李力偉 閆國福 張澤太 胡 楠

1 剛果 (布)電網(wǎng)概述

剛果共和國(簡稱剛果(布))近年來電力供應(yīng)緊張,英布魯電站的建成將有效提升剛果 (布)電網(wǎng)的供電能力。在英布魯電站投運前,剛果 (布)國家電網(wǎng)內(nèi)主要電源包括:首都布拉柴維爾(Brazzaville)附近的朱埃(Djoue)水電廠 (2×7.5 MW),南方的穆谷古魯(Moukouloulou)水電廠(4×18.5 MW)及黑角(Pointe-Noire)天然氣電站(1×23.5 MW),電網(wǎng)內(nèi)電源點裝機總?cè)萘繛?12.5 MW。1997年,在布拉柴維爾與黑角之間已建成1條最高電壓等級為220 kV的輸電線路,該線路在穆布諾(Mbouono)與剛果(金)電網(wǎng)相聯(lián)。另外,為實現(xiàn)穆谷古魯水電廠的送出,在該水電廠與明杜利(Mindouli)、布昂薩 (Bouenza)及魯?shù)像R(Loudlma)之間,建有110 kV的輸電線路。目前明杜里—杰蘭勃(Tsielampo)220 kV線路無法正常運行,全國電網(wǎng)解裂為南、北兩部分。其中南部電網(wǎng)以穆谷古魯水電廠及黑角天然氣電站為電源,主供黑角市負(fù)荷中心；但由于電源和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)很弱,而且供電距離又較遠(yuǎn),所以目前南部電網(wǎng)運行非常困難。北部電網(wǎng)以首都布拉柴維爾市為負(fù)荷中心,接入剛果(金)電網(wǎng)運行；但由于剛果(金)電源在200 km以外,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不強,且供電負(fù)荷較重,電能經(jīng)剛果(金)負(fù)荷中心金沙薩抽取后,再送到到布拉柴維爾時,質(zhì)量也已經(jīng)很差。剛果 (布)全國各主要城市均采用零散的小柴油發(fā)電機作為電網(wǎng)的備用供電電源。

在英布魯電站投入運行前,布拉柴維爾的用電主要依靠鄰國剛果(金)電網(wǎng)供應(yīng)。由于剛果(金)本國也存在缺電等原因,剛果(金)可以供給剛果(布)的電力一般僅為40～50MW,最大不超過60 MW。

英布魯電站位于非洲剛果 (布)境內(nèi)萊菲尼河上,是一座以發(fā)電為主的徑流式電站。電站裝有4臺機組,單機容量為30MW,總裝機容量為120 MW,多年平均發(fā)電量為6.815×108kW?h,年利用小時數(shù)為 5 679 h,保證出力為68 MW。英布魯電站在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)基荷,并能起調(diào)峰作用；原接入系統(tǒng)設(shè)計未對英布魯電站機組提出調(diào)相運行和參與系統(tǒng)調(diào)頻要求。英布魯電站投運后經(jīng)雙回220 kV輸電線路接入新建的恩戈 (Ngo)變電站,電網(wǎng)同時新建了從歐依歐(Oyo)經(jīng)恩戈、迪吉利(Dijiri)、到杰蘭勃的一回220 kV輸電線路。

2 孤網(wǎng)運行的概念

孤網(wǎng)是孤立電網(wǎng)的簡稱,一般泛指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)。我國規(guī)定電網(wǎng)中單機容量一般應(yīng)小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%,以保證當(dāng)該機組發(fā)生甩負(fù)荷時,不影響電網(wǎng)的正常運行。如果電網(wǎng)中的機組調(diào)速系統(tǒng)都正常投入,一旦失去小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%的1臺機組,電網(wǎng)失去的功率可以暫時由網(wǎng)中其他機組承擔(dān),可以保證電網(wǎng)頻率下降不超過0.2 Hz,轉(zhuǎn)速下降不超過12 r/min,對供電質(zhì)量的影響仍在運行規(guī)程規(guī)定范圍內(nèi)；因此,一般情況下,稱最大單機容量小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%的電網(wǎng)為大電網(wǎng),反之稱之為小網(wǎng),孤立運行的小網(wǎng)稱為孤網(wǎng)。

