采用智能负荷控制器改善小水电投资效果

.智能型负荷管理增加小水电效益（程夏蕾编译）1概述近年来，对如何减少孤立运行小水电站的投资成本考虑的比较多，也有一些有效的措施，如设备的标准化、电子设备替代机械液压装置、充分利用当地劳动力等。但是，考虑如何从提高负荷率的角度来增加发电效益，还不是很多。一般来说，孤立运行小水电站都是峰电负荷高，平均负荷低。特别是发展中国家，一些电气化社区，平均负荷只占峰电负荷的15～20%。这样会带来两方面的问题：1）发电机在峰荷时经常过负荷。过负荷情况下，用户电压会下降。严重时，频繁跳闸。用户不满意，发电效益也受影响。2）负荷比较低的情况下，电站发出的电量只有部分被利用，因为大多数孤立运行的小水电站都是径流式的。发电效益也受到影响。本文介绍两种负荷管理的方法，结合起来使用可以解决小水电站过负荷和低负荷率的问题。文章还介绍了乌干达乡村医院的一个实例。2技术1）采用限流装置控制峰荷电度表已经非常普及，它用来计量进行电费结算，但电度表没有限流装置。很多孤立运行的小水电站，当供电区负荷超过发电机容量时，就会影响供电品质和可靠性。采用限流装置，可以在任何时候对用户的负荷加以限制，用户根据不同的电流限值来支付固定的维修服务费。当用户的负荷超过限值时，它就会暂时被断开。通过对所有的负荷进行合理的限制，就可以避免过负荷的情况发生。发电机容量有富裕，可以通过调整限值来合理分配负荷。限流的概念早都已经有了，但目前还没有切实可行的办法。在津巴布韦，用标准的微型开关作为限流装置，有100，000多个用户。但这种微型开关有一个很大的缺陷，它的设定值很容易被人为改变，或者被窃电者短接。目前，推出的被称为“PowerProvider”的限流装置，它带延时自复位功能。它给用户带来方便，当开关跳开后，用户可以在规定的时限内减少负荷，开关自动重合。它的安全性比较高，安装在户外的配电杆上，可以防止被改动或短接。每月固定的付费，方便用户进行家庭收支预算，减少拖欠。还可以按年度付费，农民可以安排在丰收的季节交纳电费。2）采用分散式负荷管理来控制峰荷大多数容量小于250kW的小水电机组，都采用电子负荷控制器来调整发电机频率。因为相对于这种容量范围的机组，电子负荷控制器比调速器便宜而且可靠。但是，平衡负荷所消耗的电能很少被利用，主要原因是：—作为平衡负荷的电加热器，通常都安装在远离用户的水轮机房内；—由于平衡负荷时间和大小都不确定，使用不方便，有的根本不可能；—平衡负荷在水系统应用可靠性比较高，用在其它地方可靠性可能难以保证。分散式智能型负荷控制器（DILC），既可以充分利用富裕的电量，又可以防止发电机过负荷。DILC安装在配电系统的不同的位置，每一只DILC都控制某一个优先级的负荷，最典型的负荷如热水器或室内加热器。DILC通过感应发电机的频率来投切负荷。当负荷升高时，发电机频率会下降，DILC可以切除一些负荷。每一只DILC可以按优先级设定在不同的频率，这样优先级低的负荷可以先切除。DILC可以充分利用电能，减少平衡负荷所浪费的电量。下面一个实例，可以说明如何配合使用上面介绍的PowerProvider和DILC装置，来实现限制过负荷和充分利用电能的目的。3实例研究—乌干达KISIIZI医院1）背景KISIIZI医院建于1958年，位于乌干达东南部。它主要为附近的乡村提供医疗服务。1980年中，建了1座60kW的小水电站，装有1台冲击式水轮机、同步发电机和电子负荷控制器。电站是医院的唯一供电电源。电站除了给医院供电，也为医院的职工家庭供电。开始为了留住职工，作为职工福利，供电是免费的。几年后，医院规模扩大，职工人数增加，用电负荷超出了发电机容量。结果，发电机经常过负荷跳闸，整个医院停电。有时候，手术过程中停电，给病人带来危险。医院采用了很多办法来限制峰荷，如在加热器上加装分时器，使加热器只在晚上使用，还没收了职工的电炉等大功率电器。但是，改善总是暂时性的，因为负荷还是增长，有的职工也不自觉遵守医院的规定。