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        長輸管道孤網(wǎng)發(fā)電站組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

        2019-08-30 01:41:06樊寶華孫文博王永軍
        石油工程建設(shè) 2019年4期
        關(guān)鍵詞:孤網(wǎng)設(shè)定值電站

        樊寶華,孫文博,張 楠,劉 銳,陳 凱,王永軍

        1.中油國際管道有限公司,北京 100029

        2.中國石油西部管道公司獨山子分公司,新疆克拉瑪依 833600

        隨著國家對油氣能源需求的日益增長,油氣管道建設(shè)日益加快,但多數(shù)長輸油氣管道途經(jīng)地區(qū)為草原、沙漠及丘陵等無人區(qū),這些地區(qū)的供配電設(shè)施不完備,特別是基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的中亞地區(qū)問題更突出。因此,這些地區(qū)的油氣管道加壓站場供電一般采用天然氣內(nèi)燃機發(fā)電機組的自發(fā)電模式,每個電站設(shè)置3 ~4 臺發(fā)電機組,孤網(wǎng)運行[1]。但由于臨近建設(shè)的孤網(wǎng)發(fā)電站往往受機組類型不同、設(shè)計原則不一致等因素限制,均未進行并網(wǎng)運行而是單獨供電,造成資源浪費和設(shè)備利用率較低,若將距離相近的孤網(wǎng)電站聯(lián)網(wǎng)組成更大的供電網(wǎng),則電站會有更多的余量調(diào)配機組功率,各站機組互為備用的數(shù)量增多,對提高供電的可靠性是非常有利的。鑒于此,對發(fā)電機組不同控制模式進行研究分析,結(jié)合PMS(電力管理系統(tǒng)) 探索開發(fā)孤網(wǎng)電站組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)策略,以實現(xiàn)不同類型不同容量發(fā)電機組并網(wǎng)運行[2]。

        1 電力管理系統(tǒng)PMS

        在孤網(wǎng)發(fā)電站建設(shè)中,通常單電站采用的電站管理系統(tǒng)無法實現(xiàn)全網(wǎng)供配電穩(wěn)定控制調(diào)度,需要一個系統(tǒng)從全網(wǎng)的角度來對機組進行綜合控制和調(diào)度,一般稱這樣的系統(tǒng)為PMS,其不僅包含了機組的二次調(diào)頻和功率調(diào)度,也包含電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的邏輯。

        PMS 主要功能如下[3]:包括所有的單電站管理;全網(wǎng)機組功率管理;全網(wǎng)頻率控制;全網(wǎng)優(yōu)先脫扣(跳機、線路解列、跳主變);全網(wǎng)預(yù)防措施(潮流抑制、線路過載抑制、主變過載抑制) 及報警;全網(wǎng)重負(fù)載啟動查詢;主變有載調(diào)壓、機組AVR(自動電壓調(diào)節(jié)器) 及SVG(動態(tài)無功補償裝置)協(xié)同母線電壓控制;基于電網(wǎng)黑啟動[4]。

        孤網(wǎng)電站組網(wǎng)后,單站各機組控制模式選型是PMS 系統(tǒng)實現(xiàn)電網(wǎng)能綜合控制和調(diào)度供配電的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

        發(fā)電機組調(diào)速模式有三種:ISOC(無差) 模式、DROOP(有差) 模式和KW(功率) 模式,其中KW 模式實際也屬于基于DROOP 模式下的串級控制,對孤網(wǎng)組網(wǎng)的穩(wěn)定性影響與DROOP 模式相同,本文不重點涉及。

        無論各機組廠家采用的控制器和控制策略如何,機組在帶負(fù)荷穩(wěn)定運行過程中,其控制模型仍是基于PID(比例- 積分- 微分) 模型,但關(guān)于PID 的輸出CV(燃料閥開度),有的機組直接作用于燃料調(diào)節(jié)機構(gòu);有的則轉(zhuǎn)化為燃料需求信號發(fā)給ECU(電子控制單元),ECU 采集燃料與空氣溫度壓力流量等信號補償進行精確控制[5]。