英布魯電站單機容量為30 MW,在剛果 (布)與剛果(金)電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)時,英布魯電站單機容量約占系統(tǒng)容量的12%,屬于小網(wǎng)運行。由于剛果 (金)國內(nèi)也缺電嚴(yán)重,經(jīng)剛果(金)電網(wǎng)輸送到剛果(布)的電能質(zhì)量已較差；并且為避免電力供應(yīng)受制于鄰國,因此,在英布魯電站建成后,剛果 (布)政府急于切斷兩國之間的電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線。當(dāng)兩國電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線斷開后,在英布魯電站所接入的剛果(布)北部電網(wǎng)中,其單機容量約占系統(tǒng)容量的25%左右,形成典型的孤網(wǎng)運行。

3 英布魯電站孤網(wǎng)運行的無功平衡條件

英布魯電站運行初期,特別是“金—布”聯(lián)絡(luò)線斷開后,無功功率的平衡問題直接影響英布魯電站在孤網(wǎng)中運行的穩(wěn)定性。由于英布魯電站距離首都周邊負(fù)荷中心較遠(yuǎn),經(jīng)長線路供電時的線路容性無功功率很大,僅靠機組自身的能力無法滿足系統(tǒng)無功功率平衡的需求,這就需要在系統(tǒng)的各個節(jié)點變電站內(nèi)設(shè)置電抗器,用于補償線路的無功。

高壓線路的充電功率一般應(yīng)補償?shù)?0%以上,但也要綜合考慮電源運行的經(jīng)濟性和電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性等問題。目前,剛果 (布)北部電網(wǎng)內(nèi)主要變電站的電抗器配置情況如表1。

表1 剛果 (布)北部電網(wǎng)內(nèi)主要變電站的電抗器配置

表1中線路的長度按接入該站線路的一半考慮,220 kV線路每千米充電功率按0.15 Mvar考慮,110 kV線路每千米充電功率按0.036 Mvar計算。220 kV歐依歐變電站和迪吉利變電站線路充電功率較小,分別設(shè)置15 Mvar和20 Mvar低壓電抗器,就可以滿足當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)無功平衡的需要；220 kV恩戈變電站是電網(wǎng)的樞紐點,也是北部電網(wǎng)的主要電壓控制點,需投入高壓電抗器補償。

事實上,隨著英布魯電站的建成投運,為加強電網(wǎng)構(gòu)架、實現(xiàn)剛果(布)國家電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度運行,明杜里-杰蘭勃之間的220 kV線路應(yīng)盡快修復(fù)。根據(jù)剛果(布)南部、北部聯(lián)網(wǎng)后的參數(shù),系統(tǒng)潮流計算提供了以下結(jié)論:由于剛果 (布)用電負(fù)荷集中在首都布拉柴維爾和黑角兩個城市,而英布魯電廠距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn),所以造成北部電網(wǎng)電壓超出允許標(biāo)準(zhǔn),需要在220 kV恩戈變電站投運80 Mvar高壓電抗器。當(dāng)國家電網(wǎng)運行在小負(fù)荷方式時,還需要投入歐依歐、恩戈、迪吉利、杰蘭勃、明杜里、蒙戈康巴變電站的低壓電抗器,共計105 Mvar容量。當(dāng)國家電網(wǎng)運行在大負(fù)荷方式時,除了投入恩戈變電站80 Mvar高壓電抗器外,還需要投運歐依歐、恩戈變電站的低壓電抗器共計30 Mvar容量,以及蒙戈康巴變電站需要投入10 Mvar低壓電容器補償。需要特別強調(diào)的是,在系統(tǒng)大負(fù)荷方式下,南、北聯(lián)網(wǎng)運行的剛果 (布)國家電網(wǎng)仍需要無功電源支撐,剛果 (金)電網(wǎng)需要向剛果 (布)輸送20～35 Mvar的無功功率；當(dāng)與剛果 (金)的220 kV聯(lián)絡(luò)線斷開時,整個電網(wǎng)需要切除黑角地區(qū)約30Mvar負(fù)荷后,才能勉強維持電網(wǎng)在低電壓水平下運行。在以上無功補償方案下,英布魯水電站發(fā)電機和現(xiàn)有各電廠發(fā)電機功率因數(shù)均在允許的調(diào)節(jié)范圍之內(nèi),剛果 (布)220 kV電網(wǎng)正常電壓水平可滿足系統(tǒng)運行要求。

