英布魯水電站與孤網運行

李力偉 閆國福 張澤太 胡 楠

1 剛果 (布)電網概述

剛果共和國(簡稱剛果(布))近年來電力供應緊張,英布魯電站的建成將有效提升剛果 (布)電網的供電能力。在英布魯電站投運前,剛果 (布)國家電網內主要電源包括:首都布拉柴維爾(Brazzaville)附近的朱埃(Djoue)水電廠 (2×7.5 MW),南方的穆谷古魯(Moukouloulou)水電廠(4×18.5 MW)及黑角(Pointe-Noire)天然氣電站(1×23.5 MW),電網內電源點裝機總容量為112.5 MW。1997年,在布拉柴維爾與黑角之間已建成1條最高電壓等級為220 kV的輸電線路,該線路在穆布諾(Mbouono)與剛果(金)電網相聯。另外,為實現穆谷古魯水電廠的送出,在該水電廠與明杜利(Mindouli)、布昂薩 (Bouenza)及魯迪馬(Loudlma)之間,建有110 kV的輸電線路。目前明杜里—杰蘭勃(Tsielampo)220 kV線路無法正常運行,全國電網解裂為南、北兩部分。其中南部電網以穆谷古魯水電廠及黑角天然氣電站為電源,主供黑角市負荷中心；但由于電源和電網結構很弱,而且供電距離又較遠,所以目前南部電網運行非常困難。北部電網以首都布拉柴維爾市為負荷中心,接入剛果(金)電網運行；但由于剛果(金)電源在200 km以外,電網結構不強,且供電負荷較重,電能經剛果(金)負荷中心金沙薩抽取后,再送到到布拉柴維爾時,質量也已經很差。剛果 (布)全國各主要城市均采用零散的小柴油發電機作為電網的備用供電電源。

在英布魯電站投入運行前,布拉柴維爾的用電主要依靠鄰國剛果(金)電網供應。由于剛果(金)本國也存在缺電等原因,剛果(金)可以供給剛果(布)的電力一般僅為40～50MW,最大不超過60 MW。

英布魯電站位于非洲剛果 (布)境內萊菲尼河上,是一座以發電為主的徑流式電站。電站裝有4臺機組,單機容量為30MW,總裝機容量為120 MW,多年平均發電量為6.815×108kW?h,年利用小時數為 5 679 h,保證出力為68 MW。英布魯電站在系統中擔負基荷,并能起調峰作用；原接入系統設計未對英布魯電站機組提出調相運行和參與系統調頻要求。英布魯電站投運后經雙回220 kV輸電線路接入新建的恩戈 (Ngo)變電站,電網同時新建了從歐依歐(Oyo)經恩戈、迪吉利(Dijiri)、到杰蘭勃的一回220 kV輸電線路。

2 孤網運行的概念

孤網是孤立電網的簡稱,一般泛指脫離大電網的小容量電網。我國規定電網中單機容量一般應小于電網總容量的8%,以保證當該機組發生甩負荷時,不影響電網的正常運行。如果電網中的機組調速系統都正常投入,一旦失去小于電網總容量的8%的1臺機組,電網失去的功率可以暫時由網中其他機組承擔,可以保證電網頻率下降不超過0.2 Hz,轉速下降不超過12 r/min,對供電質量的影響仍在運行規程規定范圍內；因此,一般情況下,稱最大單機容量小于電網總容量的8%的電網為大電網,反之稱之為小網,孤立運行的小網稱為孤網。

英布魯電站單機容量為30 MW,在剛果 (布)與剛果(金)電網聯網時,英布魯電站單機容量約占系統容量的12%,屬于小網運行。由于剛果 (金)國內也缺電嚴重,經剛果(金)電網輸送到剛果(布)的電能質量已較差；并且為避免電力供應受制于鄰國,因此,在英布魯電站建成后,剛果 (布)政府急于切斷兩國之間的電網聯絡線。當兩國電網之間的聯絡線斷開后,在英布魯電站所接入的剛果(布)北部電網中,其單機容量約占系統容量的25%左右,形成典型的孤網運行。

