張玉坤

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院 沈陽 110006)

孤網(wǎng)運行機組穩(wěn)定性探討

張玉坤

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院 沈陽 110006)

本文通過巴基斯坦NALTAR水電站機組調(diào)試和運行的情況介紹，探討了孤網(wǎng)運行電站機組穩(wěn)定性問題，提出了在設(shè)計、調(diào)試等環(huán)節(jié)應(yīng)該注意的問題，具有一定的借鑒和參考意義。

孤網(wǎng)運行 調(diào)試 穩(wěn)定

頻率和電壓是電能質(zhì)量的主要指標(biāo)。當(dāng)頻率、電壓變化超出一定范圍時會對用電設(shè)備造成損壞，影響電力拖動生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)各個電源連接成電網(wǎng)運行時，小的故障、負(fù)荷變化等擾動對電網(wǎng)的安全運行基本不造成威脅，能夠保證電能質(zhì)量。電網(wǎng)容量越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好。然而對于容量較小的電網(wǎng)甚至是孤網(wǎng)運行電站，要想保證電能質(zhì)量，在機組選型設(shè)計、保護配置、勵磁裝置和調(diào)速器等主要調(diào)節(jié)設(shè)備選擇以及設(shè)備調(diào)試時都有許多特殊性，需要引起足夠的重視。

目前我國電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)相當(dāng)完備，很少有電站是孤網(wǎng)運行的。但在邊遠(yuǎn)山區(qū)及一些國外項目建設(shè)中，仍會有孤網(wǎng)運行電站存在。巴基斯坦NALTAR電站即為孤網(wǎng)運行電站。

1 工程概況

巴基斯坦NALTAR電站位于巴基斯坦北部地區(qū)，為EPC項目，由中國援建。電站裝機3臺，每臺6MW，總裝機容量18MW。電站為引水式電站，壓力鋼管長度1800m。機組為沖擊式水輪機，額定水頭420m。采用微機式調(diào)速器和微機式勵磁裝置。當(dāng)?shù)仉娏Y源極度匱乏，僅靠幾個小水電和柴油發(fā)電機組為居民供電。該電站建成后將成為該地區(qū)核心供電電源。

系統(tǒng)單線圖

按照業(yè)主提供的資料，NALTAR電站與該地區(qū)一座裝機2x2MW的電站(GAH)并網(wǎng)運行，并網(wǎng)點在距離電站28km的中心變電所，所有負(fù)荷從該變電所配出。如上圖所示。

但由于GAH電站設(shè)備原因，經(jīng)常不能運行，實際上NALTAR電站為孤網(wǎng)運行。

2 存在問題及原因分析

當(dāng)?shù)貨]有大的工業(yè)負(fù)荷，主要為居民用電，高峰期主要集中在晚上6～10點段。在帶負(fù)荷調(diào)試時，由于GAH電站設(shè)備原因，不能投運，所以NALTAR電站實為孤網(wǎng)運行。由于當(dāng)?shù)毓╇娫O(shè)備和線路老化破舊，經(jīng)常發(fā)生配電線路跳閘，引起負(fù)荷較大突變。在電站調(diào)試期間，發(fā)生了多次配電回路跳閘事故。當(dāng)?shù)嘏潆娮冸娝\行人員在跳閘后重新合閘時并非逐漸加負(fù)荷，而是直接將主配回路合閘，這樣就造成跳合閘時都會發(fā)生負(fù)荷突然巨變，有時達(dá)到3～5MW，超過機組容量的1/3。如果不是三臺機組都運行，會直接造成電站機組轉(zhuǎn)速(頻率)過高或過低，嚴(yán)重時保護跳閘，電站直接甩負(fù)荷或停機。

調(diào)試及試運行時還發(fā)現(xiàn)，在沒有負(fù)荷較大變動時(非主配電回路跳合閘，只是終端用戶正常的負(fù)荷變化)，機組運行很平穩(wěn)。即使有小的負(fù)荷突變，如末段配電回路(一般幾十至幾百千瓦)跳合閘，機組會出現(xiàn)2～3次震蕩。

根據(jù)以上一些現(xiàn)象，結(jié)合工程具體實際及當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)實際運行情況，分析產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因主要有以下幾方面：

a.孤網(wǎng)運行，系統(tǒng)容量太小。由于電站孤網(wǎng)運行，而電站最大容量也只有18MW，用戶用電高峰期用電需求基本達(dá)到18MW(缺口由柴油發(fā)電機補齊，單獨定時供電)，電站滿發(fā)運行，基本無容量儲備。

b.負(fù)荷突變且變幅較大。發(fā)生保護跳閘一般都發(fā)生在主配電回路突然帶負(fù)荷合閘時，突然跳閘時經(jīng)過幾次震蕩基本都能重新穩(wěn)定。

c.機組轉(zhuǎn)動慣量較小。由于機組為沖擊式水輪機，機組轉(zhuǎn)動慣量(GD2)較小，不利于負(fù)荷擾動后的頻率穩(wěn)定。

d.引水壓力鋼管較長。電站壓力鋼管達(dá)到1800m，當(dāng)負(fù)荷突變且幅值較大時，流量調(diào)整較大會在壓力鋼管中產(chǎn)生壓力脈動，從而影響機組穩(wěn)定運行，形成震蕩。

e.調(diào)速器參數(shù)調(diào)整。開始時調(diào)速器參數(shù)設(shè)定是按一般并入大系統(tǒng)的方式調(diào)整的。不適于實際運行情況。

