【摘要】大電網(wǎng)無(wú)法到達(dá)的偏遠(yuǎn)山區(qū)，其水輪發(fā)電機(jī)組通常需要單臺(tái)或多臺(tái)孤立運(yùn)行。針對(duì)孤立運(yùn)行特性，對(duì)低壓水輪發(fā)電機(jī)組重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并升級(jí)控制系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】孤網(wǎng)運(yùn)行；穩(wěn)定型控制；電站設(shè)計(jì)

一、引言

在我國(guó)，許多偏遠(yuǎn)山區(qū)往往有比較好的水資源，可利用這些水資源進(jìn)行發(fā)電。但是由于受到經(jīng)濟(jì)、地形等條件限制，大電網(wǎng)很可能無(wú)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(jī)組需單臺(tái)孤立運(yùn)行或多臺(tái)并列孤立運(yùn)行。但是這類機(jī)組由于容量比較小，負(fù)載變化量占額定容量百分比較大，機(jī)組轉(zhuǎn)速、機(jī)組電壓都極其不穩(wěn)定，機(jī)組擺度與振動(dòng)也比較大。想要穩(wěn)定控制這類機(jī)組，需要對(duì)機(jī)組的設(shè)備重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

二、孤網(wǎng)運(yùn)行情況分析

考量一個(gè)電網(wǎng)運(yùn)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(duì)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(dòng)和閃變、電壓暫降、短時(shí)中斷和三相電壓不平衡、諧波；暫態(tài)和瞬態(tài)過(guò)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(jī)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(dòng)態(tài)響應(yīng)，同時(shí)還要考慮三相電壓不平衡等特殊情況。因此，孤立運(yùn)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(tái)發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行或者多能源并列運(yùn)行系統(tǒng)諧波影響這幾點(diǎn)是孤立電網(wǎng)運(yùn)行情況的關(guān)鍵。

一般來(lái)說(shuō)，偏遠(yuǎn)山區(qū)范圍內(nèi)的孤立電網(wǎng)水輪發(fā)電機(jī)組為低壓機(jī)組，即機(jī)端出線電壓為400V、發(fā)電機(jī)功率小630KW的水輪發(fā)電機(jī)組，這類水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量往往偏小。在這類低壓水輪發(fā)電機(jī)組組成的孤立電網(wǎng)中，由于突變負(fù)荷量（含突增和突減負(fù)荷）與機(jī)組功率的比值相對(duì)較大，負(fù)荷隨機(jī)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(jī)組的空載及甩負(fù)荷后的穩(wěn)定性，但一方面可能會(huì)造成運(yùn)行中頻率波動(dòng)峰值過(guò)大，引起過(guò)速或低頻停機(jī)；另一方面由于隨機(jī)性頻率波動(dòng)使接力器頻繁動(dòng)作，會(huì)引起壓力油供應(yīng)不足，甚至導(dǎo)致低油壓停機(jī)。同時(shí)，這類水輪發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁裝置還必須有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，在機(jī)組頻率大范圍波動(dòng)時(shí)機(jī)端電壓應(yīng)保持穩(wěn)定。

三、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

如不考慮機(jī)組大小等其他因素，孤網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)方案有以下幾個(gè)：

合理確定最大突變負(fù)荷相對(duì)值（突變功率與機(jī)組額定功率的比值）；

機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)要大。當(dāng)機(jī)組開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間及負(fù)荷的突變值確定后，增大機(jī)組的值是減少孤網(wǎng)頻率波動(dòng)峰值唯一直接、有效的技術(shù)措施。機(jī)組選型時(shí)，須經(jīng)過(guò)計(jì)算確定必要且偏大的（機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）。對(duì)于小型機(jī)組，用增大飛輪的辦法增大值，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，簡(jiǎn)單易行；

偏遠(yuǎn)山區(qū)范圍內(nèi)的低壓水輪發(fā)電機(jī)組多為沖擊式，水頭高、引水管道長(zhǎng)，開(kāi)停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)。這種機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，噴針開(kāi)度變化0.3%時(shí)，相應(yīng)的頻率變化會(huì)在1Hz以上，只通過(guò)開(kāi)關(guān)噴針來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)組頻率并不穩(wěn)定。