3 英布魯電站孤網運行的無功平衡條件

英布魯電站運行初期,特別是“金—布”聯絡線斷開后,無功功率的平衡問題直接影響英布魯電站在孤網中運行的穩定性。由于英布魯電站距離首都周邊負荷中心較遠,經長線路供電時的線路容性無功功率很大,僅靠機組自身的能力無法滿足系統無功功率平衡的需求,這就需要在系統的各個節點變電站內設置電抗器,用于補償線路的無功。

高壓線路的充電功率一般應補償到90%以上,但也要綜合考慮電源運行的經濟性和電網電壓的穩定性等問題。目前,剛果 (布)北部電網內主要變電站的電抗器配置情況如表1。

表1 剛果 (布)北部電網內主要變電站的電抗器配置

表1中線路的長度按接入該站線路的一半考慮,220 kV線路每千米充電功率按0.15 Mvar考慮,110 kV線路每千米充電功率按0.036 Mvar計算。220 kV歐依歐變電站和迪吉利變電站線路充電功率較小,分別設置15 Mvar和20 Mvar低壓電抗器,就可以滿足當地電網無功平衡的需要；220 kV恩戈變電站是電網的樞紐點,也是北部電網的主要電壓控制點,需投入高壓電抗器補償。

事實上,隨著英布魯電站的建成投運,為加強電網構架、實現剛果(布)國家電網的統一調度運行,明杜里-杰蘭勃之間的220 kV線路應盡快修復。根據剛果(布)南部、北部聯網后的參數,系統潮流計算提供了以下結論:由于剛果 (布)用電負荷集中在首都布拉柴維爾和黑角兩個城市,而英布魯電廠距離負荷中心較遠,所以造成北部電網電壓超出允許標準,需要在220 kV恩戈變電站投運80 Mvar高壓電抗器。當國家電網運行在小負荷方式時,還需要投入歐依歐、恩戈、迪吉利、杰蘭勃、明杜里、蒙戈康巴變電站的低壓電抗器,共計105 Mvar容量。當國家電網運行在大負荷方式時,除了投入恩戈變電站80 Mvar高壓電抗器外,還需要投運歐依歐、恩戈變電站的低壓電抗器共計30 Mvar容量,以及蒙戈康巴變電站需要投入10 Mvar低壓電容器補償。需要特別強調的是,在系統大負荷方式下,南、北聯網運行的剛果 (布)國家電網仍需要無功電源支撐,剛果 (金)電網需要向剛果 (布)輸送20～35 Mvar的無功功率；當與剛果 (金)的220 kV聯絡線斷開時,整個電網需要切除黑角地區約30Mvar負荷后,才能勉強維持電網在低電壓水平下運行。在以上無功補償方案下,英布魯水電站發電機和現有各電廠發電機功率因數均在允許的調節范圍之內,剛果 (布)220 kV電網正常電壓水平可滿足系統運行要求。

4 英布魯電站孤網運行的自勵磁振蕩判斷

在經英布魯電站機組對長距離輸電線路充電、以及系統繼電保護動作或誤操作等過程中,往往出現單機帶長線的情況,這時相當于發電機接入1個大電容Xc。由于同步電機電抗參數周期性的變化引起系統產生參數諧振,發電機電流與電壓將不受勵磁電流控制而迅速增長,此時發電機有發生自勵磁并導致過電壓的危險,必須采取措施來改變系統參數,破壞諧振條件,避免自勵磁的發生。

自勵磁分3個區域,第同步自勵Ⅰ磁區、第Ⅱ異步自勵磁區及第Ⅲ異步自勵磁區。同步自勵磁區由同步電抗Xd和Xq不等引起,只有水輪發電機和調相機才會產生。異步自勵磁由Xd′和Xq不等引起,任何同步電機都可能發生[1]。

發生自勵磁的判據如下(*號表示標么值):

根據系統內元件參數條件,考慮比較不利的運行工況,即:在未投入恩格變電站電抗器的情況下,由英布魯電站單臺機組向80 km線路(英布魯—恩戈)進行充電。經計算,此時架空線路的X*c=8.062 2,大于發電機和變壓器的總感抗為X*d=3.196,所以英布魯電站單機帶一回空載長線路時,發生自勵磁的3個區域的判據都不成立,英布魯電站發電機不會發生自勵磁現象。