4 英布魯電站孤網(wǎng)運行的自勵磁振蕩判斷

在經(jīng)英布魯電站機組對長距離輸電線路充電、以及系統(tǒng)繼電保護動作或誤操作等過程中,往往出現(xiàn)單機帶長線的情況,這時相當(dāng)于發(fā)電機接入1個大電容Xc。由于同步電機電抗參數(shù)周期性的變化引起系統(tǒng)產(chǎn)生參數(shù)諧振,發(fā)電機電流與電壓將不受勵磁電流控制而迅速增長,此時發(fā)電機有發(fā)生自勵磁并導(dǎo)致過電壓的危險,必須采取措施來改變系統(tǒng)參數(shù),破壞諧振條件,避免自勵磁的發(fā)生。

自勵磁分3個區(qū)域,第同步自勵Ⅰ磁區(qū)、第Ⅱ異步自勵磁區(qū)及第Ⅲ異步自勵磁區(qū)。同步自勵磁區(qū)由同步電抗Xd和Xq不等引起,只有水輪發(fā)電機和調(diào)相機才會產(chǎn)生。異步自勵磁由Xd′和Xq不等引起,任何同步電機都可能發(fā)生[1]。

發(fā)生自勵磁的判據(jù)如下(*號表示標(biāo)么值):

根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)元件參數(shù)條件,考慮比較不利的運行工況,即:在未投入恩格變電站電抗器的情況下,由英布魯電站單臺機組向80 km線路(英布魯—恩戈)進行充電。經(jīng)計算,此時架空線路的X*c=8.062 2,大于發(fā)電機和變壓器的總感抗為X*d=3.196,所以英布魯電站單機帶一回空載長線路時,發(fā)生自勵磁的3個區(qū)域的判據(jù)都不成立,英布魯電站發(fā)電機不會發(fā)生自勵磁現(xiàn)象。

需要特別指出的是:剛果(布)政府從政治等因素考慮,一直希望剛果(布)電網(wǎng)能夠脫開剛果(金)電網(wǎng)獨立運行,并要求英布魯電站機組進行孤網(wǎng)啟動試驗。此時,如果剛果(布)電網(wǎng)利用英布魯電站單機 (或多臺機組)給恩戈以外的變電站充電時,必須通過計算分析,確定各相關(guān)變電站電抗器投切數(shù)量,匹配線路無功,并重新分析判斷英布魯電站發(fā)電機發(fā)生自勵磁的條件。

5 孤網(wǎng)運行穩(wěn)定要求

5.1 電壓穩(wěn)定要求

一般而言,當(dāng)發(fā)電機在大網(wǎng)中運行時,各發(fā)電機的自動調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)(AVR)將根據(jù)系統(tǒng)所需的無功功率來調(diào)整其輸出的勵磁電流,以滿足電網(wǎng)無功的變化需求。無功負(fù)荷電流是造成發(fā)電機端電壓下降的主要原因；當(dāng)勵磁電流不變時,發(fā)電機的端電壓將隨無功電流的增大而降低；因此,在孤網(wǎng)運行時,根據(jù)負(fù)荷端對電能質(zhì)量的要求、以及廠用電系統(tǒng)對電壓穩(wěn)定的要求,發(fā)電機的端電壓應(yīng)基本保持不變。這就要求發(fā)電機組在孤網(wǎng)運行時,應(yīng)投入勵磁系統(tǒng)AVR的自動電壓控制功能,使發(fā)電機的勵磁電流隨系統(tǒng)無功電流的變化而調(diào)節(jié),從而保持發(fā)電機端電壓的相對穩(wěn)定。

應(yīng)該指出的是:當(dāng)機組運行在孤網(wǎng)時,電網(wǎng)無功電流的變化必須小于發(fā)電機勵磁系統(tǒng)AVR的調(diào)節(jié)范圍,否則電網(wǎng)電壓將無法維持,并可能造成發(fā)電機的跳閘或損壞。對剛果 (布)國家電網(wǎng)而言,在明杜里-杰蘭勃間的220 kV線路恢復(fù)前,如果“布—金”聯(lián)絡(luò)線斷開,則北方電網(wǎng)幾乎完全靠英布魯電站供電；因此,當(dāng)英布魯電站單機運行或進行單機孤網(wǎng)啟動試驗時,必須通過計算分析,保證電網(wǎng)無功的變化范圍小于單臺發(fā)電機勵磁系統(tǒng)AVR的調(diào)節(jié)范圍；當(dāng)英布魯電站多臺機組孤網(wǎng)運行或進行多機孤網(wǎng)啟動試驗時,應(yīng)確認(rèn)英布魯電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)或發(fā)電機的自動勵磁調(diào)節(jié)器具有系統(tǒng)自動電壓調(diào)節(jié)功能(AVC功能),即:可實現(xiàn)多臺發(fā)電機之間的無功自動分配,以保證電網(wǎng)和機組的電壓穩(wěn)定。

