永州電網(wǎng)黑啟動后孤網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的探討

張方慶

（瀟湘水電站，湖南 永州 425000）

湖南永州電網(wǎng)的電源以水電為主，網(wǎng)內(nèi)裝機(jī)容量較大的水電站主要是南部的岑天河 （26 MW）、雙牌 （150 MW）水電站和北部的南津渡 （60 MW）、瀟湘 （39 MW）水電站。2008年初，湖南經(jīng)歷了歷史上最嚴(yán)重的冰凍災(zāi)害，幾個地級市區(qū)的電網(wǎng)在冰凍期間先后與大電網(wǎng)解列造成了大面積停電，而永州電網(wǎng)與大網(wǎng)解列后成功進(jìn)行了黑啟動并孤網(wǎng)運(yùn)行。

永州電網(wǎng)的黑啟動應(yīng)急預(yù)案中，岑天河、雙牌水電站作為南部電網(wǎng)黑啟動的電站，南津渡和瀟湘水電站作為北部電網(wǎng)黑啟動的電站，并進(jìn)行了實(shí)戰(zhàn)演習(xí)，在冰凍災(zāi)害期間雙牌、南津渡、瀟湘水電站先后啟動并網(wǎng)并帶相關(guān)負(fù)荷運(yùn)行。但在小電網(wǎng)運(yùn)行過程中還存在一些需要探討和需注意的事項(xiàng)。

1 各機(jī)組調(diào)速器的運(yùn)行方式

筆者認(rèn)為：當(dāng)永州電網(wǎng)孤立運(yùn)行時，各個電站并網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的運(yùn)行方式直接影響小電網(wǎng)能否穩(wěn)定運(yùn)行。由于永州電網(wǎng)的負(fù)荷較重，而電網(wǎng)內(nèi)能承擔(dān)負(fù)荷的電站只有上述4座水電站，其裝機(jī)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)荷容量，且南津渡和瀟湘水電站是低水頭電站，單機(jī)容量不大，均為貫流式機(jī)組，其最大的特點(diǎn)是機(jī)組轉(zhuǎn)速低，調(diào)節(jié)時間較長，開停機(jī)較混流式復(fù)雜，很難做到快速啟動、快速調(diào)節(jié)。當(dāng)南津渡和瀟湘水電站及雙牌水電站并網(wǎng)運(yùn)行后，由于南津渡和瀟湘水電站離負(fù)荷中心很近，最容易受到負(fù)荷波動的影響，且其調(diào)差率較小。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷增加，它們首先承擔(dān)所增加的負(fù)荷，由于貫流式水輪機(jī)調(diào)節(jié)時的響應(yīng)時間較長，在增加出力調(diào)節(jié)的同時，雙牌水電站發(fā)電機(jī)也快速增加出力，此時導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的出力大于電磁轉(zhuǎn)矩又使頻率快速上升，進(jìn)而又使調(diào)速器快速調(diào)節(jié)減小發(fā)電機(jī)出力，使得增加的負(fù)荷在3個電站中來回轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致3個電站的調(diào)速器來回調(diào)節(jié)，又由于3個電站調(diào)速器的靈敏度和速動性的差異，更無法使機(jī)組回到穩(wěn)定的運(yùn)行區(qū)域。2008年的孤網(wǎng)運(yùn)行時，雙牌、南津渡、瀟湘水電站同時并于電網(wǎng)，由于當(dāng)時雙牌和瀟湘水電站機(jī)組調(diào)速器在自動運(yùn)行狀態(tài)，南津渡水電站機(jī)組調(diào)速器在手動狀態(tài)，而瀟湘水電站機(jī)組容量相對于雙牌是較小的，加之瀟湘水電站離負(fù)荷中心近，調(diào)速器的差率較小，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷波動時，它先于雙牌水電站機(jī)組的變化而動作，將增加的負(fù)荷先于雙牌水電站承擔(dān)起來，同時雙牌水電站也增加出力且調(diào)節(jié)速度較快，在雙牌水電站機(jī)組調(diào)節(jié)未完成時瀟湘水電站已測量到本身負(fù)荷開始減小，調(diào)速器將減小出力，這時雙牌水電站也將減小出力以穩(wěn)定電網(wǎng)頻率，又導(dǎo)致系統(tǒng)電磁功率大于發(fā)電機(jī)組的出力，使頻率降低，又進(jìn)行增加出力的調(diào)節(jié)。由于瀟湘水電站容量較小，使導(dǎo)葉來回大幅調(diào)節(jié)，負(fù)荷波動在10 MW以上，影響了雙牌水電站機(jī)組的正常調(diào)節(jié)，最終導(dǎo)致電網(wǎng)瓦解。因此，如果永州電網(wǎng)孤立運(yùn)行后，負(fù)荷由雙牌和其他水電站共同來承擔(dān)，無論負(fù)荷多重，運(yùn)行時間多長，無論是誰進(jìn)行黑啟動，應(yīng)該遵守瀟湘水電站和南津渡水電站承擔(dān)基本負(fù)荷只能作為一次調(diào)頻，調(diào)速器在并網(wǎng)后應(yīng)采取手動的運(yùn)行方式，而雙牌水電站調(diào)速器應(yīng)在自動運(yùn)行狀態(tài)并帶一定負(fù)荷，承擔(dān)負(fù)荷的調(diào)節(jié)任務(wù)，即進(jìn)行二次調(diào)頻。采用手動調(diào)節(jié)的水電站需要增加負(fù)荷時，要注意控制調(diào)節(jié)的速度，以便雙牌水電站調(diào)速器調(diào)節(jié)能夠跟得上電網(wǎng)負(fù)荷的變化。除非是負(fù)荷很少，雙牌水電站機(jī)組出力已小于南津渡或?yàn)t湘水電站機(jī)組出力很多，甚至是空載而不再增加負(fù)荷的情況下，才可以讓瀟湘或南津渡水電站中的任一電站機(jī)組參與頻率二次調(diào)節(jié) （即調(diào)速器在自動運(yùn)行方式），而調(diào)節(jié)機(jī)組要有一定的負(fù)荷調(diào)整區(qū)間；同時，同一電站中各臺機(jī)組調(diào)速器的調(diào)差率必須相同。

