孤網發供電技術研究與實踐

鄧造明

（中冶賽迪電氣技術有限公司電力能源事業部，重慶 400013）

引言

大多數高耗能的鋼鐵和有色冶金企業都建設有自備電廠，部分企業受地域條件限制，比如當地沒有外部電網或者當地外部電網比較薄弱容易發生故障，使得自備電廠內的發電機組需要孤網運行，或者需要短時脫網運行。甚至有些大型聯合冶金企業或者工業園區，為了降低電力運行費用，提高經濟效益，自主建設區域電網，減少或者不與外部電網連接，也使得自備電廠的發電機組需要孤網（或短時孤網）運行。

孤立電網運行的發電機組頻率波動較大，甚至可能頻率崩潰、全廠停電，造成嚴重的經濟損失。因此，在用戶側出現大負荷波動及發電側出現大的波動時，如何快速穩定孤網，保證孤網供電品質，保護設備和產品等免受重大損失具有較重要的意義［1］。

1 孤網的概念

孤網是指脫離大電網的小容量電網。最大單機容量大于電網總容量的8%的電網稱為小網。孤立運行的小網稱為孤網［2］。

短時孤網是指與外部電網聯系弱，或者外部電網總容量不大且不夠堅強，可能出現由于外部電網（聯絡線）故障自動跳閘等原因，造成發供電系統脫離外部電網短時（通常＜72 h）獨立運行，待外部電網（聯絡線）恢復后，又重新并網運行的發供電系統。

發供電系統孤網運行時，發電機組的負荷變化如果不能和用戶負荷平衡，將會直接反饋到電網頻率上，對電網頻率影響較大，使機組不能穩定運行。

2 孤網系統控制

冶金鋼鐵企業負荷波動大、隨機性強，自備發電機組孤網運行時需要面對發電側負荷沖擊的風險、暫態穩定水平下降造成功角振蕩的風險和發電機組失去廠用電的風險。因此孤網運行需要重點解決有功功率平衡、無功功率平衡、暫態穩定以及黑啟動等問題。

孤網發供電系統的運行控制（調節任務），需由大網的負荷控制模式調整為頻率控制模式。孤網運行時，網中各機組必需協調參與一次調頻和二次調頻［2］。

一次調頻不能維持電網頻率不變，而只是用于緩解電網頻率的改變程度；二次調頻采用手動或自動方式調節各機組的負荷（出力），并且根據需要配置并調節電負荷平衡裝置，以平衡電網負荷的變化，消除一次調頻留下的頻率偏差，使得電網頻率回到額定值。

孤網發供電系統設計、運行要安全可靠，主要有3條。

（1）工藝生產單元的負荷特性、全廠負荷平衡（含沖擊負荷）的掌握，這是基礎。

（2）鍋爐和汽機系統的特性和調節能力，電負荷平衡輔助設備的配置，這是關鍵。

（3）結合工藝及生產的機網協調［1］穩定控制系統，這是手段。

對于鍋爐和汽機系統一般要求鍋爐配置PCV閥、發電機系統配置FCB功能，以保證發電機組能夠甩負荷帶廠用電運行，避免系統故障失去廠用電全黑。

對于短時孤網，設計上需要盡量考慮外部電源分散配置，避免同時故障；需要在并網點增配同期和解列裝置，主動與外部電網進行并網、脫網運行切換；需要按照防孤網運行配置一、二次設備并考慮控制策略，以保證并網轉孤網運行時，系統最大可能地平穩過渡，減少有功波動。

3 電負荷平衡裝置

孤網系統中電負荷平衡裝置的配置，目的就是平穩負荷波動，以減少發電機調節。

電負荷平衡裝置的調節不通過頻率控制，而是采集系統上所有負荷參數，通過電負荷裝置自身控制系統對總負荷控制進行調節。總負荷降低時，自動投入電負荷裝置；總負荷升高時，自動減少電負荷，以保證全廠總負荷恒定，從而保證發電機穩定運行。

汽輪發電機組和鍋爐系統在強化功能后（比如汽機快速DEH，發電機高性能勵磁，鍋爐PCV裝置等），在＜10%機組額度容量大小的負荷快速波動下，通過自身調節能力，系統短暫波動后能夠穩定運行。對＞10%波動負荷的孤網系統，借助外部可快速投切的電輔助負荷（電負荷平衡裝置）也能實現孤網穩定運行。電阻加熱棒、電鍋爐、儲能裝置等都屬于電負荷平衡裝置種類。圖1為采用電輔助負荷對有功負荷進行調節的概念圖。

圖1 有功負荷調節概念圖

圖1 中P1為采用電阻加熱棒等耗能類型的電平衡裝置進行負荷平衡的目標值，按照最大負荷為目標，通過投、退電阻加熱棒等耗能裝置，來穩定總負荷。圖中陰影面積為需要增加的能耗。圖中P2為采用儲能類型的電平衡裝置進行負荷平衡目標值，按照平均負荷為控制目標，通過儲能裝置的“充電、放電”來恒定總負荷。圖中實際負荷曲線與P2平均負荷線上下截面面積相等。