此外,電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)作為發(fā)電機勵磁的附加控制單元,能增加系統(tǒng)阻尼作用,因此,現(xiàn)代的發(fā)電機自動勵磁調(diào)節(jié)器通常均設(shè)有PSS功能。PSS通過檢測系統(tǒng)的有功變化來調(diào)節(jié)勵磁電流,從而通過調(diào)節(jié)無功以保持系統(tǒng)穩(wěn)定。在孤網(wǎng)中,由于孤立電網(wǎng)負(fù)荷端的有功變化是不可控的,如果投入了PSS,無功就會跟隨有功波動,從而影響機端電壓的穩(wěn)定。所以發(fā)電機運行孤網(wǎng)時,應(yīng)將勵磁系統(tǒng)PSS功能切除。

5.2 頻率穩(wěn)定要求

對于運行在大電網(wǎng)中的非調(diào)頻機組而言,一般采用二次調(diào)頻方式,即改變功率給定值ΔP后,通過調(diào)速器的調(diào)節(jié)特性以達(dá)到維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的目的。發(fā)電機運行在孤網(wǎng)時,一般需采用恒定頻率控制方式,即按照頻率偏差Δf進行調(diào)節(jié)；當(dāng)Δf=0時調(diào)節(jié)結(jié)束,也就是采用所謂的一次調(diào)頻方式。由于孤網(wǎng)容量較小,其中旋轉(zhuǎn)慣量儲存的動能較小,因此,電網(wǎng)通常要求主力機組的調(diào)速系統(tǒng)具有更高的靈敏度(減小bp)、更小的遲緩率和更快的動態(tài)響應(yīng),以保證在用戶負(fù)荷變化的情況下,主力機組可自動保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。

在英布魯電站設(shè)計過程中,電網(wǎng)并沒有對發(fā)電機提出參與電網(wǎng)調(diào)頻的功能需求,因此,設(shè)備招標(biāo)時也未對調(diào)速器提出相應(yīng)的要求。但根據(jù)剛果 (布)電網(wǎng)的實際情況,尤其是 “布—金”聯(lián)絡(luò)線斷開后,因英布魯電站單機占電網(wǎng)電源容量比重很大,所以由英布魯電站的機組承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)頻功能是合適的。按照英布魯電站的主要功能,電站在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)基荷并能起調(diào)峰作用,因此,雖然英布魯電站為徑流式電站,但考慮其每天約2 h的調(diào)峰能力,樞紐水庫仍具有一定的調(diào)蓄庫容,所以由英布魯電站的機組承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)頻功能也是可行的。建議:在電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)認(rèn)可的情況下,英布魯電站4臺機組調(diào)速器的調(diào)差率(bp)可進行重新設(shè)定,并設(shè)置不同的bp,來確定1臺或多臺作為主力調(diào)頻機組,以實現(xiàn)電網(wǎng)的調(diào)頻；或者,通過英布魯電站的計算機監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)自動發(fā)電控制功能 (AGC),以保證在英布魯電站運行的機組均參與電網(wǎng)調(diào)頻的情況下,可自動分配各運行機組間的負(fù)荷,并維持頻率穩(wěn)定。

5.3 繼電保護設(shè)置和自動控制要求

機組孤網(wǎng)運行時抗擾動能力較差,因此繼電保護的配置、后備保護的配合、自動裝置的設(shè)置就顯得格外重要。實際上,為維持孤立電網(wǎng)運行,電力系統(tǒng)本身很難設(shè)置類似于大網(wǎng)運行時的完善的保護配置。對線路和變壓器而言,除設(shè)置縱差保護、線路距離保護等主保護外,應(yīng)該特別注重對一些簡單保護的應(yīng)用,比如低壓保護、方向過流啟動的低壓保護、復(fù)壓啟動的過流保護、過流及低壓聯(lián)鎖的速斷保護等。同時,對發(fā)電機需重新設(shè)定一些常規(guī)保護,并且退出一些不適用于孤網(wǎng)運行的保護,比如失磁、失步保護等。

