孤網(wǎng)發(fā)供電技術(shù)研究與實(shí)踐

鄧造明

（中冶賽迪電氣技術(shù)有限公司電力能源事業(yè)部，重慶 400013）

引言

大多數(shù)高耗能的鋼鐵和有色冶金企業(yè)都建設(shè)有自備電廠，部分企業(yè)受地域條件限制，比如當(dāng)?shù)貨]有外部電網(wǎng)或者當(dāng)?shù)赝獠侩娋W(wǎng)比較薄弱容易發(fā)生故障，使得自備電廠內(nèi)的發(fā)電機(jī)組需要孤網(wǎng)運(yùn)行，或者需要短時(shí)脫網(wǎng)運(yùn)行。甚至有些大型聯(lián)合冶金企業(yè)或者工業(yè)園區(qū)，為了降低電力運(yùn)行費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)效益，自主建設(shè)區(qū)域電網(wǎng)，減少或者不與外部電網(wǎng)連接，也使得自備電廠的發(fā)電機(jī)組需要孤網(wǎng)（或短時(shí)孤網(wǎng)）運(yùn)行。

孤立電網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組頻率波動(dòng)較大，甚至可能頻率崩潰、全廠停電，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在用戶側(cè)出現(xiàn)大負(fù)荷波動(dòng)及發(fā)電側(cè)出現(xiàn)大的波動(dòng)時(shí)，如何快速穩(wěn)定孤網(wǎng)，保證孤網(wǎng)供電品質(zhì)，保護(hù)設(shè)備和產(chǎn)品等免受重大損失具有較重要的意義［1］。

1 孤網(wǎng)的概念

孤網(wǎng)是指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)。最大單機(jī)容量大于電網(wǎng)總?cè)萘康?%的電網(wǎng)稱為小網(wǎng)。孤立運(yùn)行的小網(wǎng)稱為孤網(wǎng)［2］。

短時(shí)孤網(wǎng)是指與外部電網(wǎng)聯(lián)系弱，或者外部電網(wǎng)總?cè)萘坎淮笄也粔驁?jiān)強(qiáng)，可能出現(xiàn)由于外部電網(wǎng)（聯(lián)絡(luò)線）故障自動(dòng)跳閘等原因，造成發(fā)供電系統(tǒng)脫離外部電網(wǎng)短時(shí)（通常＜72 h）獨(dú)立運(yùn)行，待外部電網(wǎng)（聯(lián)絡(luò)線）恢復(fù)后，又重新并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)供電系統(tǒng)。

發(fā)供電系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷變化如果不能和用戶負(fù)荷平衡，將會(huì)直接反饋到電網(wǎng)頻率上，對(duì)電網(wǎng)頻率影響較大，使機(jī)組不能穩(wěn)定運(yùn)行。

2 孤網(wǎng)系統(tǒng)控制

冶金鋼鐵企業(yè)負(fù)荷波動(dòng)大、隨機(jī)性強(qiáng)，自備發(fā)電機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需要面對(duì)發(fā)電側(cè)負(fù)荷沖擊的風(fēng)險(xiǎn)、暫態(tài)穩(wěn)定水平下降造成功角振蕩的風(fēng)險(xiǎn)和發(fā)電機(jī)組失去廠用電的風(fēng)險(xiǎn)。因此孤網(wǎng)運(yùn)行需要重點(diǎn)解決有功功率平衡、無功功率平衡、暫態(tài)穩(wěn)定以及黑啟動(dòng)等問題。

孤網(wǎng)發(fā)供電系統(tǒng)的運(yùn)行控制（調(diào)節(jié)任務(wù)），需由大網(wǎng)的負(fù)荷控制模式調(diào)整為頻率控制模式。孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)中各機(jī)組必需協(xié)調(diào)參與一次調(diào)頻和二次調(diào)頻［2］。

