索拉機(jī)組與外網(wǎng)并網(wǎng)控制模式研究

楊超++馮愛民

【摘 要】美國索拉公司生產(chǎn)的輕型天然氣發(fā)電機(jī)組具有布置靈活方便、發(fā)電性能穩(wěn)定、控制技術(shù)先進(jìn)，使得中石油各地方油田野外作業(yè)區(qū)都有較多的應(yīng)用。隨著國家電力事業(yè)的不斷發(fā)展和完善，油田電網(wǎng)與地方電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行將是一種必然的結(jié)果。本文主要是在總結(jié)油田各電站在與地方電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的一些問題，特別是對索拉機(jī)組控制模式的選擇對并網(wǎng)成功與否和并網(wǎng)后機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究和分析。針對油田各電站的不同狀況，經(jīng)過不斷的總結(jié)和試驗(yàn)，系統(tǒng)行的提出了解決方案，并成功應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，解決了長期困擾索拉機(jī)組并網(wǎng)成功率低、并網(wǎng)過程中系統(tǒng)脆弱的難題。

【關(guān)鍵詞】索拉 并網(wǎng) 控制

1 前言

美國索拉公司在中國輕型天然氣發(fā)電機(jī)組中占有重要的市場份額，僅塔里木油田就有塔西南、輪南、克拉2、塔中、英買力5個(gè)電站24臺(tái)機(jī)組。同時(shí)隨著國家電力事業(yè)的發(fā)展和考慮電網(wǎng)的安全可靠性，各地方和企業(yè)電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行是一種必然的趨勢。

各電站在與地方電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行過程中，出現(xiàn)了一些問題，特別是索拉機(jī)組控制模式的選擇對并網(wǎng)成功與否和并網(wǎng)后機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性都值得我們?nèi)ド钊胙芯亢头治觥?/p>

2 索拉機(jī)組控制模式概述

電網(wǎng)的重要指標(biāo)是頻率和電壓，而電網(wǎng)的頻率和電壓主要是由機(jī)組的頻率和電壓來決定的，當(dāng)一個(gè)電網(wǎng)的有功功率和無功功率恒定不變時(shí)，電網(wǎng)的頻率和電壓是否穩(wěn)定主要是由電網(wǎng)中機(jī)組的有功功率控制模式和無功功率控制模式來決定，機(jī)組之間的有功和無功分配由機(jī)組的轉(zhuǎn)速和電壓來決定。當(dāng)機(jī)組與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)均要設(shè)置合適的有功和無功控制模式以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定。索拉機(jī)組有功控制模式包括：速度有差、速度無差、有功功率鎖定。無功控制模式包括：電壓無差、電壓有差。另外考慮電網(wǎng)中的功率因數(shù)穩(wěn)定還設(shè)有功率因數(shù)鎖定控制模式。索拉公司提供給用戶的多種模式，可滿足索拉機(jī)組與不同的電網(wǎng)連接時(shí)的選擇。一般機(jī)組與電網(wǎng)并列運(yùn)行時(shí)，電壓控制模式均是選擇電壓有差運(yùn)行，在此不做更多的討論。

2.1 速度無差控制：（見圖1）

當(dāng)機(jī)組所帶負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，機(jī)組的頻率（轉(zhuǎn)速）不發(fā)生變化。

2.2 速度有差控制：（見圖2）

當(dāng)機(jī)組所帶負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，機(jī)組的頻率（轉(zhuǎn)速）發(fā)生變化。

2.3 有功功率鎖定：（見圖3）

機(jī)組在電網(wǎng)中保證所帶有功功率不發(fā)生變化，但機(jī)組的頻率（轉(zhuǎn)速）發(fā)生變化。

2.4 功率因數(shù)鎖定：（見圖4）

機(jī)組在電網(wǎng)中保證所帶有功功率不發(fā)生變化，但機(jī)組的頻率（轉(zhuǎn)速）發(fā)生變化。

3 索拉機(jī)組與外網(wǎng)并網(wǎng)控制模式選擇實(shí)際應(yīng)用分析

3.1 索拉公司推薦的與外網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)控制模式

如圖5所示由索拉燃機(jī)構(gòu)成的本地網(wǎng)通過一個(gè)主斷路器（MCB）與外網(wǎng)相連。索拉燃機(jī)將MCB的分合信號(hào)引入控制程序，以判斷是否與外網(wǎng)相連。當(dāng)MCB閉合時(shí)，燃機(jī)判斷本地網(wǎng)已和外網(wǎng)相連，發(fā)電機(jī)控制模式將自動(dòng)從速度無差控制轉(zhuǎn)為有功鎖定和功率因數(shù)鎖定，燃機(jī)負(fù)荷不因外網(wǎng)負(fù)荷變化而變化。當(dāng)MCB斷開時(shí)，燃機(jī)判斷本地網(wǎng)已和外網(wǎng)解列，發(fā)電機(jī)控制模式將從有功鎖定和功率因數(shù)鎖定自動(dòng)切換到速度無差控制，燃機(jī)將承載本地網(wǎng)所有負(fù)荷。

