孤網運行機組穩定性探討

張玉坤

(遼寧省水利水電勘測設計研究院 沈陽 110006)

孤網運行機組穩定性探討

張玉坤

(遼寧省水利水電勘測設計研究院 沈陽 110006)

本文通過巴基斯坦NALTAR水電站機組調試和運行的情況介紹，探討了孤網運行電站機組穩定性問題，提出了在設計、調試等環節應該注意的問題，具有一定的借鑒和參考意義。

孤網運行 調試 穩定

頻率和電壓是電能質量的主要指標。當頻率、電壓變化超出一定范圍時會對用電設備造成損壞，影響電力拖動生產的產品質量。當各個電源連接成電網運行時，小的故障、負荷變化等擾動對電網的安全運行基本不造成威脅，能夠保證電能質量。電網容量越大，系統穩定性越好。然而對于容量較小的電網甚至是孤網運行電站，要想保證電能質量，在機組選型設計、保護配置、勵磁裝置和調速器等主要調節設備選擇以及設備調試時都有許多特殊性，需要引起足夠的重視。

目前我國電網建設已經相當完備，很少有電站是孤網運行的。但在邊遠山區及一些國外項目建設中，仍會有孤網運行電站存在。巴基斯坦NALTAR電站即為孤網運行電站。

1 工程概況

巴基斯坦NALTAR電站位于巴基斯坦北部地區，為EPC項目，由中國援建。電站裝機3臺，每臺6MW，總裝機容量18MW。電站為引水式電站，壓力鋼管長度1800m。機組為沖擊式水輪機，額定水頭420m。采用微機式調速器和微機式勵磁裝置。當地電力資源極度匱乏，僅靠幾個小水電和柴油發電機組為居民供電。該電站建成后將成為該地區核心供電電源。

系統單線圖

按照業主提供的資料，NALTAR電站與該地區一座裝機2x2MW的電站(GAH)并網運行，并網點在距離電站28km的中心變電所，所有負荷從該變電所配出。如上圖所示。

但由于GAH電站設備原因，經常不能運行，實際上NALTAR電站為孤網運行。

2 存在問題及原因分析

當地沒有大的工業負荷，主要為居民用電，高峰期主要集中在晚上6～10點段。在帶負荷調試時，由于GAH電站設備原因，不能投運，所以NALTAR電站實為孤網運行。由于當地供電設備和線路老化破舊，經常發生配電線路跳閘，引起負荷較大突變。在電站調試期間，發生了多次配電回路跳閘事故。當地配電變電所運行人員在跳閘后重新合閘時并非逐漸加負荷，而是直接將主配回路合閘，這樣就造成跳合閘時都會發生負荷突然巨變，有時達到3～5MW，超過機組容量的1/3。如果不是三臺機組都運行，會直接造成電站機組轉速(頻率)過高或過低，嚴重時保護跳閘，電站直接甩負荷或停機。

調試及試運行時還發現，在沒有負荷較大變動時(非主配電回路跳合閘，只是終端用戶正常的負荷變化)，機組運行很平穩。即使有小的負荷突變，如末段配電回路(一般幾十至幾百千瓦)跳合閘，機組會出現2～3次震蕩。

根據以上一些現象，結合工程具體實際及當地電網實際運行情況，分析產生這些現象的原因主要有以下幾方面：

a.孤網運行，系統容量太小。由于電站孤網運行，而電站最大容量也只有18MW，用戶用電高峰期用電需求基本達到18MW(缺口由柴油發電機補齊，單獨定時供電)，電站滿發運行，基本無容量儲備。

b.負荷突變且變幅較大。發生保護跳閘一般都發生在主配電回路突然帶負荷合閘時，突然跳閘時經過幾次震蕩基本都能重新穩定。

c.機組轉動慣量較小。由于機組為沖擊式水輪機，機組轉動慣量(GD2)較小，不利于負荷擾動后的頻率穩定。

d.引水壓力鋼管較長。電站壓力鋼管達到1800m，當負荷突變且幅值較大時，流量調整較大會在壓力鋼管中產生壓力脈動，從而影響機組穩定運行，形成震蕩。

e.調速器參數調整。開始時調速器參數設定是按一般并入大系統的方式調整的。不適于實際運行情況。

3 解決方法和過程

通過分析產生問題的原因，有針對性地提出解決方法。鑒于工程已經實施，壓力鋼管長度及機組轉動慣量都已確定，無法更改，所以重點是從調速器參數調整及加強當地電網運行人員管理兩方面入手，解決問題。重點是調速器參數的調整。