2001年，问题严重到发电机过负荷跳闸后，负荷仍减不下来，发电量无法投入运行。为了保证医院供电，医院只好加装刀闸，把职工家庭用电统统切除，影响了职工正常生活。2）负荷控制医院管理部门和职工共同商量后，制定了以下供电原则：①医院供电安全必须保证；②尽可能满足职工基本家庭生活用电，如照明和冰箱等；③用电低谷时，允许职工使用热水器等大功率电器。按照上述原则，医院安装了83只PowerProvider限流器，一户一只。电流限值范围有1A、2.5A和5A三种，对应负荷为230VA、575VA和1150VA。根据职工资历的不同来配置不同电流限值的限流器。当某一户的用电超过限值，限流器就会将它暂时断开，以保证医院和其它用户的用电安全。DILC用于控制低谷时用电负荷。医院安装了40只DILC，主要装在资历较高的职工家里以及一些公共设施。与DILC连结的电路与PowerProvider限流器分开。作为一种奖励，电流限值可以到13A。有的DILC代替热水器的分时开关，有的连在标准的插座上，供其它大电器如电炉、电熨斗、电茶壶使用。热水器断开的频率范围设置在47～49Hz，其它为46～47Hz。频率在50Hz时，所有DILC都投入。医院负荷比较大时，发电机过负荷，频率下降，部分或全部热水器DILC会跳开。医院负荷再大一点，部分或全部其它用途的DILC也跳开，这样就保证了医院的安全供电，职工家庭供电的优先级也高于普通的热水器。PowerProvider和DILC是2002年9月～12月间安装的。安装前后发电机的特性曲线由计算机监测系统记录，该监测系统于同年3月份安装。3）数据结果图1给出了2002年3月份前到12月底的系统跳闸情况。可以看出，安装负荷控制装置后，系统跳闸情况明显减少。而且跳闸的原因有的还是机组故障或拦污栅堵塞的原因造成的，可以说11月和12月间，没有发生过一次发电机过负荷跳闸。除了系统跳闸情况有所改善，医院和家庭用电量也明显增加，减少了平衡负荷的消耗。图2和图3给出了两个典型日的用电记录。安装负荷控制装置后，医院和家庭用电量增加15%。7：30到23：30间，平衡负荷几乎为零。4）用户反馈在方案实施过程中，有一个适应阶段。一些安装PowerProvider限制电流小于5A或者没有提供DILC插座的家庭，抱怨不能使用电熨斗。这个问题后来通过安装了一些公共DILC插座，或者对原来电熨斗进行改造，使它可以在2.5A的PowerProvider下工作。所有用户反馈的意见都是满意的。医院和职工家庭供电得到改善，而且热水器和电炊具使用机会也增加了。4结论DILC和PowerProvider配合使用，可以实现智能型负荷管理，提高小水电供电的可靠性和负荷率，克服发电机过负荷和平衡负荷能源浪费的问题。它最好在小水电建成时就安装，尽早得益。5感谢感谢Billcave博士和KISIIZI医院的大力支持，还要感谢英国工商局的资助。References1.‘BestPracticesforSustainableDevelopmentofMicroHydroPowerinDevelopingCountries’,SmailKhennasandAndrewBarnett,ReportforDFIDandWorldBank,March2000.().2.ZimbabweElectricitySupplyAuthorityData,1996.3.：SustainableControlSystemsLtd，4CharlestonHouse,PeelStreet，Nottingham.UKDrPTaylorandMrTimMatthews：EconnectLtd，19HaughLaneIndustrialEstate，Hexham.UK(本文由亚太地区小水电研究培训中心副主任程夏蕾根据2003年3月英国诺丁汉特雷特大学电气工程学院微水电中心NigelSmith博士给《小水电》、《SHPNEWS》编辑部的来稿编译。)