鮑舒眉

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 引言

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)。最大單機容量小于電網(wǎng)總?cè)萘康?%的電網(wǎng)為大電網(wǎng)，反之稱為小網(wǎng)，孤立運行的小網(wǎng)稱為孤網(wǎng)。本文所述剛果（金）TOBI-TOBIDI 水電站完全獨立于剛果（金）當?shù)仉娏ο到y(tǒng)，單機容量占電網(wǎng)容量的25%，電站運行是孤網(wǎng)運行，電站頻率、電壓的穩(wěn)定直接影響安全生產(chǎn)。

2 工程概況

TOBI-TOBIDI 水電站位于剛果（金）中南部東開賽省Mbuji-Mayi 市，距離Mbuji-Mayi 市約50km，距SCIM礦業(yè)基地公路里程約25km，裝設4臺發(fā)電機，單機額定容量3MW，機端額定電壓6.3kV，額定功率因數(shù)0.8（滯后），總裝機容量12MW，電站年利用小時數(shù)為5446h。電站輸出電能主要是供給SCIM礦業(yè)基地用電負荷使用，不接入地方電網(wǎng)系統(tǒng)，供電電壓等級為35kV。

由于電站為孤網(wǎng)系統(tǒng)，為保證事故情況下對供電負荷及電站自身的影響最小，變壓器檢修時退出的發(fā)電機組最少，同時由于剛果（金）的運輸條件非常差，變壓器容量小投資略小，也便于運輸，因此電站電氣主接線方案選擇一機一變單元接線。每臺發(fā)電機配置1 臺三相油浸自冷式變壓器，其型號為S13-4000/35，38.5+4×2.5%-2×2.5%/6.3kV，Ud%=7，Y,d11。水輪機-發(fā)電機組為臥式機組，發(fā)電機和水輪機布置在同一層，每臺發(fā)電機機旁均布置電流互感器柜、勵磁屏、機組現(xiàn)地控制屏、測溫制動屏和機旁動力箱，全站采用計算機監(jiān)控、視頻監(jiān)視系統(tǒng)。

電站保護裝置采用微機型保護裝置。35kV 線路保護設置三段距離保護，發(fā)電機-變壓器組裝設保護為：變壓器縱聯(lián)差動保護、復合電壓起動過電流保護、主變瓦斯保護、主變溫度保護、發(fā)電機縱聯(lián)差動保護、帶電流記憶的低壓過電流保護、低電壓保護、過負荷保護、定子接地保護、轉(zhuǎn)子一點接地保護等。水輪發(fā)電機組選用自并勵靜止可控硅勵磁裝置，選用高油壓數(shù)字式可編程微機調(diào)速器。

3 優(yōu)化設計

電網(wǎng)穩(wěn)定運行的兩大要素是頻率和電壓，對于TOBI-TOBIDI 水電站完全獨立于電網(wǎng)的孤網(wǎng)系統(tǒng)而言，發(fā)電機組是唯一動力源，發(fā)電機組由負荷控制轉(zhuǎn)為頻率控制，以致整個系統(tǒng)運行抗干擾性較差，所以機組頻率、電壓能否穩(wěn)定是孤網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的核心。

針對大電網(wǎng)運行的常規(guī)設計無法保證孤網(wǎng)電站的安全可靠運行，因此，TOBI-TOBIDI 水電站調(diào)速、勵磁、保護、控制等均需進行適應性修正、優(yōu)化和改進。由于剛果（金）地方條件有限，為節(jié)省投資，提高性價比，電站仍采用通用調(diào)速、勵磁、保護、控制系統(tǒng)設備，但在設備配置和系統(tǒng)整定上進行優(yōu)化，實現(xiàn)投入產(chǎn)出比最大化。

3.1 優(yōu)化調(diào)速系統(tǒng)運行整定

孤網(wǎng)運行要求調(diào)速系統(tǒng)具有更高的靈敏度、更小的遲緩率和更快的動態(tài)響應，因此采用單機孤網(wǎng)專用絕對型帶方向控制的PID 控制算法和參數(shù)，控制機組負荷與電網(wǎng)頻率成反比，以保證用戶負荷變化情況下自動保持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。

3.1.1 優(yōu)化調(diào)整可編程控制器程序

在空載運行時能自動跟蹤給定頻率，為頻率調(diào)節(jié)模式；負載運行時自動切換為開度調(diào)節(jié)模式；負載運行時若頻率超差自動切換為頻率調(diào)節(jié)模式，頻率恢復正常后自動返回開度調(diào)節(jié)模式。手動工作方式下為開度調(diào)節(jié)模式。

3.1.2 優(yōu)化調(diào)速器調(diào)節(jié)參數(shù)