索拉公司推薦的與外網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)機(jī)組控制模式：速度無差控制、電壓有差控制、功率因數(shù)鎖定、有功鎖定。

3.2 油田電網(wǎng)與外網(wǎng)并網(wǎng)分析

3.2.1 克拉2采用標(biāo)準(zhǔn)控制模式與外網(wǎng)并網(wǎng)出現(xiàn)的問題：（見圖6）

從標(biāo)準(zhǔn)程序中可以看出：有功控制的條件是：1001開關(guān)閉合；發(fā)電機(jī)斷器閉合；速成控制在無差，運(yùn)行人員啟用有功控制。從克拉2與外網(wǎng)的連接示意圖可以看出：當(dāng)外網(wǎng)與本地網(wǎng)接口的聯(lián)絡(luò)斷路器19943因故斷開后，而MCB1001卻沒有斷開，燃機(jī)仍然判斷本地網(wǎng)與外網(wǎng)相連，發(fā)電機(jī)控制模式不會(huì)切換到無差控制，而依然工作在有功與功率因數(shù)鎖定下，從而直接導(dǎo)致本地網(wǎng)電壓與頻率的波動(dòng)，而由于燃機(jī)負(fù)荷設(shè)定值和當(dāng)時(shí)本地實(shí)際負(fù)荷相差甚遠(yuǎn)，嚴(yán)重的將會(huì)造成發(fā)電機(jī)高頻或低頻保護(hù)動(dòng)作。（2007年克克1994線路曾因雷擊而造成19943斷路器跳閘兩次，而1001（MCB）卻都沒有動(dòng)作。）

3.2.2 塔西南和輪南索拉機(jī)組控制模式分析：（見圖7）

索拉公司推薦的機(jī)組與外網(wǎng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)控制模式在理論上沒有錯(cuò)誤，但是在實(shí)際應(yīng)用中存在問題。塔西南電網(wǎng)與輪南電網(wǎng)均是通過出線聯(lián)絡(luò)柜與地方電網(wǎng)并網(wǎng)，輪南二期項(xiàng)目完工時(shí)，對索拉機(jī)組的速度有差和無差模式進(jìn)行了測試，按照6臺(tái)索拉機(jī)組有差和無差模式與2×8000電站機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，然后進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)，以驗(yàn)證索拉機(jī)組在速度有差和無差的情況下在電網(wǎng)發(fā)生波動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。以下為輪南電站4#機(jī)組在有差和無差模式下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

見圖8、圖9：塔西南索拉機(jī)組也曾做過機(jī)組在有差和無差模式下的甩負(fù)荷試驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)大致同輪南電站相同。經(jīng)過對數(shù)據(jù)的仔細(xì)分析和研究，得出如下結(jié)論。

（1）索拉機(jī)組在無差控制模式下，機(jī)組接負(fù)荷的動(dòng)態(tài)過程功率變化量大，功率超調(diào)量大，T5溫度溫升率高，容易發(fā)生機(jī)組超溫。但機(jī)組的頻率基本保持不變。

（2）索拉機(jī)組在有差控制模式下，機(jī)組接負(fù)荷的動(dòng)態(tài)過程功率變化量小，功率超調(diào)量小，T5溫度溫升率小，利于機(jī)組在電網(wǎng)突變的情況下功率平穩(wěn)過渡，系統(tǒng)功率控制穩(wěn)定。但機(jī)組的頻率需要二次調(diào)頻。

（3）由于索拉機(jī)組在有差控制模式下，機(jī)組負(fù)荷特性比較平緩，超調(diào)量小，機(jī)組容易穩(wěn)定，負(fù)荷分配合理，同時(shí)根據(jù)塔西南電網(wǎng)和輪南電網(wǎng)在日負(fù)荷曲線變化不大，因而有差控制模式下的頻率變化也不大，從維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和電網(wǎng)可靠性出發(fā)，塔西南電網(wǎng)和輪南電網(wǎng)的索拉機(jī)組均采用速度有差控制模式。

