索拉機組與外網并網控制模式研究

楊超++馮愛民

【摘 要】美國索拉公司生產的輕型天然氣發電機組具有布置靈活方便、發電性能穩定、控制技術先進，使得中石油各地方油田野外作業區都有較多的應用。隨著國家電力事業的不斷發展和完善，油田電網與地方電網的聯網運行將是一種必然的結果。本文主要是在總結油田各電站在與地方電網并網運行過程中出現的一些問題，特別是對索拉機組控制模式的選擇對并網成功與否和并網后機組運行的穩定性進行了深入研究和分析。針對油田各電站的不同狀況，經過不斷的總結和試驗，系統行的提出了解決方案，并成功應用于實際運行當中，解決了長期困擾索拉機組并網成功率低、并網過程中系統脆弱的難題。

【關鍵詞】索拉 并網 控制

1 前言

美國索拉公司在中國輕型天然氣發電機組中占有重要的市場份額，僅塔里木油田就有塔西南、輪南、克拉2、塔中、英買力5個電站24臺機組。同時隨著國家電力事業的發展和考慮電網的安全可靠性，各地方和企業電網聯網運行是一種必然的趨勢。

各電站在與地方電網并網運行過程中，出現了一些問題，特別是索拉機組控制模式的選擇對并網成功與否和并網后機組運行的穩定性都值得我們去深入研究和分析。

2 索拉機組控制模式概述

電網的重要指標是頻率和電壓，而電網的頻率和電壓主要是由機組的頻率和電壓來決定的，當一個電網的有功功率和無功功率恒定不變時，電網的頻率和電壓是否穩定主要是由電網中機組的有功功率控制模式和無功功率控制模式來決定，機組之間的有功和無功分配由機組的轉速和電壓來決定。當機組與電網并網運行時均要設置合適的有功和無功控制模式以保證電網的穩定。索拉機組有功控制模式包括：速度有差、速度無差、有功功率鎖定。無功控制模式包括：電壓無差、電壓有差。另外考慮電網中的功率因數穩定還設有功率因數鎖定控制模式。索拉公司提供給用戶的多種模式，可滿足索拉機組與不同的電網連接時的選擇。一般機組與電網并列運行時，電壓控制模式均是選擇電壓有差運行，在此不做更多的討論。

2.1 速度無差控制：（見圖1）

當機組所帶負載發生變化時，機組的頻率（轉速）不發生變化。

2.2 速度有差控制：（見圖2）

當機組所帶負載發生變化時，機組的頻率（轉速）發生變化。

2.3 有功功率鎖定：（見圖3）

機組在電網中保證所帶有功功率不發生變化，但機組的頻率（轉速）發生變化。

2.4 功率因數鎖定：（見圖4）

機組在電網中保證所帶有功功率不發生變化，但機組的頻率（轉速）發生變化。

3 索拉機組與外網并網控制模式選擇實際應用分析

3.1 索拉公司推薦的與外網并網發電機控制模式

如圖5所示由索拉燃機構成的本地網通過一個主斷路器（MCB）與外網相連。索拉燃機將MCB的分合信號引入控制程序，以判斷是否與外網相連。當MCB閉合時，燃機判斷本地網已和外網相連，發電機控制模式將自動從速度無差控制轉為有功鎖定和功率因數鎖定，燃機負荷不因外網負荷變化而變化。當MCB斷開時，燃機判斷本地網已和外網解列，發電機控制模式將從有功鎖定和功率因數鎖定自動切換到速度無差控制，燃機將承載本地網所有負荷。

索拉公司推薦的與外網并網運行時機組控制模式：速度無差控制、電壓有差控制、功率因數鎖定、有功鎖定。

3.2 油田電網與外網并網分析

3.2.1 克拉2采用標準控制模式與外網并網出現的問題：（見圖6）

從標準程序中可以看出：有功控制的條件是：1001開關閉合；發電機斷器閉合；速成控制在無差，運行人員啟用有功控制。從克拉2與外網的連接示意圖可以看出：當外網與本地網接口的聯絡斷路器19943因故斷開后，而MCB1001卻沒有斷開，燃機仍然判斷本地網與外網相連，發電機控制模式不會切換到無差控制，而依然工作在有功與功率因數鎖定下，從而直接導致本地網電壓與頻率的波動，而由于燃機負荷設定值和當時本地實際負荷相差甚遠，嚴重的將會造成發電機高頻或低頻保護動作。（2007年克克1994線路曾因雷擊而造成19943斷路器跳閘兩次，而1001（MCB）卻都沒有動作。）

