礦山工程電站孤網(wǎng)運(yùn)行的安全管理和操作

胡 龍

（廣西中鋁建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，廣西 百色 531400）

可再生能源的發(fā)展帶動(dòng)了新能源產(chǎn)業(yè)的格局發(fā)生改變，各個(gè)企業(yè)面臨著能源和環(huán)境等方面的問題。當(dāng)大容量可再生能源并網(wǎng)出現(xiàn)后，為了提高電網(wǎng)的運(yùn)行能力，以及對(duì)能源的利用率，考慮到再生能源的變化及電網(wǎng)故障問題的情況之下，為了維持各企業(yè)的正常運(yùn)行，提出了一種電站孤網(wǎng)運(yùn)行模式，可以由單個(gè)的可再生能源孤網(wǎng)運(yùn)行為企業(yè)提供電量[1]。孤網(wǎng)又稱孤立電網(wǎng)，是一種脫離了大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)。在孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，不具備對(duì)電網(wǎng)和電壓的支持條件，同時(shí)產(chǎn)生了間隙性的功率波動(dòng)，負(fù)荷出現(xiàn)連續(xù)的動(dòng)態(tài)變化情況，嚴(yán)重降低了孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 礦山工程電站孤網(wǎng)運(yùn)行的安全管理

孤網(wǎng)是孤立電網(wǎng)的簡稱，一般是指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)，通常最大單機(jī)容量大于電網(wǎng)總?cè)萘康?%的電網(wǎng)，統(tǒng)稱為小網(wǎng)；孤立運(yùn)行的小網(wǎng)稱為孤網(wǎng)。

為了保證礦山工程中電站的孤網(wǎng)運(yùn)行達(dá)到安全、穩(wěn)定的效果，在運(yùn)行過程中對(duì)其各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行管理，包括對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓的管理、電網(wǎng)頻率管理及儲(chǔ)能方式管理。

圖1 孤網(wǎng)運(yùn)行中發(fā)動(dòng)機(jī)端電壓等效電路圖

圖1 為孤網(wǎng)運(yùn)行中發(fā)電機(jī)端電壓的等效電路圖。在礦山工程電站孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)負(fù)荷端對(duì)電能質(zhì)量的要求和礦山企業(yè)對(duì)電壓穩(wěn)定性的要求，對(duì)發(fā)電機(jī)端的電壓控制在上下波動(dòng)幅度不超過5%。在孤網(wǎng)運(yùn)行過程中可以通過增加自動(dòng)電壓控制的穩(wěn)定器裝置對(duì)發(fā)電機(jī)端的電壓進(jìn)行管理，是發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流隨著無功電流的變化進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，從而保證發(fā)電機(jī)端電壓的安全、穩(wěn)定[2]。同時(shí)，在對(duì)發(fā)電機(jī)端的電壓管理時(shí)要注意電網(wǎng)無功電流的變化必須小于發(fā)電機(jī)穩(wěn)定器自動(dòng)電壓控制的調(diào)節(jié)范圍，否則將失去對(duì)電網(wǎng)電壓的管理，造成發(fā)電機(jī)跳閘問題帶來不必要的損失。此外穩(wěn)定器是作為發(fā)電機(jī)端附加的控制裝置，會(huì)增加發(fā)電機(jī)的阻尼作用[3]。因此需要對(duì)運(yùn)行過程中的發(fā)電機(jī)進(jìn)行定期的檢測，觀察發(fā)電機(jī)的有功變化情況，從而通過調(diào)節(jié)無功的形式保證電站孤網(wǎng)的安全運(yùn)行。

采用二次調(diào)頻的方法對(duì)電站孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的頻率進(jìn)行管理，即通過改變功率給定值的方式對(duì)孤網(wǎng)頻率控制，利用調(diào)速設(shè)備的特性，將電站孤網(wǎng)運(yùn)行頻率維持在穩(wěn)定狀態(tài)。在礦山工程電站孤網(wǎng)運(yùn)行過程中，發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)通常時(shí)通過恒定頻率控制方式完成，按照頻率的偏差對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)頻率偏差為0時(shí)，結(jié)束調(diào)節(jié)。由于電站孤網(wǎng)的容量較少，因此，電網(wǎng)通常需要主力機(jī)組具備更高的靈敏度以及更低的遲緩率，從而對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行頻率進(jìn)行快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在滿足用戶負(fù)荷需要的條件下，自動(dòng)調(diào)節(jié)孤網(wǎng)的評(píng)率。

針對(duì)不同條件下的電站孤網(wǎng)運(yùn)行的儲(chǔ)能方式也不同，因此需要對(duì)還需要對(duì)儲(chǔ)能方式進(jìn)行管理，從而根據(jù)具體需要選擇適合的儲(chǔ)能方式。表1為各儲(chǔ)能方式及對(duì)應(yīng)的應(yīng)用條件。

表1 各儲(chǔ)能方式及對(duì)應(yīng)的應(yīng)用條件

在礦山工程電站孤網(wǎng)運(yùn)行過程中，根據(jù)其運(yùn)行需要可選擇表1中鋰離子電池、抽水儲(chǔ)能、超級(jí)電容及飛輪儲(chǔ)能等眾多儲(chǔ)能方式，選擇適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能方式可以有效提高礦山企業(yè)的功能效率，進(jìn)而提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

