孤网发供电技术研究与实践

邓造明

（中冶赛迪电气技术有限公司电力能源事业部，重庆 400013）

引言

大多数高耗能的钢铁和有色冶金企业都建设有自备电厂，部分企业受地域条件限制，比如当地没有外部电网或者当地外部电网比较薄弱容易发生故障，使得自备电厂内的发电机组需要孤网运行，或者需要短时脱网运行。甚至有些大型联合冶金企业或者工业园区，为了降低电力运行费用，提高经济效益，自主建设区域电网，减少或者不与外部电网连接，也使得自备电厂的发电机组需要孤网（或短时孤网）运行。

孤立电网运行的发电机组频率波动较大，甚至可能频率崩溃、全厂停电，造成严重的经济损失。因此，在用户侧出现大负荷波动及发电侧出现大的波动时，如何快速稳定孤网，保证孤网供电品质，保护设备和产品等免受重大损失具有较重要的意义［1］。

1 孤网的概念

孤网是指脱离大电网的小容量电网。最大单机容量大于电网总容量的8%的电网称为小网。孤立运行的小网称为孤网［2］。

短时孤网是指与外部电网联系弱，或者外部电网总容量不大且不够坚强，可能出现由于外部电网（联络线）故障自动跳闸等原因，造成发供电系统脱离外部电网短时（通常＜72 h）独立运行，待外部电网（联络线）恢复后，又重新并网运行的发供电系统。

发供电系统孤网运行时，发电机组的负荷变化如果不能和用户负荷平衡，将会直接反馈到电网频率上，对电网频率影响较大，使机组不能稳定运行。

2 孤网系统控制

冶金钢铁企业负荷波动大、随机性强，自备发电机组孤网运行时需要面对发电侧负荷冲击的风险、暂态稳定水平下降造成功角振荡的风险和发电机组失去厂用电的风险。因此孤网运行需要重点解决有功功率平衡、无功功率平衡、暂态稳定以及黑启动等问题。

孤网发供电系统的运行控制（调节任务），需由大网的负荷控制模式调整为频率控制模式。孤网运行时，网中各机组必需协调参与一次调频和二次调频［2］。

一次调频不能维持电网频率不变，而只是用于缓解电网频率的改变程度；二次调频采用手动或自动方式调节各机组的负荷（出力），并且根据需要配置并调节电负荷平衡装置，以平衡电网负荷的变化，消除一次调频留下的频率偏差，使得电网频率回到额定值。

孤网发供电系统设计、运行要安全可靠，主要有3条。

（1）工艺生产单元的负荷特性、全厂负荷平衡（含冲击负荷）的掌握，这是基础。

（2）锅炉和汽机系统的特性和调节能力，电负荷平衡辅助设备的配置，这是关键。

（3）结合工艺及生产的机网协调［1］稳定控制系统，这是手段。

对于锅炉和汽机系统一般要求锅炉配置PCV阀、发电机系统配置FCB功能，以保证发电机组能够甩负荷带厂用电运行，避免系统故障失去厂用电全黑。

对于短时孤网，设计上需要尽量考虑外部电源分散配置，避免同时故障；需要在并网点增配同期和解列装置，主动与外部电网进行并网、脱网运行切换；需要按照防孤网运行配置一、二次设备并考虑控制策略，以保证并网转孤网运行时，系统最大可能地平稳过渡，减少有功波动。

3 电负荷平衡装置

孤网系统中电负荷平衡装置的配置，目的就是平稳负荷波动，以减少发电机调节。

电负荷平衡装置的调节不通过频率控制，而是采集系统上所有负荷参数，通过电负荷装置自身控制系统对总负荷控制进行调节。总负荷降低时，自动投入电负荷装置；总负荷升高时，自动减少电负荷，以保证全厂总负荷恒定，从而保证发电机稳定运行。

汽轮发电机组和锅炉系统在强化功能后（比如汽机快速DEH，发电机高性能励磁，锅炉PCV装置等），在＜10%机组额度容量大小的负荷快速波动下，通过自身调节能力，系统短暂波动后能够稳定运行。对＞10%波动负荷的孤网系统，借助外部可快速投切的电辅助负荷（电负荷平衡装置）也能实现孤网稳定运行。电阻加热棒、电锅炉、储能装置等都属于电负荷平衡装置种类。图1为采用电辅助负荷对有功负荷进行调节的概念图。

图1 有功负荷调节概念图

图1 中P1为采用电阻加热棒等耗能类型的电平衡装置进行负荷平衡的目标值，按照最大负荷为目标，通过投、退电阻加热棒等耗能装置，来稳定总负荷。图中阴影面积为需要增加的能耗。图中P2为采用储能类型的电平衡装置进行负荷平衡目标值，按照平均负荷为控制目标，通过储能装置的“充电、放电”来恒定总负荷。图中实际负荷曲线与P2平均负荷线上下截面面积相等。