（1）機組處于孤立電網(wǎng)，帶穩(wěn)定負荷運行時，調(diào)速器能保證機組頻率變化≤±0.25Hz。

（2）在水輪發(fā)電機出口開關以外切除，機組突然甩≥25%額定負荷時，要求調(diào)速器能保證在調(diào)節(jié)過程中最高轉(zhuǎn)速不超過140%，所引起的頻率波動過渡過程中的波峰數(shù)≤2 個，調(diào)節(jié)時間≤30s，且頻率波動的波谷≥49.5Hz。

（3）電站進水口2 臺機組共用一根鋼管，經(jīng)過2 臺機組同時甩滿負荷最不利的調(diào)節(jié)保證工況復核計算，機組最大壓力升高35%、最大轉(zhuǎn)速升高55%均可控在額定水頭范圍內(nèi)，且壓力升高、轉(zhuǎn)速升高和尾水管真空度均滿足規(guī)范要求的情況下，為減少機組甩負荷的不利影響，加快導水葉直線關閉時間，整定為5.0s。

3.2 優(yōu)化勵磁系統(tǒng)配置整定

勵磁裝置采用具有孤網(wǎng)識別和自動切換調(diào)節(jié)方式功能的微機勵磁裝置。

（1）勵磁裝置需具有單機恒壓帶負荷功能，自動勵磁調(diào)節(jié)器應保證發(fā)電機機端調(diào)壓精度優(yōu)于0.5%。

（2）勵磁裝置需與調(diào)速器協(xié)調(diào)控制，以有效抑制無負載變化時頻率及功率的周期性波動，減小負載突變時電壓及頻率的波動幅值。并且勵磁系統(tǒng)在機端電源頻率為45～77.5Hz 范圍內(nèi)維持正常工作。

（3）當發(fā)電機端正序電壓下降到額定值的80%時，勵磁系統(tǒng)應可提供2 倍額定勵磁電壓和2 倍額定勵磁電流，持續(xù)時間不小于50s。

3.3 調(diào)整保護配置和整定

工程設備除主保護外，需重新設定保護配置。輸電線路設置三段距離保護，發(fā)電機-變壓器組設置縱差保護等主保護外，還設置低電壓保護、帶電流記憶的低壓過電流保護、復合電壓起動過電流保護、本體保護等，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)電機還配置反應三相電流不平衡的負序過流保護，以保證保護動作的靈敏度。

（1）負序過流保護裝置的動作電流按躲過發(fā)電機長期允許的負序電流值和躲過最大負荷下負序電流濾過器的不平衡電流整定。

1）動作電流：Isr=（0.08～0.1）Irg

式中：Irg—發(fā)電機額定電流。

Isr=0.1 Irg/N=0.1×343.67/80=0.43A

2）動作時限：比相間短路后備保護的動作時限大一時限階段，取t=8s。

（2）適當放寬高頻、低頻保護的動作條件，由常規(guī)48.5～50.5Hz 調(diào)整到48～51Hz，以適應孤網(wǎng)運行的要求。

3.4 控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)機網(wǎng)負荷

TOBI-TOBIDI 水電站運行采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)調(diào)機網(wǎng)負荷，協(xié)調(diào)SCIM 礦業(yè)基地負載無功補償、機組有功/無功負荷、維持功角/功素因數(shù)平衡；與勵磁系統(tǒng)配合，分配無功功率，維持孤網(wǎng)電壓；并根據(jù)有功、無功備用計算，增減負荷和聯(lián)鎖降負荷，作為切機和切負荷的反向穩(wěn)控手段。并在機組甩負荷時，限制礦業(yè)基地的負荷量，平緩有功負荷的突變，與調(diào)速系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)建立快速的控制信號聯(lián)系，提高孤網(wǎng)穩(wěn)定性，避免孤網(wǎng)崩潰。

4 結(jié)語

孤網(wǎng)運行的小型水電站在國內(nèi)外偏遠地區(qū)有其不可忽視的地位與作用。發(fā)電機組發(fā)生停機故障時孤網(wǎng)系統(tǒng)會出現(xiàn)有功功率缺額，孤網(wǎng)中突變負荷相對值較大，造成頻率波動峰值過大、電壓波動等一系列特殊問題，直接影響電能質(zhì)量和運行可靠性，甚至損壞設備，影響正常生產(chǎn)。TOBI-TOBIDI 水電站孤網(wǎng)運行系統(tǒng)電氣設計和設備技術參數(shù)采取本文所述的調(diào)速、勵磁、保護、控制等措施要求，將電能質(zhì)量控制在合理水平，保證了安全生產(chǎn)，提高了偏遠地區(qū)國民經(jīng)濟發(fā)展自生力■