陳　艇，周雨風(fēng)

(1. 水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州310012；2. 杭州亞太水電設(shè)備成套技術(shù)有限公司，浙江杭州310012；3.水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江杭州310012)

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箱式小水電機(jī)組黑啟動(dòng)技術(shù)

陳艇1,3，周雨風(fēng)2，3

(1. 水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州310012；2. 杭州亞太水電設(shè)備成套技術(shù)有限公司，浙江杭州310012；3.水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江杭州310012)

箱式小水電機(jī)組是一種新型微小水電站建設(shè)模式，不僅具備并網(wǎng)發(fā)電功能，同時(shí)也可為孤立用戶群提供照明及日常生活用電，還可作為常規(guī)水電站的黑啟動(dòng)電源。結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)箱式小水電機(jī)組黑啟動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了分析研究。圖3幅，表1個(gè)。

小水電站；箱式小水電機(jī)組；黑啟動(dòng)

1　概　述

箱式小水電機(jī)組是一種將水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備、輔助設(shè)備和控制系統(tǒng)等裝設(shè)在金屬箱內(nèi)，用金屬箱體代替廠房的新型小水電建設(shè)模式；其自動(dòng)化程度高，具備一定的自啟動(dòng)能力，配合ELC(電子負(fù)荷控制器)可為孤立用戶群提供照明及日常生活用電。在電力主網(wǎng)解列停運(yùn)的情況下，箱式小水電機(jī)組完全可以作為常規(guī)水電站的黑啟動(dòng)電源，對(duì)常規(guī)水電站進(jìn)行供電，為常規(guī)水電站機(jī)組快速重啟創(chuàng)造條件。

杭州亞太水電設(shè)備成套技術(shù)有限公司已出口1套箱式小水電機(jī)組，裝機(jī)容量1×100 kW，臥式斜擊式機(jī)組，出線為AC380 V，直接接入2.5 MW常規(guī)水電站廠用電系統(tǒng)。業(yè)主原計(jì)劃利用電站多余的水，通過箱式小水電機(jī)組發(fā)電；但是通過實(shí)地考察后，引進(jìn)箱式小水電機(jī)組作為了常規(guī)電站的黑啟動(dòng)電源。

2　黑啟動(dòng)條件分析

該常規(guī)水電站裝機(jī)容量2.5 MW，為3臺(tái)臥式水輪發(fā)電機(jī)組(2×1 MW+1×0.5 MW)?，F(xiàn)有廠用變?nèi)萘繛?00 kVA，水頭108 m，壓力鋼管直徑1.2 m，廠用直流電源電壓為110 V(見圖1)。

圖1電站主接線圖

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察確定，該水電站啟動(dòng)1 MW大機(jī)及0.5 MW小機(jī)的啟動(dòng)條件有：機(jī)組必須保證調(diào)速器在沒有380 V廠用電源時(shí)調(diào)速器有足夠的油壓推動(dòng)機(jī)組開機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)組各軸承必須保證有冷卻水、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置必須有380 V電源滿足可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)散熱、機(jī)組進(jìn)水蝶閥開啟、廠用直流電源DC110 V正常、監(jiān)控及保護(hù)系統(tǒng)工作正常等。

電站的蝶閥液壓站電機(jī)(3×3 kW)、調(diào)速器電機(jī)(2×3+2×3 kW)、勵(lì)磁風(fēng)機(jī)(3×1 kW)、控制系統(tǒng)(2 kW)、廠用照明、技術(shù)供水泵(2×6 kW)設(shè)備等，單個(gè)用電設(shè)備最大功率為7 kW，廠用電總需功率約為45 kW。

以上設(shè)備都必須要有可靠的380 V外部電源作為后備電源對(duì)其進(jìn)行供電。而根據(jù)能源標(biāo)準(zhǔn)——《孤網(wǎng)運(yùn)行的小水電機(jī)組設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，小水電機(jī)組對(duì)實(shí)際總負(fù)載的限制要求如下：對(duì)于沖擊式和軸伸貫流式機(jī)組，投入的負(fù)荷不大于投運(yùn)機(jī)組額定容量的50%；突變負(fù)荷不大于調(diào)頻機(jī)組額定容量的15%，發(fā)生間隔時(shí)間大于20 min。故箱式小水電機(jī)組完全符合上述要求，可作為該水電站黑啟動(dòng)電源。