3.1 調速器參考調整

調速器［1］的主要參數有：比例增益 KP、積分增益KI、微分增益 KD、暫態轉差系數 bt、緩沖時間常數Td、加速度時間常數Tn、永態轉差系數bp;接力器關閉和開啟時間等。

設計時已經考慮了系統容量小及壓力鋼管長的問題，在計算基礎上已經要求機組生產廠家適當加大了機組轉動慣量，調整裕度較大。首先是重新核算了設計時進行的調解保證計算，甩100%負荷時，壓力上升和轉速上升在調速器關機時間的調整在6～24s都是滿足要求的。所以在調整設定調速器關機時間時必須在6～24s內;基于當地電網容量較小不利于穩定運行問題，設計時對于機組調解控制的兩個關鍵設備——調速器和勵磁裝置都選用最先進的微機型調解設備，保證了可靠性、速動性，也使參數調整更方便。

3.2 調速器PID參數調解

當機組與大電網解列時，調速器會自動轉為頻率調節模式，即工作于頻率調節器模式(頻率死區Er=0)。由于被控機組容量受小電網總容量的比例、小電網突變負荷大小以及小電網負荷特性等因素影響，使得這種情況下的調速器的工作條件十分復雜，只能盡量維持電網頻率在一定范圍內。如果突變負荷超過小電網總容量的10%～20%，則大的動態頻率升降是不可避免的。對于孤立電網運行工況，調速器應工作于頻率調節模式的PID(比例積分微分)調節。PID參數的選擇原則是：在保證孤立電網動態穩定的前提下，盡量選取較大的比例增益Kp(較小的暫態轉差系數bt)和較大的積分增益KI(較小的暫態轉差系數bt和較小的緩沖時間常數 Td)。［2］

根據參考文獻2中系統仿真分析結果，孤立電網運行可以參照下式選擇水輪機調速器的PID參數：

雖然有以上仿真分析結果作參照和指導，但由于實際工程情況千差萬別，即使同一個工程，在不同運行時間，遇到不同的負荷擾動情況也會時時變化，所以在現場仍然經過多次試驗整定后，才達到一個相對比較理想的狀態。再加上運行人員管理水平的提高，電站運行基本穩定，能夠滿足供電要求。

4 經驗總結

通過NALTAR電站調試過程中出現的問題及其解決過程，總結經驗如下：在涉及小容量電網或孤立電網運行電站機組的設計和調試時，應注意以下幾方面的問題：

a.小容量或孤立電網運行的電站，如突變負荷較大時，則大的動態頻率升降非常明顯，震蕩加劇。

b.設計時要充分考慮到孤網運行的特點，注意在工程布置、機組選型、保護配置、主要調節設備(調速器和勵磁裝置)選用等，認真研究比選。

c.工程布置要盡量減少引水壓力鋼管長度。

d.盡量加大機組轉動慣量(GD2)，以增加機組的穩定性。

e.主要調節設備(調速器和勵磁裝置)應選用先進的微機式設備，保證其可靠性、速動性，以及方便的參數整定。

f.調試時要仔細研究廠家技術資料，結合有關技術文獻和類似工程經驗，耐心細致，反復試驗，力爭達到參數組合最優。有條件的可以借用仿真軟件，以提高調試質量和加快調試過程的進度，少走彎路。

1 沈祖詒．水輪機調節［M］．北京：中國水利電力出版社，1988．

2 魏守平．水輪機調節系統一次調頻及孤立電網運行特性分析及仿真［J］．水電自動化與大壩監測，2009(b)．