一次調(diào)頻不能維持電網(wǎng)頻率不變，而只是用于緩解電網(wǎng)頻率的改變程度；二次調(diào)頻采用手動(dòng)或自動(dòng)方式調(diào)節(jié)各機(jī)組的負(fù)荷（出力），并且根據(jù)需要配置并調(diào)節(jié)電負(fù)荷平衡裝置，以平衡電網(wǎng)負(fù)荷的變化，消除一次調(diào)頻留下的頻率偏差，使得電網(wǎng)頻率回到額定值。

孤網(wǎng)發(fā)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行要安全可靠，主要有3條。

（1）工藝生產(chǎn)單元的負(fù)荷特性、全廠負(fù)荷平衡（含沖擊負(fù)荷）的掌握，這是基礎(chǔ)。

（2）鍋爐和汽機(jī)系統(tǒng)的特性和調(diào)節(jié)能力，電負(fù)荷平衡輔助設(shè)備的配置，這是關(guān)鍵。

（3）結(jié)合工藝及生產(chǎn)的機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)［1］穩(wěn)定控制系統(tǒng)，這是手段。

對(duì)于鍋爐和汽機(jī)系統(tǒng)一般要求鍋爐配置PCV閥、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)配置FCB功能，以保證發(fā)電機(jī)組能夠甩負(fù)荷帶廠用電運(yùn)行，避免系統(tǒng)故障失去廠用電全黑。

對(duì)于短時(shí)孤網(wǎng)，設(shè)計(jì)上需要盡量考慮外部電源分散配置，避免同時(shí)故障；需要在并網(wǎng)點(diǎn)增配同期和解列裝置，主動(dòng)與外部電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)、脫網(wǎng)運(yùn)行切換；需要按照防孤網(wǎng)運(yùn)行配置一、二次設(shè)備并考慮控制策略，以保證并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)最大可能地平穩(wěn)過渡，減少有功波動(dòng)。

3 電負(fù)荷平衡裝置

孤網(wǎng)系統(tǒng)中電負(fù)荷平衡裝置的配置，目的就是平穩(wěn)負(fù)荷波動(dòng)，以減少發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)。

電負(fù)荷平衡裝置的調(diào)節(jié)不通過頻率控制，而是采集系統(tǒng)上所有負(fù)荷參數(shù)，通過電負(fù)荷裝置自身控制系統(tǒng)對(duì)總負(fù)荷控制進(jìn)行調(diào)節(jié)?？傌?fù)荷降低時(shí)，自動(dòng)投入電負(fù)荷裝置；總負(fù)荷升高時(shí)，自動(dòng)減少電負(fù)荷，以保證全廠總負(fù)荷恒定，從而保證發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

汽輪發(fā)電機(jī)組和鍋爐系統(tǒng)在強(qiáng)化功能后（比如汽機(jī)快速DEH，發(fā)電機(jī)高性能勵(lì)磁，鍋爐PCV裝置等），在＜10%機(jī)組額度容量大小的負(fù)荷快速波動(dòng)下，通過自身調(diào)節(jié)能力，系統(tǒng)短暫波動(dòng)后能夠穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)＞10%波動(dòng)負(fù)荷的孤網(wǎng)系統(tǒng)，借助外部可快速投切的電輔助負(fù)荷（電負(fù)荷平衡裝置）也能實(shí)現(xiàn)孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。電阻加熱棒、電鍋爐、儲(chǔ)能裝置等都屬于電負(fù)荷平衡裝置種類。圖1為采用電輔助負(fù)荷對(duì)有功負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)的概念圖。

圖1 有功負(fù)荷調(diào)節(jié)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(jìn)行負(fù)荷平衡的目標(biāo)值，按照最大負(fù)荷為目標(biāo)，通過投、退電阻加熱棒等耗能裝置，來穩(wěn)定總負(fù)荷。圖中陰影面積為需要增加的能耗。圖中P2為采用儲(chǔ)能類型的電平衡裝置進(jìn)行負(fù)荷平衡目標(biāo)值，按照平均負(fù)荷為控制目標(biāo)，通過儲(chǔ)能裝置的“充電、放電”來恒定總負(fù)荷。圖中實(shí)際負(fù)荷曲線與P2平均負(fù)荷線上下截面面積相等。

