电力系统孤网运行动态特性试验

ΣPt−ΣPg=βωΣI
(2)
式中：ΣPt 为汽轮机功率之和；ΣPg 为发电机功率之
和；ΣI 为发电机组转子转动惯量之和。
在平衡工况下，ΣPt=ΣPg，β=0，发电机转速不
变，电网频率不变。在孤网与大网解列的瞬间，ΣPg
突然减少或增加，ΣPt 不变。当ΣPt>ΣPg，β>0，发
电机转速升高，电网频率升高；当ΣPt<ΣPg，β<0，
3 孤网运行的控制策略
3.1 自动识别孤网运行的判据 当发生孤网运行时，孤网频率变化较大，机组
根据电网频率(或者转速)信息、并网断路器的状态 自动判断是否孤网运行。在并网开关闭合时，当汽 轮机转速小于 2 940 r/min 或大于 3 060 r/min，自动 启动孤网运行控制策略。 3.2 改变目标负荷
第 32 卷 增刊 2 2008 年 12 月
文章编号：1000-3673（2008）S2-0078-04
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM71 文献标志码：A
Vol. 32 Supplement 2 Dec. 2008
学科代码：470·4054
电力系统孤网运行动态特性试验
(proportion integral differential，PID)调频回路自动
投入，由于 PID 调频有积分功能，可以将电网频率 自动调整到 50 Hz。调频控制回路如图 2 所示。
+ 目标负荷+ K
PID
+ + 负荷给定
X1 dn
目标转速 + 3000 − 机组转速
图 2 孤网运行调频控制回路
1 孤网运行时存在的问题
以往发生孤网运行的机组多是以 110 kV 电压 并网的 135 MW 汽轮机，当 110 kV 线路与主网脱开 后，这些机组常出现 OPC 反复动作，发电机转速、 功率周期性振荡。发电机组孤网运行后事故记录曲
线如图 1 所示。
MW
(r/min)
目标值 汽轮机转速/ 发电机功率/
由于一次调频为有差调节，电网频率不能回到 额定值，需要改变目标负荷才能消除频率偏差，这 种作用称为二次调频。目标负荷的改变一般由人工 完成[14]。 2.4 发电机组的超速保护功能
为防止机组超速损坏，所有机组都有超速停机 保护，当转速达到保护定值，保护机构动作，全关 主汽门和调节汽门。超速停机保护动作后，机组停 止运行，机组与电网解列，转速降低后汽门也不会 自动开启，重新启动机组需要较长时间。超速停机 保护定值一般为 3 270~3 300 r/min[15]。
国内有多家单位对孤网运行问题进行过研 究[1-11]，对单台机组进行甩负荷带厂用电模拟孤网 运行试验[3]，但未进行过多台机组的实际孤网运行 试验。文献[3]研究了在 1 台 135 MW 机组进行甩 40 MW 负荷带厂用电试验，在整个甩负荷过程中， 过速保护控制器(overspeed protection controller， OPC)动作 2 次，频率波动 8 次，转速峰值 3 248 r/min， 谷值 2 964 r/min，过渡过程时间 4 min；以正交试验 法对调频参数进行优选，峰值转速为 3225~ 3 234 r/min，过渡时间为 92~230 s。试验结果虽能使 转速稳定，但动态超调量偏大。
为抑制转速升高，而超速停机保护不动作，在 汽轮机电液调节控制回路中，设有 OPC 控制回路， 当转速超过 3 090 r/min，OPC 动作，全关调节汽门， 转速低于 3 060 r/min，OPC 复位，调节汽门又重新 开启[15]。 2.5 转速振荡原因分析
孤网运行时如果存在不平衡功率就会引起发 电机组转速变化。由于一次调频为有差调节，各不 平衡功率对应一个稳定转速。如果转速不等率为 5%，不平衡功率为 60%额定负荷，对应的稳定转速 为 3 090 r/min，这时 OPC 将反复动作。也就是说不 平衡功率大于 60%，机组根本无法运行。实际上由 于调节系统存在迟缓，动态过程转速是稳定转速的 2~3 倍，在较小的不平衡功率下，也会造成 OPC 反 复动作，出现调节系统振荡现象。因为振荡被激发， 这时人工改变目标负荷，很难使转速振荡消失。
