孤網運行的TOBI-TOBIDI水電站電氣設計探討

鮑舒眉

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 引言

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。最大單機容量小于電網總容量的8%的電網為大電網，反之稱為小網，孤立運行的小網稱為孤網。本文所述剛果（金）TOBI-TOBIDI 水電站完全獨立于剛果（金）當地電力系統，單機容量占電網容量的25%，電站運行是孤網運行，電站頻率、電壓的穩定直接影響安全生產。

2 工程概況

TOBI-TOBIDI 水電站位于剛果（金）中南部東開賽省Mbuji-Mayi 市，距離Mbuji-Mayi 市約50km，距SCIM礦業基地公路里程約25km，裝設4臺發電機，單機額定容量3MW，機端額定電壓6.3kV，額定功率因數0.8（滯后），總裝機容量12MW，電站年利用小時數為5446h。電站輸出電能主要是供給SCIM礦業基地用電負荷使用，不接入地方電網系統，供電電壓等級為35kV。

由于電站為孤網系統，為保證事故情況下對供電負荷及電站自身的影響最小，變壓器檢修時退出的發電機組最少，同時由于剛果（金）的運輸條件非常差，變壓器容量小投資略小，也便于運輸，因此電站電氣主接線方案選擇一機一變單元接線。每臺發電機配置1 臺三相油浸自冷式變壓器，其型號為S13-4000/35，38.5+4×2.5%-2×2.5%/6.3kV，Ud%=7，Y,d11。水輪機-發電機組為臥式機組，發電機和水輪機布置在同一層，每臺發電機機旁均布置電流互感器柜、勵磁屏、機組現地控制屏、測溫制動屏和機旁動力箱，全站采用計算機監控、視頻監視系統。

電站保護裝置采用微機型保護裝置。35kV 線路保護設置三段距離保護，發電機-變壓器組裝設保護為：變壓器縱聯差動保護、復合電壓起動過電流保護、主變瓦斯保護、主變溫度保護、發電機縱聯差動保護、帶電流記憶的低壓過電流保護、低電壓保護、過負荷保護、定子接地保護、轉子一點接地保護等。水輪發電機組選用自并勵靜止可控硅勵磁裝置，選用高油壓數字式可編程微機調速器。

3 優化設計

電網穩定運行的兩大要素是頻率和電壓，對于TOBI-TOBIDI 水電站完全獨立于電網的孤網系統而言，發電機組是唯一動力源，發電機組由負荷控制轉為頻率控制，以致整個系統運行抗干擾性較差，所以機組頻率、電壓能否穩定是孤網系統穩定運行的核心。

針對大電網運行的常規設計無法保證孤網電站的安全可靠運行，因此，TOBI-TOBIDI 水電站調速、勵磁、保護、控制等均需進行適應性修正、優化和改進。由于剛果（金）地方條件有限，為節省投資，提高性價比，電站仍采用通用調速、勵磁、保護、控制系統設備，但在設備配置和系統整定上進行優化，實現投入產出比最大化。

3.1 優化調速系統運行整定

孤網運行要求調速系統具有更高的靈敏度、更小的遲緩率和更快的動態響應，因此采用單機孤網專用絕對型帶方向控制的PID 控制算法和參數，控制機組負荷與電網頻率成反比，以保證用戶負荷變化情況下自動保持電網頻率的穩定。

3.1.1 優化調整可編程控制器程序

在空載運行時能自動跟蹤給定頻率，為頻率調節模式；負載運行時自動切換為開度調節模式；負載運行時若頻率超差自動切換為頻率調節模式，頻率恢復正常后自動返回開度調節模式。手動工作方式下為開度調節模式。

3.1.2 優化調速器調節參數

（1）機組處于孤立電網，帶穩定負荷運行時，調速器能保證機組頻率變化≤±0.25Hz。

（2）在水輪發電機出口開關以外切除，機組突然甩≥25%額定負荷時，要求調速器能保證在調節過程中最高轉速不超過140%，所引起的頻率波動過渡過程中的波峰數≤2 個，調節時間≤30s，且頻率波動的波谷≥49.5Hz。

（3）電站進水口2 臺機組共用一根鋼管，經過2 臺機組同時甩滿負荷最不利的調節保證工況復核計算，機組最大壓力升高35%、最大轉速升高55%均可控在額定水頭范圍內，且壓力升高、轉速升高和尾水管真空度均滿足規范要求的情況下，為減少機組甩負荷的不利影響，加快導水葉直線關閉時間，整定為5.0s。

3.2 優化勵磁系統配置整定

勵磁裝置采用具有孤網識別和自動切換調節方式功能的微機勵磁裝置。

（1）勵磁裝置需具有單機恒壓帶負荷功能，自動勵磁調節器應保證發電機機端調壓精度優于0.5%。

（2）勵磁裝置需與調速器協調控制，以有效抑制無負載變化時頻率及功率的周期性波動，減小負載突變時電壓及頻率的波動幅值。并且勵磁系統在機端電源頻率為45～77.5Hz 范圍內維持正常工作。

（3）當發電機端正序電壓下降到額定值的80%時，勵磁系統應可提供2 倍額定勵磁電壓和2 倍額定勵磁電流，持續時間不小于50s。

3.3 調整保護配置和整定

工程設備除主保護外，需重新設定保護配置。輸電線路設置三段距離保護，發電機-變壓器組設置縱差保護等主保護外，還設置低電壓保護、帶電流記憶的低壓過電流保護、復合電壓起動過電流保護、本體保護等，退出一些不適用于孤網運行的保護，比如失磁、失步保護等。發電機還配置反應三相電流不平衡的負序過流保護，以保證保護動作的靈敏度。

（1）負序過流保護裝置的動作電流按躲過發電機長期允許的負序電流值和躲過最大負荷下負序電流濾過器的不平衡電流整定。

1）動作電流：Isr=（0.08～0.1）Irg

式中：Irg—發電機額定電流。

Isr=0.1 Irg/N=0.1×343.67/80=0.43A

2）動作時限：比相間短路后備保護的動作時限大一時限階段，取t=8s。

（2）適當放寬高頻、低頻保護的動作條件，由常規48.5～50.5Hz 調整到48～51Hz，以適應孤網運行的要求。

3.4 控制系統協調機網負荷

TOBI-TOBIDI 水電站運行采用計算機監控系統協調機網負荷，協調SCIM 礦業基地負載無功補償、機組有功/無功負荷、維持功角/功素因數平衡；與勵磁系統配合，分配無功功率，維持孤網電壓；并根據有功、無功備用計算，增減負荷和聯鎖降負荷，作為切機和切負荷的反向穩控手段。并在機組甩負荷時，限制礦業基地的負荷量，平緩有功負荷的突變，與調速系統和勵磁系統建立快速的控制信號聯系，提高孤網穩定性，避免孤網崩潰。

4 結語

孤網運行的小型水電站在國內外偏遠地區有其不可忽視的地位與作用。發電機組發生停機故障時孤網系統會出現有功功率缺額，孤網中突變負荷相對值較大，造成頻率波動峰值過大、電壓波動等一系列特殊問題，直接影響電能質量和運行可靠性，甚至損壞設備，影響正常生產。TOBI-TOBIDI 水電站孤網運行系統電氣設計和設備技術參數采取本文所述的調速、勵磁、保護、控制等措施要求，將電能質量控制在合理水平，保證了安全生產，提高了偏遠地區國民經濟發展自生力■