关于塞拉利昂坡特洛科水电站孤网运行的几点思考

华自科技股份有限公司 蒋晓明

关于塞拉利昂坡特洛科水电站孤网运行的几点思考

华自科技股份有限公司 蒋晓明

阐述坡特洛科水电站建设背景及孤网运行特点，通过分析其在设备调试及发电的过程中存在的问题，主要从综合自动化系统方面提出了若干改善电站孤网运行的技术措施，包括监控系统、微机保护、调速器、励磁、辅助设备等。

孤网运行；综合自动化；技术措施

1 概述

坡特洛科电站位于塞拉利昂北方省坡特洛科镇内，距首都弗里敦115km，该电站由中国政府援助，中南勘测设计研究院设计，湖南建工集团作为EPC总承包单位，其开发主要任务为坡特洛科镇及周边居民提供清洁稳定的电能，该水电站项目对当地经济社会发展具有重要意义，当地百姓对尽早通电期待很大，而且作为一个国际援建项目，电站质量的好坏直接关乎国家形象，因此电站的稳定、可靠、高效的运行有着非常重要意义。设计之初，该电站准备并入离此地不远的一个柴油发电机站，但由于该国长年内战，柴油发电机站早已被破坏，而周边暂时没有其他可以并入的大网，因此坡特洛科电站暂时只能作为孤网电站来运行。该电站的为低水头引水式电站，电站正常蓄水位15.00m，总库容180万m3，装机容量4×500kW，电站保证出力1500kW，年发电量10.22GW•h。

2 孤网运行特点

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，坡特洛科电站目前属于典型的脱离大网而孤立工作。孤网最突出的特点，是由负荷控制转变为频率控制，要求调速系统具有符合要求的静态特性、良好的稳定性和动态响应特性，以保证在用户负荷变化的情况下自动保持电网频率的稳定。电站关注的问题不再是负荷调整，而是调整孤网频率，使之维持在额定频率的附近。由于孤网容量较小，其旋转惯量储存的动能较小，要求机组的调速系统具有更高的灵敏度，更小的迟缓率和更快的动态响应。在孤网运行状态下,对发电机运行的稳定性不容易掌握,受负荷影响的波动很大,注意维持好电压、频率在允许范围内,各专业相互配合需要紧密,并且各参数的调节比并入大网要频繁。

然而由于没用充分考虑当地孤网运行的特殊情况，一些设备的选型都是针对并入大网设计，给日常的孤网运行带来诸多不便，为此提出了若干改善技术措施，以便根据实际情况进行适当的改进。

3 监控系统设计改进措施

坡特洛科电站主要有电厂控制层及现地控制层组成。电厂控制层采用采用的是华自科技股份有限公司MTC5.0，该系统采用先进的计算机硬件技术和网络技术，推出的新型计算机监控系统。该系统遵循国际和国家的标准，采用全新的设计和开发技术，能够满足不同规模水电站对后台监控系统的要求。作为水电站自动化的重要组成部分，MTC5.0水电站后台监控系统充当了就地监控和信息管理的重要角色，减轻运行维护人员的工作强度，为提高水电站运行的稳定性和可靠性提供了强有力的技术平台和支撑。现地控制层主要由欧姆龙CJ2M系列PLC核心控制器、安科瑞交流仪表、DZZB-4同期装置等组成。

电站主接线图及监控系统组网分别如图1及图2所示：

图1

图2

从图2可以看出，现地控制层LCU通过以太网完成与电站控制级的数据交换，实时上送电站控制级所需的过程信息，接收电站控制级的控制和调节命令。现地控制单元在没有电站控制级命令或脱离电站控制级的情况，能独立完成对控制设备的闭环控制，保证机组安全运行。但在调试过程中发现电站第一台机组开机过程中DZZB-4在系统侧无电压的情况下不能自动合闸，查找装置说明书发现该装置只具备同期合闸功能且在发电机侧及415V母线侧均有压时才正常工作，装置接线图如下图3，该装置不具备单侧电压自动合闸功能，因此机组开机到建压以后只能通过手动合闸回路并网，为了能够实现电站的一键开机到并网的功能，一方面可以通过采用自带无压合闸功能的同期装置实现，另一方面可以增加无压检测自动并网的合闸回路，通过检无压继电器信号闭锁。

图3

4 微机保护定值特殊整定

电站保护层采用华自科技股份有限公司自主开发的DMP300C系列微机保护测控装置，该系列保护测控装置是集国内外成套微机保护的优点，总结多座电站运行经验，采用当今先进软、硬件技术开发的新一代电站综合自动化产品。在孤网运行过程中，负荷的突变会引起频率比较大的波动，因此在机组过频及低频的保护定值整定时需特殊对待。根据IEC34标准的规定，电网在不同频率的要求下允许运行的时间要求如下：