建議，如果永州電網(wǎng)在孤立運(yùn)行的特殊情況下，應(yīng)由岑天河、南津渡、瀟湘3個水電站中的1個、2個或3個 （根據(jù)當(dāng)時的實(shí)際情況確定）承擔(dān)基本負(fù)荷，調(diào)速器放在手動運(yùn)行方式，而雙牌水電站在1臺或2臺 （最好是1臺）機(jī)組并網(wǎng)帶50%負(fù)荷運(yùn)行，保證有20～30 MW負(fù)荷波動的調(diào)節(jié)區(qū)間，以穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率。

2 計(jì)算孤網(wǎng)運(yùn)行時的最大和最小負(fù)荷

在小電網(wǎng)運(yùn)行前，應(yīng)制定一個詳細(xì)的負(fù)荷分區(qū)計(jì)劃，如白天的負(fù)荷區(qū)間、晚上的負(fù)荷區(qū)間或特殊情況下的負(fù)荷區(qū)間，根據(jù)負(fù)荷區(qū)間波動大小來決定哪幾個電站開機(jī)，開幾臺機(jī)組，使調(diào)負(fù)荷的機(jī)組滿足在最大負(fù)荷時能達(dá)到供需平衡的要求。例如某區(qū)間負(fù)荷在50～80 MW之間，在低負(fù)荷時可以讓雙牌1臺機(jī)組承擔(dān)基本負(fù)荷并自動調(diào)節(jié)，其他電站開機(jī)并網(wǎng)后手動增加負(fù)荷將雙牌水電站的大部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移至其他機(jī)組 （50 MW），讓其他機(jī)組承擔(dān)基本負(fù)荷，讓雙牌水電站機(jī)組只承擔(dān)一部分負(fù)荷，要保證它在電網(wǎng)中有調(diào)節(jié)空間，使系統(tǒng)通過它的調(diào)節(jié)趨于穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)何變化較大時可根據(jù)調(diào)頻機(jī)組的負(fù)荷大小來適當(dāng)調(diào)度其他承擔(dān)基荷的電站，采用手動調(diào)節(jié)的方式調(diào)節(jié)機(jī)組出力，調(diào)整負(fù)荷的分配，隨時保證調(diào)頻機(jī)組有足夠的調(diào)節(jié)容量。