發(fā)電機組是孤網(wǎng)運行中的惟一動力源,也是孤網(wǎng)運行時頻率、電壓控制調(diào)整的主體。孤網(wǎng)能否穩(wěn)定運行的核心取決于發(fā)電廠機組的穩(wěn)定；而機組控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和控制流程確定是否得當(dāng),是機組穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。孤網(wǎng)運行時,適應(yīng)大電網(wǎng)運行的機組控制系統(tǒng)需要進行改進、優(yōu)化,需要重新設(shè)定適應(yīng)于孤網(wǎng)運行的機組控制流程。

對于剛果(布)電網(wǎng),當(dāng) “布—金”聯(lián)絡(luò)線斷開后,英布魯電站機組運行在典型的孤網(wǎng)中,宜重新分析確定機組的繼電保護設(shè)置和自動控制流程。

6 英布魯電站孤網(wǎng)運行試驗分析

2010年10月,英布魯4臺機組相繼發(fā)電投運后,剛果(布)電力公司組織相關(guān)單位對英布魯電站機組進行了孤網(wǎng)運行試驗,期間共進行了3次試驗。第1次試驗期間,在合杰蘭勃變電站進線斷路器時,由于誤操作造成非全相操作,使英布魯電站機組停機；第2次試驗期間,機組自動跳閘,運行記錄顯示“LCU與上位機連接狀態(tài)故障”,初步分析可能是機組自動控制流程與孤網(wǎng)運行發(fā)生沖突所致；第3次試驗期間,在投入杰蘭勃變電站第2臺主變壓器時,變壓器出現(xiàn)短路故障,造成英布魯機組停機。事實上,由于剛果(布)電網(wǎng)的設(shè)備比較陳舊,在孤網(wǎng)試驗過程中需要對設(shè)備進行沖擊,因此導(dǎo)致一些設(shè)備出現(xiàn)故障是難免的。

為完成由英布魯電站機組帶剛果(布)電網(wǎng)的孤網(wǎng)試驗,實現(xiàn)剛果(布)電網(wǎng)脫開剛果(金)電網(wǎng)后的孤網(wǎng)穩(wěn)定運行,建議剛果(布)電網(wǎng)應(yīng)盡快恢復(fù)明杜里-杰蘭勃間的220 kV線路,并按照電網(wǎng)的實際連接結(jié)構(gòu)和各元件參數(shù),通過計算分析電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定條件；結(jié)合英布魯機組的勵磁調(diào)節(jié)器和調(diào)速器的功能和參數(shù),在重新核定機組繼電保護和自動控制流程的條件下,在做好調(diào)度預(yù)案和電網(wǎng)設(shè)備保障的基礎(chǔ)上,安全穩(wěn)妥的進行。

7 結(jié) 語

孤立運行的電網(wǎng)的頻率、電壓控制功能主要由網(wǎng)內(nèi)的主力發(fā)電機組承擔(dān)。在孤網(wǎng)運行時需要對整個孤網(wǎng)的潮流、穩(wěn)定性等進行分析計算,制定完善的孤網(wǎng)運行預(yù)案,實施統(tǒng)一調(diào)度,各個節(jié)點通力協(xié)作,當(dāng)穩(wěn)定條件滿足時才能成功地進行孤網(wǎng)啟動試驗,并實現(xiàn)孤網(wǎng)的穩(wěn)定運行；對于運行孤網(wǎng)內(nèi)的機組,其調(diào)速、勵磁、控制、保護系統(tǒng)均應(yīng)符合孤網(wǎng)運行的要求。

[1] 黃永青.孤網(wǎng)運行技術(shù)探討[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟,2010(12):85-86.

[2] 李飛.負(fù)荷控制孤網(wǎng)穩(wěn)定控制的必要措施[J].貴州電力技術(shù),2008(4):9-10.

[3] 國家電力調(diào)度通信中心.電網(wǎng)調(diào)度運行實用技術(shù)問答[M].北京:中國電力出版社出版,2002.

[4] 陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].北京:水利電力出版社,1984.

[5] 李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析[M].北京:水利電力出版社,1984.