長(zhǎng)輸管道孤網(wǎng)發(fā)電站組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

樊寶華，孫文博，張 楠，劉 銳，陳 凱，王永軍

1.中油國(guó)際管道有限公司，北京 100029

2.中國(guó)石油西部管道公司獨(dú)山子分公司，新疆克拉瑪依 833600

隨著國(guó)家對(duì)油氣能源需求的日益增長(zhǎng)，油氣管道建設(shè)日益加快，但多數(shù)長(zhǎng)輸油氣管道途經(jīng)地區(qū)為草原、沙漠及丘陵等無(wú)人區(qū)，這些地區(qū)的供配電設(shè)施不完備，特別是基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的中亞地區(qū)問(wèn)題更突出。因此，這些地區(qū)的油氣管道加壓站場(chǎng)供電一般采用天然氣內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的自發(fā)電模式，每個(gè)電站設(shè)置3 ～4 臺(tái)發(fā)電機(jī)組，孤網(wǎng)運(yùn)行[1]。但由于臨近建設(shè)的孤網(wǎng)發(fā)電站往往受機(jī)組類型不同、設(shè)計(jì)原則不一致等因素限制，均未進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行而是單獨(dú)供電，造成資源浪費(fèi)和設(shè)備利用率較低，若將距離相近的孤網(wǎng)電站聯(lián)網(wǎng)組成更大的供電網(wǎng)，則電站會(huì)有更多的余量調(diào)配機(jī)組功率，各站機(jī)組互為備用的數(shù)量增多，對(duì)提高供電的可靠性是非常有利的。鑒于此，對(duì)發(fā)電機(jī)組不同控制模式進(jìn)行研究分析，結(jié)合PMS（電力管理系統(tǒng)） 探索開(kāi)發(fā)孤網(wǎng)電站組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)策略，以實(shí)現(xiàn)不同類型不同容量發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行[2]。

1 電力管理系統(tǒng)PMS

在孤網(wǎng)發(fā)電站建設(shè)中，通常單電站采用的電站管理系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)供配電穩(wěn)定控制調(diào)度，需要一個(gè)系統(tǒng)從全網(wǎng)的角度來(lái)對(duì)機(jī)組進(jìn)行綜合控制和調(diào)度，一般稱這樣的系統(tǒng)為PMS，其不僅包含了機(jī)組的二次調(diào)頻和功率調(diào)度，也包含電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的邏輯。

PMS 主要功能如下[3]：包括所有的單電站管理；全網(wǎng)機(jī)組功率管理；全網(wǎng)頻率控制；全網(wǎng)優(yōu)先脫扣（跳機(jī)、線路解列、跳主變）；全網(wǎng)預(yù)防措施（潮流抑制、線路過(guò)載抑制、主變過(guò)載抑制） 及報(bào)警；全網(wǎng)重負(fù)載啟動(dòng)查詢；主變有載調(diào)壓、機(jī)組AVR（自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器） 及SVG（動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置）協(xié)同母線電壓控制；基于電網(wǎng)黑啟動(dòng)[4]。

孤網(wǎng)電站組網(wǎng)后，單站各機(jī)組控制模式選型是PMS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)能綜合控制和調(diào)度供配電的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

發(fā)電機(jī)組調(diào)速模式有三種：ISOC（無(wú)差） 模式、DROOP（有差） 模式和KW（功率） 模式，其中KW 模式實(shí)際也屬于基于DROOP 模式下的串級(jí)控制，對(duì)孤網(wǎng)組網(wǎng)的穩(wěn)定性影響與DROOP 模式相同，本文不重點(diǎn)涉及。

無(wú)論各機(jī)組廠家采用的控制器和控制策略如何，機(jī)組在帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，其控制模型仍是基于PID（比例- 積分- 微分） 模型，但關(guān)于PID 的輸出CV（燃料閥開(kāi)度），有的機(jī)組直接作用于燃料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；有的則轉(zhuǎn)化為燃料需求信號(hào)發(fā)給ECU（電子控制單元），ECU 采集燃料與空氣溫度壓力流量等信號(hào)補(bǔ)償進(jìn)行精確控制[5]。

對(duì)于多臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)組成的單電站，基本控制模型如圖1 所示。

