低壓水輪發(fā)電機組孤網(wǎng)運行電站優(yōu)化設(shè)計探討

【摘要】大電網(wǎng)無法到達的偏遠山區(qū)，其水輪發(fā)電機組通常需要單臺或多臺孤立運行。針對孤立運行特性，對低壓水輪發(fā)電機組重新進行優(yōu)化設(shè)計并升級控制系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】孤網(wǎng)運行；穩(wěn)定型控制；電站設(shè)計

一、引言

在我國，許多偏遠山區(qū)往往有比較好的水資源，可利用這些水資源進行發(fā)電。但是由于受到經(jīng)濟、地形等條件限制，大電網(wǎng)很可能無法延伸到該地區(qū)，這也意味著這些地區(qū)所使用的水輪發(fā)電機組需單臺孤立運行或多臺并列孤立運行。但是這類機組由于容量比較小，負載變化量占額定容量百分比較大，機組轉(zhuǎn)速、機組電壓都極其不穩(wěn)定，機組擺度與振動也比較大。想要穩(wěn)定控制這類機組，需要對機組的設(shè)備重新進行優(yōu)化設(shè)計。

二、孤網(wǎng)運行情況分析

考量一個電網(wǎng)運行情況的好壞，主要看其電能質(zhì)量高低。

所謂電能質(zhì)量，即電力系統(tǒng)中電能的質(zhì)量。理想的電能應(yīng)該具有完美對稱的正弦波。而電能質(zhì)量的主要衡量依據(jù)有：電壓、頻率有效值的變化；電壓波動和閃變、電壓暫降、短時中斷和三相電壓不平衡、諧波；暫態(tài)和瞬態(tài)過電壓以及這些參數(shù)變化的幅度。

而在孤立電網(wǎng)中，由于電網(wǎng)容量較小，想要保證其電能質(zhì)量，往往要求機組的調(diào)速系統(tǒng)具有更高的靈敏度、更小的遲緩率及更快的動態(tài)響應(yīng)，同時還要考慮三相電壓不平衡等特殊情況。因此，孤立運行系統(tǒng)中電壓和頻率有效值的變化、三相電壓/電流不平衡、多臺發(fā)電機并列運行或者多能源并列運行系統(tǒng)諧波影響這幾點是孤立電網(wǎng)運行情況的關(guān)鍵。

一般來說，偏遠山區(qū)范圍內(nèi)的孤立電網(wǎng)水輪發(fā)電機組為低壓機組，即機端出線電壓為400V、發(fā)電機功率小630KW的水輪發(fā)電機組，這類水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)動慣量往往偏小。在這類低壓水輪發(fā)電機組組成的孤立電網(wǎng)中，由于突變負荷量（含突增和突減負荷）與機組功率的比值相對較大，負荷隨機性突變的次數(shù)較多。如果采用常規(guī)的調(diào)速器，雖然可以保證機組的空載及甩負荷后的穩(wěn)定性，但一方面可能會造成運行中頻率波動峰值過大，引起過速或低頻停機；另一方面由于隨機性頻率波動使接力器頻繁動作，會引起壓力油供應(yīng)不足，甚至導致低油壓停機。同時，這類水輪發(fā)電機組的勵磁裝置還必須有自動穩(wěn)壓功能，在機組頻率大范圍波動時機端電壓應(yīng)保持穩(wěn)定。

三、優(yōu)化設(shè)計方案

如不考慮機組大小等其他因素，孤網(wǎng)運行機組優(yōu)化設(shè)計方案有以下幾個：

合理確定最大突變負荷相對值（突變功率與機組額定功率的比值）；

機組的慣性時間常數(shù)要大。當機組開關(guān)機時間及負荷的突變值確定后，增大機組的值是減少孤網(wǎng)頻率波動峰值唯一直接、有效的技術(shù)措施。機組選型時，須經(jīng)過計算確定必要且偏大的（機組轉(zhuǎn)動慣量）。對于小型機組，用增大飛輪的辦法增大值，經(jīng)濟實用，簡單易行；

偏遠山區(qū)范圍內(nèi)的低壓水輪發(fā)電機組多為沖擊式，水頭高、引水管道長，開停機時間長。這種機組轉(zhuǎn)動慣量小，噴針開度變化0.3%時，相應(yīng)的頻率變化會在1Hz以上，只通過開關(guān)噴針來調(diào)節(jié)機組頻率并不穩(wěn)定。

