箱式小水电机组黑启动技术

陈　艇，周雨风

(1. 水利部农村电气化研究所，浙江杭州310012；2. 杭州亚太水电设备成套技术有限公司，浙江杭州310012；3.水利部农村水电工程技术研究中心，浙江杭州310012)



箱式小水电机组黑启动技术

陈艇1,3，周雨风2，3

(1. 水利部农村电气化研究所，浙江杭州310012；2. 杭州亚太水电设备成套技术有限公司，浙江杭州310012；3.水利部农村水电工程技术研究中心，浙江杭州310012)

箱式小水电机组是一种新型微小水电站建设模式，不仅具备并网发电功能，同时也可为孤立用户群提供照明及日常生活用电，还可作为常规水电站的黑启动电源。结合工程实例，对箱式小水电机组黑启动技术进行了分析研究。图3幅，表1个。

小水电站；箱式小水电机组；黑启动

1　概　述

箱式小水电机组是一种将水轮发电机组及其附属设备、辅助设备和控制系统等装设在金属箱内，用金属箱体代替厂房的新型小水电建设模式；其自动化程度高，具备一定的自启动能力，配合ELC(电子负荷控制器)可为孤立用户群提供照明及日常生活用电。在电力主网解列停运的情况下，箱式小水电机组完全可以作为常规水电站的黑启动电源，对常规水电站进行供电，为常规水电站机组快速重启创造条件。

杭州亚太水电设备成套技术有限公司已出口1套箱式小水电机组，装机容量1×100 kW，卧式斜击式机组，出线为AC380 V，直接接入2.5 MW常规水电站厂用电系统。业主原计划利用电站多余的水，通过箱式小水电机组发电；但是通过实地考察后，引进箱式小水电机组作为了常规电站的黑启动电源。

2　黑启动条件分析

该常规水电站装机容量2.5 MW，为3台卧式水轮发电机组(2×1 MW+1×0.5 MW)。现有厂用变容量为100 kVA，水头108 m，压力钢管直径1.2 m，厂用直流电源电压为110 V(见图1)。

图1电站主接线图

通过现场实际考察确定，该水电站启动1 MW大机及0.5 MW小机的启动条件有：机组必须保证调速器在没有380 V厂用电源时调速器有足够的油压推动机组开机、水轮发电机组各轴承必须保证有冷却水、发电机励磁装置必须有380 V电源满足可控硅励磁系统散热、机组进水蝶阀开启、厂用直流电源DC110 V正常、监控及保护系统工作正常等。

电站的蝶阀液压站电机(3×3 kW)、调速器电机(2×3+2×3 kW)、励磁风机(3×1 kW)、控制系统(2 kW)、厂用照明、技术供水泵(2×6 kW)设备等，单个用电设备最大功率为7 kW，厂用电总需功率约为45 kW。

以上设备都必须要有可靠的380 V外部电源作为后备电源对其进行供电。而根据能源标准——《孤网运行的小水电机组设计导则》，小水电机组对实际总负载的限制要求如下：对于冲击式和轴伸贯流式机组，投入的负荷不大于投运机组额定容量的50%；突变负荷不大于调频机组额定容量的15%，发生间隔时间大于20 min。故箱式小水电机组完全符合上述要求，可作为该水电站黑启动电源。

3　设　计

要作为大电站的黑启动电源，箱式小水电机组自身需具备黑启动功能，因此箱式小水电机组的设备在选型上都应具备手自动功能：进水闸阀在没有电源时能手动开启；调速装置也应具备手动操作功能，调速器压力油能通过手摇泵建压，导叶/喷针能通过机械液压手动开关导叶/喷针；机组转速到达40 Hz以上时励磁装置在无工作电源时能自动起励磁并具备稳压功能；机端电压正常后箱式电站内所有设备均能通过发电机自身发出的电作为电源投入运行；电源正常后控制系统自动判断机组状态投入调速功能(调速器上电时能自动工况转化换为空载运行)等。

