关于孤网频率、电压问题研究及对应的解决措施
（水轮发电机与柴油发电机并网运行）
Solutions of Isolated Power Grid
黄晓斌 137********
（江苏苏美达机电有限公司国内事业部 210018）
摘要：孤网运行作为电力系统极端情况下的运行工况，对其进行研究具有特别重要的意义。本文结合在西藏昌都实际操作的12台1820KW柴油发电机组应急电源工程项目详细分析了孤网运行可能带来的频率、电压不稳定问题，,并对其原因进行了探讨，进而提出了相应的解决措施。最终运行情况表明了解决措施的有效性。
关键词：孤网运行；频率稳定；电压稳定；发电机组并网运行
1孤网的基本概念
文献[1]及电力建设规程规定，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荷时，不影响电网的正常运行。根据这一判据，最大单机容量小于总容量的8%的电网，即大电网，最大单机容量远远小于总容量的 8%的电网，即为无穷大电网。相比之下，最大单机容量大于电网总容量的8%的电网，即为小网。孤立运行的小网，即为孤网。文献[2]提出了一种基于电网故障甩负荷导致的电网高频问题的判据：如果某片电网具有单一故障下甩掉的负荷超过电网负荷的 8%（甩负荷率为8%）并具有形成孤立电网的可能，则认为这个电网也具有孤网特点。
简单来讲，孤网是指脱离大电网运行的小容量电网，孤网可分为以下几种情况：（1）网中有数台机组并列运行，单机与电网容量比超过 8%；（2）网中仅有一台机组供电，称为单机带负荷；
（3）甩负荷带厂用电，称为小岛运行工况，是单机带负荷的一种特例。孤网发生的瞬间，孤网内所有机组所发的上网功率和地区孤网内所有负荷所消耗的受电功率之间存在一定的功率差额，这个差额就是孤网不平衡功率ΔP。根据运行状态，孤网具体包括两种情况：一种是孤网不平衡功率等于零或者数值很小，网中机组可正常运行；另外一种孤网不平衡功率较大，主要表现在以下两个方面：一是上网功率比例过大（ΔP>0）导致孤网频率升高的问题；二是地区电网受电功率过大（ΔP<0）导致孤网频率、电压降低的问题。
2案例工程特点
昌都电网未与国家电网连接，脱离大电网，实为集发供为一体的区域性孤网。昌都地区主要电源有:
1.昌都电厂:4台单机容量2MW、
6.3KV水轮机组,实际出力直接受季节及上游河流水量大小的影响，水轮机型号：DJ-510-180，调试器型号：CT-40，发电机励磁方式：他励。机组并机运行升压35KV 输送到昌都中心变电站，由中心变电站降压到10KV I段 10KVII段给昌都城区供电。
2.金河电厂:4台单机容量15MW 6.3KV 水轮机组（实际出力直接受季节及上游河流水量大小的影响，水轮机型号：
HID307-LJ-130，调试器型号：
WBZT-5000-40，发电机励磁方式：自并励静止励磁系统。机组并网运行升压110KV 后输送到昌都中心变电站，由中心变电站输送到各35KV变电站,经10KV/400V给昌都城区供电及周边县、乡、镇供电。如图1所示
。图1 昌都电网系统图
3.柴油发电机组应急电源:12台额定功率1.82MW，10KV柴油发电机组（用于秋冬季枯水期应急供电），12台机组共分为3组，每4台机组并机为1组，1#～4#机组并网后升压35KV到中心变电站为35KV I 段；5#～8#机组并网后升压35KV到中心变电站为35KV II段；9#～12#机组并网后10KV到中心变电站为10KV I段,如图2所示。
图2应急电源系统图3孤网常见故障及原因分析
3.1 孤网常见故障分析
在分析孤网中常见故障之前，先简单介绍不同发电机类型的特点：
1.水轮发电机组:它的容量和转速的变化范围很大，调度中心调度功率的灵活性较差，转速变化范围大，调速反应慢；可控硅调压速度开，精度比电子调压差。
2.柴油发电机组：调速反应灵敏，精度高（共轨电喷 ADEC调速）；调压器电子调压（ABB，UN1010）调压精度高，但与可控硅调压相比略慢。
当水轮发电机组和柴油发电机组并网运行，电网突加负载时，柴油发电机组的机组吸收，导致柴油发电机组过载跳闸。由于昌都电网主要以水轮机发电，受季节变化及上游河流量变化，电网电压和频率波动范围大，稳定性差，柴油发电机组并网后频率、电压、功率波动较大，从而导致柴油发电机组带大负荷时易跳闸，柴油机跳闸导致水轮过载跳闸，使整个电网崩溃，产生严重后果。
昌都水泥厂球磨机启动时对电网产生较强的冲击，使电网电压、频率、功率瞬间振荡，从而导致柴油发电机组瞬间过频、过压跳闸。柴油机跳闸导致水轮过载跳闸，使整个电网崩溃，产生严重后果。
水轮机组突发故障检修时，剩余水轮机组与柴油发电机组分配功率时，使电网电压、频率、功率瞬间振荡从而导致柴油发电机组瞬间过频、过压跳闸。柴油机跳闸导致水轮过载跳闸，使整个电网崩溃，产生严重后果。
3.2 孤网常见故障原因分析
表1对水轮发电机的日常发电状况进行了分析，由表1可以看出昌都功率负荷变化情况，比较突出的特点：每天有“三高”，早高、中高、晚高。
表1 水轮发电机的日常发电状况统计表
3.2.1昌都电网频率变化
当电网频率只允许偏移±0.2Hz 时，由表2可知此时不合格率在50%左右，合格比在60%左右；当电网频率只允许偏移±0.5Hz 时，由表2可知不合格比在4%左右，合格比
在96%左右；若电网频率允许偏移±1.0Hz
时，由表2可知不合格比在0.06左右，合格比在99.99%。
表2 电网频率时报表
3.2.2昌都电网电压变化
在各项数据资料及咨询运行班组的记录，
相电压变化范围在9.3kV-10.5kV 之间。
图5
4 孤网运行解决方案
在对孤网混合机组的分析及机组调试和试运行过程中，根据各项分析及实施方案并结合现场实际，从以下5个方面重点突破。
4.1调频设置及频率保护
由于孤网运行，运行人员关注的问题不再是负荷调整，而是调整孤网的频率。 柴油发电机组与水轮发电机组并网运行中，柴油发电机组的调速系统的灵敏比水轮机的调速系统的灵敏度高许多，因此在负荷变化及负荷突变时，柴油发电机组的负荷分担比将高于水轮发电机组，（如：两人挑水，当遇到变化时，反应灵敏的将承受大负荷），从而导致柴油发电机组带大负荷时易跳闸。要解决这种情况，首先要将发动机的Droop 打开，设置±4%，通过打
开设置Droop 来调整频率的变化率，它可以跟随负载的变化调整频率，从而调整功率。
通过昌都电网的频率日变化率分析得出波动范围在±1%，因此在柴油发电机组控制器的频率设置选项，选择模拟量调整范围49HZ-51HZ ；同时调整机组频率为50.5HZ ，并网后为50.0HZ,调整控制器微分调频调整范围在±1HZ.
