机端与励磁机连接后再与副励磁机连接，连接环节多，轴系较长，轴系复杂性高。
2、电气性能
①优点：响应速度较快；控制功率小，控制保护线路可简化；无电刷和碳粉，维护工作量小；无换相火花问题，适宜防爆场合；
②缺点：发电机励磁电流无法直接测量监控；灭磁时间较长；有旋转设备。

3、经济性能
无刷励磁对旋转二极管的要求很高，目前能够提供用于发电机无刷励磁的旋转二极管厂家较少(多采用进口品牌)，成本比自并励静止励磁高。

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虽然三机无刷励磁方式成本高于自并励方式，轴系较长而且调节响应速度没有自并励方式快(但也是满足要求的)，考虑到发电机组容量和孤网运行环境特点，三机无刷励磁方式更适合在该容量机组中采用。
③FCB能力
汽轮发电机组应具备FCB能力：汽轮发电机组仅带厂用电的“孤岛运行”。FCB功能的核心是励磁系统、汽轮机调速系统和锅炉控制系统，应能够在100%负荷状态下，甩负荷带厂用电。如果FCB失败，孤网将全网失电，此种情况下，应尽快完成黑启动电源的切换，启动润滑油泵等安保设备，使得孤网机组安全停机。停机之后再进行黑启动恢复。为适应孤岛运行的工况，机组设置两个同期点，发电机出口和主变高压侧断路器。
④黑启动柴油发电机组与保安柴油发电机组
当冶炼厂矿热炉处在生产极不稳定的时间段，充分利用柴油发电机组负荷调节的快速反应能力，稳定孤网系统。设置事故应急柴油发电机组，确定机炉能够安全停运。重点关注事故柴油发电机组的选型与自启动问题，需满足有关规程规范的要求。
⑤三相不平衡电流问题的应对
矿热炉一般自然功率因数达到0.9，其不平衡负载主要是有功负载，单相无功补偿效果不大。如设置单相电符合平衡装置，投资很大，控制回路复杂，还没有实施案例,同时其动作时间需与发电机负序保护配合。为此，可选用有较大的短路比(0.5以上)的发电机，其转子端部槽楔采用高电导高耐温材料。需重点关注矿热炉的三相负载不平衡度，矿热炉三相不平衡负载的叠加概率，并详细研究矿热炉出现严重三相负载不平衡工况时切除负荷的配合问题。

4、机网协调系统
机网协调系统是电厂与用电负荷之间加强协作和沟通的平台，是保证机网安全、稳定、经济运行的重要手段，有利于提高电网电能质量。孤网运行的电厂及冶炼厂参照电网的调度系统功能，要求孤网的协调系统也具备自动发电控制(AGC)、自动电压控制(AVC)、功角测量、特殊控制系统(SPS，也叫稳控系统SCS)、低频低压减载(UFLS)、远动通讯(RTU)这些通用功能。同时还包括了机组寿命优化、功角/功率因数调节、矿热炉负荷管理系统(DMS)等特殊功能。
机网协调系统功能：
a、自动发电控制(AGC)与DCS和DEH配合，快速分配有功功率，维持孤网频率在50 Hz。
b、自动电压控制(AVC)与励磁系统配合，分配无功功率，维持孤网电压。
c、协调无功补偿和机组有功、无功负荷，维持功角/功素因数平衡。
d、根据有功、无功备用计算，向大负荷发出增减负荷允许条件和联锁降负荷指令。
e、根据有功、无功备用计算和孤网参数监测，发出切负荷、切机指令。
f、对发电和用电负荷进行统一管理，减少发电机组调节频率，降低寿命损耗。
g、与电负荷平衡控制系统协调工作，减少电负荷平衡装置的无效耗电量；将其作为切机和切负荷的反向稳控手段，提高孤网稳定性；利用电负荷平衡装置避免锅炉向空排汽动作。
h、为调度人员提供监控发电和用电的数据平台，可以作为电厂的调度平台。机网协调控制系统的功能涵盖了大电网中各种调度、控制和保护装置的核心功能，建立了孤网的三道防线。第一道防线：采用多台机组的有功无功快速平衡分配，在5%在线额定容量的负荷冲击下，保障孤网安全稳定运行。第二道防线：通过负荷调节系统和对大负荷的启动允许控制，使得孤网在电负荷平衡装置容量允许的冲击下安全稳定运行。第三道防线：在更大规模的负荷冲击下，通过安全稳定控制功能，切除部分负荷或机组，维持厂用电和重要负荷的运行，避免孤网崩溃。
目前孤网主要见于各类自备电厂和国外欠发达地区的发电厂，以往设计时，电厂的继电保护措施、安全稳定控制策略、设备选型等主要是基于大电网运行方式下进行的，对孤网运行方式下研究较少，实际中不少孤网系统也因此出现了不少问题。

本文利用实际工程案例，根据孤网运行的负荷特点和运行风险，采用电负荷平衡装置、优良的励磁系统、汽轮机FCB控制、黑启动柴油机与保安柴油机以及完善的机网协调系统等技术措施，使孤网系统能安全稳定运行，满足冶金工艺要求。