        對于多臺機組并網(wǎng)組成的單電站,基本控制模型如圖1 所示。

        圖1 多臺機組構(gòu)成孤網(wǎng)基本控制模型

        2 ISOC模式

        對于ISOC 模式,在多個機組的整個控制模型中,SP為設(shè)定頻率與基準(zhǔn)頻率偏差,在忽略采樣誤差或通過設(shè)置死區(qū)消除采樣誤差的情況下,SP和PV值對每臺機組控制器PID 是一樣的,也就是偏差不變,在電網(wǎng)負(fù)荷與出力平衡時,各機組的CV值很容易進入互相振蕩的區(qū)間,并且會持續(xù)發(fā)散,工程上表現(xiàn)為各機組互相搶功率直到一些機組過載,另一些機組逆功率,所以在孤網(wǎng)中此模式是不穩(wěn)定的。

        為提高孤網(wǎng)電站的自動化水平,引入功率平均值對偏差SP進行修正,令KWi/n),這樣孤網(wǎng)中對于每一個機組,各自有不同的設(shè)定值SP和KW值對應(yīng),且不斷地受平均值修正,直到與均值偏差為0(或可設(shè)置死區(qū))。這樣的孤網(wǎng)是可以穩(wěn)定的,且各機組輸出功率也是平均,工程上一般采用負(fù)荷分配器實現(xiàn),或者機組控制器自身通過電路輸出平均電流信號或者數(shù)據(jù)總線與其他機組控制器交換信息而實現(xiàn)控制。所以修正后的模式是穩(wěn)定的。

        但工程上存在兩種可能情況:一種是在不同時期建設(shè)的孤網(wǎng),對于不同類型機組,采用的控制器不同,負(fù)荷分配信號無法兼容,工程上很難實現(xiàn)對不同類型、不同廠家、不同控制器進行并機;另一種是多個電站組網(wǎng)構(gòu)成的孤網(wǎng),對于這種情況,與機組公共母線相距較遠(yuǎn),工程上同樣存在廠家、類型和控制器型號不同的問題,工程上同樣無法在孤網(wǎng)中實現(xiàn)修正后的控制模型,因此,必須采用DROOP 模式進行適應(yīng)性改造。

        3 DROOP模式

        DROOP 模式的控制原理是通過改變機組的速度或頻率來成比例地改變負(fù)載。也就是當(dāng)機組負(fù)載增大時,通過簡單的負(fù)反饋,將速度或頻率降低。圖2為DROOP 模式與ISOC模式的頻率穩(wěn)定性比較。

        圖2 DROOP 模式與ISOC 模式的頻率穩(wěn)定性比較

        ISOC 模式下,頻率設(shè)定值為一條直線(如圖2 中紅實線所示),無論機組處于任何負(fù)載率,控制模型中的頻率設(shè)定是恒定不變的,只要設(shè)定頻率與實際頻率存在偏差,機組仍將增減輸出功率而不管機組處于過載還是逆功率。

        DROOP 模式下,頻率設(shè)定值為一條下垂線(如圖2 中藍(lán)實線所示),在負(fù)載率為0%情況下,頻率設(shè)定值為104%(52 Hz);在負(fù)載率為100%情況下,頻率設(shè)定值為100%(50 Hz)。這樣在機組空載時,機組頻率設(shè)定值104%偏高,需要調(diào)整為100%,隨著機組負(fù)載率增加,需逐漸提升機組頻率設(shè)定值,而保證控制目標(biāo)頻率仍然為100%。這種控制一般是通過機組外部控制接口實現(xiàn)的,例如增/減速按鈕等,也稱為二次調(diào)頻。所有的并網(wǎng)機組在這種控制模式下,設(shè)定頻率與實際頻率存在的偏差通過自身的負(fù)載率來平衡,而不會出現(xiàn)功率振蕩,頻率設(shè)定值就對應(yīng)了自身機組的負(fù)載率。

