關于塞拉利昂坡特洛科水電站孤網運行的幾點思考

華自科技股份有限公司 蔣曉明

關于塞拉利昂坡特洛科水電站孤網運行的幾點思考

華自科技股份有限公司 蔣曉明

闡述坡特洛科水電站建設背景及孤網運行特點，通過分析其在設備調試及發電的過程中存在的問題，主要從綜合自動化系統方面提出了若干改善電站孤網運行的技術措施，包括監控系統、微機保護、調速器、勵磁、輔助設備等。

孤網運行；綜合自動化；技術措施

1 概述

坡特洛科電站位于塞拉利昂北方省坡特洛科鎮內，距首都弗里敦115km，該電站由中國政府援助，中南勘測設計研究院設計，湖南建工集團作為EPC總承包單位，其開發主要任務為坡特洛科鎮及周邊居民提供清潔穩定的電能，該水電站項目對當地經濟社會發展具有重要意義，當地百姓對盡早通電期待很大，而且作為一個國際援建項目，電站質量的好壞直接關乎國家形象，因此電站的穩定、可靠、高效的運行有著非常重要意義。設計之初，該電站準備并入離此地不遠的一個柴油發電機站，但由于該國長年內戰，柴油發電機站早已被破壞，而周邊暫時沒有其他可以并入的大網，因此坡特洛科電站暫時只能作為孤網電站來運行。該電站的為低水頭引水式電站，電站正常蓄水位15.00m，總庫容180萬m3，裝機容量4×500kW，電站保證出力1500kW，年發電量10.22GW?h。

2 孤網運行特點

孤網是孤立電網的簡稱，一般泛指脫離大電網的小容量電網，坡特洛科電站目前屬于典型的脫離大網而孤立工作。孤網最突出的特點，是由負荷控制轉變為頻率控制，要求調速系統具有符合要求的靜態特性、良好的穩定性和動態響應特性，以保證在用戶負荷變化的情況下自動保持電網頻率的穩定。電站關注的問題不再是負荷調整，而是調整孤網頻率，使之維持在額定頻率的附近。由于孤網容量較小，其旋轉慣量儲存的動能較小，要求機組的調速系統具有更高的靈敏度，更小的遲緩率和更快的動態響應。在孤網運行狀態下,對發電機運行的穩定性不容易掌握,受負荷影響的波動很大,注意維持好電壓、頻率在允許范圍內,各專業相互配合需要緊密,并且各參數的調節比并入大網要頻繁。

然而由于沒用充分考慮當地孤網運行的特殊情況，一些設備的選型都是針對并入大網設計，給日常的孤網運行帶來諸多不便，為此提出了若干改善技術措施，以便根據實際情況進行適當的改進。

3 監控系統設計改進措施

坡特洛科電站主要有電廠控制層及現地控制層組成。電廠控制層采用采用的是華自科技股份有限公司MTC5.0，該系統采用先進的計算機硬件技術和網絡技術，推出的新型計算機監控系統。該系統遵循國際和國家的標準，采用全新的設計和開發技術，能夠滿足不同規模水電站對后臺監控系統的要求。作為水電站自動化的重要組成部分，MTC5.0水電站后臺監控系統充當了就地監控和信息管理的重要角色，減輕運行維護人員的工作強度，為提高水電站運行的穩定性和可靠性提供了強有力的技術平臺和支撐。現地控制層主要由歐姆龍CJ2M系列PLC核心控制器、安科瑞交流儀表、DZZB-4同期裝置等組成。

電站主接線圖及監控系統組網分別如圖1及圖2所示：

圖1

圖2

從圖2可以看出，現地控制層LCU通過以太網完成與電站控制級的數據交換，實時上送電站控制級所需的過程信息，接收電站控制級的控制和調節命令。現地控制單元在沒有電站控制級命令或脫離電站控制級的情況，能獨立完成對控制設備的閉環控制，保證機組安全運行。但在調試過程中發現電站第一臺機組開機過程中DZZB-4在系統側無電壓的情況下不能自動合閘，查找裝置說明書發現該裝置只具備同期合閘功能且在發電機側及415V母線側均有壓時才正常工作，裝置接線圖如下圖3，該裝置不具備單側電壓自動合閘功能，因此機組開機到建壓以后只能通過手動合閘回路并網，為了能夠實現電站的一鍵開機到并網的功能，一方面可以通過采用自帶無壓合閘功能的同期裝置實現，另一方面可以增加無壓檢測自動并網的合閘回路，通過檢無壓繼電器信號閉鎖。

圖3

4 微機保護定值特殊整定

電站保護層采用華自科技股份有限公司自主開發的DMP300C系列微機保護測控裝置，該系列保護測控裝置是集國內外成套微機保護的優點，總結多座電站運行經驗，采用當今先進軟、硬件技術開發的新一代電站綜合自動化產品。在孤網運行過程中，負荷的突變會引起頻率比較大的波動，因此在機組過頻及低頻的保護定值整定時需特殊對待。根據IEC34標準的規定，電網在不同頻率的要求下允許運行的時間要求如下：