3　設(shè)　計(jì)

要作為大電站的黑啟動(dòng)電源，箱式小水電機(jī)組自身需具備黑啟動(dòng)功能，因此箱式小水電機(jī)組的設(shè)備在選型上都應(yīng)具備手自動(dòng)功能：進(jìn)水閘閥在沒有電源時(shí)能手動(dòng)開啟；調(diào)速裝置也應(yīng)具備手動(dòng)操作功能，調(diào)速器壓力油能通過手搖泵建壓，導(dǎo)葉/噴針能通過機(jī)械液壓手動(dòng)開關(guān)導(dǎo)葉/噴針；機(jī)組轉(zhuǎn)速到達(dá)40 Hz以上時(shí)勵(lì)磁裝置在無工作電源時(shí)能自動(dòng)起勵(lì)磁并具備穩(wěn)壓功能；機(jī)端電壓正常后箱式電站內(nèi)所有設(shè)備均能通過發(fā)電機(jī)自身發(fā)出的電作為電源投入運(yùn)行；電源正常后控制系統(tǒng)自動(dòng)判斷機(jī)組狀態(tài)投入調(diào)速功能(調(diào)速器上電時(shí)能自動(dòng)工況轉(zhuǎn)化換為空載運(yùn)行)等。

另外，箱式小水電機(jī)組在水輪發(fā)電機(jī)組選型時(shí)應(yīng)盡量選用滾珠軸承的機(jī)組，如有可能，可取消機(jī)組飛輪和剎車裝置，從而取消機(jī)組的冷卻水系統(tǒng)與剎車氣系統(tǒng)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)控制。

針對(duì)該常規(guī)水電站的特點(diǎn)，項(xiàng)目組參照黑啟動(dòng)要求，專門對(duì)以下的箱式小水電機(jī)組設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了為常規(guī)水電站提供黑啟動(dòng)電源的功能，同時(shí)也具備并網(wǎng)運(yùn)行功能。

3.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用兩套控制模式：孤網(wǎng)/黑啟動(dòng)模式和并網(wǎng)模式，兩套模式可自由切換。

控制系統(tǒng)具備對(duì)機(jī)組的自動(dòng)開停機(jī)控制、機(jī)組控制系統(tǒng)上電工況判定、機(jī)組有功無功的閉環(huán)調(diào)節(jié)、機(jī)組頻率(導(dǎo)葉/噴針)控制、機(jī)組事故故障報(bào)警等功能，也可接受現(xiàn)地緊停按鈕及觸摸屏觸摸鍵的操作控制、來自遠(yuǎn)方的開停機(jī)命、有功無功自動(dòng)調(diào)節(jié)等控制命令，同時(shí)會(huì)自動(dòng)完成機(jī)組頻率、網(wǎng)頻、相角差的采集、自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組頻率及自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)。機(jī)組保護(hù)設(shè)備采用PM130多功能電參數(shù)表，具體的保護(hù)功能有：過壓保護(hù)、過流保護(hù)、低壓保護(hù)、過頻保護(hù)、低頻保護(hù)、逆功率保護(hù)等(見圖2)。

圖2控制系統(tǒng)示意

3.2箱式小水電機(jī)組電源設(shè)計(jì)

箱式小水電機(jī)組動(dòng)力電源(380 V)采用雙電源供電，即從發(fā)電機(jī)機(jī)端及發(fā)電機(jī)隔離刀閘上端頭取電。機(jī)組在黑啟動(dòng)時(shí)以及孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)動(dòng)力電源取自發(fā)電機(jī)，當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)機(jī)組動(dòng)力電源取自電網(wǎng)，并設(shè)置有電源備自投裝置。箱式小水電機(jī)組控制電源采用DC24 V蓄電池供電，設(shè)立獨(dú)立的充電模塊以及電源保護(hù)裝置，以保證黑啟動(dòng)以及孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)能自動(dòng)啟動(dòng)停止機(jī)組。

3.3箱式小水電機(jī)組液壓操作器結(jié)合ELC控制設(shè)計(jì)