        DROOP 模式下需要了解所有機組當(dāng)前的頻率設(shè)定值是多少,一般通過機組開放數(shù)據(jù)直接采集,或通過機組負(fù)載率換算。在整個電網(wǎng)負(fù)荷率變化較大時,總體頻率設(shè)定點會有偏移標(biāo)準(zhǔn)值,各機組頻率設(shè)定值也可能有偏差,需要外置的電力管理系統(tǒng)(PMS)進行二次調(diào)頻和綜合控制,平衡各機組或按調(diào)度需要設(shè)定各機組功率,同時穩(wěn)定頻率在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。

        DROOP 模式下,SP不是恒定不變的,也不是修正的ISOC 模式引入了功率平均值修正,而是令SPi=100%-KWi%×DP來計算,如果SPi(i =1,2,…,n) 都相等、DP為常數(shù),每一個PID回路的偏差受PV和機組負(fù)載率KW%影響,負(fù)載率越高,正偏差越小,CV輸出的增益就越小,表現(xiàn)為機組功率越高,其承接負(fù)荷能力越小,而其他低負(fù)荷率機組承接負(fù)荷能力就越大,從而保證了機組功率平衡處于收斂;而更改SPi(i=1,2,…,n)為不同值,則需要對應(yīng)的輸出功率來平衡這個偏差,也就是可調(diào)度機組處于任何需要的功率。

        4 ISOC模式與DROOP模式無擾動切換

        孤網(wǎng)項目往往遇到原已完成建設(shè)的單個電站機組只配置了ISOC 模式的情況,也能穩(wěn)定運行。但多個電站組網(wǎng)時,涉及到舊機組功能改造,需要增加DROOP 模式功能,同時要兼顧組網(wǎng)和不組網(wǎng)多種工況,以及保留未改造前的功能,在此種需求下,需要考慮ISOC 模式與DROOP 模式無擾動切換。

        如果沒有考慮ISOC 模式與DROOP 模式無擾動切換,DROOP 模式下的頻率設(shè)定點假設(shè)默認(rèn)為100%對應(yīng)負(fù)載率為0%。如果多臺機組在網(wǎng),當(dāng)在網(wǎng)的某單臺機組從ISOC 切換到DROOP 瞬間,該機組的負(fù)載率將下降到0%,負(fù)載將轉(zhuǎn)移到其他機組;如果單臺機組在網(wǎng),機組負(fù)載率不變,但電網(wǎng)頻率偏差率將下滑到100%-KW%×DP。雖然可通過外部PMS 將頻率設(shè)定點提升到與負(fù)荷匹配,但往往受機組調(diào)速速率限制,需要較長時間才能達(dá)到該頻率設(shè)定點,這兩種情況對電網(wǎng)暫態(tài)均不利,故控制邏輯上需要考慮無擾動切換。

        一般控制邏輯描述如下:

        (1) 在ISOC 模式下運行,獲取機組負(fù)載率:KW%。

        (2) 計算出當(dāng)前負(fù)載率在DROOP 模式下的速度設(shè)定:100%+DP×KW%。

        (3) 檢測到機組由ISOC 模式切換到DROOP模式瞬間,將100%+DP×KW%賦值給SP,僅賦值一次,以后隨著電網(wǎng)負(fù)荷波動而自適應(yīng)或通過PMS 接受調(diào)度。

        這樣在DROOP 模式下,相當(dāng)于速度設(shè)定預(yù)先加上DP×KW%,切換瞬間,無論是單機還是多機組組成的電網(wǎng),機組的負(fù)載率和電網(wǎng)頻率都是不變的。

        5 結(jié)束語

        本文分析了孤網(wǎng)電站的機組調(diào)速運行機理和通用模型,以及孤網(wǎng)電站組網(wǎng)后機組的調(diào)速模式對電網(wǎng)穩(wěn)定的影響,提出了可穩(wěn)定運行的調(diào)速模式和控制模型,對長輸油氣管道的孤網(wǎng)電站組網(wǎng)互連有一定的參考意義。

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