關(guān)于塞拉利昂坡特洛科水電站孤網(wǎng)運行的幾點思考

華自科技股份有限公司 蔣曉明

關(guān)于塞拉利昂坡特洛科水電站孤網(wǎng)運行的幾點思考

華自科技股份有限公司 蔣曉明

闡述坡特洛科水電站建設(shè)背景及孤網(wǎng)運行特點，通過分析其在設(shè)備調(diào)試及發(fā)電的過程中存在的問題，主要從綜合自動化系統(tǒng)方面提出了若干改善電站孤網(wǎng)運行的技術(shù)措施，包括監(jiān)控系統(tǒng)、微機保護(hù)、調(diào)速器、勵磁、輔助設(shè)備等。

孤網(wǎng)運行；綜合自動化；技術(shù)措施

1 概述

坡特洛科電站位于塞拉利昂北方省坡特洛科鎮(zhèn)內(nèi)，距首都弗里敦115km，該電站由中國政府援助，中南勘測設(shè)計研究院設(shè)計，湖南建工集團(tuán)作為EPC總承包單位，其開發(fā)主要任務(wù)為坡特洛科鎮(zhèn)及周邊居民提供清潔穩(wěn)定的電能，該水電站項目對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有重要意義，當(dāng)?shù)匕傩諏ΡM早通電期待很大，而且作為一個國際援建項目，電站質(zhì)量的好壞直接關(guān)乎國家形象，因此電站的穩(wěn)定、可靠、高效的運行有著非常重要意義。設(shè)計之初，該電站準(zhǔn)備并入離此地不遠(yuǎn)的一個柴油發(fā)電機站，但由于該國長年內(nèi)戰(zhàn)，柴油發(fā)電機站早已被破壞，而周邊暫時沒有其他可以并入的大網(wǎng)，因此坡特洛科電站暫時只能作為孤網(wǎng)電站來運行。該電站的為低水頭引水式電站，電站正常蓄水位15.00m，總庫容180萬m3，裝機容量4×500kW，電站保證出力1500kW，年發(fā)電量10.22GW?h。

2 孤網(wǎng)運行特點

孤網(wǎng)是孤立電網(wǎng)的簡稱，一般泛指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)，坡特洛科電站目前屬于典型的脫離大網(wǎng)而孤立工作。孤網(wǎng)最突出的特點，是由負(fù)荷控制轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率控制，要求調(diào)速系統(tǒng)具有符合要求的靜態(tài)特性、良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)特性，以保證在用戶負(fù)荷變化的情況下自動保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。電站關(guān)注的問題不再是負(fù)荷調(diào)整，而是調(diào)整孤網(wǎng)頻率，使之維持在額定頻率的附近。由于孤網(wǎng)容量較小，其旋轉(zhuǎn)慣量儲存的動能較小，要求機組的調(diào)速系統(tǒng)具有更高的靈敏度，更小的遲緩率和更快的動態(tài)響應(yīng)。在孤網(wǎng)運行狀態(tài)下,對發(fā)電機運行的穩(wěn)定性不容易掌握,受負(fù)荷影響的波動很大,注意維持好電壓、頻率在允許范圍內(nèi),各專業(yè)相互配合需要緊密,并且各參數(shù)的調(diào)節(jié)比并入大網(wǎng)要頻繁。

然而由于沒用充分考慮當(dāng)?shù)毓戮W(wǎng)運行的特殊情況，一些設(shè)備的選型都是針對并入大網(wǎng)設(shè)計，給日常的孤網(wǎng)運行帶來諸多不便，為此提出了若干改善技術(shù)措施，以便根據(jù)實際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)措施

坡特洛科電站主要有電廠控制層及現(xiàn)地控制層組成。電廠控制層采用采用的是華自科技股份有限公司MTC5.0，該系統(tǒng)采用先進(jìn)的計算機硬件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，推出的新型計算機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)遵循國際和國家的標(biāo)準(zhǔn)，采用全新的設(shè)計和開發(fā)技術(shù)，能夠滿足不同規(guī)模水電站對后臺監(jiān)控系統(tǒng)的要求。作為水電站自動化的重要組成部分，MTC5.0水電站后臺監(jiān)控系統(tǒng)充當(dāng)了就地監(jiān)控和信息管理的重要角色，減輕運行維護(hù)人員的工作強度，為提高水電站運行的穩(wěn)定性和可靠性提供了強有力的技術(shù)平臺和支撐。現(xiàn)地控制層主要由歐姆龍CJ2M系列PLC核心控制器、安科瑞交流儀表、DZZB-4同期裝置等組成。