2 孤网运行转速振荡原因分析
2.1 发电机转子运动规律 单台发电机组运行时转子上的力矩有 3 个：汽
轮机的主力矩 Mt；发电机的反力矩 Mg；摩擦力矩 Mf。当 3 个力矩不平衡时，将使转子产生角加(减) 速度β。由于摩擦力矩与原动机的主力矩、发电机 的反力矩相比很小，可以略去不计，根据牛顿第二 定律，转子的运动方程式为[12]
周志平，孙新良，付晨鹏，刘恪
（河南电力试验研究院，河南省 郑州市 450052）
Insular Power System Dynamic Characteristic Examination Research
ZHOU Zhi-ping，SUN Xin-liang，FU Chen-peng，LIU Ke
控制方式下，实际负荷与目标负荷不完全相同，需
要事先确定目标负荷与实际负荷之间的关系，并根
据主汽压力进行修正。
3.3 改变 OPC 动作转速
启动孤网运行控制策略后，自动将 OPC 转速
设置为 3 180 r/min，避免 OPC 频繁动作导致转速振
荡发生。
3.4 启动 PID 调频功能
启动孤网运行控制策略后，比例–积分–微分
பைடு நூலகம்
定控制策略投入。断开发电机主开关带厂用电模拟
孤网运行，以主开关断开前 1 s 时间为 0，图 4 为试
验记录曲线。
高缸调门 负荷给 汽轮机转 发电机功率/ 开度/% 定值/MW 速/ (kr/min) MW
60 40 20 0
3.18 3.12 3.06 3.00 2.94 160 120
80 40 0 60
90 60 30 0
3 000
2 800
2 600 120 80 40 0 0.9 0.6 0.3 0.0 0
图1
400 800 1 200 1 600 t/s
孤网运行事故记录曲线
2 000
/MW
OPC
第 32 卷 增刊 2
电网技术
79
从图中可以看出，孤网运行后 OPC 反复动作， 转速在 3 000~3 100 r/min 之间波动，发电机功率也 发生大幅度变化。即便人工改变目标负荷，转速振 荡亦不能停止，发电机组被迫与电网解列，造成电 网停电事故。
（Henan Electric Power Research Institute，Zhengzhou 450052，Henan Province，China）
摘要：为使孤网安全可靠运行，分析了孤网振荡原因，制定 了孤网运行控制策略，先在单台机组上进行甩负荷带厂用电 模拟孤网运行试验，优化参数并验证控制策略的正确性，然 后在 2 台机组上进行实际孤网运行试验。试验结果表明，在 孤立电网存在较大不平衡功率时，机组进入孤网运行后快速 稳定，动态超调量较小，采用的孤网运行控制策略简便易行、 动作可靠，适用于有可能出现孤网运行的各种类型发电机组。
发电机转速降低，电网频率降低。
2.2 发电机组的一次调频功能 所有发电机组都应具备一次调频功能，电网频
率变化后，汽轮机功率相应进行自动调整，减小电
网频率的变化幅度。这种特性称为发电机组或电源
的静态频率特性[13-14]
Kg=(ΔPg/ΣPg0)/(Δf/f0)
(3)
式中：ΣPg0 为发电机额定功率之和；Kg 等于速度不
40
20
0 0
10 20
30
40
50
t/s
图 4 豫新 2 号机组模拟孤网运行试验记录曲线
机组负荷从 36.4 MW 甩至 2.9 MW，不平衡功率
33.5 MW。甩负荷 1.81 s 后转速最高升至 3 134 r/min
(52.24 Hz)，然后开始下降，下降至 2 987 r/min 又上
机组带 40MW 负荷运行，一次调频死区设置为 ±12 r/min，转速不等率为 4.14%；孤网稳定控制策略 投入。断开发电机主开关带厂用电模拟孤网运行，以 主开关断开前 1 s 时间为 0，图 3 为试验记录曲线。