從能量回收角度看，儲能是更好的解決方案，它不會額外增加能耗，并且隨著電池儲能技術的迅速發展，其安全可靠性和經濟性在不斷提高。

4 機網協調控制系統

機網協調［1］控制系統是根據《電力系統安全穩定導則》中提出的電力系統三道防線的概念，在傳統大網各種調度、控制和保護核心功能基礎上，根據孤網系統的特點進行篩選、補充、強化，形成適用于孤網系統的控制邏輯。

機網協調控制系統控制整個電網的各個電源、負荷以及其它相關設施，根據控制策略發出協調控制指令，聯切聯投（或通過FS控制調節）用戶負荷、發電機（如控制煤氣量達到控制出力）和其它輔助設施（如負荷平衡裝置），維持電網穩定、經濟運行。其運行模式（俗稱的五道防線）如下。

（1）正常狀態下（負荷波動＜5%）：電源側與負荷側保持發電和用電的平衡，機網協調系統合理控制并分配孤網系統的有功和無功負荷，保證孤網系統頻率波動＜0.2 Hz，電壓波動＜2%。

（2）小負荷沖擊（5%～15%）：由電平衡裝置和負荷管理系統進行平衡，減少負荷沖擊的速度，保證孤網系統頻率波動＜0.5 Hz，電壓波動＜5%。

（3）大負荷沖擊（15%～30%）：超過電負荷平衡系統（調節）容量，機網協調系統（包括穩控自動裝置，基于頻率和電壓的偏差動作的低頻低壓減載作為后備保護）通過聯切用電負荷、快關調門，保證孤網系統頻率波動＜1 Hz，電壓波動＜10%。

（4）超大負荷沖擊：對于超出發電機組容量30%的更大規模的負荷沖擊，包括線路故障、電源點故障等，負荷沖擊的規模超出了機組正常調節的能力，不能通過正常的調節手段來維持孤網系統的穩定，而必須采用OPC快關調門和快切負荷的方式來維持穩定；需要配置FCB、高壓EH油系統、鍋爐PCV閥等，保證發電機組甩負荷帶廠用電運行，避免孤網發供電系統崩潰全黑情況的發生。

（5）停機停爐廠用電全失：重大故障造成系統全黑、廠用電全失時，需要配置柴油發電機和直流事故油泵等安保設施，保證汽輪發電機和鍋爐的安全停機退出運行，以及故障排除后重新黑啟動。

機網協調控制系統功能包括：自動發電控制（AGC）、自動電壓控制（AVC）、功角測量和特殊控制（SPS）、低頻低壓減載（UFLS）、遠動通訊（RTU）等，同時還包括了機組壽命優化、功角/功率因數調平、生產負荷管理系統（DMS）等特殊功能。

5 案例分析

某海外工業園區電網，系統電壓等級150 kV、35 kV、10 kV共三級，發電機總裝機規模約2 500 MW，其中9臺100～350 MW發電機以150 kV電壓接網，4臺65 MW發電機以35 kV電壓接網，另外3臺25 MW及以下容量發電機以10 kV電壓就近接網。

單臺最大發電機容量占電網總容量14%，該區域電網獨立運行，屬于明顯的孤網。

整個工業園區用電負荷約2 200 MW，共設置有6個150 kV變電站，主要工藝負荷為礦熱爐、電解錳以及不銹鋼熱軋等。電網對全廠各工藝生產單元的負荷沖擊統一治理，保證區域電網穩定運行。

對于不銹鋼熱軋單元，軋制周期約2 min，按照工藝軋制表計算，負荷每隔約2 min就有一次約80 MW的負荷波動，詳見圖2。這個頻繁的負荷波動對園區區域電網有巨大的沖擊，為平衡該負荷波動，前期采用60 MW電阻加熱棒的形式消耗軋制間歇期的電網功率，但造成較大電能浪費。

圖2 不銹鋼熱軋沖擊負荷曲線圖

近幾年電池儲能技術飛速發展，其可靠性和經濟性不斷提高，2020年園區改造引入鋰電池儲能系統，利用電池組儲能密度高、儲能效率高、循環壽命長、反復充放電性能特點［3］，在軋制間歇期吸收電網電能，軋制期釋放電能，起到削峰填谷、平衡電網有功波動和節約電能目的。

電負荷平衡系統：鋰電池配置容量55 MW/55 MWh，包括22臺3 150 kVA變壓器電池系統，分兩大組，以2回35 kV線路通過不銹鋼熱軋廠內35 kV母線接入區域電網。每臺500 kW儲能變流器對應一組500 kWh磷酸鐵鋰電池，5臺儲能變流器交流側直接并聯后，接入一臺35 kV/0.4 kV 3 150 kVA變壓器。電負荷平衡系統詳見圖3。

6 結束語

孤網發供電技術是集電力系統區域電網技術、工藝生產控制技術、發電機控制技術、自動化控制技術、信息通信技術為一體的綜合技術，是跨專業的系統技術創新，工業企業孤網發供電系統安全穩定運行，有利于提高企業的經濟效益和社會效益。

圖3 電池接入及系統框圖

孤網發供電技術，特別是其中的機網協調控制技術，與電力電子技術、分布式發電生產技術結合，也可以為解決高比例分布式電源（光伏發電、風力發電、儲能等）接入系統引起的系統波動提供解決思路；可以為企業智能配電網建設，為實現能源高效利用，為實現碳達峰、碳中和的“雙碳”目標助力。