電站主接線圖及監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)分別如圖1及圖2所示：

圖1

圖2

從圖2可以看出，現(xiàn)地控制層LCU通過以太網(wǎng)完成與電站控制級的數(shù)據(jù)交換，實時上送電站控制級所需的過程信息，接收電站控制級的控制和調(diào)節(jié)命令。現(xiàn)地控制單元在沒有電站控制級命令或脫離電站控制級的情況，能獨立完成對控制設(shè)備的閉環(huán)控制，保證機組安全運行。但在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)電站第一臺機組開機過程中DZZB-4在系統(tǒng)側(cè)無電壓的情況下不能自動合閘，查找裝置說明書發(fā)現(xiàn)該裝置只具備同期合閘功能且在發(fā)電機側(cè)及415V母線側(cè)均有壓時才正常工作，裝置接線圖如下圖3，該裝置不具備單側(cè)電壓自動合閘功能，因此機組開機到建壓以后只能通過手動合閘回路并網(wǎng)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)電站的一鍵開機到并網(wǎng)的功能，一方面可以通過采用自帶無壓合閘功能的同期裝置實現(xiàn)，另一方面可以增加無壓檢測自動并網(wǎng)的合閘回路，通過檢無壓繼電器信號閉鎖。

圖3

4 微機保護(hù)定值特殊整定

電站保護(hù)層采用華自科技股份有限公司自主開發(fā)的DMP300C系列微機保護(hù)測控裝置，該系列保護(hù)測控裝置是集國內(nèi)外成套微機保護(hù)的優(yōu)點，總結(jié)多座電站運行經(jīng)驗，采用當(dāng)今先進(jìn)軟、硬件技術(shù)開發(fā)的新一代電站綜合自動化產(chǎn)品。在孤網(wǎng)運行過程中，負(fù)荷的突變會引起頻率比較大的波動，因此在機組過頻及低頻的保護(hù)定值整定時需特殊對待。根據(jù)IEC34標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，電網(wǎng)在不同頻率的要求下允許運行的時間要求如下：

頻率（Hz） 運行時間每年累計運行時間（分鐘） 每年累計運行時間（秒）51-51.5 30 30 50.5-51 ≥180 ≥180 48.5-50.5 連續(xù)48-48.5 300 300 47.5-48 60 60 47-47.5 10 20

在對電站進(jìn)行繼電保護(hù)頻率定值整定時需要充分考慮孤網(wǎng)電站運行的一些特點及電網(wǎng)異常頻率對于機組影響，可以適當(dāng)調(diào)高頻率保護(hù)動作值或者延長頻率保護(hù)的延時時間，這樣可以最大限度的保證機組在一個合理的頻率范圍內(nèi)長期穩(wěn)定運行。

5 調(diào)速系統(tǒng)

坡特洛科電站發(fā)電機的調(diào)速系統(tǒng)主要包括調(diào)速器、執(zhí)行機構(gòu)和水輪機三大部分。調(diào)速器作為調(diào)速系統(tǒng)的一個核心控制部分，在機組頻率的調(diào)節(jié)過程中占有舉足輕重的作用，它主要根據(jù)頻率、功率給定、導(dǎo)葉開度等通過內(nèi)部PID參數(shù)來控制開度的輸出。執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)調(diào)速器的輸出指令作用于水輪機控制導(dǎo)葉的開度。水輪機則接受執(zhí)行機構(gòu)的控制，最終把動能轉(zhuǎn)化為電能的輸出。

孤網(wǎng)運行頻率表現(xiàn)的特殊性，要求發(fā)電機組的出力隨負(fù)荷的變化而快速變化，才能維持供電頻率穩(wěn)定。因此孤網(wǎng)運行中如何提高功率變化的快速性將是減少頻率變化的主要手段。

在孤網(wǎng)運行中產(chǎn)生頻率波動的原因主要包含：

1)隨機突變的負(fù)荷引起的頻率波動。由于小容量孤網(wǎng)的突變負(fù)荷相對值（突變負(fù)荷量與機組功率的比值）較大，負(fù)荷隨機突變的次數(shù)較多，常造成較大的頻率波動峰值。

