英布鲁水电站与孤网运行

李力伟 闫国福 张泽太 胡 楠

1 刚果 (布)电网概述

刚果共和国(简称刚果(布))近年来电力供应紧张,英布鲁电站的建成将有效提升刚果 (布)电网的供电能力。在英布鲁电站投运前,刚果 (布)国家电网内主要电源包括:首都布拉柴维尔(Brazzaville)附近的朱埃(Djoue)水电厂 (2×7.5 MW),南方的穆谷古鲁(Moukouloulou)水电厂(4×18.5 MW)及黑角(Pointe-Noire)天然气电站(1×23.5 MW),电网内电源点装机总容量为112.5 MW。1997年,在布拉柴维尔与黑角之间已建成1条最高电压等级为220 kV的输电线路,该线路在穆布诺(Mbouono)与刚果(金)电网相联。另外,为实现穆谷古鲁水电厂的送出,在该水电厂与明杜利(Mindouli)、布昂萨 (Bouenza)及鲁迪马(Loudlma)之间,建有110 kV的输电线路。目前明杜里—杰兰勃(Tsielampo)220 kV线路无法正常运行,全国电网解裂为南、北两部分。其中南部电网以穆谷古鲁水电厂及黑角天然气电站为电源,主供黑角市负荷中心；但由于电源和电网结构很弱,而且供电距离又较远,所以目前南部电网运行非常困难。北部电网以首都布拉柴维尔市为负荷中心,接入刚果(金)电网运行；但由于刚果(金)电源在200 km以外,电网结构不强,且供电负荷较重,电能经刚果(金)负荷中心金沙萨抽取后,再送到到布拉柴维尔时,质量也已经很差。刚果 (布)全国各主要城市均采用零散的小柴油发电机作为电网的备用供电电源。

在英布鲁电站投入运行前,布拉柴维尔的用电主要依靠邻国刚果(金)电网供应。由于刚果(金)本国也存在缺电等原因,刚果(金)可以供给刚果(布)的电力一般仅为40～50MW,最大不超过60 MW。

英布鲁电站位于非洲刚果 (布)境内莱菲尼河上,是一座以发电为主的径流式电站。电站装有4台机组,单机容量为30MW,总装机容量为120 MW,多年平均发电量为6.815×108kW◦h,年利用小时数为 5 679 h,保证出力为68 MW。英布鲁电站在系统中担负基荷,并能起调峰作用；原接入系统设计未对英布鲁电站机组提出调相运行和参与系统调频要求。英布鲁电站投运后经双回220 kV输电线路接入新建的恩戈 (Ngo)变电站,电网同时新建了从欧依欧(Oyo)经恩戈、迪吉利(Dijiri)、到杰兰勃的一回220 kV输电线路。

2 孤网运行的概念

孤网是孤立电网的简称,一般泛指脱离大电网的小容量电网。我国规定电网中单机容量一般应小于电网总容量的8%,以保证当该机组发生甩负荷时,不影响电网的正常运行。如果电网中的机组调速系统都正常投入,一旦失去小于电网总容量的8%的1台机组,电网失去的功率可以暂时由网中其他机组承担,可以保证电网频率下降不超过0.2 Hz,转速下降不超过12 r/min,对供电质量的影响仍在运行规程规定范围内；因此,一般情况下,称最大单机容量小于电网总容量的8%的电网为大电网,反之称之为小网,孤立运行的小网称为孤网。

英布鲁电站单机容量为30 MW,在刚果 (布)与刚果(金)电网联网时,英布鲁电站单机容量约占系统容量的12%,属于小网运行。由于刚果 (金)国内也缺电严重,经刚果(金)电网输送到刚果(布)的电能质量已较差；并且为避免电力供应受制于邻国,因此,在英布鲁电站建成后,刚果 (布)政府急于切断两国之间的电网联络线。当两国电网之间的联络线断开后,在英布鲁电站所接入的刚果(布)北部电网中,其单机容量约占系统容量的25%左右,形成典型的孤网运行。