需要特別指出的是:剛果(布)政府從政治等因素考慮,一直希望剛果(布)電網能夠脫開剛果(金)電網獨立運行,并要求英布魯電站機組進行孤網啟動試驗。此時,如果剛果(布)電網利用英布魯電站單機 (或多臺機組)給恩戈以外的變電站充電時,必須通過計算分析,確定各相關變電站電抗器投切數量,匹配線路無功,并重新分析判斷英布魯電站發電機發生自勵磁的條件。

5 孤網運行穩定要求

5.1 電壓穩定要求

一般而言,當發電機在大網中運行時,各發電機的自動調節勵磁系統(AVR)將根據系統所需的無功功率來調整其輸出的勵磁電流,以滿足電網無功的變化需求。無功負荷電流是造成發電機端電壓下降的主要原因；當勵磁電流不變時,發電機的端電壓將隨無功電流的增大而降低；因此,在孤網運行時,根據負荷端對電能質量的要求、以及廠用電系統對電壓穩定的要求,發電機的端電壓應基本保持不變。這就要求發電機組在孤網運行時,應投入勵磁系統AVR的自動電壓控制功能,使發電機的勵磁電流隨系統無功電流的變化而調節,從而保持發電機端電壓的相對穩定。

應該指出的是:當機組運行在孤網時,電網無功電流的變化必須小于發電機勵磁系統AVR的調節范圍,否則電網電壓將無法維持,并可能造成發電機的跳閘或損壞。對剛果 (布)國家電網而言,在明杜里-杰蘭勃間的220 kV線路恢復前,如果“布—金”聯絡線斷開,則北方電網幾乎完全靠英布魯電站供電；因此,當英布魯電站單機運行或進行單機孤網啟動試驗時,必須通過計算分析,保證電網無功的變化范圍小于單臺發電機勵磁系統AVR的調節范圍；當英布魯電站多臺機組孤網運行或進行多機孤網啟動試驗時,應確認英布魯電站計算機監控系統或發電機的自動勵磁調節器具有系統自動電壓調節功能(AVC功能),即:可實現多臺發電機之間的無功自動分配,以保證電網和機組的電壓穩定。

此外,電力系統穩定器(PSS)作為發電機勵磁的附加控制單元,能增加系統阻尼作用,因此,現代的發電機自動勵磁調節器通常均設有PSS功能。PSS通過檢測系統的有功變化來調節勵磁電流,從而通過調節無功以保持系統穩定。在孤網中,由于孤立電網負荷端的有功變化是不可控的,如果投入了PSS,無功就會跟隨有功波動,從而影響機端電壓的穩定。所以發電機運行孤網時,應將勵磁系統PSS功能切除。

5.2 頻率穩定要求

對于運行在大電網中的非調頻機組而言,一般采用二次調頻方式,即改變功率給定值ΔP后,通過調速器的調節特性以達到維持系統頻率穩定的目的。發電機運行在孤網時,一般需采用恒定頻率控制方式,即按照頻率偏差Δf進行調節；當Δf=0時調節結束,也就是采用所謂的一次調頻方式。由于孤網容量較小,其中旋轉慣量儲存的動能較小,因此,電網通常要求主力機組的調速系統具有更高的靈敏度(減小bp)、更小的遲緩率和更快的動態響應,以保證在用戶負荷變化的情況下,主力機組可自動保持電網頻率的穩定。

在英布魯電站設計過程中,電網并沒有對發電機提出參與電網調頻的功能需求,因此,設備招標時也未對調速器提出相應的要求。但根據剛果 (布)電網的實際情況,尤其是 “布—金”聯絡線斷開后,因英布魯電站單機占電網電源容量比重很大,所以由英布魯電站的機組承擔電網調頻功能是合適的。按照英布魯電站的主要功能,電站在系統中擔負基荷并能起調峰作用,因此,雖然英布魯電站為徑流式電站,但考慮其每天約2 h的調峰能力,樞紐水庫仍具有一定的調蓄庫容,所以由英布魯電站的機組承擔系統調頻功能也是可行的。建議:在電網調度機構認可的情況下,英布魯電站4臺機組調速器的調差率(bp)可進行重新設定,并設置不同的bp,來確定1臺或多臺作為主力調頻機組,以實現電網的調頻；或者,通過英布魯電站的計算機監控系統實現自動發電控制功能 (AGC),以保證在英布魯電站運行的機組均參與電網調頻的情況下,可自動分配各運行機組間的負荷,并維持頻率穩定。