3 按各電站啟動順序確定調(diào)速器運(yùn)行方式

如果雙牌水電站首先啟動，調(diào)速器應(yīng)該自始至終為自動運(yùn)行方式，如果瀟湘或南津渡水電站先啟動，調(diào)速器應(yīng)該是自動運(yùn)行，待雙牌水電站并網(wǎng)后，其他電站應(yīng)立即將調(diào)速器切至手動運(yùn)行，并通過調(diào)度合理分配各機(jī)組的負(fù)荷。負(fù)荷的增加速度和幅度需要根據(jù)各個電站機(jī)組的特性和調(diào)速器的技術(shù)指標(biāo)確定，以確保負(fù)荷增加時機(jī)組調(diào)節(jié)能跟上負(fù)荷的變化。筆者建議：當(dāng)調(diào)頻機(jī)組負(fù)荷較重而其他機(jī)組負(fù)荷較輕時，如電網(wǎng)需增加負(fù)荷，在調(diào)節(jié)負(fù)荷之前，可通過手動調(diào)節(jié)方式將調(diào)頻機(jī)組的部分負(fù)荷 （估計(jì)要增加的負(fù)荷）先轉(zhuǎn)移到其他承擔(dān)基荷的機(jī)組上；而電網(wǎng)要減負(fù)荷時也同樣先將其他基荷機(jī)組的部分負(fù)荷手動轉(zhuǎn)移至調(diào)頻機(jī)組上。這樣可以縮短在增減負(fù)荷時的暫態(tài)過程，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

4 增設(shè)提高系統(tǒng)穩(wěn)定的安全自動裝置

在電網(wǎng)孤立運(yùn)行時，對重要的變配電所應(yīng)加裝按頻率自動減負(fù)荷裝置，當(dāng)負(fù)荷較重，頻率降低時，通過機(jī)組的調(diào)節(jié)還不能穩(wěn)定時，自動裝置應(yīng)快速切除一部分負(fù)荷，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性；同時，承擔(dān)調(diào)頻任務(wù)機(jī)組的調(diào)速器應(yīng)相應(yīng)調(diào)整相關(guān)參數(shù) （如調(diào)差系數(shù)等）、相關(guān)的繼電保護(hù)整定值。只要是參與孤立電網(wǎng)并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)都應(yīng)該增設(shè)逆功率保護(hù)、失磁保護(hù)，且動作時間應(yīng)盡量短。因?yàn)橛乐蓦娋W(wǎng)負(fù)荷遠(yuǎn)大于機(jī)組裝置容量，如并網(wǎng)運(yùn)行的機(jī)組出現(xiàn)有功進(jìn)相時，不但不能承擔(dān)系統(tǒng)中的負(fù)荷，反而要從電網(wǎng)吸收大量有功功率，這必將導(dǎo)致電網(wǎng)短時間內(nèi)有功大量缺額而使電網(wǎng)瓦解。而黑啟動的機(jī)組采取帶主變和線路零起升壓時應(yīng)先切除失磁保護(hù)，當(dāng)有其他機(jī)組并網(wǎng)后再將失磁保護(hù)投入運(yùn)行。