3 英布鲁电站孤网运行的无功平衡条件

英布鲁电站运行初期,特别是“金—布”联络线断开后,无功功率的平衡问题直接影响英布鲁电站在孤网中运行的稳定性。由于英布鲁电站距离首都周边负荷中心较远,经长线路供电时的线路容性无功功率很大,仅靠机组自身的能力无法满足系统无功功率平衡的需求,这就需要在系统的各个节点变电站内设置电抗器,用于补偿线路的无功。

高压线路的充电功率一般应补偿到90%以上,但也要综合考虑电源运行的经济性和电网电压的稳定性等问题。目前,刚果 (布)北部电网内主要变电站的电抗器配置情况如表1。

表1 刚果 (布)北部电网内主要变电站的电抗器配置

表1中线路的长度按接入该站线路的一半考虑,220 kV线路每千米充电功率按0.15 Mvar考虑,110 kV线路每千米充电功率按0.036 Mvar计算。220 kV欧依欧变电站和迪吉利变电站线路充电功率较小,分别设置15 Mvar和20 Mvar低压电抗器,就可以满足当地电网无功平衡的需要；220 kV恩戈变电站是电网的枢纽点,也是北部电网的主要电压控制点,需投入高压电抗器补偿。

事实上,随着英布鲁电站的建成投运,为加强电网构架、实现刚果(布)国家电网的统一调度运行,明杜里-杰兰勃之间的220 kV线路应尽快修复。根据刚果(布)南部、北部联网后的参数,系统潮流计算提供了以下结论:由于刚果 (布)用电负荷集中在首都布拉柴维尔和黑角两个城市,而英布鲁电厂距离负荷中心较远,所以造成北部电网电压超出允许标准,需要在220 kV恩戈变电站投运80 Mvar高压电抗器。当国家电网运行在小负荷方式时,还需要投入欧依欧、恩戈、迪吉利、杰兰勃、明杜里、蒙戈康巴变电站的低压电抗器,共计105 Mvar容量。当国家电网运行在大负荷方式时,除了投入恩戈变电站80 Mvar高压电抗器外,还需要投运欧依欧、恩戈变电站的低压电抗器共计30 Mvar容量,以及蒙戈康巴变电站需要投入10 Mvar低压电容器补偿。需要特别强调的是,在系统大负荷方式下,南、北联网运行的刚果 (布)国家电网仍需要无功电源支撑,刚果 (金)电网需要向刚果 (布)输送20～35 Mvar的无功功率；当与刚果 (金)的220 kV联络线断开时,整个电网需要切除黑角地区约30Mvar负荷后,才能勉强维持电网在低电压水平下运行。在以上无功补偿方案下,英布鲁水电站发电机和现有各电厂发电机功率因数均在允许的调节范围之内,刚果 (布)220 kV电网正常电压水平可满足系统运行要求。

4 英布鲁电站孤网运行的自励磁振荡判断

在经英布鲁电站机组对长距离输电线路充电、以及系统继电保护动作或误操作等过程中,往往出现单机带长线的情况,这时相当于发电机接入1个大电容Xc。由于同步电机电抗参数周期性的变化引起系统产生参数谐振,发电机电流与电压将不受励磁电流控制而迅速增长,此时发电机有发生自励磁并导致过电压的危险,必须采取措施来改变系统参数,破坏谐振条件,避免自励磁的发生。

自励磁分3个区域,第同步自励Ⅰ磁区、第Ⅱ异步自励磁区及第Ⅲ异步自励磁区。同步自励磁区由同步电抗Xd和Xq不等引起,只有水轮发电机和调相机才会产生。异步自励磁由Xd′和Xq不等引起,任何同步电机都可能发生[1]。

发生自励磁的判据如下(*号表示标么值):

根据系统内元件参数条件,考虑比较不利的运行工况,即:在未投入恩格变电站电抗器的情况下,由英布鲁电站单台机组向80 km线路(英布鲁—恩戈)进行充电。经计算,此时架空线路的X*c=8.062 2,大于发电机和变压器的总感抗为X*d=3.196,所以英布鲁电站单机带一回空载长线路时,发生自励磁的3个区域的判据都不成立,英布鲁电站发电机不会发生自励磁现象。

