苏丹麦罗维电站实现与国家电网并网运行

[德 ]R.布赫尔

田 超 译自英刊《水电与大坝》2009年第 3期

1 工程概况

麦罗维水利枢纽是苏丹北部大型的基础设施工程,位于尼罗河第4瀑布,距首都喀土穆以北约 350km。坝长9.7km,坝高 67m,包括2座土坝、2座混凝土面板堆石坝(CFRD)、1座粘土心墙堆石坝(ECRD)、1座设计泄流量为19900m3/s的溢洪道和1个大体积钢筋混凝土发电进水口及厂房建筑物。水库最终库容为125亿 m3,将为2条长约 400km的大型灌渠供水。

由于苏丹极度缺电,严重制约了经济和社会的发展,因此该工程为“国家综合战略”中的重点工程。到2010年工程竣工时,预期年平均发电量为5800GW◦h,将满足苏丹一半的能源需求。工程规模庞大,是非洲最大的在建水电和输电工程。

发电厂房位于发电进水口建筑物的下游坝趾处,安装有10条分隔开的直径为8.5m的钢衬压力钢管。单机容量为127MW的混流式水轮机直接与140MVA的同步发电机相连接,在水头为 43m时,水轮机的设计流量为 307m3/s。每2台发电机通过发电机断路器连接到单相升压变压器,再经高压电缆向500kVGIS供电。输电系统由长 981km的500kV线路和长795km的220kV线路组成。此外,该系统还包括 3座500/220kV变电站、1座220/110kV变电站和 3座220/33kV变电站(见图1)。

图1 工程位置和高压输电线示意

2 电网集成过程的规划与管理

关键任务是保证将麦罗维工程系统而有效地与新建的500/220kV输电和配电系统连网。为了完善时间规划和优化所要求的技术和组织界面,共召开了 8次高级“投运协调会”。在首轮工作之前的半年,召开了第1次会议。会议的目的及重点关注问题概述如下。

(1)对即将开展的工作的复杂性达成共识;

(2)制定有效的电网集成策略(平衡电站与电网的要求);

(3)鉴别与评估潜在的风险(时间、技术);

(4)精心编制切合实际的包括所有部门的主时间表;

(5)明晰工作范围和合同界面;

(6)明确电力公司、业主、工程师、承包商的责任;

(7)建立决策者之间可行的通信渠道;

(8)在需要查找与排除故障的情况下,组建一个快速响应的“执行小组”。

参加会议的人员包括:业主大坝执行机构(DIU)、业主方工程师德国 Lahmeyer国际公司(LI)、国家电力公司(NEC)、机电主承包商阿尔斯通公司和负责输电网的哈尔滨电站工程公司(HPE),以及分包商 ABB公司。

会议的主要收获是实现了电站有关设备投运和输电系统同时通电之间的密切协调,提高了投运与试验工作的有效性,减少甚至避免了潜在的风险。

电网集成过程由业主方工程师全面负责管理,即使是在遥远的工地,也需利用互联网每天向有关专家和管理人员提供详尽的信息。

由于带负荷的试验工作会对国家电网的稳定性造成潜在的风险,因此与位于喀土穆的国家负荷调度中心的详细技术交底是至关重要的。140MVA的大型机组安全并入国家电网应该是最重要的问题,应适当考虑500/220kV输电线和变电站通电的先后顺序。其他一些主要问题则与远程保护和远程控制系统有关。

电网集成过程切换/通电工作的时间顺序如下:

(1)电站1号机组和2号机组通过区段1主变进行内部同期;

(2)500kV输电线马尔希亚特/阿特巴拉和变电站通用线路充电,麦罗维线路断路器在150kV时合闸,逐渐升压到500kV;

(3)马尔希亚特至埃尔卡巴什500kV输电线的直接通电;

(4)与马尔希亚特变电站220kV段国家电网同期;

(5)与阿特巴拉和埃尔卡巴什的 NEC电网同期 /连接;

(6)苏丹港220kV输电线和变电站的通电;

(7)北部地区220kV电网系统的通电。

3 复杂的投运框架

由于输电线路的电容很大,而且在主变电站中,500/200kV母线间变压器的通电不可能从220kV电网侧进行,因此,所有500kV系统的最初通电都必须由麦罗维区段1的机组来实现。电站与骨干电网同时投运意味着必须满足一系列的特殊要求:

(1)进行转速和无功功率的联合控制(内部同期);

(2)输电线路充电(电压逐渐从150kV升至500kV);

(3)首先与距电站 350km的国家电网同期;

(4)考虑“区段1额定容量”(140～255MW)与“最大电网负荷”(约1000MW)之比很大;

