孤网运行机组稳定性探讨
2012-09-06张玉坤
张玉坤
(辽宁省水利水电勘测设计研究院 沈阳 110006)
孤网运行机组稳定性探讨
张玉坤
(辽宁省水利水电勘测设计研究院 沈阳 110006)
本文通过巴基斯坦NALTAR水电站机组调试和运行的情况介绍，探讨了孤网运行电站机组稳定性问题，提出了在设计、调试等环节应该注意的问题，具有一定的借鉴和参考意义。
孤网运行 调试 稳定
频率和电压是电能质量的主要指标。当频率、电压变化超出一定范围时会对用电设备造成损坏，影响电力拖动生产的产品质量。当各个电源连接成电网运行时，小的故障、负荷变化等扰动对电网的安全运行基本不造成威胁，能够保证电能质量。电网容量越大，系统稳定性越好。然而对于容量较小的电网甚至是孤网运行电站，要想保证电能质量，在机组选型设计、保护配置、励磁装置和调速器等主要调节设备选择以及设备调试时都有许多特殊性，需要引起足够的重视。
目前我国电网建设已经相当完备，很少有电站是孤网运行的。但在边远山区及一些国外项目建设中，仍会有孤网运行电站存在。巴基斯坦NALTAR电站即为孤网运行电站。
1 工程概况
巴基斯坦NALTAR电站位于巴基斯坦北部地区，为EPC项目，由中国援建。电站装机3台，每台6MW，总装机容量18MW。电站为引水式电站，压力钢管长度1800m。机组为冲击式水轮机，额定水头420m。采用微机式调速器和微机式励磁装置。当地电力资源极度匮乏，仅靠几个小水电和柴油发电机组为居民供电。该电站建成后将成为该地区核心供电电源。
系统单线图
按照业主提供的资料，NALTAR电站与该地区一座装机2x2MW的电站(GAH)并网运行，并网点在距离电站28km的中心变电所，所有负荷从该变电所配出。如上图所示。
但由于GAH电站设备原因，经常不能运行，实际上NALTAR电站为孤网运行。
2 存在问题及原因分析
当地没有大的工业负荷，主要为居民用电，高峰期主要集中在晚上6～10点段。在带负荷调试时，由于GAH电站设备原因，不能投运，所以NALTAR电站实为孤网运行。由于当地供电设备和线路老化破旧，经常发生配电线路跳闸，引起负荷较大突变。在电站调试期间，发生了多次配电回路跳闸事故。当地配电变电所运行人员在跳闸后重新合闸时并非逐渐加负荷，而是直接将主配回路合闸，这样就造成跳合闸时都会发生负荷突然巨变，有时达到3～5MW，超过机组容量的1/3。如果不是三台机组都运行，会直接造成电站机组转速(频率)过高或过低，严重时保护跳闸，电站直接甩负荷或停机。
调试及试运行时还发现，在没有负荷较大变动时(非主配电回路跳合闸，只是终端用户正常的负荷变化)，机组运行很平稳。即使有小的负荷突变，如末段配电回路(一般几十至几百千瓦)跳合闸，机组会出现2～3次震荡。
根据以上一些现象，结合工程具体实际及当地电网实际运行情况，分析产生这些现象的原因主要有以下几方面：
a.孤网运行，系统容量太小。由于电站孤网运行，而电站最大容量也只有18MW，用户用电高峰期用电需求基本达到18MW(缺口由柴油发电机补齐，单独定时供电)，电站满发运行，基本无容量储备。
b.负荷突变且变幅较大。发生保护跳闸一般都发生在主配电回路突然带负荷合闸时，突然跳闸时经过几次震荡基本都能重新稳定。
c.机组转动惯量较小。由于机组为冲击式水轮机，机组转动惯量(GD2)较小，不利于负荷扰动后的频率稳定。
d.引水压力钢管较长。电站压力钢管达到1800m，当负荷突变且幅值较大时，流量调整较大会在压力钢管中产生压力脉动，从而影响机组稳定运行，形成震荡。