從能量回收角度看，儲(chǔ)能是更好的解決方案，它不會(huì)額外增加能耗，并且隨著電池儲(chǔ)能技術(shù)的迅速發(fā)展，其安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性在不斷提高。

4 機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)［1］控制系統(tǒng)是根據(jù)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》中提出的電力系統(tǒng)三道防線的概念，在傳統(tǒng)大網(wǎng)各種調(diào)度、控制和保護(hù)核心功能基礎(chǔ)上，根據(jù)孤網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行篩選、補(bǔ)充、強(qiáng)化，形成適用于孤網(wǎng)系統(tǒng)的控制邏輯。

機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制整個(gè)電網(wǎng)的各個(gè)電源、負(fù)荷以及其它相關(guān)設(shè)施，根據(jù)控制策略發(fā)出協(xié)調(diào)控制指令，聯(lián)切聯(lián)投（或通過FS控制調(diào)節(jié)）用戶負(fù)荷、發(fā)電機(jī)（如控制煤氣量達(dá)到控制出力）和其它輔助設(shè)施（如負(fù)荷平衡裝置），維持電網(wǎng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。其運(yùn)行模式（俗稱的五道防線）如下。

（1）正常狀態(tài)下（負(fù)荷波動(dòng)＜5%）：電源側(cè)與負(fù)荷側(cè)保持發(fā)電和用電的平衡，機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)合理控制并分配孤網(wǎng)系統(tǒng)的有功和無功負(fù)荷，保證孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)＜0.2 Hz，電壓波動(dòng)＜2%。

（2）小負(fù)荷沖擊（5%～15%）：由電平衡裝置和負(fù)荷管理系統(tǒng)進(jìn)行平衡，減少負(fù)荷沖擊的速度，保證孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)＜0.5 Hz，電壓波動(dòng)＜5%。

（3）大負(fù)荷沖擊（15%～30%）：超過電負(fù)荷平衡系統(tǒng)（調(diào)節(jié)）容量，機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)（包括穩(wěn)控自動(dòng)裝置，基于頻率和電壓的偏差動(dòng)作的低頻低壓減載作為后備保護(hù)）通過聯(lián)切用電負(fù)荷、快關(guān)調(diào)門，保證孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)＜1 Hz，電壓波動(dòng)＜10%。

（4）超大負(fù)荷沖擊：對(duì)于超出發(fā)電機(jī)組容量30%的更大規(guī)模的負(fù)荷沖擊，包括線路故障、電源點(diǎn)故障等，負(fù)荷沖擊的規(guī)模超出了機(jī)組正常調(diào)節(jié)的能力，不能通過正常的調(diào)節(jié)手段來維持孤網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定，而必須采用OPC快關(guān)調(diào)門和快切負(fù)荷的方式來維持穩(wěn)定；需要配置FCB、高壓EH油系統(tǒng)、鍋爐PCV閥等，保證發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷帶廠用電運(yùn)行，避免孤網(wǎng)發(fā)供電系統(tǒng)崩潰全黑情況的發(fā)生。

（5）停機(jī)停爐廠用電全失：重大故障造成系統(tǒng)全黑、廠用電全失時(shí)，需要配置柴油發(fā)電機(jī)和直流事故油泵等安保設(shè)施，保證汽輪發(fā)電機(jī)和鍋爐的安全停機(jī)退出運(yùn)行，以及故障排除后重新黑啟動(dòng)。

機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)功能包括：自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）、自動(dòng)電壓控制（AVC）、功角測(cè)量和特殊控制（SPS）、低頻低壓減載（UFLS）、遠(yuǎn)動(dòng)通訊（RTU）等，同時(shí)還包括了機(jī)組壽命優(yōu)化、功角/功率因數(shù)調(diào)平、生產(chǎn)負(fù)荷管理系統(tǒng)（DMS）等特殊功能。

