电力系统孤网运行动态特性试验
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2025-03-10
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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。
90
60
30
0
2 600
2 800
3 000
0
40
80
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/
MW
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
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]
Mt−Mg=
β
I
因为 P=M
ω
，也可以表示为
Pt−Pg=
β
I
ω
(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
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，
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，
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
摘要：
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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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