由于箱式小水電機(jī)組水輪發(fā)電機(jī)為沖擊式機(jī)組，軸承為滾珠軸承并且取消了飛輪，采用常規(guī)液壓操作器很難穩(wěn)定控制機(jī)組頻率；因此增加了電子負(fù)荷調(diào)節(jié)器，與液壓操作器結(jié)合，共同控制調(diào)速。

電子負(fù)荷控制器由電子負(fù)荷控制箱和水電阻箱組成，箱式小水電機(jī)組在孤網(wǎng)運(yùn)行與機(jī)組黑啟動(dòng)時(shí)投入電子負(fù)荷控制器與液壓操作器配合使用，調(diào)整大負(fù)荷時(shí)液壓操作器動(dòng)作開關(guān)噴針，機(jī)組頻率趨于穩(wěn)定時(shí)電子負(fù)荷控制器投入精調(diào)頻率，以減少HPU頻繁動(dòng)作，增加 HPU使用壽命。當(dāng)機(jī)組并大網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組頻率不需要調(diào)節(jié)時(shí)電子負(fù)荷控制器將退出運(yùn)行，以減少電子負(fù)荷控制器水電阻自生消耗功率，提高機(jī)組發(fā)電效率。

3.4勵(lì)磁裝置選型

箱式小水電機(jī)組采用無刷勵(lì)磁進(jìn)行調(diào)節(jié)。在黑啟動(dòng)過程中，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速，無刷勵(lì)磁調(diào)節(jié)器利用發(fā)電機(jī)的殘壓起勵(lì)，機(jī)組電壓隨機(jī)組頻率升高而升高，不需要外部電源作為啟勵(lì)電源，

無刷勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的主要功能是當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，保持發(fā)電機(jī)電壓恒定；負(fù)載突然變化時(shí)，使電壓盡快恢復(fù)；發(fā)電機(jī)孤網(wǎng)及黑啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)均衡發(fā)電機(jī)無功；發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，通過跟蹤電網(wǎng)電壓、無功電流及功率因素使發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)發(fā)電機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)，使發(fā)電機(jī)電壓隨頻率下降起低頻保護(hù)(見圖3)。

圖3箱式小水電機(jī)組實(shí)景

4　試驗(yàn)結(jié)果

箱式小水電機(jī)組黑啟動(dòng)到停機(jī)都比較穩(wěn)定迅速，從ELC水箱注水開始到機(jī)組電壓頻率穩(wěn)定的時(shí)間不超過15 min，并且在箱式小水電機(jī)組完全無電的情況下(DC24 V蓄電池電源消失)均能啟動(dòng)，起停方便安全可靠。箱式小水電機(jī)組帶常規(guī)電站的廠用電設(shè)備(如技術(shù)供水泵6 kW,調(diào)速器油泵3 kW)頻繁啟動(dòng)機(jī)組的頻率電壓變化特性均高于能源標(biāo)準(zhǔn)《孤網(wǎng)運(yùn)行的小水電機(jī)組設(shè)計(jì)導(dǎo)則》的技術(shù)要求孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性指標(biāo)：在無負(fù)荷突變的條件下，孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性應(yīng)達(dá)到頻率波動(dòng)≤±2%；電壓波動(dòng)≤±3%(見表1)。

表1　箱式小水電機(jī)組帶廠用電設(shè)備的各項(xiàng)數(shù)據(jù)

5　結(jié)　語(yǔ)

此種箱式小水電機(jī)組特別適用于偏遠(yuǎn)山區(qū)孤立運(yùn)行和常規(guī)水電站或是區(qū)域電網(wǎng)的黑啟動(dòng)電源，能使電網(wǎng)在解列的情況下快速恢復(fù)供電，以保證電網(wǎng)內(nèi)重要地區(qū)和重要用戶的供電安全，提高了電網(wǎng)供電的可靠性和穩(wěn)定性。

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責(zé)任編輯吳昊

2016-07-08

水利部“948”項(xiàng)目(201504)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201401044)；南京水利科學(xué)研究院面上基金項(xiàng)目(Y915016)。

陳艇(1983-)，男，工程師，主要從事水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的研究與應(yīng)用工作。

E_mail: tchen@hrcshp.org