孤網(wǎng)運(yùn)行的TOBI-TOBIDI水電站電氣設(shè)計(jì)探討

鮑舒眉

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司 合肥 230088）

1 引言

孤網(wǎng)是孤立電網(wǎng)的簡(jiǎn)稱，一般泛指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)。最大單機(jī)容量小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%的電網(wǎng)為大電網(wǎng)，反之稱為小網(wǎng)，孤立運(yùn)行的小網(wǎng)稱為孤網(wǎng)。本文所述剛果（金）TOBI-TOBIDI 水電站完全獨(dú)立于剛果（金）當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)，單機(jī)容量占電網(wǎng)容量的25%，電站運(yùn)行是孤網(wǎng)運(yùn)行，電站頻率、電壓的穩(wěn)定直接影響安全生產(chǎn)。

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(yè)基地公路里程約25km，裝設(shè)4臺(tái)發(fā)電機(jī)，單機(jī)額定容量3MW，機(jī)端額定電壓6.3kV，額定功率因數(shù)0.8（滯后），總裝機(jī)容量12MW，電站年利用小時(shí)數(shù)為5446h。電站輸出電能主要是供給SCIM礦業(yè)基地用電負(fù)荷使用，不接入地方電網(wǎng)系統(tǒng)，供電電壓等級(jí)為35kV。

由于電站為孤網(wǎng)系統(tǒng)，為保證事故情況下對(duì)供電負(fù)荷及電站自身的影響最小，變壓器檢修時(shí)退出的發(fā)電機(jī)組最少，同時(shí)由于剛果（金）的運(yùn)輸條件非常差，變壓器容量小投資略小，也便于運(yùn)輸，因此電站電氣主接線方案選擇一機(jī)一變單元接線。每臺(tái)發(fā)電機(jī)配置1 臺(tái)三相油浸自冷式變壓器，其型號(hào)為S13-4000/35，38.5+4×2.5%-2×2.5%/6.3kV，Ud%=7，Y,d11。水輪機(jī)-發(fā)電機(jī)組為臥式機(jī)組，發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)布置在同一層，每臺(tái)發(fā)電機(jī)機(jī)旁均布置電流互感器柜、勵(lì)磁屏、機(jī)組現(xiàn)地控制屏、測(cè)溫制動(dòng)屏和機(jī)旁動(dòng)力箱，全站采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控、視頻監(jiān)視系統(tǒng)。

電站保護(hù)裝置采用微機(jī)型保護(hù)裝置。35kV 線路保護(hù)設(shè)置三段距離保護(hù)，發(fā)電機(jī)-變壓器組裝設(shè)保護(hù)為：變壓器縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、復(fù)合電壓起動(dòng)過電流保護(hù)、主變瓦斯保護(hù)、主變溫度保護(hù)、發(fā)電機(jī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、帶電流記憶的低壓過電流保護(hù)、低電壓保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、定子接地保護(hù)、轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)等。水輪發(fā)電機(jī)組選用自并勵(lì)靜止可控硅勵(lì)磁裝置，選用高油壓數(shù)字式可編程微機(jī)調(diào)速器。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的兩大要素是頻率和電壓，對(duì)于TOBI-TOBIDI 水電站完全獨(dú)立于電網(wǎng)的孤網(wǎng)系統(tǒng)而言，發(fā)電機(jī)組是唯一動(dòng)力源，發(fā)電機(jī)組由負(fù)荷控制轉(zhuǎn)為頻率控制，以致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行抗干擾性較差，所以機(jī)組頻率、電壓能否穩(wěn)定是孤網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的核心。

針對(duì)大電網(wǎng)運(yùn)行的常規(guī)設(shè)計(jì)無法保證孤網(wǎng)電站的安全可靠運(yùn)行，因此，TOBI-TOBIDI 水電站調(diào)速、勵(lì)磁、保護(hù)、控制等均需進(jìn)行適應(yīng)性修正、優(yōu)化和改進(jìn)。由于剛果（金）地方條件有限，為節(jié)省投資，提高性價(jià)比，電站仍采用通用調(diào)速、勵(lì)磁、保護(hù)、控制系統(tǒng)設(shè)備，但在設(shè)備配置和系統(tǒng)整定上進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)投入產(chǎn)出比最大化。

3.1 優(yōu)化調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行整定

孤網(wǎng)運(yùn)行要求調(diào)速系統(tǒng)具有更高的靈敏度、更小的遲緩率和更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此采用單機(jī)孤網(wǎng)專用絕對(duì)型帶方向控制的PID 控制算法和參數(shù)，控制機(jī)組負(fù)荷與電網(wǎng)頻率成反比，以保證用戶負(fù)荷變化情況下自動(dòng)保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。

3.1.1 優(yōu)化調(diào)整可編程控制器程序

在空載運(yùn)行時(shí)能自動(dòng)跟蹤給定頻率，為頻率調(diào)節(jié)模式；負(fù)載運(yùn)行時(shí)自動(dòng)切換為開度調(diào)節(jié)模式；負(fù)載運(yùn)行時(shí)若頻率超差自動(dòng)切換為頻率調(diào)節(jié)模式，頻率恢復(fù)正常后自動(dòng)返回開度調(diào)節(jié)模式。手動(dòng)工作方式下為開度調(diào)節(jié)模式。

3.1.2 優(yōu)化調(diào)速器調(diào)節(jié)參數(shù)

（1）機(jī)組處于孤立電網(wǎng)，帶穩(wěn)定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，調(diào)速器能保證機(jī)組頻率變化≤±0.25Hz。