5.3 繼電保護設置和自動控制要求

機組孤網運行時抗擾動能力較差,因此繼電保護的配置、后備保護的配合、自動裝置的設置就顯得格外重要。實際上,為維持孤立電網運行,電力系統本身很難設置類似于大網運行時的完善的保護配置。對線路和變壓器而言,除設置縱差保護、線路距離保護等主保護外,應該特別注重對一些簡單保護的應用,比如低壓保護、方向過流啟動的低壓保護、復壓啟動的過流保護、過流及低壓聯鎖的速斷保護等。同時,對發電機需重新設定一些常規保護,并且退出一些不適用于孤網運行的保護,比如失磁、失步保護等。

發電機組是孤網運行中的惟一動力源,也是孤網運行時頻率、電壓控制調整的主體。孤網能否穩定運行的核心取決于發電廠機組的穩定；而機組控制系統參數設置和控制流程確定是否得當,是機組穩定運行的關鍵。孤網運行時,適應大電網運行的機組控制系統需要進行改進、優化,需要重新設定適應于孤網運行的機組控制流程。

對于剛果(布)電網,當 “布—金”聯絡線斷開后,英布魯電站機組運行在典型的孤網中,宜重新分析確定機組的繼電保護設置和自動控制流程。

6 英布魯電站孤網運行試驗分析

2010年10月,英布魯4臺機組相繼發電投運后,剛果(布)電力公司組織相關單位對英布魯電站機組進行了孤網運行試驗,期間共進行了3次試驗。第1次試驗期間,在合杰蘭勃變電站進線斷路器時,由于誤操作造成非全相操作,使英布魯電站機組停機；第2次試驗期間,機組自動跳閘,運行記錄顯示“LCU與上位機連接狀態故障”,初步分析可能是機組自動控制流程與孤網運行發生沖突所致；第3次試驗期間,在投入杰蘭勃變電站第2臺主變壓器時,變壓器出現短路故障,造成英布魯機組停機。事實上,由于剛果(布)電網的設備比較陳舊,在孤網試驗過程中需要對設備進行沖擊,因此導致一些設備出現故障是難免的。

為完成由英布魯電站機組帶剛果(布)電網的孤網試驗,實現剛果(布)電網脫開剛果(金)電網后的孤網穩定運行,建議剛果(布)電網應盡快恢復明杜里-杰蘭勃間的220 kV線路,并按照電網的實際連接結構和各元件參數,通過計算分析電網的電壓穩定、頻率穩定條件；結合英布魯機組的勵磁調節器和調速器的功能和參數,在重新核定機組繼電保護和自動控制流程的條件下,在做好調度預案和電網設備保障的基礎上,安全穩妥的進行。

7 結 語

孤立運行的電網的頻率、電壓控制功能主要由網內的主力發電機組承擔。在孤網運行時需要對整個孤網的潮流、穩定性等進行分析計算,制定完善的孤網運行預案,實施統一調度,各個節點通力協作,當穩定條件滿足時才能成功地進行孤網啟動試驗,并實現孤網的穩定運行；對于運行孤網內的機組,其調速、勵磁、控制、保護系統均應符合孤網運行的要求。

[1] 黃永青.孤網運行技術探討[J].內蒙古科技與經濟,2010(12):85-86.

[2] 李飛.負荷控制孤網穩定控制的必要措施[J].貴州電力技術,2008(4):9-10.

[3] 國家電力調度通信中心.電網調度運行實用技術問答[M].北京:中國電力出版社出版,2002.

[4] 陳珩.電力系統穩態分析[M].北京:水利電力出版社,1984.

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