5 案例分析

某海外工業(yè)園區(qū)電網(wǎng)，系統(tǒng)電壓等級(jí)150 kV、35 kV、10 kV共三級(jí)，發(fā)電機(jī)總裝機(jī)規(guī)模約2 500 MW，其中9臺(tái)100～350 MW發(fā)電機(jī)以150 kV電壓接網(wǎng)，4臺(tái)65 MW發(fā)電機(jī)以35 kV電壓接網(wǎng)，另外3臺(tái)25 MW及以下容量發(fā)電機(jī)以10 kV電壓就近接網(wǎng)。

單臺(tái)最大發(fā)電機(jī)容量占電網(wǎng)總?cè)萘?4%，該區(qū)域電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，屬于明顯的孤網(wǎng)。

整個(gè)工業(yè)園區(qū)用電負(fù)荷約2 200 MW，共設(shè)置有6個(gè)150 kV變電站，主要工藝負(fù)荷為礦熱爐、電解錳以及不銹鋼熱軋等。電網(wǎng)對(duì)全廠各工藝生產(chǎn)單元的負(fù)荷沖擊統(tǒng)一治理，保證區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)于不銹鋼熱軋單元，軋制周期約2 min，按照工藝軋制表計(jì)算，負(fù)荷每隔約2 min就有一次約80 MW的負(fù)荷波動(dòng)，詳見圖2。這個(gè)頻繁的負(fù)荷波動(dòng)對(duì)園區(qū)區(qū)域電網(wǎng)有巨大的沖擊，為平衡該負(fù)荷波動(dòng)，前期采用60 MW電阻加熱棒的形式消耗軋制間歇期的電網(wǎng)功率，但造成較大電能浪費(fèi)。

圖2 不銹鋼熱軋沖擊負(fù)荷曲線圖

近幾年電池儲(chǔ)能技術(shù)飛速發(fā)展，其可靠性和經(jīng)濟(jì)性不斷提高，2020年園區(qū)改造引入鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用電池組儲(chǔ)能密度高、儲(chǔ)能效率高、循環(huán)壽命長、反復(fù)充放電性能特點(diǎn)［3］，在軋制間歇期吸收電網(wǎng)電能，軋制期釋放電能，起到削峰填谷、平衡電網(wǎng)有功波動(dòng)和節(jié)約電能目的。

電負(fù)荷平衡系統(tǒng)：鋰電池配置容量55 MW/55 MWh，包括22臺(tái)3 150 kVA變壓器電池系統(tǒng)，分兩大組，以2回35 kV線路通過不銹鋼熱軋廠內(nèi)35 kV母線接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)。每臺(tái)500 kW儲(chǔ)能變流器對(duì)應(yīng)一組500 kWh磷酸鐵鋰電池，5臺(tái)儲(chǔ)能變流器交流側(cè)直接并聯(lián)后，接入一臺(tái)35 kV/0.4 kV 3 150 kVA變壓器。電負(fù)荷平衡系統(tǒng)詳見圖3。

6 結(jié)束語

孤網(wǎng)發(fā)供電技術(shù)是集電力系統(tǒng)區(qū)域電網(wǎng)技術(shù)、工藝生產(chǎn)控制技術(shù)、發(fā)電機(jī)控制技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、信息通信技術(shù)為一體的綜合技術(shù)，是跨專業(yè)的系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新，工業(yè)企業(yè)孤網(wǎng)發(fā)供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，有利于提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖3 電池接入及系統(tǒng)框圖

孤網(wǎng)發(fā)供電技術(shù)，特別是其中的機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)，與電力電子技術(shù)、分布式發(fā)電生產(chǎn)技術(shù)結(jié)合，也可以為解決高比例分布式電源（光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能等）接入系統(tǒng)引起的系統(tǒng)波動(dòng)提供解決思路；可以為企業(yè)智能配電網(wǎng)建設(shè)，為實(shí)現(xiàn)能源高效利用，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的“雙碳”目標(biāo)助力。