5 確保各個電廠的廠用電安全

可靠的廠用電是保證各個電站機(jī)組安全運(yùn)行的重要條件。貫流式電站，無論是開停機(jī)還是運(yùn)行過程中，由于輔助設(shè)備較多，輔助設(shè)備運(yùn)行的正常與否將直接影響主機(jī)的安全運(yùn)行。特別是電站機(jī)組事故與電網(wǎng)解列后，承擔(dān)基荷的機(jī)組因調(diào)速器在手動方式將會使機(jī)組過速而事故停機(jī)，這時的廠用電對機(jī)組的安全尤為重要。因此，筆者認(rèn)為，各個電站宜配備性能可靠的柴油發(fā)電機(jī)組，對直流系統(tǒng)要加強(qiáng)維護(hù)，保證蓄電池組的容量，重要的輔助設(shè)備可配備直流電機(jī)，確保能夠黑啟動。

6 各機(jī)組勵磁調(diào)節(jié)器的運(yùn)行方式

為了穩(wěn)定小電網(wǎng)運(yùn)行的電壓，建議并列運(yùn)行的各機(jī)組勵磁調(diào)節(jié)器均應(yīng)在自動運(yùn)行方式。而各機(jī)組的勵磁調(diào)差系數(shù)應(yīng)根據(jù)各機(jī)組的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定，確保電網(wǎng)電壓在規(guī)定的波動范圍之內(nèi)。

永州電網(wǎng)正常運(yùn)行時，與大電網(wǎng)相聯(lián)，相當(dāng)于與無窮大系統(tǒng)相聯(lián)，各機(jī)組勵磁調(diào)差系數(shù)的設(shè)定值對電網(wǎng)影響很小，對機(jī)組本身也影響不是很大，當(dāng)電壓波動時的暫態(tài)過程很短，能很快恢復(fù)。但在小電網(wǎng)運(yùn)行時，如果各個電站的調(diào)差率設(shè)置不合理，就會出現(xiàn)無功負(fù)荷增加導(dǎo)致電網(wǎng)電壓下降，調(diào)差系數(shù)小的電站承擔(dān)較多的無功電流而調(diào)差系數(shù)大的電站承擔(dān)較少的無功電流。這樣會導(dǎo)致調(diào)差系數(shù)小的機(jī)組過載甚至是失磁保護(hù)誤動作而停機(jī)，而同一個電站各臺機(jī)組的勵磁調(diào)差系數(shù)應(yīng)該設(shè)置相同，讓它們同時平均承擔(dān)無功電流，否則會出現(xiàn)無功分配不合理現(xiàn)象。因此建議，各機(jī)組勵磁調(diào)差系數(shù)按發(fā)電機(jī)容量大小來設(shè)置，容量小的調(diào)差系數(shù)應(yīng)設(shè)置大些，而容量大的調(diào)差系數(shù)應(yīng)設(shè)置小些或是無差調(diào)節(jié)。

7 各電站機(jī)組合理調(diào)度，加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)

組織相關(guān)電廠的技術(shù)人員以對各自設(shè)備的性能、特點(diǎn)、存在的問題及運(yùn)行操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行交流、探討，提高相互協(xié)作能力，提高應(yīng)急情況下的響應(yīng)速度，提高處理緊急情況能力，真正做到人機(jī)合一，為孤立小電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定做出相應(yīng)的預(yù)判和應(yīng)對措施。由于各小水電站水庫庫容小，無調(diào)節(jié)能力，可以通過新建立的水調(diào)自動化進(jìn)行科學(xué)的調(diào)度。

根據(jù)永州水電網(wǎng)孤立運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為：應(yīng)事先對小電網(wǎng)孤立運(yùn)行時的相關(guān)繼電保護(hù)、自動裝置進(jìn)行整定計(jì)算，將各電站調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置、整定納入自動裝置定值整定計(jì)算管理范圍之內(nèi)，確保小電網(wǎng)運(yùn)行的安全、可靠和穩(wěn)定。