需要特别指出的是:刚果(布)政府从政治等因素考虑,一直希望刚果(布)电网能够脱开刚果(金)电网独立运行,并要求英布鲁电站机组进行孤网启动试验。此时,如果刚果(布)电网利用英布鲁电站单机 (或多台机组)给恩戈以外的变电站充电时,必须通过计算分析,确定各相关变电站电抗器投切数量,匹配线路无功,并重新分析判断英布鲁电站发电机发生自励磁的条件。

5 孤网运行稳定要求

5.1 电压稳定要求

一般而言,当发电机在大网中运行时,各发电机的自动调节励磁系统(AVR)将根据系统所需的无功功率来调整其输出的励磁电流,以满足电网无功的变化需求。无功负荷电流是造成发电机端电压下降的主要原因；当励磁电流不变时,发电机的端电压将随无功电流的增大而降低；因此,在孤网运行时,根据负荷端对电能质量的要求、以及厂用电系统对电压稳定的要求,发电机的端电压应基本保持不变。这就要求发电机组在孤网运行时,应投入励磁系统AVR的自动电压控制功能,使发电机的励磁电流随系统无功电流的变化而调节,从而保持发电机端电压的相对稳定。

应该指出的是:当机组运行在孤网时,电网无功电流的变化必须小于发电机励磁系统AVR的调节范围,否则电网电压将无法维持,并可能造成发电机的跳闸或损坏。对刚果 (布)国家电网而言,在明杜里-杰兰勃间的220 kV线路恢复前,如果“布—金”联络线断开,则北方电网几乎完全靠英布鲁电站供电；因此,当英布鲁电站单机运行或进行单机孤网启动试验时,必须通过计算分析,保证电网无功的变化范围小于单台发电机励磁系统AVR的调节范围；当英布鲁电站多台机组孤网运行或进行多机孤网启动试验时,应确认英布鲁电站计算机监控系统或发电机的自动励磁调节器具有系统自动电压调节功能(AVC功能),即:可实现多台发电机之间的无功自动分配,以保证电网和机组的电压稳定。

此外,电力系统稳定器(PSS)作为发电机励磁的附加控制单元,能增加系统阻尼作用,因此,现代的发电机自动励磁调节器通常均设有PSS功能。PSS通过检测系统的有功变化来调节励磁电流,从而通过调节无功以保持系统稳定。在孤网中,由于孤立电网负荷端的有功变化是不可控的,如果投入了PSS,无功就会跟随有功波动,从而影响机端电压的稳定。所以发电机运行孤网时,应将励磁系统PSS功能切除。

5.2 频率稳定要求

对于运行在大电网中的非调频机组而言,一般采用二次调频方式,即改变功率给定值ΔP后,通过调速器的调节特性以达到维持系统频率稳定的目的。发电机运行在孤网时,一般需采用恒定频率控制方式,即按照频率偏差Δf进行调节；当Δf=0时调节结束,也就是采用所谓的一次调频方式。由于孤网容量较小,其中旋转惯量储存的动能较小,因此,电网通常要求主力机组的调速系统具有更高的灵敏度(减小bp)、更小的迟缓率和更快的动态响应,以保证在用户负荷变化的情况下,主力机组可自动保持电网频率的稳定。

在英布鲁电站设计过程中,电网并没有对发电机提出参与电网调频的功能需求,因此,设备招标时也未对调速器提出相应的要求。但根据刚果 (布)电网的实际情况,尤其是 “布—金”联络线断开后,因英布鲁电站单机占电网电源容量比重很大,所以由英布鲁电站的机组承担电网调频功能是合适的。按照英布鲁电站的主要功能,电站在系统中担负基荷并能起调峰作用,因此,虽然英布鲁电站为径流式电站,但考虑其每天约2 h的调峰能力,枢纽水库仍具有一定的调蓄库容,所以由英布鲁电站的机组承担系统调频功能也是可行的。建议:在电网调度机构认可的情况下,英布鲁电站4台机组调速器的调差率(bp)可进行重新设定,并设置不同的bp,来确定1台或多台作为主力调频机组,以实现电网的调频；或者,通过英布鲁电站的计算机监控系统实现自动发电控制功能 (AGC),以保证在英布鲁电站运行的机组均参与电网调频的情况下,可自动分配各运行机组间的负荷,并维持频率稳定。