圖1 多臺(tái)機(jī)組構(gòu)成孤網(wǎng)基本控制模型

2 ISOC模式

對(duì)于ISOC 模式，在多個(gè)機(jī)組的整個(gè)控制模型中，SP為設(shè)定頻率與基準(zhǔn)頻率偏差，在忽略采樣誤差或通過(guò)設(shè)置死區(qū)消除采樣誤差的情況下，SP和PV值對(duì)每臺(tái)機(jī)組控制器PID 是一樣的，也就是偏差不變，在電網(wǎng)負(fù)荷與出力平衡時(shí)，各機(jī)組的CV值很容易進(jìn)入互相振蕩的區(qū)間，并且會(huì)持續(xù)發(fā)散，工程上表現(xiàn)為各機(jī)組互相搶功率直到一些機(jī)組過(guò)載，另一些機(jī)組逆功率，所以在孤網(wǎng)中此模式是不穩(wěn)定的。

為提高孤網(wǎng)電站的自動(dòng)化水平，引入功率平均值對(duì)偏差SP進(jìn)行修正，令KWi/n)，這樣孤網(wǎng)中對(duì)于每一個(gè)機(jī)組，各自有不同的設(shè)定值SP和KW值對(duì)應(yīng)，且不斷地受平均值修正，直到與均值偏差為0（或可設(shè)置死區(qū)）。這樣的孤網(wǎng)是可以穩(wěn)定的，且各機(jī)組輸出功率也是平均，工程上一般采用負(fù)荷分配器實(shí)現(xiàn)，或者機(jī)組控制器自身通過(guò)電路輸出平均電流信號(hào)或者數(shù)據(jù)總線與其他機(jī)組控制器交換信息而實(shí)現(xiàn)控制。所以修正后的模式是穩(wěn)定的。

但工程上存在兩種可能情況：一種是在不同時(shí)期建設(shè)的孤網(wǎng)，對(duì)于不同類型機(jī)組，采用的控制器不同，負(fù)荷分配信號(hào)無(wú)法兼容，工程上很難實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型、不同廠家、不同控制器進(jìn)行并機(jī)；另一種是多個(gè)電站組網(wǎng)構(gòu)成的孤網(wǎng)，對(duì)于這種情況，與機(jī)組公共母線相距較遠(yuǎn)，工程上同樣存在廠家、類型和控制器型號(hào)不同的問(wèn)題，工程上同樣無(wú)法在孤網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)修正后的控制模型，因此，必須采用DROOP 模式進(jìn)行適應(yīng)性改造。

3 DROOP模式

DROOP 模式的控制原理是通過(guò)改變機(jī)組的速度或頻率來(lái)成比例地改變負(fù)載。也就是當(dāng)機(jī)組負(fù)載增大時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)單的負(fù)反饋，將速度或頻率降低。圖2為DROOP 模式與ISOC模式的頻率穩(wěn)定性比較。

圖2 DROOP 模式與ISOC 模式的頻率穩(wěn)定性比較

ISOC 模式下，頻率設(shè)定值為一條直線（如圖2 中紅實(shí)線所示），無(wú)論機(jī)組處于任何負(fù)載率，控制模型中的頻率設(shè)定是恒定不變的，只要設(shè)定頻率與實(shí)際頻率存在偏差，機(jī)組仍將增減輸出功率而不管機(jī)組處于過(guò)載還是逆功率。

DROOP 模式下，頻率設(shè)定值為一條下垂線（如圖2 中藍(lán)實(shí)線所示），在負(fù)載率為0%情況下，頻率設(shè)定值為104%(52 Hz)；在負(fù)載率為100%情況下，頻率設(shè)定值為100%(50 Hz)。這樣在機(jī)組空載時(shí)，機(jī)組頻率設(shè)定值104%偏高，需要調(diào)整為100%，隨著機(jī)組負(fù)載率增加，需逐漸提升機(jī)組頻率設(shè)定值，而保證控制目標(biāo)頻率仍然為100%。這種控制一般是通過(guò)機(jī)組外部控制接口實(shí)現(xiàn)的，例如增/減速按鈕等，也稱為二次調(diào)頻。所有的并網(wǎng)機(jī)組在這種控制模式下，設(shè)定頻率與實(shí)際頻率存在的偏差通過(guò)自身的負(fù)載率來(lái)平衡，而不會(huì)出現(xiàn)功率振蕩，頻率設(shè)定值就對(duì)應(yīng)了自身機(jī)組的負(fù)載率。