机组负荷从 39.8 MW 甩至 4.7 MW，不平衡功率 为 35.1 MW，甩负荷 1.84 s 后转速最高升至 3 142 r/min (52.37 Hz)，然后开始下降，下降至 2 997 r/min 又上 升到 3 042 r/min，最后稳定在 3 000 r/min。 4.3 豫新 2 号机组模拟孤网运行试验
启动孤网运行控制策略后，根据当时功率计算 出目标负荷代替原有目标负荷，确定正确的调节目 标，加快调节速度，减小转速超调量。由于在阀位
80
周志平等：电力系统孤网运行动态特性试验
Vol. 32 Supplement 2
高缸调门 负荷给 汽轮机转 发电机功率/ 开度/% 定值/MW 速/ (kr/min) MW
3.5 自动退出孤网控制策略 当转速稳定在 2 990~3 010 r/min 超过 30 s，孤
网运行控制策略自动退出，OPC 动作转速恢复原来 值，PID 调频功能退出。
4 单台机组模拟孤网运行试验
4.1 试验方法 DEH 有 2 个控制回路，主开关闭合时工作在功
率回路，主开关断开时工作在转速回路。为模拟孤 网运行状态，甩负荷前将主开关跳闸到 DEH 控制 柜的开关信号短接，使 DEH 控制柜收到的信号恒 为主开关闭合状态，甩负荷后 DEH 仍工作在功率 回路并带厂用电运行。转速稳定后将厂用电切换到 启备变运行，然后恢复主开关跳闸至 DEH 信号。 4.2 豫新 1 号机组模拟孤网运行试验
2 号机组带 40 MW 负荷运行，一次调频死区设
60
40
20
0 3.18 3.12 3.06 3.00 2.94 160 120
80 40 0 120
90
60
30
0 0
10 20
30 40 50
t/s
图 3 豫新 1 号机组模拟孤网运行试验记录曲线
置为±12 r/min，转速不等率设置为 4.14%；孤网稳
等率的倒数，如果速度不等率为 5%，Kg=20，若负
荷变化 10%，电网频率变化 0.5%(0.25 Hz)；若负荷
变化 60%，电网频率变化 3%(1.5 Hz)。
以上是静态频率特性，由于调节系统的动作存
在滞后现象，其动态频率变化要大许多，特别在功 率平衡差额较大突然发生孤网运行时，动态过程转 速变化更大。 2.3 发电机组的二次调频功能
关键词：孤立电网；一次调频；二次调频
0 引言
在电网主网架结构中，较低电压等级的地区电 网有可能出现孤网运行状态。在以 220 kV 线路为主 网架时，孤网运行多发生在 110 kV 接有发电机组的 系统[1-11]。随着主网架电压的升高，出现孤网运行 的电压等级也在升高。在以 500 kV 线路为主网架 时，220 kV 接有发电机组的系统也会出现孤网运行 状态。电压等级越高，影响的地区范围越大。当电 网发生振荡时，为防止事故扩大，需将大电网分成 若干地区电网运行，这时的地区电网处于孤网运行 状态，因此研究孤网运行的特性，提高孤网运行的 安全可靠性，对电力安全生产具有重要意义。
Mt−Mg=βI 因为 P=Mω，也可以表示为
Pt−Pg=βIω
(1)
式中：Pt 为汽轮机功率；Pg 为发电机功率；β为发
电机转子的角加速度；I 为汽轮机及发电机转子转
动惯量；ω为发电机转速或电网频率。
对于多台发电机组并列运行，同步运行状况
下，各台发电机转子转速和加速度相同，将所有发
电机组等效为 1 台发电机组，其转子运动方程式可 表示为
豫新 2 台 135 MW 机组孤网运行后电网频率、 功率大幅度连续振荡，造成机组全停和地区电网失 电事故。为使孤立电网安全可靠运行，避免同类事 故再次发生，本文针对孤网运行存在的问题进行分 析，制定了孤网运行控制策略，在 2 台 135 MW 机 组上分别进行甩 40 MW 负荷带厂用电试验，甩负 荷后 OPC 未动作，频率波动 3~4 次，转速峰值 3 134~ 3 142 r/min，谷值 2 987~2 997 r/min，过渡时间 30 s。 2 台机组进行实际孤网运行试验，在 53 MW 不平衡 功率下，进入孤网运行后 OPC 未动作，转速峰值 3 093 r/min，谷值 3 000r/min，波动 2 次，过渡时间 20 s。孤网运行时动态特性良好，可以使电网和发 电机组连续可靠运行。