5.3 继电保护设置和自动控制要求

机组孤网运行时抗扰动能力较差,因此继电保护的配置、后备保护的配合、自动装置的设置就显得格外重要。实际上,为维持孤立电网运行,电力系统本身很难设置类似于大网运行时的完善的保护配置。对线路和变压器而言,除设置纵差保护、线路距离保护等主保护外,应该特别注重对一些简单保护的应用,比如低压保护、方向过流启动的低压保护、复压启动的过流保护、过流及低压联锁的速断保护等。同时,对发电机需重新设定一些常规保护,并且退出一些不适用于孤网运行的保护,比如失磁、失步保护等。

发电机组是孤网运行中的惟一动力源,也是孤网运行时频率、电压控制调整的主体。孤网能否稳定运行的核心取决于发电厂机组的稳定；而机组控制系统参数设置和控制流程确定是否得当,是机组稳定运行的关键。孤网运行时,适应大电网运行的机组控制系统需要进行改进、优化,需要重新设定适应于孤网运行的机组控制流程。

对于刚果(布)电网,当 “布—金”联络线断开后,英布鲁电站机组运行在典型的孤网中,宜重新分析确定机组的继电保护设置和自动控制流程。

6 英布鲁电站孤网运行试验分析

2010年10月,英布鲁4台机组相继发电投运后,刚果(布)电力公司组织相关单位对英布鲁电站机组进行了孤网运行试验,期间共进行了3次试验。第1次试验期间,在合杰兰勃变电站进线断路器时,由于误操作造成非全相操作,使英布鲁电站机组停机；第2次试验期间,机组自动跳闸,运行记录显示“LCU与上位机连接状态故障”,初步分析可能是机组自动控制流程与孤网运行发生冲突所致；第3次试验期间,在投入杰兰勃变电站第2台主变压器时,变压器出现短路故障,造成英布鲁机组停机。事实上,由于刚果(布)电网的设备比较陈旧,在孤网试验过程中需要对设备进行冲击,因此导致一些设备出现故障是难免的。

为完成由英布鲁电站机组带刚果(布)电网的孤网试验,实现刚果(布)电网脱开刚果(金)电网后的孤网稳定运行,建议刚果(布)电网应尽快恢复明杜里-杰兰勃间的220 kV线路,并按照电网的实际连接结构和各元件参数,通过计算分析电网的电压稳定、频率稳定条件；结合英布鲁机组的励磁调节器和调速器的功能和参数,在重新核定机组继电保护和自动控制流程的条件下,在做好调度预案和电网设备保障的基础上,安全稳妥的进行。

7 结 语

孤立运行的电网的频率、电压控制功能主要由网内的主力发电机组承担。在孤网运行时需要对整个孤网的潮流、稳定性等进行分析计算,制定完善的孤网运行预案,实施统一调度,各个节点通力协作,当稳定条件满足时才能成功地进行孤网启动试验,并实现孤网的稳定运行；对于运行孤网内的机组,其调速、励磁、控制、保护系统均应符合孤网运行的要求。

[1] 黄永青.孤网运行技术探讨[J].内蒙古科技与经济,2010(12):85-86.

[2] 李飞.负荷控制孤网稳定控制的必要措施[J].贵州电力技术,2008(4):9-10.

[3] 国家电力调度通信中心.电网调度运行实用技术问答[M].北京:中国电力出版社出版,2002.

[4] 陈珩.电力系统稳态分析[M].北京:水利电力出版社,1984.

[5] 李光琦.电力系统暂态分析[M].北京:水利电力出版社,1984.