从能量回收角度看，储能是更好的解决方案，它不会额外增加能耗，并且随着电池储能技术的迅速发展，其安全可靠性和经济性在不断提高。

4 机网协调控制系统

机网协调［1］控制系统是根据《电力系统安全稳定导则》中提出的电力系统三道防线的概念，在传统大网各种调度、控制和保护核心功能基础上，根据孤网系统的特点进行筛选、补充、强化，形成适用于孤网系统的控制逻辑。

机网协调控制系统控制整个电网的各个电源、负荷以及其它相关设施，根据控制策略发出协调控制指令，联切联投（或通过FS控制调节）用户负荷、发电机（如控制煤气量达到控制出力）和其它辅助设施（如负荷平衡装置），维持电网稳定、经济运行。其运行模式（俗称的五道防线）如下。

（1）正常状态下（负荷波动＜5%）：电源侧与负荷侧保持发电和用电的平衡，机网协调系统合理控制并分配孤网系统的有功和无功负荷，保证孤网系统频率波动＜0.2 Hz，电压波动＜2%。

（2）小负荷冲击（5%～15%）：由电平衡装置和负荷管理系统进行平衡，减少负荷冲击的速度，保证孤网系统频率波动＜0.5 Hz，电压波动＜5%。

（3）大负荷冲击（15%～30%）：超过电负荷平衡系统（调节）容量，机网协调系统（包括稳控自动装置，基于频率和电压的偏差动作的低频低压减载作为后备保护）通过联切用电负荷、快关调门，保证孤网系统频率波动＜1 Hz，电压波动＜10%。

（4）超大负荷冲击：对于超出发电机组容量30%的更大规模的负荷冲击，包括线路故障、电源点故障等，负荷冲击的规模超出了机组正常调节的能力，不能通过正常的调节手段来维持孤网系统的稳定，而必须采用OPC快关调门和快切负荷的方式来维持稳定；需要配置FCB、高压EH油系统、锅炉PCV阀等，保证发电机组甩负荷带厂用电运行，避免孤网发供电系统崩溃全黑情况的发生。

（5）停机停炉厂用电全失：重大故障造成系统全黑、厂用电全失时，需要配置柴油发电机和直流事故油泵等安保设施，保证汽轮发电机和锅炉的安全停机退出运行，以及故障排除后重新黑启动。

机网协调控制系统功能包括：自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC）、功角测量和特殊控制（SPS）、低频低压减载（UFLS）、远动通讯（RTU）等，同时还包括了机组寿命优化、功角/功率因数调平、生产负荷管理系统（DMS）等特殊功能。

5 案例分析

某海外工业园区电网，系统电压等级150 kV、35 kV、10 kV共三级，发电机总装机规模约2 500 MW，其中9台100～350 MW发电机以150 kV电压接网，4台65 MW发电机以35 kV电压接网，另外3台25 MW及以下容量发电机以10 kV电压就近接网。

单台最大发电机容量占电网总容量14%，该区域电网独立运行，属于明显的孤网。

整个工业园区用电负荷约2 200 MW，共设置有6个150 kV变电站，主要工艺负荷为矿热炉、电解锰以及不锈钢热轧等。电网对全厂各工艺生产单元的负荷冲击统一治理，保证区域电网稳定运行。

对于不锈钢热轧单元，轧制周期约2 min，按照工艺轧制表计算，负荷每隔约2 min就有一次约80 MW的负荷波动，详见图2。这个频繁的负荷波动对园区区域电网有巨大的冲击，为平衡该负荷波动，前期采用60 MW电阻加热棒的形式消耗轧制间歇期的电网功率，但造成较大电能浪费。

图2 不锈钢热轧冲击负荷曲线图

近几年电池储能技术飞速发展，其可靠性和经济性不断提高，2020年园区改造引入锂电池储能系统，利用电池组储能密度高、储能效率高、循环寿命长、反复充放电性能特点［3］，在轧制间歇期吸收电网电能，轧制期释放电能，起到削峰填谷、平衡电网有功波动和节约电能目的。

电负荷平衡系统：锂电池配置容量55 MW/55 MWh，包括22台3 150 kVA变压器电池系统，分两大组，以2回35 kV线路通过不锈钢热轧厂内35 kV母线接入区域电网。每台500 kW储能变流器对应一组500 kWh磷酸铁锂电池，5台储能变流器交流侧直接并联后，接入一台35 kV/0.4 kV 3 150 kVA变压器。电负荷平衡系统详见图3。

6 结束语

孤网发供电技术是集电力系统区域电网技术、工艺生产控制技术、发电机控制技术、自动化控制技术、信息通信技术为一体的综合技术，是跨专业的系统技术创新，工业企业孤网发供电系统安全稳定运行，有利于提高企业的经济效益和社会效益。

图3 电池接入及系统框图

孤网发供电技术，特别是其中的机网协调控制技术，与电力电子技术、分布式发电生产技术结合，也可以为解决高比例分布式电源（光伏发电、风力发电、储能等）接入系统引起的系统波动提供解决思路；可以为企业智能配电网建设，为实现能源高效利用，为实现碳达峰、碳中和的“双碳”目标助力。