中国葛洲坝集团电力有限责任公司武汉设计院 湖北武汉 430034
摘要：本文结合冶炼类企业发电厂孤网系统的特点和安全稳定运行需注意的问题，主要分析了冶炼类企业发电厂的负荷特性、运行工况、控制措施、系统控制等重要环节。通过设计实施完善的继电保护和控制方案，在保证孤网运行安全稳定的前提下满足冶炼企业生产工艺需求。
关键词：孤网系统；控制措施；系统控制
1概述
随着国内各行业的“走出去”和“一带一路”战略的贯彻落实，国内工矿企业在海外投资建厂也逐渐增多，但由于海外项目所在地电力工业都比较薄弱，往往不能满足企业用电负荷的需求，所以一般要建设配套的自备电厂以满足电力负荷。国内的自备电厂往往与外部电网联网运行，而海外的自备电厂由于没有外部电网，所以只能孤网运行。为保证孤网运行自备电厂供电的可靠性，需在供配电方案设计中对这一运行模式进行深入的分析。
1.1孤网系统定义及分类
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。
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。
本文中探讨的冶炼企业发电厂为第（2）种情况，即网中仅一台机组为企业负荷供电。但本文中的孤网运行控制措施对其他类别的孤网也有一定实践指导意义。
1.2冶炼企业孤网运行目标
冶炼企业孤网运行的目标是冶炼厂及自备电站能独立运行，供电质量满足用电设备的需求，接近大电网的水平，具体要求如下：
（1）在孤网系统正常状况下，供电频率的偏差为±0.5Hz，这是发电机组能够长期运行的最大范围；在孤网系统非正常状况下，供电频率偏差不应超过±1.0Hz；在出现严重故障的情况下，孤网频率偏差不应导致孤网系统崩溃。
（2）在孤网系统正常状况下，用户受电端的供电电压偏差不超过额定值的10％；在出现短路等严重故障的情况下，孤网电压会出现大幅度的偏差，采取措施避免孤网崩溃。
（3）增加电负荷平衡装置与机网协调系统，提高孤网的可靠性。
2冶炼企业发电厂负荷特性
本文以某镍铁矿冶炼工程为例进行分析。
2.1镍铁矿热炉负荷特性
镍铁冶炼工艺中一般为连续加料（矿热炉顶布置多根加料管，每根料管设置阀门，阀门为间断打开）、间断放镍铁（间隔5小时放一次镍铁，每次放50~60分钟）、半连续放渣（每天放20小时）。矿热电炉是镍铁冶炼工艺中的主要用电设备。矿热电炉具有非线性、时变、多参量等特性。
综合阻抗由电炉变压器、电炉短网、炉内等三部分阻抗组成。其中变压器阻抗与有载开关档位有关；短网阻抗一般为一定值；炉内阻抗与原料成分（焙砂）、温度、布料情况、电极插入深度相关。
电炉变压器一次侧功率不稳定，出现经常性波动和负荷突变现象，且存在三相负荷不平衡，甚至缺相或短路等现象。
2.2镍铁矿热炉运行工况表
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3孤网系统运行风险分析
由以上矿热炉的负荷特性，不难发现，在正常运行时，冶炼电厂孤网运行系统在系统电压、频率、机组寿命等方面都存有风险。
1）频率与电压的变化：三相负荷频繁波动，导致孤网系统频率、电压也随之频繁变化。
2）发电机组寿命影响：负荷的频繁大幅度波动，使得孤网中的发电机组的调节频度和幅度都高于并网机组，发电机组的轴系的扭振也会加大。这此因素都会导致发电机组寿命损耗加速，进而影响孤网运行的安全性与经济性。
3）厂用电全停：孤网中的发电机组失去厂用电源的风险高于并网机组，因此发电机组的UPS电源、保安电源、润滑油系统和汽包紧急上水等确保发电机组安全停机的设备会经受更大的考验。
如果孤网运行系统的继电保护和安全稳定控制系统设计不完善，或者仅按照并网机组设计，则很容易导致上述风险的发生。
4孤网系统控制措施
结合冶炼厂的负荷特点以及已投产电厂运行过程中存在的问题，分别从电负荷平衡、励磁系统、FCB控制、黑启动柴油机与保安柴油机等方面，对该冶炼厂采取了以下继电保护和安全稳定控制方案：
1）电负荷平衡装置，由于电能无法储存，在孤网中的每个瞬间，发电量必须与用电量相平衡，否则就会造成频率的波动，引起孤网的动态稳定问题。因此在电厂配置电负荷平衡装置，在矿热炉负荷波动（或大功率甩负荷的情况下）时，通过电负荷平衡装置耗能电阻（装设于蓄水池）的投切，极大地缓冲了对汽轮发电机组的冲击。另一方面，建立负荷侧增减负荷允许信号，在负荷突变比例超限时，限制负荷侧的进一步变化，同时利用负荷管理平缓有功负荷的突变。实现这个功能需要在二次系统设计完善的控制保护逻辑，与调速系统和励磁系统建立快速的信号联系。
2）选用高性能发电机及励磁系统，发电机电液调节系统选用高性能的汽电液调节系统（含孤网运行模块、二次调频功能）。发电机励磁系统，要求高起始响应，调节速度快，运行可靠，能实现自动调节励磁系统、有电力系统稳定器（PSS）附加控制单元，应能够在输出额定有功和无功功率的情况下，长期稳定运行，并且能够在高负载的特殊运行方式下保持安全稳定。发电机出口电压跌到70％时，能维持电网运行ls，重要辅机具备上述低电压穿越能力。
3）汽轮发电机组应具备FCB能力：汽轮发电机组仅带厂用电的“孤岛运行”。FCB功能的核心是励磁系统、汽轮机调速系统和锅炉控制系统，应能够在100％负荷状态下，甩负荷带厂用电。如果FCB失败，孤网将全网失电，此种情况下，应尽快完成黑启动电源的切换，启动润滑油泵等安保设备，使得孤网机组安全停机。停机之后再进行黑启动恢复为适应孤岛运行的工况，机组设置两个同期点，发电机出口和主变高压侧断路。
4）应急柴油发电机组：当冶炼厂矿热炉处在生产极不稳定的时间段，充分利用柴油发电机组负荷调节的快速反应能力，稳定孤网系统。设置事故应急柴油发电机组，确定机炉能够安全停运。重点关注事故柴油发电机组的选型与自启动问题，需满足有关规程规范的要求。
5结语
由于孤网容量较小，发电机组旋转惯量储存的动能和锅炉群所具备的热力势能均较小，用电负荷的冲击，对于孤网的频率、电压冲击较大。发电机组一旦发生停机故障就会出现功率缺额，必须采用快速和可靠的保护策略实现负荷平衡。在大电网中，由调度中心进行负荷调度和频率、电压、功角控制，在孤网内部必须有相应的系统完成相应的功能，而且其性能应更优，能够承担更大的负荷冲击。
为了在上述条件下，实现孤网运行的安全目标，本文提出了4种解决措施：采用电负荷平衡装置、选用高性能发电机及励磁系统，采用带FCB能力的机组、设置应急柴油发电机组。在冶炼类企业孤网发电工程建设过程中采用以上措施，可较好的保障孤网运行的安全。文中控制措施对其他类型的孤网工程也有一定实践指导意义。