解析小型孤网水电站设计中的特殊问题

'规划设计SMALLHYDROPOWER2012No1．TotalNol63小型孤网水电站设计中的特殊问题郭建业(武汉市汉诺优电控有限责任公司湖北武汉430010)【摘要】分析了小型孤网水电站存在的一系列特殊问题及其性质，对小型孤网水电站的频率波动峰值进行了定性和定量的研究，提出了小型孤网水电站的设计和配置原则，指出增大飞轮力矩对小型水轮机组孤网运行的有效作用。建议制定相应的设计导则，对小型孤网水电站的设计加以规范。【关键词】小型孤网水电站频率波动峰值飞轮力矩1问题的提出．，==MD—Mz式中，‘，为机组的惯性力矩；∞为机组的角速虽然我国大多数水电站为并网运行，但仍有不少小型水电站孤立运行在边防哨所、山寨林场，为度，cU=(为机组转速)；M。为水轮机的动力国防安全、水土保持和老少边穷地区建设发挥着重矩；Mz为发电机的阻力矩。要作用。在国际小水电市场上，无论是发达国家的在上述运动方程的基础上，可将影响机组孤网庄园、别墅，还是欠发达国家的偏远山区，同样有运行时频率波动峰值的主要因素作如下分析。相当数量的小型水电站为孤网运行。2．1孤网中最大突变负荷的相对值K—小型孤网水电站由于孤网中突变(突增、突减)负荷量与机组功率的比值(即突变负荷相对K一=值)较大，负荷随机突变的次数较多，往往造成运式中：△P为孤网中最大突变负荷(kW)；行中频率波动峰值过大，电能质量差，甚至还会引Ⅳn为机组(或电站)的额定功率(kW)。起过速或低频停机。此外频率波动使接力器频繁动孤网中的△P一取决于负荷的构成和性质。因作，可能引起调速器油压迅速下降，甚至导致低油小型水电机组(或电站)的Ⅳ0较小，故△P一通压停机。常较大。调速器虽然承担着“调频”任务，但其主要功对于某一具体机组或电站，K一越大，意味着能是保证机组空载及甩负荷后的稳定；而上述小型突变负荷相对越大，相应阻力矩的变化和机组孤网水电站的一系列特殊问题，是涉及多个专业的综合课题，影响因素很多，仅靠调速器难以解决。加速度iat．o就越大，因而在同样的升速时间内，其为使小型水电站满足孤网运行的要求，在设计频率波动峰值也越大。阶段就必须解决好上述问题，将频率波动控制在合反之，一越小，意味着突变负荷相对越小，理的范围内，保证电能质量和电站正常运行。相应阻力矩Mz的变化和机组加速度就越小，2影响机组孤网运行时频率波动峰值因而在同样的升速时间内，其频率波动峰值也的因素越小。因此，K一=0时不会产生频率波动。对于某水轮发电机组的运动方程为：些K一小到一定程度(如K≤0．02)的孤网电站，因产生的频率波动较小，不会影响正常运行，收稿日期：2011—10—26故无须对电站的设计配置提出特殊要求。作者简介：郭建业(1940一)，男，教授级高级工程师，主要从事水轮机调速系统的研究、设计工作。2．2机组最短关闭时间sEmail：why@163．oom越小，意味着水轮机在调速器的作用下，·38· 小水电2012年第1期(总第163期)规划设计能以较快的速度改变其动力矩，使机组较快停于减少负荷突变时的频率波动值。止加速，较快稳定，因而减小了频率波动的峰值。设有某一定量负荷△P，可以比较突增△P、Ts"虽由调速器整定，但须经调保计算确定，突减△P到某一负荷、突减△尸到空载(即甩去其大小主要取决于电站引水系统和机组特性，通常△P负荷)等3种工况。由于突减△P到空载后没为数秒到十几秒。有负荷自稳定作用的助力，其频率波动峰值相对较2．3调速器迟滞时间71r大，可作为孤网频率波动峰值的计算工况。这样，是反映调速器是否灵敏的重要技术指标。即可参照计算甩负荷转速升高的方法来计算孤网频的存在延迟了水轮机动力矩D的及时改变，率波动峰值。计算甩负荷转速升高的常用近似公式是在机组增加了机组在负荷突变后的加(减)速时间，因而运动方程式的基础上推导出来的，其差别仅在于采会增大频率波动的峰值。国家有关标准规定71c≤用了不同的假定和修正系数。其基本形式为：0．2s，多数调速器可以达到。2+T×f和值对机组频率波动有直接而重大的影p2响。例如，燃油发电机组的和远小于水电式中：为甩全负荷时机组最大转速升高相对机组，动力矩M。增减很快，故可以单独驱动施工值；f为水击修正系数；T为甩全负荷时的升速时机械(即孤网运行)，频繁增、减其全部负荷间(s)，即机组甩全负荷时自接力器开始动作到机(K一接近于1)，而不会出现小型水电机组孤网运组转速最大值的时间，Tn=r，其中r=，行时频率波动过大等种种问题。S2．4机组的惯性时间常数为相对升速时间；Tc、T同前。