3 解決方法和過程

通過分析產(chǎn)生問題的原因，有針對性地提出解決方法。鑒于工程已經(jīng)實施，壓力鋼管長度及機組轉(zhuǎn)動慣量都已確定，無法更改，所以重點是從調(diào)速器參數(shù)調(diào)整及加強當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運行人員管理兩方面入手，解決問題。重點是調(diào)速器參數(shù)的調(diào)整。

3.1 調(diào)速器參考調(diào)整

調(diào)速器［1］的主要參數(shù)有：比例增益 KP、積分增益KI、微分增益 KD、暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù) bt、緩沖時間常數(shù)Td、加速度時間常數(shù)Tn、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp;接力器關(guān)閉和開啟時間等。

設(shè)計時已經(jīng)考慮了系統(tǒng)容量小及壓力鋼管長的問題，在計算基礎(chǔ)上已經(jīng)要求機組生產(chǎn)廠家適當(dāng)加大了機組轉(zhuǎn)動慣量，調(diào)整裕度較大。首先是重新核算了設(shè)計時進行的調(diào)解保證計算，甩100%負(fù)荷時，壓力上升和轉(zhuǎn)速上升在調(diào)速器關(guān)機時間的調(diào)整在6～24s都是滿足要求的。所以在調(diào)整設(shè)定調(diào)速器關(guān)機時間時必須在6～24s內(nèi);基于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)容量較小不利于穩(wěn)定運行問題，設(shè)計時對于機組調(diào)解控制的兩個關(guān)鍵設(shè)備——調(diào)速器和勵磁裝置都選用最先進的微機型調(diào)解設(shè)備，保證了可靠性、速動性，也使參數(shù)調(diào)整更方便。

3.2 調(diào)速器PID參數(shù)調(diào)解

當(dāng)機組與大電網(wǎng)解列時，調(diào)速器會自動轉(zhuǎn)為頻率調(diào)節(jié)模式，即工作于頻率調(diào)節(jié)器模式(頻率死區(qū)Er=0)。由于被控機組容量受小電網(wǎng)總?cè)萘康谋壤⑿‰娋W(wǎng)突變負(fù)荷大小以及小電網(wǎng)負(fù)荷特性等因素影響，使得這種情況下的調(diào)速器的工作條件十分復(fù)雜，只能盡量維持電網(wǎng)頻率在一定范圍內(nèi)。如果突變負(fù)荷超過小電網(wǎng)總?cè)萘康?0%～20%，則大的動態(tài)頻率升降是不可避免的。對于孤立電網(wǎng)運行工況，調(diào)速器應(yīng)工作于頻率調(diào)節(jié)模式的PID(比例積分微分)調(diào)節(jié)。PID參數(shù)的選擇原則是：在保證孤立電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定的前提下，盡量選取較大的比例增益Kp(較小的暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt)和較大的積分增益KI(較小的暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt和較小的緩沖時間常數(shù) Td)。［2］

根據(jù)參考文獻2中系統(tǒng)仿真分析結(jié)果，孤立電網(wǎng)運行可以參照下式選擇水輪機調(diào)速器的PID參數(shù)：

雖然有以上仿真分析結(jié)果作參照和指導(dǎo)，但由于實際工程情況千差萬別，即使同一個工程，在不同運行時間，遇到不同的負(fù)荷擾動情況也會時時變化，所以在現(xiàn)場仍然經(jīng)過多次試驗整定后，才達(dá)到一個相對比較理想的狀態(tài)。再加上運行人員管理水平的提高，電站運行基本穩(wěn)定，能夠滿足供電要求。

4 經(jīng)驗總結(jié)

通過NALTAR電站調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及其解決過程，總結(jié)經(jīng)驗如下：在涉及小容量電網(wǎng)或孤立電網(wǎng)運行電站機組的設(shè)計和調(diào)試時，應(yīng)注意以下幾方面的問題：

a.小容量或孤立電網(wǎng)運行的電站，如突變負(fù)荷較大時，則大的動態(tài)頻率升降非常明顯，震蕩加劇。

b.設(shè)計時要充分考慮到孤網(wǎng)運行的特點，注意在工程布置、機組選型、保護配置、主要調(diào)節(jié)設(shè)備(調(diào)速器和勵磁裝置)選用等，認(rèn)真研究比選。

c.工程布置要盡量減少引水壓力鋼管長度。

d.盡量加大機組轉(zhuǎn)動慣量(GD2)，以增加機組的穩(wěn)定性。

e.主要調(diào)節(jié)設(shè)備(調(diào)速器和勵磁裝置)應(yīng)選用先進的微機式設(shè)備，保證其可靠性、速動性，以及方便的參數(shù)整定。

f.調(diào)試時要仔細(xì)研究廠家技術(shù)資料，結(jié)合有關(guān)技術(shù)文獻和類似工程經(jīng)驗，耐心細(xì)致，反復(fù)試驗，力爭達(dá)到參數(shù)組合最優(yōu)。有條件的可以借用仿真軟件，以提高調(diào)試質(zhì)量和加快調(diào)試過程的進度，少走彎路。

1 沈祖詒．水輪機調(diào)節(jié)［M］．北京：中國水利電力出版社，1988．

2 魏守平．水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)一次調(diào)頻及孤立電網(wǎng)運行特性分析及仿真［J］．水電自動化與大壩監(jiān)測，2009(b)．