热电厂电网“孤网”运行控制系统技术方案

1、 概述

电力生产问世以来，机组并列运行便是向用户提供可靠的，高质量的电能的主要方式。随着经济的发展和社会进步，电能需求逐渐增加，使电网的规模和容量越来越大。90年代初期，我国就已进入大机组、大电网时代，百万机组逐渐成为电网中的主力军。到2005年底，我国总装机组容量已达到相当规模，为工农业生产和人民生活提供了充足的电能。

与小网，孤网相比，大网具有很多的优势： 1，

在大网中电能的供应可在地区相互支援，保证供电的可靠性和连续

性。 2，

在大网中，个发电机组和被驱动的机械具有巨大的旋转惯量，其储

存的动能可以在瞬间释放出来，支持负荷变化，是电网频率变化维持较小的变化速度。起到动态稳频作用。 3，

与电网中各汽轮机相配的锅炉群，储存有庞大的能力势能，

随着近几年中小机组数字电液调节系统（DEH）的广泛使用，特别是自备电厂用户对孤网运行的要求愈发迫切。电网频率的稳定性和准确性，是供电质量的重要指标，也是关系到电网供电安全的重要指标。我国电网中运行的汽轮发电机组,采用电液调节系统（DEH）的数量逐渐增加,孤网运行的问题在中小型机组中的作用逐渐被重视起来，自备电厂的热电机组主要供集团内部使用，而集团内部的电网相对容量较小，通常情况下厂网与大网是并列运行的，但在事故状态下会发生脱离大网独立运行，在脱离大网瞬间由于负荷不平衡将通常会产生大幅度的频率波动。当脱离大网运行后任何一台机组的故障或负荷的大幅波动均可能造成网频的大幅波动。

针对孤网运行电网的运行特点，南京科远股份经过研究，在实践的基础上总结经验，改进品质，使DEH系统的汽轮发电机组在单机孤网、小网运行时能够充分发挥DEH的灵活功能，为保证供电安全起到了关键的作用。尤其在与泰州梅兰

南京科远自动化集团股份有限公司 1 热电厂密切配合，共同努力，2006年顺利完成了泰州梅兰热电厂#1机组和#2机组的DEH孤网改造，经过各种工况的试验，完全可以满足安全运行的要求。

我们通常意义的孤网是孤立电网，一般指脱离大电网运行的电网。电力建设规程规定电网中单机容量应小于电网总容量的8%，以保证当该机发生甩负荷时，不影响电网的正常运行，目前国内的情况是完全孤立运行的机组较少。

电网中的各机组，一般都有一定的过载余量，如果电网中的机组调速系统都正常投入，一旦某机组发生甩负荷，并且该机组容量为电网总容量的8%，则电网所失去的功率可以暂时由网中其他机组的过载余量承担，电网频率下降0.2Hz，相当于机组转速下降12r/min。对供电质量的影响仍在运行规程规定的范围。

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。目前我国各大地区电网的机网容量比已经远小于8%，可以看作是无限大电网。

相比之下，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，孤网可以分为下列几种情况。

1）网中有几台机组并列运行，与大电网脱离运行，称为小网。 2）网中只有一台机组供电，称为单机带负荷。

3）甩负荷带厂用电及部分负载，称为孤网运行工况，是目前国内最通常的一种孤网运行方式。这种运行方式是孤网运行中最恶劣的方式，本文重点讨论这种方式。

2、 孤网运行的特点

孤网运行最突出的特点，是由负荷控制转变为频率控制，要求调速系统具有符合要求的动态特性和良好的稳定性，以保证在用户大负荷变化的情况下可以维持电网频率的稳定，即一次调频功能。此时运行人员关注的是厂网的频率，而不是负荷，以保证频率维持在额定频率的附近。这种调整通过操作DEH系统的给定值并通过机构来完成，称为二次调频。由于孤网容量较小，其中旋转惯量储存的动能和锅炉群所具备的热力势能均较小，要求机组的调速系统具有更高的灵敏

南京科远自动化集团股份有限公司 2 度，更小的迟缓率和更快的动态响应。

对于小网工况，网中各机组存在负荷分配问题，要求各机调速系统具有相同的调速不等率，要求网中有调度机构进行二次调频，维持额定频率。

我国的DEH技术主要借鉴了美国西屋公司的思想，按照西屋公司的控制策略，当机组并网后，DEH即退出转速控制，按负荷控制方式运行。电网的调频问题由网调去处理，这与我国习惯采用的机械液压调速系统控制策略完全不同。机械液压调速系统都在机组全负荷范围内参与一次调频，并能接受调度指令参加二次调频，电网中所有机组的调速系统都能在正常投入状态，并且不能人为退出，虽然机械液压调速系统迟缓率略大，但在总体上保证了电网的安全运行。无论是大网、小网还是单机工况均能正常工作。