DROOP 模式下需要了解所有機(jī)組當(dāng)前的頻率設(shè)定值是多少，一般通過(guò)機(jī)組開(kāi)放數(shù)據(jù)直接采集，或通過(guò)機(jī)組負(fù)載率換算。在整個(gè)電網(wǎng)負(fù)荷率變化較大時(shí)，總體頻率設(shè)定點(diǎn)會(huì)有偏移標(biāo)準(zhǔn)值，各機(jī)組頻率設(shè)定值也可能有偏差，需要外置的電力管理系統(tǒng)（PMS）進(jìn)行二次調(diào)頻和綜合控制，平衡各機(jī)組或按調(diào)度需要設(shè)定各機(jī)組功率，同時(shí)穩(wěn)定頻率在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。

DROOP 模式下，SP不是恒定不變的，也不是修正的ISOC 模式引入了功率平均值修正，而是令SPi=100%-KWi%×DP來(lái)計(jì)算，如果SPi（i =1，2，…，n） 都相等、DP為常數(shù)，每一個(gè)PID回路的偏差受PV和機(jī)組負(fù)載率KW%影響，負(fù)載率越高，正偏差越小，CV輸出的增益就越小，表現(xiàn)為機(jī)組功率越高，其承接負(fù)荷能力越小，而其他低負(fù)荷率機(jī)組承接負(fù)荷能力就越大，從而保證了機(jī)組功率平衡處于收斂；而更改SPi（i=1，2，…，n）為不同值，則需要對(duì)應(yīng)的輸出功率來(lái)平衡這個(gè)偏差，也就是可調(diào)度機(jī)組處于任何需要的功率。

4 ISOC模式與DROOP模式無(wú)擾動(dòng)切換

孤網(wǎng)項(xiàng)目往往遇到原已完成建設(shè)的單個(gè)電站機(jī)組只配置了ISOC 模式的情況，也能穩(wěn)定運(yùn)行。但多個(gè)電站組網(wǎng)時(shí)，涉及到舊機(jī)組功能改造，需要增加DROOP 模式功能，同時(shí)要兼顧組網(wǎng)和不組網(wǎng)多種工況，以及保留未改造前的功能，在此種需求下，需要考慮ISOC 模式與DROOP 模式無(wú)擾動(dòng)切換。

如果沒(méi)有考慮ISOC 模式與DROOP 模式無(wú)擾動(dòng)切換，DROOP 模式下的頻率設(shè)定點(diǎn)假設(shè)默認(rèn)為100%對(duì)應(yīng)負(fù)載率為0%。如果多臺(tái)機(jī)組在網(wǎng)，當(dāng)在網(wǎng)的某單臺(tái)機(jī)組從ISOC 切換到DROOP 瞬間，該機(jī)組的負(fù)載率將下降到0%，負(fù)載將轉(zhuǎn)移到其他機(jī)組；如果單臺(tái)機(jī)組在網(wǎng)，機(jī)組負(fù)載率不變，但電網(wǎng)頻率偏差率將下滑到100%-KW%×DP。雖然可通過(guò)外部PMS 將頻率設(shè)定點(diǎn)提升到與負(fù)荷匹配，但往往受機(jī)組調(diào)速速率限制，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到該頻率設(shè)定點(diǎn)，這兩種情況對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)均不利，故控制邏輯上需要考慮無(wú)擾動(dòng)切換。

一般控制邏輯描述如下：

（1） 在ISOC 模式下運(yùn)行，獲取機(jī)組負(fù)載率：KW%。

（2） 計(jì)算出當(dāng)前負(fù)載率在DROOP 模式下的速度設(shè)定：100%+DP×KW%。

（3） 檢測(cè)到機(jī)組由ISOC 模式切換到DROOP模式瞬間，將100%+DP×KW%賦值給SP，僅賦值一次，以后隨著電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)而自適應(yīng)或通過(guò)PMS 接受調(diào)度。

這樣在DROOP 模式下，相當(dāng)于速度設(shè)定預(yù)先加上DP×KW%，切換瞬間，無(wú)論是單機(jī)還是多機(jī)組組成的電網(wǎng)，機(jī)組的負(fù)載率和電網(wǎng)頻率都是不變的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了孤網(wǎng)電站的機(jī)組調(diào)速運(yùn)行機(jī)理和通用模型，以及孤網(wǎng)電站組網(wǎng)后機(jī)組的調(diào)速模式對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定的影響，提出了可穩(wěn)定運(yùn)行的調(diào)速模式和控制模型，對(duì)長(zhǎng)輸油氣管道的孤網(wǎng)電站組網(wǎng)互連有一定的參考意義。