e.调速器参数调整。开始时调速器参数设定是按一般并入大系统的方式调整的。不适于实际运行情况。
3 解决方法和过程
通过分析产生问题的原因，有针对性地提出解决方法。鉴于工程已经实施，压力钢管长度及机组转动惯量都已确定，无法更改，所以重点是从调速器参数调整及加强当地电网运行人员管理两方面入手，解决问题。重点是调速器参数的调整。
3.1 调速器参考调整
调速器［1］的主要参数有：比例增益 KP、积分增益KI、微分增益 KD、暂态转差系数 bt、缓冲时间常数Td、加速度时间常数Tn、永态转差系数bp;接力器关闭和开启时间等。
设计时已经考虑了系统容量小及压力钢管长的问题，在计算基础上已经要求机组生产厂家适当加大了机组转动惯量，调整裕度较大。首先是重新核算了设计时进行的调解保证计算，甩100%负荷时，压力上升和转速上升在调速器关机时间的调整在6～24s都是满足要求的。所以在调整设定调速器关机时间时必须在6～24s内;基于当地电网容量较小不利于稳定运行问题，设计时对于机组调解控制的两个关键设备——调速器和励磁装置都选用最先进的微机型调解设备，保证了可靠性、速动性，也使参数调整更方便。
3.2 调速器PID参数调解
当机组与大电网解列时，调速器会自动转为频率调节模式，即工作于频率调节器模式(频率死区Er=0)。由于被控机组容量受小电网总容量的比例、小电网突变负荷大小以及小电网负荷特性等因素影响，使得这种情况下的调速器的工作条件十分复杂，只能尽量维持电网频率在一定范围内。如果突变负荷超过小电网总容量的10%～20%，则大的动态频率升降是不可避免的。对于孤立电网运行工况，调速器应工作于频率调节模式的PID(比例积分微分)调节。PID参数的选择原则是：在保证孤立电网动态稳定的前提下，尽量选取较大的比例增益Kp(较小的暂态转差系数bt)和较大的积分增益KI(较小的暂态转差系数bt和较小的缓冲时间常数 Td)。［2］
根据参考文献2中系统仿真分析结果，孤立电网运行可以参照下式选择水轮机调速器的PID参数：
虽然有以上仿真分析结果作参照和指导，但由于实际工程情况千差万别，即使同一个工程，在不同运行时间，遇到不同的负荷扰动情况也会时时变化，所以在现场仍然经过多次试验整定后，才达到一个相对比较理想的状态。再加上运行人员管理水平的提高，电站运行基本稳定，能够满足供电要求。
4 经验总结
通过NALTAR电站调试过程中出现的问题及其解决过程，总结经验如下：在涉及小容量电网或孤立电网运行电站机组的设计和调试时，应注意以下几方面的问题：
a.小容量或孤立电网运行的电站，如突变负荷较大时，则大的动态频率升降非常明显，震荡加剧。
b.设计时要充分考虑到孤网运行的特点，注意在工程布置、机组选型、保护配置、主要调节设备(调速器和励磁装置)选用等，认真研究比选。
c.工程布置要尽量减少引水压力钢管长度。
d.尽量加大机组转动惯量(GD2)，以增加机组的稳定性。
e.主要调节设备(调速器和励磁装置)应选用先进的微机式设备，保证其可靠性、速动性，以及方便的参数整定。
f.调试时要仔细研究厂家技术资料，结合有关技术文献和类似工程经验，耐心细致，反复试验，力争达到参数组合最优。有条件的可以借用仿真软件，以提高调试质量和加快调试过程的进度，少走弯路。
1 沈祖诒．水轮机调节［M］．北京：中国水利电力出版社，1988．
2 魏守平．水轮机调节系统一次调频及孤立电网运行特性分析及仿真［J］．水电自动化与大坝监测，2009(b)．