（2）在水輪發(fā)電機(jī)出口開關(guān)以外切除，機(jī)組突然甩≥25%額定負(fù)荷時(shí)，要求調(diào)速器能保證在調(diào)節(jié)過程中最高轉(zhuǎn)速不超過140%，所引起的頻率波動(dòng)過渡過程中的波峰數(shù)≤2 個(gè)，調(diào)節(jié)時(shí)間≤30s，且頻率波動(dòng)的波谷≥49.5Hz。

（3）電站進(jìn)水口2 臺(tái)機(jī)組共用一根鋼管，經(jīng)過2 臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩滿負(fù)荷最不利的調(diào)節(jié)保證工況復(fù)核計(jì)算，機(jī)組最大壓力升高35%、最大轉(zhuǎn)速升高55%均可控在額定水頭范圍內(nèi)，且壓力升高、轉(zhuǎn)速升高和尾水管真空度均滿足規(guī)范要求的情況下，為減少機(jī)組甩負(fù)荷的不利影響，加快導(dǎo)水葉直線關(guān)閉時(shí)間，整定為5.0s。

3.2 優(yōu)化勵(lì)磁系統(tǒng)配置整定

勵(lì)磁裝置采用具有孤網(wǎng)識(shí)別和自動(dòng)切換調(diào)節(jié)方式功能的微機(jī)勵(lì)磁裝置。

（1）勵(lì)磁裝置需具有單機(jī)恒壓帶負(fù)荷功能，自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)保證發(fā)電機(jī)機(jī)端調(diào)壓精度優(yōu)于0.5%。

（2）勵(lì)磁裝置需與調(diào)速器協(xié)調(diào)控制，以有效抑制無負(fù)載變化時(shí)頻率及功率的周期性波動(dòng)，減小負(fù)載突變時(shí)電壓及頻率的波動(dòng)幅值。并且勵(lì)磁系統(tǒng)在機(jī)端電源頻率為45～77.5Hz 范圍內(nèi)維持正常工作。

（3）當(dāng)發(fā)電機(jī)端正序電壓下降到額定值的80%時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)可提供2 倍額定勵(lì)磁電壓和2 倍額定勵(lì)磁電流，持續(xù)時(shí)間不小于50s。

3.3 調(diào)整保護(hù)配置和整定

工程設(shè)備除主保護(hù)外，需重新設(shè)定保護(hù)配置。輸電線路設(shè)置三段距離保護(hù)，發(fā)電機(jī)-變壓器組設(shè)置縱差保護(hù)等主保護(hù)外，還設(shè)置低電壓保護(hù)、帶電流記憶的低壓過電流保護(hù)、復(fù)合電壓起動(dòng)過電流保護(hù)、本體保護(hù)等，退出一些不適用于孤網(wǎng)運(yùn)行的保護(hù)，比如失磁、失步保護(hù)等。發(fā)電機(jī)還配置反應(yīng)三相電流不平衡的負(fù)序過流保護(hù)，以保證保護(hù)動(dòng)作的靈敏度。

（1）負(fù)序過流保護(hù)裝置的動(dòng)作電流按躲過發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期允許的負(fù)序電流值和躲過最大負(fù)荷下負(fù)序電流濾過器的不平衡電流整定。

1）動(dòng)作電流：Isr=（0.08～0.1）Irg

式中：Irg—發(fā)電機(jī)額定電流。

Isr=0.1 Irg/N=0.1×343.67/80=0.43A

2）動(dòng)作時(shí)限：比相間短路后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限大一時(shí)限階段，取t=8s。

（2）適當(dāng)放寬高頻、低頻保護(hù)的動(dòng)作條件，由常規(guī)48.5～50.5Hz 調(diào)整到48～51Hz，以適應(yīng)孤網(wǎng)運(yùn)行的要求。

3.4 控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)機(jī)網(wǎng)負(fù)荷

TOBI-TOBIDI 水電站運(yùn)行采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)調(diào)機(jī)網(wǎng)負(fù)荷，協(xié)調(diào)SCIM 礦業(yè)基地負(fù)載無功補(bǔ)償、機(jī)組有功/無功負(fù)荷、維持功角/功素因數(shù)平衡；與勵(lì)磁系統(tǒng)配合，分配無功功率，維持孤網(wǎng)電壓；并根據(jù)有功、無功備用計(jì)算，增減負(fù)荷和聯(lián)鎖降負(fù)荷，作為切機(jī)和切負(fù)荷的反向穩(wěn)控手段。并在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，限制礦業(yè)基地的負(fù)荷量，平緩有功負(fù)荷的突變，與調(diào)速系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)建立快速的控制信號(hào)聯(lián)系，提高孤網(wǎng)穩(wěn)定性，避免孤網(wǎng)崩潰。

4 結(jié)語

孤網(wǎng)運(yùn)行的小型水電站在國(guó)內(nèi)外偏遠(yuǎn)地區(qū)有其不可忽視的地位與作用。發(fā)電機(jī)組發(fā)生停機(jī)故障時(shí)孤網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)有功功率缺額，孤網(wǎng)中突變負(fù)荷相對(duì)值較大，造成頻率波動(dòng)峰值過大、電壓波動(dòng)等一系列特殊問題，直接影響電能質(zhì)量和運(yùn)行可靠性，甚至損壞設(shè)備，影響正常生產(chǎn)。TOBI-TOBIDI 水電站孤網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)和設(shè)備技術(shù)參數(shù)采取本文所述的調(diào)速、勵(lì)磁、保護(hù)、控制等措施要求，將電能質(zhì)量控制在合理水平，保證了安全生產(chǎn)，提高了偏遠(yuǎn)地區(qū)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展自生力■