項(xiàng)目組針對(duì)這類機(jī)組組成的孤立電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合常規(guī)孤網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化方案，重新對(duì)這類參與孤網(wǎng)運(yùn)行的低壓水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：

引入電子負(fù)荷調(diào)節(jié)器（ELC），結(jié)合調(diào)速器一起對(duì)機(jī)組頻率進(jìn)行控制；

電子負(fù)荷調(diào)節(jié)器（ELC）是一種利用固態(tài)電子開(kāi)關(guān)（雙向可控硅）來(lái)調(diào)節(jié)平衡負(fù)載的大小，達(dá)到穩(wěn)定發(fā)電機(jī)出力的控制裝置。固態(tài)電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度為納秒級(jí)，所以當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載變化時(shí)，可以在幾個(gè)周波內(nèi)將這部分變化負(fù)載切換到平衡負(fù)載上，以保持發(fā)電機(jī)出力的穩(wěn)定不變，達(dá)到調(diào)頻調(diào)速的目的。電子負(fù)荷調(diào)節(jié)器（ELC）調(diào)節(jié)快速，受水輪機(jī)調(diào)節(jié)特性影響不大。

用液壓調(diào)速器與電子負(fù)荷控制器ELC組合方式，可以滿足孤網(wǎng)運(yùn)行突甩負(fù)荷對(duì)頻率的波動(dòng)大小的要求和機(jī)組穩(wěn)定后對(duì)頻率穩(wěn)定性的要求。加入電子負(fù)荷控制器后，在機(jī)組頻率粗調(diào)時(shí)使用開(kāi)關(guān)導(dǎo)葉開(kāi)度的方式調(diào)節(jié)，頻率精調(diào)時(shí)使用ELC進(jìn)行調(diào)節(jié)，有效減少了調(diào)速器頻繁動(dòng)作，增加其使用壽命。

四、孤網(wǎng)運(yùn)行電站應(yīng)用實(shí)例

玉環(huán)箱式水電站位于浙江省內(nèi)臺(tái)州市玉環(huán)縣境內(nèi)的陳嶼鎮(zhèn)，設(shè)計(jì)裝機(jī)1×320kW，電站實(shí)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(yùn)行。

業(yè)主考慮到當(dāng)?shù)貧夂驐l件特殊性，需要該機(jī)組具備孤網(wǎng)運(yùn)行條件，故項(xiàng)目組人員對(duì)該機(jī)組進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，更換了部分設(shè)備，成功實(shí)現(xiàn)孤網(wǎng)運(yùn)行目標(biāo)。

具體試驗(yàn)情況介紹如下：

a、試驗(yàn)前機(jī)組工況

機(jī)組形式：沖擊式臥式單噴機(jī)組，無(wú)飛輪，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小

機(jī)組額定功率：320kW 額定水頭240米

機(jī)組自帶ELC電阻負(fù)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(jī)頻大于63Hz一次性投入電阻功率）

b、試驗(yàn)方法：

將發(fā)電機(jī)隔離刀閘分開(kāi)，試驗(yàn)電阻箱接于發(fā)電機(jī)出線斷路器上端頭，機(jī)組正常開(kāi)機(jī)合上機(jī)組斷路器，通過(guò)投退試驗(yàn)負(fù)荷水電阻箱電阻大小，觀察機(jī)組頻率及電壓數(shù)據(jù)。

c試驗(yàn)結(jié)論：

通過(guò)試驗(yàn)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(dòng)態(tài)品質(zhì)快速穩(wěn)定；機(jī)組穩(wěn)定頻率品質(zhì)相當(dāng)出色50±0.15 HZ以內(nèi)。

另外，由于沖擊式機(jī)組固有的特性，機(jī)組的開(kāi)停機(jī)時(shí)間設(shè)置的較長(zhǎng)（如果開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間太短壓力鋼管水錘太大會(huì)影響整個(gè)電站安全運(yùn)行。）所以機(jī)組在突然增加大于15%的負(fù)荷時(shí)，調(diào)速器調(diào)節(jié)會(huì)比較長(zhǎng)，所以機(jī)組頻率降到46Hz以下。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析孤網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)特殊要求的孤網(wǎng)運(yùn)行電站進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用電子負(fù)荷調(diào)節(jié)器與液壓調(diào)速器組合調(diào)節(jié)方案，從試驗(yàn)效果來(lái)說(shuō)，該方案完全可行。