DEH控制为离散控制，其稳定性、快速性与连续调节有很大区别。在DEH实际中发现，DEH的转速调节系统，稳定性远低于机械液压调速系统，这是由于离散控制系统存在采样失真和运算延迟，导致系统稳定性下降，只有将控制周期设定得足够小，其稳定性才能趋近于连续调节系统。

在孤网运行的情况下，网中的各机组必须参与一次调频，必须具有静特性正确、稳定性好、动态响应快的调速系统，必须解决DEH参与一次调频的问题。这是DEH参与孤网运行的关键技术问题。

3、 孤网运行的控制策略

对于为孤网运行机组配套的DEH，我们对常规的控制策略进行了改进。 一次调频特性

1）调速不等率统一设置为5%。

2）调速系统迟缓率按IEC规定：150MW以下的机组，小于0.1%,150MW以上

的机组，小于0.06%

3) 减小调频死区，减小迟缓率。 4）增大OPC动作的范围。

南京科远自动化集团股份有限公司 3 5）DEH调速回路改为快速响应回路，其静特性、稳定性和动态响应特性应符

合孤网运行要求。

6）油动机快关时间常数应小于０.3s，建议０.2s。（注意：油动机时间常数

是指小信号的响应时间，不是快关时间）

7）在进入孤网运行方式时，应考虑留有一定的旋转备用容量，以维持转速在额定范围内。

8）孤网运行方式时，ＤＥＨ应有二次调频功能。

关于二次调频

１）对于孤网运行，二次调频应由网调执行，可采用自动方式或人工方式，调

整网中各机调速系统的给定机构。

２）对于单机带负荷或带厂用电工况，可采用无差调节方式实现自动二次调频。

针对现场的情况我们对原DEH的硬件和软件的改进，成功地完成了孤网运行的调频任务。

当变电所发生故障，即可能造成热电厂出现“孤网”运行的情况。 当热电厂电气线路开关跳闸出现“孤网”运行时，此时转速将不可能维持再3000r/min，转速迅速攀升或下降，必然导致超速和低速保护动作，全厂停电，给企业造成重大经济损失。

在大网情况下，由于大电网的自平衡能力较强，且功率、负荷相对扰动量通常很小，因此电网频率较稳定。单台发电机组或负载的功率变化对电网供电频率的影响很小，发电机组的转速基本稳定在3000r/min.发电机组功率仅由本机组蒸汽参数、阀门开度决定，而于负载无关。

但是，在孤网运行的系统中情况大不一样，发电机的出力必须随时跟随负载功率的变化而变，才能维持供电频率恒定，当负荷变化时，会引起孤网频率的变化，由于孤立电网的平衡能力很差，发电机必须具备良好的一次调频性能，才能保障孤网频率稳定。

南京科远自动化集团股份有限公司 4 4、 孤网技术方案

1）孤网运行的判断

判断“孤网”运行有以下几种方式：

（1）、将变电所断路器综合故障信号送入DCS系统，接入方式采用硬接线方式，具有响应速度快，“孤网”频率波动小和比较可靠的优点，但由于距离太远，不易实施。

（2）、频率偏差：通过电网频率信号判断是否脱网，在脱网后，各台机组的转速将失控，造成“孤网”频率产生大幅变化，将电网频率信号送入DCS系统，通过软件判断是否已发生脱网，我们测量110KV母线频率，当频率值超出一定范围（例如48-52 HZ）时，即认为“孤网”形成，“孤网”形成后立即发出报警，并指令各运行机组切除功率调节回路，转为转速控制，为保证测量准确，必须采取措施在测量通道及测量元件故障时，对“孤网”判定逻辑进行闭锁，建议配置冗余的测点，提高测量值的准确性，这种方式，需要增加电网频率变送器，也便于实施，但响应速度慢，“孤网”频率波动略大。

（3）、功率偏差：“孤网”发生后，发电机输出功率和汽轮机进汽量对应功率的偏差将形成突变，从而判断“孤网”的发生。 2）修改硬件OPC保护定值

放宽OPC保护定值，以防止电网频率变化时出现OPC保护动作。

修改后的OPC保护定值必须综合考虑电网频率波动允许范围和“孤网”运行控制系统的品质指标，即频率波动最大值。 3）软件孤网运行的设计

“孤网”发生后，汽轮机运行方式立即从功率调节切换到转速控制，由于负荷的突然变化，在新的负荷对应下的调门开度必然有较大的变化，通过PID调节无法在短时间达到新的平衡，很可能导致超速和低速保护动作，所以必须迅速将调门开度调整到新的平衡点附近，然后再由PID调节。