2)沒有負(fù)荷突變的情況下，受孤網(wǎng)自身各種不穩(wěn)定因素的影響，其頻率持續(xù)在一定范圍內(nèi)周期性波動。

電站在實際運行過程中存在以下問題：

1)電網(wǎng)電壓、頻率波動比較大；

2)廠用電供電可靠性低；

3)很容易全網(wǎng)停電，機組面臨“黑起動”的可能；

4)機組很容易發(fā)生突然甩負(fù)荷，負(fù)荷突增現(xiàn)象，機組啟動頻繁。

作為機組頻率調(diào)節(jié)的關(guān)鍵部分，調(diào)速系統(tǒng)需要充分考慮以上問題，需要滿足以下幾個要求：

1)調(diào)速器應(yīng)具備聯(lián)網(wǎng)、孤網(wǎng)、空載三套不同的PID參數(shù)，調(diào)速器含有聯(lián)網(wǎng)及孤網(wǎng)PID參數(shù)之間自動切換的邏輯，當(dāng)調(diào)速器檢測到系統(tǒng)頻率大于某一數(shù)值（一般為0.5Hz，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況更改），則認(rèn)為已經(jīng)處于孤網(wǎng)的一個狀態(tài)，此時應(yīng)當(dāng)切換到孤網(wǎng)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；

2)調(diào)速系統(tǒng)在全網(wǎng)停電時能夠滿足黑啟動的要求，因此采用不用經(jīng)常補氣的儲壓罐是最佳的選擇。

6 勵磁系統(tǒng)

水電站發(fā)電運行，在正常情況下，發(fā)電機并不控制無功出力，而是AVR通過控制勵磁電流以維持發(fā)電機機端電壓恒定，發(fā)出無功功率，以滿足輸送有功功率所需要的電壓要求和無功損耗。孤網(wǎng)后，勵磁裝置在實現(xiàn)對其目標(biāo)變量的快速調(diào)節(jié)過程中，雖然保證了電壓的調(diào)節(jié)精度，但對轉(zhuǎn)速構(gòu)成了正反饋耦合，惡化了空載穩(wěn)定性。

我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《孤網(wǎng)運行的小水電機組設(shè)計導(dǎo)則》（NB/ T42034—2014）對孤網(wǎng)運行小水電機組的勵磁裝置，提出了如下技術(shù)要求：1)采用符合GB/T10585標(biāo)準(zhǔn)、具有孤網(wǎng)識別和自動切換調(diào)節(jié)方式功能的微機勵磁裝置。2)調(diào)節(jié)參數(shù)可以現(xiàn)場整定自動滅磁功能。3)孤網(wǎng)運行時，勵磁裝置應(yīng)與調(diào)速器協(xié)調(diào)控制，以有效抑制無負(fù)載變化時頻率及功率的周期性波動，減小負(fù)載突變時電壓及頻率的波動幅值。

此外該標(biāo)準(zhǔn)明確指出：孤網(wǎng)運行時，勵磁裝置除調(diào)整電壓外，還“應(yīng)與調(diào)速器協(xié)調(diào)控制，以有效抑制無負(fù)載變化時頻率及功率的周期性波動。勵磁裝置選型及設(shè)計時不僅需充分考慮孤網(wǎng)電站運行特點，還應(yīng)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

7 輔助設(shè)備

電站的冷卻水系統(tǒng)主要存在以下兩個問題：

1)由于電站冷卻水水源取自尾水處，在旱季尾水水位較低時，設(shè)計的取水管位置高出尾水水位，無法正常供應(yīng)冷卻水，因此現(xiàn)場采取的措施是延長取水管長度；

2)冷卻水供水管路較長，內(nèi)部含有大量空氣，正常啟動水泵無法抽出水，只能依靠一臺臨時潛水泵首先往管道內(nèi)注滿引水，然后再啟動水泵才能正常抽水，給現(xiàn)場的運行帶了極大的不便。

針對以上問題可以考慮把水源取自進(jìn)水口。

8 結(jié)論

在建設(shè)適用于欠發(fā)達(dá)地區(qū)孤網(wǎng)運行的水電站時，設(shè)計時需要充分考慮當(dāng)?shù)氐倪\行環(huán)境，是并網(wǎng)運行還是孤網(wǎng)運行亦或是兩者兼?zhèn)洌瑧?yīng)做出詳細(xì)的設(shè)計說明，一方面為采購設(shè)備提供選型依據(jù)，另一方面也有利于電站的長期穩(wěn)定運行，此外還可為設(shè)計同類型項目時提供寶貴經(jīng)驗，減少成本，提高施工效率。

[1]郭建業(yè)．勵磁裝置對小水電孤網(wǎng)運行頻率的影響．武漢市漢諾優(yōu)電控有限責(zé)任公司,2014．

[2]司大軍．調(diào)速系統(tǒng)對孤網(wǎng)穩(wěn)定性影響研究．云南電網(wǎng)公司規(guī)劃研究中心,2013．

[3]郭建業(yè)．改善小水電孤網(wǎng)運行狀況的技術(shù)措施．武漢市漢諾優(yōu)電控有限責(zé)任公司,2013．