(5)电网管理(负荷曲线、平衡情况和备用功率能力)。

考虑到每条马尔希亚特的500kV输电线有355MVar的电容性无功功率特性,因此需要用2台125MVar的并联电抗器补偿。在麦罗维工程完工以后,总容量将达到1270MW,机组有可能以同步调相机的方式运行,线路补偿变得不太重要。然而,在电站最初投运时,代表了实际的黑起动状态,这时的无功补偿变成了主要的限制。因为区段1的单台发电机不能提供全部所要求的感应无功功率(见图2),所以需要对2台机组进行无功功率的联合控制。机组顺序控制软件和水轮机调速器算法的各自适应是面临的一个重要挑战。

图2 具有线路补偿的发电机 P/Q示意

对于线路充电顺序,首先2台机组同时起动至“空载励磁”。在此阶段,这2台机组为内部同期,通过 IPB和区段1主变硬性连接。为了减少输电线路断路器合闸的影响,通过将定子电压从13.8kV降低到4.2kV,从而将 GIS母线电压下降到 30%。在GIS线路断路器合闸使长 350km的输电线电压降至150kV以后,电压逐渐以斜坡函数上升到500kV。在各个500/200kV变电站达到额定电压以后,通过细调励磁电压和机组转速/频率,可与国家电网同期。在成功地连接到 NEC电网以后,线路充电过程(从而2台机组的联合运行)即告结束,将各功率设定点的数值送到功率 -频率比例积分控制器。

这个创新技术方案的实施,要求进行密集的软件开发并在工地进行高级优化。2倍 600t旋转质量(水轮机、轴和转子)的联合转速控制和励磁系统的各项功能得到了系统开发和试验,以避免潜在的有功/无功功率振荡或逆功率情况的发生。

在投运初期,为了能在不中断已完建的 NEC电网连接的情况下扩大输电线路的通电范围,进行临时性的 GIS母线分裂运行。在母线Ⅰ上,保持正常的电网供电,通过母线Ⅱ对替代的500kV输电线进行充电。当达到额定电压时,GIS分段再次同期运行,并由 NEC在各变电站中建立附加的电网连接。

在负荷达到127.3MW的保证值时进行甩负荷,是在峰荷时间最大发电容量1000MW电网面临的特殊挑战之一。为了保证电网稳定运行,并获得安全运行的经验数据,将第2台机组用于缓冲,通过预先调整的阻尼程序,以2MW/s的斜率时间,从10MW升至 60MW的最终值。在甩负荷时,第2台机组在 40MW负荷处运行,几秒钟之后,就能达到 60MW的预先调整值。而且,作为电网频率暂时下降到49.5Hz的标准响应,功率 -频率降(设定为5%)的结果是第2台机组的负荷增加50MW的补偿性功率。

总之,甩满负荷时采用厂内缓冲措施,可以在15s内达到100MW,对国家电网的影响降低到最小。为了校验该系统的特性,在没有采取缓冲措施的情况下也进行了一次甩负荷。

在线路充电和进行负荷试验期间,得到了负荷调度中心的专家的有力支持,在没有任何风险的情况下运行国家电网。至于电网管理,麦罗维电站第1台机组的引入和500kV电网的通电,标志着运行概念的重大变化。

4 自下而上的投运方式

业主方工程师反复强调:电网集成过程将涉及到许多不同部门的工程师/专家,而且由于不令人满意的投运或预试验元件、设备、子系统或系统组引起的延时或振动需要达到绝对最小。还着重指出麦罗维工程在国家电网中的妥当运行是基本的要求,从基本系统到高层自动控制和继电保护功能,对区段1要进行详尽的试验。

在质量保证方面,“电网集成适用性论证”的引进发挥了关键作用。正因为如此,在 LI公司总工程师指导下开展的论证过程,自然而然地产生了试验各系统是否达到高度可靠性和安排专家对重要系统进行试验的想法。对于各投运小组及其负责人来说,对系统进行清楚而直接的识别和纠正,大大提高了投运和试验的可靠性。

上述论证非常重要,是在达到“准备好电网集成”的状态之前进行评估的基础。

5 结 语

由于对发电机械投运和高压输电系统通电的特殊要求进行了早期分析,麦罗维电站首批2台机组成功地连接到苏丹国家电网。对2个部门(即电站和电网)的工作进展定期地进行评估和交叉检查。在高级会议上,有效地进行必要的调整,例如确定工作的优先顺序。顺利推进电网集成工程的主要因素是对总时间规划进行了良好的协调,以及引进了健全的质量控制策略,涵盖从机械子系统到高级自动功能的整个范围。通过建立有效的交流机制,可满足电站和电网两者的要求。