南京科远自动化集团股份有限公司 5 汽轮机调门开度的迅速改变量与功率突变量有关，所以可以根据历史曲线计算出调门开度的改变量＝K×功率改变量。

由于热电厂蒸汽母管压力和温度可以认为恒定，所以K主要与汽轮机流量特性有关，即K是调门开度的函数,而且30％以下负荷可不予考虑，B为“孤网”发生前的开度，所以K=A0+A1×B+A2×B2。 4）孤网运行的调试

由于孤网现象的特殊性，现场试验条件不容易具备，主要采用仿真试验为主，通过仿真数据调整孤网运行参数，再根据现场孤网发生后系统的表现进行修改。

第一步：机组运行，已充分暖机，所带负荷量超过厂用及直馈量。然后将发电机负荷降至厂用及直馈量，此时进行孤网运行试验。

第二步：机组纯凝运行，所带负荷超过厂用及直馈量20MW，此时进行孤网运行试验。

第三步：机组纯凝运行，所带负荷小于厂用及直馈量10MW，此时进行孤网运行试验。

第四步：机组抽凝运行，带厂用及直馈电量，此时进行孤网运行试验。 5）故障排除，机组恢复运行

当变电所故障排除重新并入电网后，运行人员手动切除孤网运行方式，由运行人员根据机组情况重新投入功率调节，至此整个孤网控制结束。 6）多台机组的控制

交由孤网协调控制器自动调整，孤网运行控制系统的频率调节器的定值为50HZ，测量值为电网频率信号，频率调节器根据孤网周波的变化，自动控制各机组调门，维持网周波在50HZ左右，由于各机组特性不同，其响应速度也不同，为防止各机组调门出现振荡，频率调节器的输出将经过多平衡调节器后，调节器输出经过多平衡输出到四台汽轮机DEH装置，控制各机组运行。

由于脱网产生的影响迅速，即使机组迫降也很难在短时间内消除其影响，除

南京科远自动化集团股份有限公司 6 调高各机组OPC定值外，在电网频率超出50±1 HZ时，采用超驰控制，即根据电网转速迅速调整各台汽轮机调门开度。

通过梅兰孤网试验证明，改造后的策略可以适应各种工况的孤网运行要求。本孤网控制策略符合孤网运行的特点，适应本控制系统和现场运行要求，成功实现了机组的孤网稳定运行。机组的调速能力得到充分发挥，利用锅炉蓄能，在大负荷扰动的情况下快速实现机组功率与用户负荷平衡，避免了频率的大幅波动。

南京科远自动化集团股份有限公司 7 DEH孤网运行项目国内部分业绩

序号 1 项目名称 吉林公主岭中粮电站 机组类型 南汽 1 X 6MW 单抽机组 南汽 1 X 12MW抽背机组 南汽 1 X 25MW 单抽机组 2 江苏阳光集团自备电厂 青汽 3 X 6MW 单抽机组 青汽 2 X 12MW 单抽机组 3 4 5 6 7 8 9 内蒙古太西煤自备电厂 山东蓬莱东海发电厂 山东魏桥魏棉集团 山东滨州化工自备电厂 山东临沂金锣自备电厂 山东高密华洲热电 江苏泰州梅兰自备电厂 南汽 2 X 50MW 单抽机组 南汽 2 X 25MW 双抽机组 南汽 11 X 25MW 背压机组 南汽 1 X 50MW 单抽机组 南汽 1 X 25MW 单抽机组 南汽 1 X 25MW 单抽机组 武汽 2 X 25MW 双抽机组 南汽 2 X 50MW 纯凝机组 南汽 2 X 50MW 单抽机组 南汽 3 X 7MW 单抽机组 南汽 2 X 25MW 单抽机组 南汽 2 X 35MW 双抽机组 南汽 1 X 150MW 双抽机组 南汽 1 X 12MW 双抽机组 南汽 1 X 50MW 单抽机组 南汽 1 X 50MW 单抽机组 南汽 2 X 35MW 纯凝机组 南汽 1 X 25MW 单抽机组 青汽 2 X 25MW 单抽机组 南汽 1 X 50MW 单抽机组 南汽 1 X 25MW 双抽机组 南汽 1 X 12MW 补汽纯凝机组 10 湖南耒阳综合利用发电厂 11 厦门瑞新发电厂 12 印尼三务岛 13 承德环保热电厂 14 印尼金光 15 天津玖珑纸业自备电厂 16 广州万利达纸业自备电厂 17 叙利亚 18 江西铜业自备电厂 19 迁安九江煤炭自备电厂 20 山东傅山热电厂 21 山东傅山热电厂 22 河北沙河天壕 南京科远自动化集团股份有限公司 8