2 礦山工程孤網(wǎng)運(yùn)行算法

礦山電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，可以用以下微分代數(shù)方程組來表述。

式中，x 變量為節(jié)點(diǎn)電壓，y 為節(jié)點(diǎn)功率，u 為同步發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)及空載頻率。式（1）為發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)方程，表征了同步發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)過程；式（2）為網(wǎng)絡(luò)方程，表征了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行約束。完成一次電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)之后，系統(tǒng)將處于穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，因此，發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)方程達(dá)到平衡點(diǎn)，即發(fā)電機(jī)組的有功頻率、無功電壓靜態(tài)特性曲線與負(fù)荷功率特性曲線交流。從計(jì)算結(jié)果可以看出，各臺(tái)電機(jī)組的運(yùn)行都發(fā)生變化，表明各臺(tái)機(jī)組均分擔(dān)了負(fù)荷變化，消除了常規(guī)系統(tǒng)模型中只有一臺(tái)機(jī)組承擔(dān)負(fù)荷變化的弊端。

3 礦山工程電站孤網(wǎng)安全運(yùn)行操作

在礦山工程電站孤網(wǎng)運(yùn)行前，首先要根據(jù)礦山工程的需要，對(duì)電站孤網(wǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和計(jì)算，并制定出完善的電站孤網(wǎng)運(yùn)行預(yù)案。在操作過程中應(yīng)嚴(yán)格按照預(yù)案中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行，實(shí)施統(tǒng)一的調(diào)配，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)得到通力協(xié)作[4]。對(duì)于電站孤網(wǎng)頻率波動(dòng)問題，可通過電池系統(tǒng)穩(wěn)定評(píng)率，在孤網(wǎng)運(yùn)行過程中，頻率突然出現(xiàn)增加，可通過將多余的有功功率由充電控制系統(tǒng)吸收降低，；頻率突然出現(xiàn)降低，可通過放電控制系統(tǒng)將確實(shí)部分的有用功率補(bǔ)充。對(duì)于電站孤網(wǎng)電壓易受干擾的問題，可通過相應(yīng)的無功功率控制，降低負(fù)荷對(duì)電壓的干擾。當(dāng)孤網(wǎng)電站的電壓突然增加時(shí)，多余的無功功率可通過電池系統(tǒng)控制吸收；當(dāng)孤網(wǎng)電站的電壓突然降低時(shí)，可通過控制系統(tǒng)將確實(shí)的無功功率補(bǔ)充。

礦山工程電站孤網(wǎng)的用電負(fù)荷性質(zhì)較為平穩(wěn)，但由于在大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止過程中對(duì)供電系統(tǒng)會(huì)造成較為嚴(yán)重而沖擊[5]。因此，對(duì)于大功率電機(jī)在啟動(dòng)過程中應(yīng)當(dāng)采用軟起或變頻啟動(dòng)的操作，并在10kV饋線回路中增設(shè)電抗器裝置，穩(wěn)定母線的電壓，以此降低電機(jī)在啟動(dòng)過程中對(duì)供電系統(tǒng)的電壓造成沖擊[6]。為了進(jìn)一步保證孤網(wǎng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，在操作過程中應(yīng)取消對(duì)部分設(shè)備的低電壓保護(hù)操作，從而防止電壓在波動(dòng)過程中導(dǎo)致設(shè)備的跳閘現(xiàn)象，影響供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

礦山工程生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng) ，個(gè)別設(shè)備停止運(yùn)行時(shí)間較長將會(huì)造成局部設(shè)備損壞 ，影響整個(gè)工程生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行。但是 ，礦山施工用電設(shè)備比較分散 ，多數(shù)為電機(jī)和加熱設(shè)備 ，重要用電設(shè)備的容量不是很大，因此，在進(jìn)行礦山工程孤網(wǎng)運(yùn)行設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)礦山開采的一級(jí)及重要的二級(jí)用電負(fù)荷，為防止因突然停電或者較長時(shí)間停電導(dǎo)致人身傷害、損壞或者難以恢復(fù)生產(chǎn)的設(shè)備，比如 ：分解槽 、電氣站，在這些重要區(qū)域設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組 ，在礦山工作區(qū)域內(nèi)短時(shí)停電的情況下采用柴油發(fā) 電機(jī)為其局部短時(shí)應(yīng)急供電，可以減少因停電造成的損失，并為盡快恢復(fù)生產(chǎn)創(chuàng)造條件，這樣就能夠盡最大限度的彌補(bǔ)由于自備電站孤網(wǎng)運(yùn)行礦山工作區(qū)停電的影響。

4 結(jié)語

有效利用資源在當(dāng)前礦山工程的發(fā)展中占據(jù)著十分重要的地位，而電站孤網(wǎng)作為能源的先行者，配備了儲(chǔ)備能源的環(huán)節(jié)，可以有效提高對(duì)能源的利用率，符合礦山企業(yè)的發(fā)展需要。本文針對(duì)礦山工程電站孤網(wǎng)運(yùn)行的安全管理和操作開展了詳細(xì)的研究，下一步將針對(duì)電站孤網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行及保護(hù)控制等方面進(jìn)行更加深入的研究，擴(kuò)大礦山企業(yè)對(duì)電站孤網(wǎng)的應(yīng)用范圍。