3.2.2 塔西南和輪南索拉機組控制模式分析：（見圖7）

索拉公司推薦的機組與外網并網標準控制模式在理論上沒有錯誤，但是在實際應用中存在問題。塔西南電網與輪南電網均是通過出線聯絡柜與地方電網并網，輪南二期項目完工時，對索拉機組的速度有差和無差模式進行了測試，按照6臺索拉機組有差和無差模式與2×8000電站機組并網運行，然后進行甩負荷試驗，以驗證索拉機組在速度有差和無差的情況下在電網發生波動時的穩定性。以下為輪南電站4#機組在有差和無差模式下的試驗數據。

見圖8、圖9：塔西南索拉機組也曾做過機組在有差和無差模式下的甩負荷試驗，得到的數據大致同輪南電站相同。經過對數據的仔細分析和研究，得出如下結論。

（1）索拉機組在無差控制模式下，機組接負荷的動態過程功率變化量大，功率超調量大，T5溫度溫升率高，容易發生機組超溫。但機組的頻率基本保持不變。

（2）索拉機組在有差控制模式下，機組接負荷的動態過程功率變化量小，功率超調量小，T5溫度溫升率小，利于機組在電網突變的情況下功率平穩過渡，系統功率控制穩定。但機組的頻率需要二次調頻。

（3）由于索拉機組在有差控制模式下，機組負荷特性比較平緩，超調量小，機組容易穩定，負荷分配合理，同時根據塔西南電網和輪南電網在日負荷曲線變化不大，因而有差控制模式下的頻率變化也不大，從維持電力系統穩定性和電網可靠性出發，塔西南電網和輪南電網的索拉機組均采用速度有差控制模式。

3.2.3 克拉2與外網并網問題解決

將克拉2發電機控制模式改為：速度有差控制、電壓有差控制、關閉功率因數控制、關閉有功功率控制。改變后發電機控制模式后與外網多次并網操作失敗，原因是發電機出線開關柜逆功率保護動作。檢查發電機保護和機組控制程序，如圖10發現機組的調差系數=設定最大調差系數×（燃機所帶負荷÷燃機額定負荷）÷100，由于并網瞬間機組所帶負荷為零，因此克拉2半人馬40機組在并網瞬間的調差

系數=設定最大調差系數×（0÷燃機額定負荷）÷100=0，雖然并網前設定機組控制模式為速度有差控制，但實際在并網瞬間工作在速度無差位。燃機在與外網并網瞬間，由于無法確定所分擔負荷，造成大幅度的調整負荷，直接造成發電機開關柜逆功保護動作。

經過多次實驗，發現按索拉推薦的發電機控制模式（速度無差、電壓有差、有功功率鎖定、功率因數鎖定）進行并網，并網成功后，直接將速度有差/無差開關從“無差”位轉為“有差”位（有功鎖定自動解除）。采用這種模式后，克拉2并網問題得到解決。

克拉2在與外網并網運行過程中，有功和無功受外網負荷波動影響而造成功率因數大幅波動，有時會超過“1.0”，這不僅不利于燃機的平穩運行，也大大增加操作人員的勞動強度和操作風險。克拉作業區最大電機110KW，全部運行的電機不超過50臺，無功負荷很低；以及外網對無功的影響，波動范圍不超過500KVAR，因而決定采用和外網并網有功不鎖定，功率因數鎖定在0.9的并網模式。

3.3 研究成果

分析了克拉2、輪南、塔西南這三個電站與外網并網時索拉機組控制模式的選擇以及在與外網并網運行中的一些實際問題，得出以下結論。

（1）索拉公司推薦的速度無差、電壓有差、功率因數鎖定、有功功率鎖定這種發電機控制模式不適用于油田各電站。

（2）確定發電機控制模式為速度有差控制、電壓有差控制，關閉有功功率鎖定。功率因數鎖定適用于機組較小，本地網容量較小的電站。

（3）當功率較小的機組與外網并網時，可采取速度無差、電壓有差、功率因數鎖定、有功功率鎖定模式并網后再切換至速度有差、電壓有差、功率因數鎖定控制模式。

（4）在目前各電站與外網連接，主要由外網給油田電站承擔負荷，而油田電站不給外網承擔負荷的情況下，外網所帶負荷不要超過本地網單臺機組負荷，以保證聯絡柜出現問題時本地網能夠承接負荷，同時在本地網與外網的聯絡柜加裝功率方向保護，以免外網故障影響到本地網。在本地網給外網帶負荷時，考慮加裝功率限定保護，以保證本地網的安全性。

4 成果的經濟效益和社會效益

通過對塔西南、克拉2、輪南等塔里木油田公司電站索拉機組與外網并網控制模式的研究，保證各電站索拉機組能夠順利與外網并網，同時平穩運行。提高了了油田電網的安全性，為油氣生產和生活用電提供了良好的保障，創造了良好的經濟效益和社會效益。