項目組針對這類機組組成的孤立電網(wǎng)運行特點，結(jié)合常規(guī)孤網(wǎng)運行優(yōu)化方案，重新對這類參與孤網(wǎng)運行的低壓水輪發(fā)電機組進行了優(yōu)化設(shè)計：

引入電子負荷調(diào)節(jié)器（ELC），結(jié)合調(diào)速器一起對機組頻率進行控制；

電子負荷調(diào)節(jié)器（ELC）是一種利用固態(tài)電子開關(guān)（雙向可控硅）來調(diào)節(jié)平衡負載的大小，達到穩(wěn)定發(fā)電機出力的控制裝置。固態(tài)電子開關(guān)的開關(guān)速度為納秒級，所以當發(fā)電機負載變化時，可以在幾個周波內(nèi)將這部分變化負載切換到平衡負載上，以保持發(fā)電機出力的穩(wěn)定不變，達到調(diào)頻調(diào)速的目的。電子負荷調(diào)節(jié)器（ELC）調(diào)節(jié)快速，受水輪機調(diào)節(jié)特性影響不大。

用液壓調(diào)速器與電子負荷控制器ELC組合方式，可以滿足孤網(wǎng)運行突甩負荷對頻率的波動大小的要求和機組穩(wěn)定后對頻率穩(wěn)定性的要求。加入電子負荷控制器后，在機組頻率粗調(diào)時使用開關(guān)導葉開度的方式調(diào)節(jié)，頻率精調(diào)時使用ELC進行調(diào)節(jié)，有效減少了調(diào)速器頻繁動作，增加其使用壽命。

四、孤網(wǎng)運行電站應(yīng)用實例

玉環(huán)箱式水電站位于浙江省內(nèi)臺州市玉環(huán)縣境內(nèi)的陳嶼鎮(zhèn)，設(shè)計裝機1×320kW，電站實際水頭230m，屬引水式電站，采用10kV出線并入玉環(huán)縣電網(wǎng)。該電站于2012年10月并網(wǎng)發(fā)電投入運行。

業(yè)主考慮到當?shù)貧夂驐l件特殊性，需要該機組具備孤網(wǎng)運行條件，故項目組人員對該機組進行了優(yōu)化設(shè)計，更換了部分設(shè)備，成功實現(xiàn)孤網(wǎng)運行目標。

具體試驗情況介紹如下：

a、試驗前機組工況

機組形式：沖擊式臥式單噴機組，無飛輪，轉(zhuǎn)動慣量小

機組額定功率：320kW 額定水頭240米

機組自帶ELC電阻負荷：20kW，其中：

ELC可調(diào)節(jié)電阻功率： 12kW

ELC一次性投退電阻功率： 8kW（機頻大于63Hz一次性投入電阻功率）

b、試驗方法：

將發(fā)電機隔離刀閘分開，試驗電阻箱接于發(fā)電機出線斷路器上端頭，機組正常開機合上機組斷路器，通過投退試驗負荷水電阻箱電阻大小，觀察機組頻率及電壓數(shù)據(jù)。

c試驗結(jié)論：

通過試驗可以得出ELC與液壓調(diào)速器配置調(diào)頻是可行的，調(diào)速動態(tài)品質(zhì)快速穩(wěn)定；機組穩(wěn)定頻率品質(zhì)相當出色50±0.15 HZ以內(nèi)。

另外，由于沖擊式機組固有的特性，機組的開停機時間設(shè)置的較長（如果開關(guān)機時間太短壓力鋼管水錘太大會影響整個電站安全運行。）所以機組在突然增加大于15%的負荷時，調(diào)速器調(diào)節(jié)會比較長，所以機組頻率降到46Hz以下。

五、結(jié)語

通過分析孤網(wǎng)運行特點，結(jié)合實際情況，對特殊要求的孤網(wǎng)運行電站進行優(yōu)化設(shè)計，采用電子負荷調(diào)節(jié)器與液壓調(diào)速器組合調(diào)節(jié)方案，從試驗效果來說，該方案完全可行。