頻率（Hz） 運行時間每年累計運行時間（分鐘） 每年累計運行時間（秒）51-51.5 30 30 50.5-51 ≥180 ≥180 48.5-50.5 連續48-48.5 300 300 47.5-48 60 60 47-47.5 10 20

在對電站進行繼電保護頻率定值整定時需要充分考慮孤網電站運行的一些特點及電網異常頻率對于機組影響，可以適當調高頻率保護動作值或者延長頻率保護的延時時間，這樣可以最大限度的保證機組在一個合理的頻率范圍內長期穩定運行。

5 調速系統

坡特洛科電站發電機的調速系統主要包括調速器、執行機構和水輪機三大部分。調速器作為調速系統的一個核心控制部分，在機組頻率的調節過程中占有舉足輕重的作用，它主要根據頻率、功率給定、導葉開度等通過內部PID參數來控制開度的輸出。執行機構根據調速器的輸出指令作用于水輪機控制導葉的開度。水輪機則接受執行機構的控制，最終把動能轉化為電能的輸出。

孤網運行頻率表現的特殊性，要求發電機組的出力隨負荷的變化而快速變化，才能維持供電頻率穩定。因此孤網運行中如何提高功率變化的快速性將是減少頻率變化的主要手段。

在孤網運行中產生頻率波動的原因主要包含：

1)隨機突變的負荷引起的頻率波動。由于小容量孤網的突變負荷相對值（突變負荷量與機組功率的比值）較大，負荷隨機突變的次數較多，常造成較大的頻率波動峰值。

2)沒有負荷突變的情況下，受孤網自身各種不穩定因素的影響，其頻率持續在一定范圍內周期性波動。

電站在實際運行過程中存在以下問題：

1)電網電壓、頻率波動比較大；

2)廠用電供電可靠性低；

3)很容易全網停電，機組面臨“黑起動”的可能；

4)機組很容易發生突然甩負荷，負荷突增現象，機組啟動頻繁。

作為機組頻率調節的關鍵部分，調速系統需要充分考慮以上問題，需要滿足以下幾個要求：

1)調速器應具備聯網、孤網、空載三套不同的PID參數，調速器含有聯網及孤網PID參數之間自動切換的邏輯，當調速器檢測到系統頻率大于某一數值（一般為0.5Hz，可根據現場實際情況更改），則認為已經處于孤網的一個狀態，此時應當切換到孤網PID參數進行調節；

2)調速系統在全網停電時能夠滿足黑啟動的要求，因此采用不用經常補氣的儲壓罐是最佳的選擇。

6 勵磁系統

水電站發電運行，在正常情況下，發電機并不控制無功出力，而是AVR通過控制勵磁電流以維持發電機機端電壓恒定，發出無功功率，以滿足輸送有功功率所需要的電壓要求和無功損耗。孤網后，勵磁裝置在實現對其目標變量的快速調節過程中，雖然保證了電壓的調節精度，但對轉速構成了正反饋耦合，惡化了空載穩定性。

我國行業標準《孤網運行的小水電機組設計導則》（NB/ T42034—2014）對孤網運行小水電機組的勵磁裝置，提出了如下技術要求：1)采用符合GB/T10585標準、具有孤網識別和自動切換調節方式功能的微機勵磁裝置。2)調節參數可以現場整定自動滅磁功能。3)孤網運行時，勵磁裝置應與調速器協調控制，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。

此外該標準明確指出：孤網運行時，勵磁裝置除調整電壓外，還“應與調速器協調控制，以有效抑制無負載變化時頻率及功率的周期性波動。勵磁裝置選型及設計時不僅需充分考慮孤網電站運行特點，還應滿足行業標準。

7 輔助設備

電站的冷卻水系統主要存在以下兩個問題：

1)由于電站冷卻水水源取自尾水處，在旱季尾水水位較低時，設計的取水管位置高出尾水水位，無法正常供應冷卻水，因此現場采取的措施是延長取水管長度；

2)冷卻水供水管路較長，內部含有大量空氣，正常啟動水泵無法抽出水，只能依靠一臺臨時潛水泵首先往管道內注滿引水，然后再啟動水泵才能正常抽水，給現場的運行帶了極大的不便。

針對以上問題可以考慮把水源取自進水口。

8 結論

在建設適用于欠發達地區孤網運行的水電站時，設計時需要充分考慮當地的運行環境，是并網運行還是孤網運行亦或是兩者兼備，應做出詳細的設計說明，一方面為采購設備提供選型依據，另一方面也有利于電站的長期穩定運行，此外還可為設計同類型項目時提供寶貴經驗，減少成本，提高施工效率。

[1]郭建業．勵磁裝置對小水電孤網運行頻率的影響．武漢市漢諾優電控有限責任公司,2014．

[2]司大軍．調速系統對孤網穩定性影響研究．云南電網公司規劃研究中心,2013．

[3]郭建業．改善小水電孤網運行狀況的技術措施．武漢市漢諾優電控有限責任公司,2013．