频率（Hz） 运行时间每年累计运行时间（分钟） 每年累计运行时间（秒）51-51.5 30 30 50.5-51 ≥180 ≥180 48.5-50.5 连续48-48.5 300 300 47.5-48 60 60 47-47.5 10 20

在对电站进行继电保护频率定值整定时需要充分考虑孤网电站运行的一些特点及电网异常频率对于机组影响，可以适当调高频率保护动作值或者延长频率保护的延时时间，这样可以最大限度的保证机组在一个合理的频率范围内长期稳定运行。

5 调速系统

坡特洛科电站发电机的调速系统主要包括调速器、执行机构和水轮机三大部分。调速器作为调速系统的一个核心控制部分，在机组频率的调节过程中占有举足轻重的作用，它主要根据频率、功率给定、导叶开度等通过内部PID参数来控制开度的输出。执行机构根据调速器的输出指令作用于水轮机控制导叶的开度。水轮机则接受执行机构的控制，最终把动能转化为电能的输出。

孤网运行频率表现的特殊性，要求发电机组的出力随负荷的变化而快速变化，才能维持供电频率稳定。因此孤网运行中如何提高功率变化的快速性将是减少频率变化的主要手段。

在孤网运行中产生频率波动的原因主要包含：

1)随机突变的负荷引起的频率波动。由于小容量孤网的突变负荷相对值（突变负荷量与机组功率的比值）较大，负荷随机突变的次数较多，常造成较大的频率波动峰值。

2)没有负荷突变的情况下，受孤网自身各种不稳定因素的影响，其频率持续在一定范围内周期性波动。

电站在实际运行过程中存在以下问题：

1)电网电压、频率波动比较大；

2)厂用电供电可靠性低；

3)很容易全网停电，机组面临“黑起动”的可能；

4)机组很容易发生突然甩负荷，负荷突增现象，机组启动频繁。

作为机组频率调节的关键部分，调速系统需要充分考虑以上问题，需要满足以下几个要求：

1)调速器应具备联网、孤网、空载三套不同的PID参数，调速器含有联网及孤网PID参数之间自动切换的逻辑，当调速器检测到系统频率大于某一数值（一般为0.5Hz，可根据现场实际情况更改），则认为已经处于孤网的一个状态，此时应当切换到孤网PID参数进行调节；

2)调速系统在全网停电时能够满足黑启动的要求，因此采用不用经常补气的储压罐是最佳的选择。

6 励磁系统

水电站发电运行，在正常情况下，发电机并不控制无功出力，而是AVR通过控制励磁电流以维持发电机机端电压恒定，发出无功功率，以满足输送有功功率所需要的电压要求和无功损耗。孤网后，励磁装置在实现对其目标变量的快速调节过程中，虽然保证了电压的调节精度，但对转速构成了正反馈耦合，恶化了空载稳定性。

我国行业标准《孤网运行的小水电机组设计导则》（NB/ T42034—2014）对孤网运行小水电机组的励磁装置，提出了如下技术要求：1)采用符合GB/T10585标准、具有孤网识别和自动切换调节方式功能的微机励磁装置。2)调节参数可以现场整定自动灭磁功能。3)孤网运行时，励磁装置应与调速器协调控制，以有效抑制无负载变化时频率及功率的周期性波动，减小负载突变时电压及频率的波动幅值。

此外该标准明确指出：孤网运行时，励磁装置除调整电压外，还“应与调速器协调控制，以有效抑制无负载变化时频率及功率的周期性波动。励磁装置选型及设计时不仅需充分考虑孤网电站运行特点，还应满足行业标准。

7 辅助设备

电站的冷却水系统主要存在以下两个问题：

1)由于电站冷却水水源取自尾水处，在旱季尾水水位较低时，设计的取水管位置高出尾水水位，无法正常供应冷却水，因此现场采取的措施是延长取水管长度；

2)冷却水供水管路较长，内部含有大量空气，正常启动水泵无法抽出水，只能依靠一台临时潜水泵首先往管道内注满引水，然后再启动水泵才能正常抽水，给现场的运行带了极大的不便。

针对以上问题可以考虑把水源取自进水口。

8 结论

在建设适用于欠发达地区孤网运行的水电站时，设计时需要充分考虑当地的运行环境，是并网运行还是孤网运行亦或是两者兼备，应做出详细的设计说明，一方面为采购设备提供选型依据，另一方面也有利于电站的长期稳定运行，此外还可为设计同类型项目时提供宝贵经验，减少成本，提高施工效率。

[1]郭建业．励磁装置对小水电孤网运行频率的影响．武汉市汉诺优电控有限责任公司,2014．

[2]司大军．调速系统对孤网稳定性影响研究．云南电网公司规划研究中心,2013．

[3]郭建业．改善小水电孤网运行状况的技术措施．武汉市汉诺优电控有限责任公司,2013．