另外，箱式小水电机组在水轮发电机组选型时应尽量选用滚珠轴承的机组，如有可能，可取消机组飞轮和刹车装置，从而取消机组的冷却水系统与刹车气系统，简化系统控制。

针对该常规水电站的特点，项目组参照黑启动要求，专门对以下的箱式小水电机组设备进行了优化设计，实现了为常规水电站提供黑启动电源的功能，同时也具备并网运行功能。

3.1控制系统的设计

控制系统采用两套控制模式：孤网/黑启动模式和并网模式，两套模式可自由切换。

控制系统具备对机组的自动开停机控制、机组控制系统上电工况判定、机组有功无功的闭环调节、机组频率(导叶/喷针)控制、机组事故故障报警等功能，也可接受现地紧停按钮及触摸屏触摸键的操作控制、来自远方的开停机命、有功无功自动调节等控制命令，同时会自动完成机组频率、网频、相角差的采集、自动调节机组频率及自动准同期并网。机组保护设备采用PM130多功能电参数表，具体的保护功能有：过压保护、过流保护、低压保护、过频保护、低频保护、逆功率保护等(见图2)。

图2控制系统示意

3.2箱式小水电机组电源设计

箱式小水电机组动力电源(380 V)采用双电源供电，即从发电机机端及发电机隔离刀闸上端头取电。机组在黑启动时以及孤网运行时动力电源取自发电机，当并网运行时机组动力电源取自电网，并设置有电源备自投装置。箱式小水电机组控制电源采用DC24 V蓄电池供电，设立独立的充电模块以及电源保护装置，以保证黑启动以及孤网运行时监控系统能自动启动停止机组。

3.3箱式小水电机组液压操作器结合ELC控制设计

由于箱式小水电机组水轮发电机为冲击式机组，轴承为滚珠轴承并且取消了飞轮，采用常规液压操作器很难稳定控制机组频率；因此增加了电子负荷调节器，与液压操作器结合，共同控制调速。

电子负荷控制器由电子负荷控制箱和水电阻箱组成，箱式小水电机组在孤网运行与机组黑启动时投入电子负荷控制器与液压操作器配合使用，调整大负荷时液压操作器动作开关喷针，机组频率趋于稳定时电子负荷控制器投入精调频率，以减少HPU频繁动作，增加 HPU使用寿命。当机组并大网运行机组频率不需要调节时电子负荷控制器将退出运行，以减少电子负荷控制器水电阻自生消耗功率，提高机组发电效率。

3.4励磁装置选型

箱式小水电机组采用无刷励磁进行调节。在黑启动过程中，当机组转速接近额定转速，无刷励磁调节器利用发电机的残压起励，机组电压随机组频率升高而升高，不需要外部电源作为启励电源，

无刷励磁调节器的主要功能是当负载变化时，保持发电机电压恒定；负载突然变化时，使电压尽快恢复；发电机孤网及黑启动运行时均衡发电机无功；发电机并网运行时，通过跟踪电网电压、无功电流及功率因素使发电机稳定运行；当发电机低频运行时，使发电机电压随频率下降起低频保护(见图3)。

图3箱式小水电机组实景

4　试验结果

箱式小水电机组黑启动到停机都比较稳定迅速，从ELC水箱注水开始到机组电压频率稳定的时间不超过15 min，并且在箱式小水电机组完全无电的情况下(DC24 V蓄电池电源消失)均能启动，起停方便安全可靠。箱式小水电机组带常规电站的厂用电设备(如技术供水泵6 kW,调速器油泵3 kW)频繁启动机组的频率电压变化特性均高于能源标准《孤网运行的小水电机组设计导则》的技术要求孤网运行的稳定性指标：在无负荷突变的条件下，孤网运行的稳定性应达到频率波动≤±2%；电压波动≤±3%(见表1)。

表1　箱式小水电机组带厂用电设备的各项数据

5　结　语

此种箱式小水电机组特别适用于偏远山区孤立运行和常规水电站或是区域电网的黑启动电源，能使电网在解列的情况下快速恢复供电，以保证电网内重要地区和重要用户的供电安全，提高了电网供电的可靠性和稳定性。

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责任编辑吴昊

2016-07-08

水利部“948”项目(201504)；水利部公益性行业科研专项经费项目(201401044)；南京水利科学研究院面上基金项目(Y915016)。

陈艇(1983-)，男，工程师，主要从事水电站自动化系统的研究与应用工作。

E_mail: tchen@hrcshp.org