GDn5计算孤网频率波动峰值，时，假定机组升速一365Ⅳn时间与K一成正比，同时假定接力器最短开、关式中，0为机组的额定转速(r／min)；No为机时间相等且为匀速运动。则甩部分负荷时的升速机组的额定功率(kW)。时间为：机组的值与机组的飞轮力矩GD成正比，T=×T=K。愠xxr×Ts．，ax当然也与机组的惯性力矩l，成正比。。越大，．，故有：也越大，同样的负荷突变引起机组的加速度am就。Pl=2T一2T越小，故其频率波动峰值也越小。电站设计时，在设定允许的l值后，可按下3孤网运行时频率波动峰值的近似计算式估算机组应有的值：小型水电机组孤网运行中的频率波动，不是机2Tc+Kax×rxTs×f一组小波动稳定问题，而是与甩负荷转速升高同属一21类问题。实际上，甩负荷是突变负荷工况的一种特4公式中有关参数的讨论例。试想，如机组仅带一个负载，那么，其突减负荷的频率波动峰值与其甩负荷时的转速升高，就是1)机组的惯性时间常数=，其中机一回事了[。组的飞轮力矩∞由发电机、水轮机的转动部分一般情况下，发电机各类负荷的综合阻力矩和飞轮等3部分的co组成。z是随转速的增加而增加的，即>0。由于负2)调速器动作的迟滞时间通常取0．2s。荷的这一特性，当负荷变化某一数量后，即使水轮3)水击修正系数厂可参照有关经验公式或经机不进行调节，机组转速仍可逐步稳定在某一新的验曲线求取。数值上。负荷的这种能力称为自稳定能力，它有助4)相对升速时问r可根据水轮机的比转速·39· 规划设计SMALLHYDROPOWER2012Nol，TotalNo16311,在有关经验曲线上求取，其范围通常在0．3～荷的K一值和机组的Ts"值确定后，增大机组的O．8之间。值是减少孤网频率波动峰值惟一有效的技术措施。5)最大突变负荷相对值K一可根据负荷情况电站设计时，应通过计算确定值和GD值，并分析确定。留有适当的余量且在机组订货时提出相应的技术6)T由调保计算确定。要求。7)频率波动峰值可根据孤网中负荷对频率对于小型水轮机组，增大飞轮GD简单易行，的要求确定。如0．02、0．04、0．06等，分别对应的经济实用，宜作为优先选项。此外，增大机组频率波动为±1、±2、±3HZ等。值，不仅可减少孤网频率波动峰值，也有利于机组根据上述参数的选取原则，举例计算如下：空载及甩负荷后的稳定性。例1，某孤网运行的机组，Ts=8s；K一=4)为适应孤网运行时接力器的频繁动作，调0．15；r取0．6；取1．2；T=8S。试估算其频速器应配置较大的蓄能器和较大的电机油泵。对于率波动峰值。将上述数值代入公式，得：负荷变化特别频繁的情况，可考虑采用通流式调速器。It9J1：一冬1：一0u．‘0795)配置全自动励磁，励磁调节器的电压调差即：此孤网的频率波动峰值将近±4Hz。率应取较大的正值。例2，某孤网运行的机组，要求』9l：0．04；Ts=6s；K=0．1；r取O．7；f取1．2。试估算6结语机组应有的值。将上述数值代人公式，得：孤网运行的小型水电站在国内外有其不可忽视：一0：11．3的地位与作用。孤网中突变负荷相对值较大，造成08一’．频率波动峰值过大等一系列特殊问题，直接影响电即：机组的。值应不小于11．3S能质量和运行可靠性。5小型孤网水电站的设计配置原则孤网频率波动峰值的计算，不是小波动稳小型水电站在孤网运行时，因负荷经常有较大定问题，而属于大波动问题，可参照甩负荷转速升高的计算方法作近似计算；也可设定p值，反算突变，机组调节频繁，工况严苛，不能按并网电站进行设计和配置，而须遵循以下设计配置原则：机组的值。计算公式因假设和简化而存在误差，1)合理确定最大突变负荷相对值K一。对于需通过实践不断修正和完善。在小型孤网水电站的设计过程中，应按照1座具体的电站而言，一的大小取决于孤网中负K一、Ts、pl、T和GD的顺序，依次进行分析荷的构成和性质。确定一时，既要考虑运行初期的负荷情况，也要考虑后期的发展，应留有适当计算。对于小型水电机组，用增大飞轮GD的办的余地。法增大值，是减少孤网频率波动峰值的有效措K是频率波动分析的前提，也是电站设计和施，宜优先考虑。设计、建造小型孤网水电站，是具有一定特殊设备配置的重要依据，因而须认真分析，慎重确定。性的工程技术课题，建议制定相应的设计导则加以2)在相同的值条件下，水轮机组的最短规范。关机时间越长，孤网频率波动峰值越大。因而参考文献：在电站规划设计时，应尽可能减少引水系统的水流[1]沈祖诒．水轮机调节[M]．北京：中国水利电力出版加速时间常数，以便选用调节速度较快、开关社1988：279—293．机时间较短的水轮机组。■3)在相同的一、Ts"值条件下，机组的惯性时间常数越大，孤网频率波动峰值越小。当负责任编辑吴昊·40·'