设置孤网运行低频保护装置，其动作值整定为47 Hz 延时5 s 跳机。
4.2 特殊设置电压调整
电压保证对孤立电网非常重要，要求发电机的励磁响应要快，而且因为所带负荷启动频繁，启动功率大，还要考虑强励顶值问题。针对这些因素，同时在调试时，
要与厂家调试人员认真研究，要针对孤网或单机运行情况对各PID(比例-积分一微分)参数特殊设置。通常发电机设置droop-2.5%，设置10.5kV线电压调整范围9.3-10.5KV,模拟量电压微分调整范围应在±500V。
4.3 逆功保护范围设置
发电机的逆功率保护功能是防止原动机失去动力，当功率方向发生改变后，发电机就变成了电动机，这样由于原动机的转速非常快，受到这里的功率变换后会在原动机上产生一个反向力矩，将损坏原动机。
逆功率运行时发电机就成了电动机，长时间逆功率运行就有可能造成绕组烧毁，因此，在一般情况下，发电机不允许长时间逆功率运行。
当逆功率达到一定值时，发电机组的逆功保护要求动作，动作于发信号或动作于跳闸，来限制发电机逆功率的大小。一般逆功保护设定值是额定有功功率的5%-15%左右。
孤网运行易产生逆功率，因此逆功保护设定值是额定有功功率的10%，时间整定为2s。动作为机组对应出线柜开关跳闸，从而保护发电机安全运行。如图6所示的逆功保护逻辑
。图6
4.4加/减负载传输时间和负载延时设置
孤网运行时为保证系统的稳定运行，我们考虑对柴油发电机组加/减负载传输时间和负载延时设置（Load Delay），通过对加/减负载投入比%/s；及负载投入时间设置，如突加1000KW,我们设定为10%/s，负载投入时设置1s，预计加载时间在20s 完成。通过载投入延时，由图7可以看出加/减负载时是阶梯式平稳的，从而减小对系统的冲击，保证系统的稳定运行。
图7
4.5瞬间过载伪停机设置(Generator Transient Delay)
孤网运行中经常会出现瞬间故障，导致瞬间过载、过压、过频、过流报警，这也是我们通常所说的伪停机信号，为了避免它所带来的误报警导致对电网的冲击，我们应将 (Generator Transient Delay)设定瞬间0.5-2S，避开伪停机信号。
5调整后的效果
5.1水轮发电机组和柴油发电机组并网运行，电网突加负载时，通过发动机Droop 匹配突加曲线，解决了突加负载瞬间都有柴油发电机组吸收从而导致过载停机问题，保证了整个电网稳定运行。
5.2解决了因昌都电网电压和频率波动范围大，稳定性差，柴油发电机组并网后频率、电压、功率波动较大，导致柴油发电机组带大负荷时易跳闸的问题，保证了整个电网稳定运行。
5.3解决了因昌都水泥厂球磨机启动时对电网冲击，使电网电压、频率、功率瞬间振荡，从而导致柴油发电机组瞬间过频、过压跳闸的问题，保证了整个电网稳定运行。
5.4解决了水轮机组突发故障检修时，剩余水轮机组与柴油发电机组分配功率时，使电网电压、频率、功率瞬间振荡从而导致柴油发电机组瞬间过频、过压跳闸的问题，保证了整个电网稳定运行。
5.5柴油发电机组与水轮发电机组并网稳定运行，提高了调度中心调度功率的灵活性。解决了只有水轮机组发电时调度功率灵活性较差的问题。
6小结
孤网运行会带来频率、电压不稳定的问题，这对电网的安全稳定运行带来了隐患。通过（就是上面的5条解决措施）可以有效解决孤网运行带来的问题，这对保证孤网的可靠运行具有重要的意义。
参考文献
[1] 张健铭，毕天姝，刘辉等.孤网运行与频率稳定研究综述[J].电力系统保护与控制，2011,39(11):149-154.
[2] 张静.DEH系统孤网运行控制系技术解决方案[J].热力透平,2009,38(1):65-67.
[3] 王一振，马世英，王青等.电力系统孤网高频问题研究现状和发展趋势[J].电网技术，2012,36(12):165-169.