电力系统孤网运行动态特性试验

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第32 卷增刊 2 电网技术 Vol. 32 Supplement 2

2008 年12 月 Power System Technology Dec. 2008

文章编号：1000-3673（2008）S2-0078-04 中图分类号：TM71 文献标志码：A 学科代码：470·4054

电力系统孤网运行动态特性试验

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

（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。

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。

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。

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。

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。

2 600

2 800

3 000

120

0.0

0.3

0.6

0.9

0400 800 1 200 1 600 2 000

t/s

OPC 目标值

/MW

汽轮机转速/

(r/min)

发电机功率/

图1 孤网运行事故记录曲线

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。

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

。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]

Mt−Mg=

因为 P=M

，也可以表示为

Pt−Pg=

(1)

式中：Pt为汽轮机功率；Pg为发电机功率；

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；

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

ΣPt−ΣPg=

βω

ΣI (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，

=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，

>0，发

电机转速升高，电网频率升高；当ΣPt<ΣPg，

<0，

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

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

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]。

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。

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

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

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第32卷增刊2电网技术Vol.32Supplement22008年12月PowerSystemTechnologyDec.2008文章编号：1000-3673（2008）S2-0078-04中图分类号：TM71文献标志码：A学科代码：470·4054电力系统孤网运行动态特性试验周志平，孙新良，付晨鹏，刘恪（河南电力试验研究院，河南省郑州市450052）InsularPowerSystemDynamicCharacteristicExaminationResearchZHOUZhi-ping，SUNXin-liang，FUChen-peng，LIUKe（HenanElectricPowerRe...

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