礦山工程電站孤網運行的安全管理和操作

胡 龍

（廣西中鋁建設監理咨詢有限公司，廣西 百色 531400）

可再生能源的發展帶動了新能源產業的格局發生改變，各個企業面臨著能源和環境等方面的問題。當大容量可再生能源并網出現后，為了提高電網的運行能力，以及對能源的利用率，考慮到再生能源的變化及電網故障問題的情況之下，為了維持各企業的正常運行，提出了一種電站孤網運行模式，可以由單個的可再生能源孤網運行為企業提供電量[1]。孤網又稱孤立電網，是一種脫離了大電網的小容量電網。在孤網運行狀態下，不具備對電網和電壓的支持條件，同時產生了間隙性的功率波動，負荷出現連續的動態變化情況，嚴重降低了孤網運行的穩定性。

1 礦山工程電站孤網運行的安全管理

孤網是孤立電網的簡稱，一般是指脫離大電網的小容量電網，通常最大單機容量大于電網總容量的8%的電網，統稱為小網；孤立運行的小網稱為孤網。

為了保證礦山工程中電站的孤網運行達到安全、穩定的效果，在運行過程中對其各項參數進行管理，包括對發電機端電壓的管理、電網頻率管理及儲能方式管理。

圖1 孤網運行中發動機端電壓等效電路圖

圖1 為孤網運行中發電機端電壓的等效電路圖。在礦山工程電站孤網運行時，根據負荷端對電能質量的要求和礦山企業對電壓穩定性的要求，對發電機端的電壓控制在上下波動幅度不超過5%。在孤網運行過程中可以通過增加自動電壓控制的穩定器裝置對發電機端的電壓進行管理，是發電機的勵磁電流隨著無功電流的變化進行自主調節，從而保證發電機端電壓的安全、穩定[2]。同時，在對發電機端的電壓管理時要注意電網無功電流的變化必須小于發電機穩定器自動電壓控制的調節范圍，否則將失去對電網電壓的管理，造成發電機跳閘問題帶來不必要的損失。此外穩定器是作為發電機端附加的控制裝置，會增加發電機的阻尼作用[3]。因此需要對運行過程中的發電機進行定期的檢測，觀察發電機的有功變化情況，從而通過調節無功的形式保證電站孤網的安全運行。

采用二次調頻的方法對電站孤網運行時的頻率進行管理，即通過改變功率給定值的方式對孤網頻率控制，利用調速設備的特性，將電站孤網運行頻率維持在穩定狀態。在礦山工程電站孤網運行過程中，發電機的運動通常時通過恒定頻率控制方式完成，按照頻率的偏差對孤網運行進行調節，當頻率偏差為0時，結束調節。由于電站孤網的容量較少，因此，電網通常需要主力機組具備更高的靈敏度以及更低的遲緩率，從而對孤網運行頻率進行快速的動態響應，在滿足用戶負荷需要的條件下，自動調節孤網的評率。

針對不同條件下的電站孤網運行的儲能方式也不同，因此需要對還需要對儲能方式進行管理，從而根據具體需要選擇適合的儲能方式。表1為各儲能方式及對應的應用條件。

表1 各儲能方式及對應的應用條件

在礦山工程電站孤網運行過程中，根據其運行需要可選擇表1中鋰離子電池、抽水儲能、超級電容及飛輪儲能等眾多儲能方式，選擇適當的儲能方式可以有效提高礦山企業的功能效率，進而提高企業經濟效益。

2 礦山工程孤網運行算法

礦山電力系統的運行狀態，可以用以下微分代數方程組來表述。

式中，x 變量為節點電壓，y 為節點功率，u 為同步發電機組調速系統及空載頻率。式（1）為發電機組調節的動態方程，表征了同步發電機組的動態過程；式（2）為網絡方程，表征了網絡的運行約束。完成一次電力系統調節之后，系統將處于穩定運行點，因此，發電機組動態方程達到平衡點，即發電機組的有功頻率、無功電壓靜態特性曲線與負荷功率特性曲線交流。從計算結果可以看出，各臺電機組的運行都發生變化，表明各臺機組均分擔了負荷變化，消除了常規系統模型中只有一臺機組承擔負荷變化的弊端。

3 礦山工程電站孤網安全運行操作

在礦山工程電站孤網運行前，首先要根據礦山工程的需要，對電站孤網的穩定性進行分析和計算，并制定出完善的電站孤網運行預案。在操作過程中應嚴格按照預案中的各個環節進行，實施統一的調配，使各個節點得到通力協作[4]。對于電站孤網頻率波動問題，可通過電池系統穩定評率，在孤網運行過程中，頻率突然出現增加，可通過將多余的有功功率由充電控制系統吸收降低，；頻率突然出現降低，可通過放電控制系統將確實部分的有用功率補充。對于電站孤網電壓易受干擾的問題，可通過相應的無功功率控制，降低負荷對電壓的干擾。當孤網電站的電壓突然增加時，多余的無功功率可通過電池系統控制吸收；當孤網電站的電壓突然降低時，可通過控制系統將確實的無功功率補充。

礦山工程電站孤網的用電負荷性質較為平穩，但由于在大型電動機啟動和停止過程中對供電系統會造成較為嚴重而沖擊[5]。因此，對于大功率電機在啟動過程中應當采用軟起或變頻啟動的操作，并在10kV饋線回路中增設電抗器裝置，穩定母線的電壓，以此降低電機在啟動過程中對供電系統的電壓造成沖擊[6]。為了進一步保證孤網安全、穩定的運行，在操作過程中應取消對部分設備的低電壓保護操作，從而防止電壓在波動過程中導致設備的跳閘現象，影響供電系統的正常運行。

礦山工程生產連續性強 ，個別設備停止運行時間較長將會造成局部設備損壞 ，影響整個工程生產系統的運行。但是 ，礦山施工用電設備比較分散 ，多數為電機和加熱設備 ，重要用電設備的容量不是很大，因此，在進行礦山工程孤網運行設計時，針對礦山開采的一級及重要的二級用電負荷，為防止因突然停電或者較長時間停電導致人身傷害、損壞或者難以恢復生產的設備，比如 ：分解槽 、電氣站，在這些重要區域設置柴油發電機組 ，在礦山工作區域內短時停電的情況下采用柴油發 電機為其局部短時應急供電，可以減少因停電造成的損失，并為盡快恢復生產創造條件，這樣就能夠盡最大限度的彌補由于自備電站孤網運行礦山工作區停電的影響。

4 結語

有效利用資源在當前礦山工程的發展中占據著十分重要的地位，而電站孤網作為能源的先行者，配備了儲備能源的環節，可以有效提高對能源的利用率，符合礦山企業的發展需要。本文針對礦山工程電站孤網運行的安全管理和操作開展了詳細的研究，下一步將針對電站孤網的經濟性運行及保護控制等方面進行更加深入的研究，擴大礦山企業對電站孤網的應用范圍。