3.2.3 克拉2與外網(wǎng)并網(wǎng)問題解決

將克拉2發(fā)電機(jī)控制模式改為：速度有差控制、電壓有差控制、關(guān)閉功率因數(shù)控制、關(guān)閉有功功率控制。改變后發(fā)電機(jī)控制模式后與外網(wǎng)多次并網(wǎng)操作失敗，原因是發(fā)電機(jī)出線開關(guān)柜逆功率保護(hù)動(dòng)作。檢查發(fā)電機(jī)保護(hù)和機(jī)組控制程序，如圖10發(fā)現(xiàn)機(jī)組的調(diào)差系數(shù)=設(shè)定最大調(diào)差系數(shù)×（燃機(jī)所帶負(fù)荷÷燃機(jī)額定負(fù)荷）÷100，由于并網(wǎng)瞬間機(jī)組所帶負(fù)荷為零，因此克拉2半人馬40機(jī)組在并網(wǎng)瞬間的調(diào)差

系數(shù)=設(shè)定最大調(diào)差系數(shù)×（0÷燃機(jī)額定負(fù)荷）÷100=0，雖然并網(wǎng)前設(shè)定機(jī)組控制模式為速度有差控制，但實(shí)際在并網(wǎng)瞬間工作在速度無差位。燃機(jī)在與外網(wǎng)并網(wǎng)瞬間，由于無法確定所分擔(dān)負(fù)荷，造成大幅度的調(diào)整負(fù)荷，直接造成發(fā)電機(jī)開關(guān)柜逆功保護(hù)動(dòng)作。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)按索拉推薦的發(fā)電機(jī)控制模式（速度無差、電壓有差、有功功率鎖定、功率因數(shù)鎖定）進(jìn)行并網(wǎng)，并網(wǎng)成功后，直接將速度有差/無差開關(guān)從“無差”位轉(zhuǎn)為“有差”位（有功鎖定自動(dòng)解除）。采用這種模式后，克拉2并網(wǎng)問題得到解決。

克拉2在與外網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行過程中，有功和無功受外網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)影響而造成功率因數(shù)大幅波動(dòng)，有時(shí)會(huì)超過“1.0”，這不僅不利于燃機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，也大大增加操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和操作風(fēng)險(xiǎn)?？死鳂I(yè)區(qū)最大電機(jī)110KW，全部運(yùn)行的電機(jī)不超過50臺(tái)，無功負(fù)荷很低；以及外網(wǎng)對無功的影響，波動(dòng)范圍不超過500KVAR，因而決定采用和外網(wǎng)并網(wǎng)有功不鎖定，功率因數(shù)鎖定在0.9的并網(wǎng)模式。

3.3 研究成果

分析了克拉2、輪南、塔西南這三個(gè)電站與外網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)索拉機(jī)組控制模式的選擇以及在與外網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行中的一些實(shí)際問題，得出以下結(jié)論。

（1）索拉公司推薦的速度無差、電壓有差、功率因數(shù)鎖定、有功功率鎖定這種發(fā)電機(jī)控制模式不適用于油田各電站。

（2）確定發(fā)電機(jī)控制模式為速度有差控制、電壓有差控制，關(guān)閉有功功率鎖定。功率因數(shù)鎖定適用于機(jī)組較小，本地網(wǎng)容量較小的電站。

（3）當(dāng)功率較小的機(jī)組與外網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，可采取速度無差、電壓有差、功率因數(shù)鎖定、有功功率鎖定模式并網(wǎng)后再切換至速度有差、電壓有差、功率因數(shù)鎖定控制模式。

（4）在目前各電站與外網(wǎng)連接，主要由外網(wǎng)給油田電站承擔(dān)負(fù)荷，而油田電站不給外網(wǎng)承擔(dān)負(fù)荷的情況下，外網(wǎng)所帶負(fù)荷不要超過本地網(wǎng)單臺(tái)機(jī)組負(fù)荷，以保證聯(lián)絡(luò)柜出現(xiàn)問題時(shí)本地網(wǎng)能夠承接負(fù)荷，同時(shí)在本地網(wǎng)與外網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)柜加裝功率方向保護(hù)，以免外網(wǎng)故障影響到本地網(wǎng)。在本地網(wǎng)給外網(wǎng)帶負(fù)荷時(shí)，考慮加裝功率限定保護(hù)，以保證本地網(wǎng)的安全性。

4 成果的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

通過對塔西南、克拉2、輪南等塔里木油田公司電站索拉機(jī)組與外網(wǎng)并網(wǎng)控制模式的研究，保證各電站索拉機(jī)組能夠順利與外網(wǎng)并網(wǎng)，同時(shí)平穩(wěn)運(yùn)行。提高了了油田電網(wǎng)的安全性，為油氣生產(chǎn)和生活用電提供了良好的保障，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。