孤网运行的TOBI-TOBIDI水电站电气设计探讨

鲍舒眉

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 合肥 230088）

1 引言

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。最大单机容量小于电网总容量的8%的电网为大电网，反之称为小网，孤立运行的小网称为孤网。本文所述刚果（金）TOBI-TOBIDI 水电站完全独立于刚果（金）当地电力系统，单机容量占电网容量的25%，电站运行是孤网运行，电站频率、电压的稳定直接影响安全生产。

2 工程概况

TOBI-TOBIDI 水电站位于刚果（金）中南部东开赛省Mbuji-Mayi 市，距离Mbuji-Mayi 市约50km，距SCIM矿业基地公路里程约25km，装设4台发电机，单机额定容量3MW，机端额定电压6.3kV，额定功率因数0.8（滞后），总装机容量12MW，电站年利用小时数为5446h。电站输出电能主要是供给SCIM矿业基地用电负荷使用，不接入地方电网系统，供电电压等级为35kV。

由于电站为孤网系统，为保证事故情况下对供电负荷及电站自身的影响最小，变压器检修时退出的发电机组最少，同时由于刚果（金）的运输条件非常差，变压器容量小投资略小，也便于运输，因此电站电气主接线方案选择一机一变单元接线。每台发电机配置1 台三相油浸自冷式变压器，其型号为S13-4000/35，38.5+4×2.5%-2×2.5%/6.3kV，Ud%=7，Y,d11。水轮机-发电机组为卧式机组，发电机和水轮机布置在同一层，每台发电机机旁均布置电流互感器柜、励磁屏、机组现地控制屏、测温制动屏和机旁动力箱，全站采用计算机监控、视频监视系统。

电站保护装置采用微机型保护装置。35kV 线路保护设置三段距离保护，发电机-变压器组装设保护为：变压器纵联差动保护、复合电压起动过电流保护、主变瓦斯保护、主变温度保护、发电机纵联差动保护、带电流记忆的低压过电流保护、低电压保护、过负荷保护、定子接地保护、转子一点接地保护等。水轮发电机组选用自并励静止可控硅励磁装置，选用高油压数字式可编程微机调速器。

3 优化设计

电网稳定运行的两大要素是频率和电压，对于TOBI-TOBIDI 水电站完全独立于电网的孤网系统而言，发电机组是唯一动力源，发电机组由负荷控制转为频率控制，以致整个系统运行抗干扰性较差，所以机组频率、电压能否稳定是孤网系统稳定运行的核心。

针对大电网运行的常规设计无法保证孤网电站的安全可靠运行，因此，TOBI-TOBIDI 水电站调速、励磁、保护、控制等均需进行适应性修正、优化和改进。由于刚果（金）地方条件有限，为节省投资，提高性价比，电站仍采用通用调速、励磁、保护、控制系统设备，但在设备配置和系统整定上进行优化，实现投入产出比最大化。

3.1 优化调速系统运行整定

孤网运行要求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，因此采用单机孤网专用绝对型带方向控制的PID 控制算法和参数，控制机组负荷与电网频率成反比，以保证用户负荷变化情况下自动保持电网频率的稳定。

3.1.1 优化调整可编程控制器程序

在空载运行时能自动跟踪给定频率，为频率调节模式；负载运行时自动切换为开度调节模式；负载运行时若频率超差自动切换为频率调节模式，频率恢复正常后自动返回开度调节模式。手动工作方式下为开度调节模式。

3.1.2 优化调速器调节参数

（1）机组处于孤立电网，带稳定负荷运行时，调速器能保证机组频率变化≤±0.25Hz。

（2）在水轮发电机出口开关以外切除，机组突然甩≥25%额定负荷时，要求调速器能保证在调节过程中最高转速不超过140%，所引起的频率波动过渡过程中的波峰数≤2 个，调节时间≤30s，且频率波动的波谷≥49.5Hz。

（3）电站进水口2 台机组共用一根钢管，经过2 台机组同时甩满负荷最不利的调节保证工况复核计算，机组最大压力升高35%、最大转速升高55%均可控在额定水头范围内，且压力升高、转速升高和尾水管真空度均满足规范要求的情况下，为减少机组甩负荷的不利影响，加快导水叶直线关闭时间，整定为5.0s。

3.2 优化励磁系统配置整定

励磁装置采用具有孤网识别和自动切换调节方式功能的微机励磁装置。

（1）励磁装置需具有单机恒压带负荷功能，自动励磁调节器应保证发电机机端调压精度优于0.5%。

（2）励磁装置需与调速器协调控制，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。并且励磁系统在机端电源频率为45～77.5Hz 范围内维持正常工作。

（3）当发电机端正序电压下降到额定值的80%时，励磁系统应可提供2 倍额定励磁电压和2 倍额定励磁电流，持续时间不小于50s。

3.3 调整保护配置和整定

工程设备除主保护外，需重新设定保护配置。输电线路设置三段距离保护，发电机-变压器组设置纵差保护等主保护外，还设置低电压保护、带电流记忆的低压过电流保护、复合电压起动过电流保护、本体保护等，退出一些不适用于孤网运行的保护，比如失磁、失步保护等。发电机还配置反应三相电流不平衡的负序过流保护，以保证保护动作的灵敏度。

（1）负序过流保护装置的动作电流按躲过发电机长期允许的负序电流值和躲过最大负荷下负序电流滤过器的不平衡电流整定。

1）动作电流：Isr=（0.08～0.1）Irg

式中：Irg—发电机额定电流。

Isr=0.1 Irg/N=0.1×343.67/80=0.43A

2）动作时限：比相间短路后备保护的动作时限大一时限阶段，取t=8s。

（2）适当放宽高频、低频保护的动作条件，由常规48.5～50.5Hz 调整到48～51Hz，以适应孤网运行的要求。

3.4 控制系统协调机网负荷

TOBI-TOBIDI 水电站运行采用计算机监控系统协调机网负荷，协调SCIM 矿业基地负载无功补偿、机组有功/无功负荷、维持功角/功素因数平衡；与励磁系统配合，分配无功功率，维持孤网电压；并根据有功、无功备用计算，增减负荷和联锁降负荷，作为切机和切负荷的反向稳控手段。并在机组甩负荷时，限制矿业基地的负荷量，平缓有功负荷的突变，与调速系统和励磁系统建立快速的控制信号联系，提高孤网稳定性，避免孤网崩溃。

4 结语

孤网运行的小型水电站在国内外偏远地区有其不可忽视的地位与作用。发电机组发生停机故障时孤网系统会出现有功功率缺额，孤网中突变负荷相对值较大，造成频率波动峰值过大、电压波动等一系列特殊问题，直接影响电能质量和运行可靠性，甚至损坏设备，影响正常生产。TOBI-TOBIDI 水电站孤网运行系统电气设计和设备技术参数采取本文所述的调速、励磁、保护、控制等措施要求，将电能质量控制在合理水平，保证了安全生产，提高了偏远地区国民经济发展自生力■