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1520%。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： 医院供电安全必须保证； 尽可能满足职工基本家庭生活用电，如照明和冰箱等； 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4749Hz，其它为4647Hz。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Bill cave博士和KISIIZI医院的大力支持，还要感谢英国工商局的资助。References1. Best Practices for Sustainable Development of Micro Hydro Power in Developing Countries, Smail Khennas and Andrew Barnett, Report for DFID and World Bank, March 2000. (.uk).2. Zimbabwe Electricity Supply Authority Data, 1996.3. 4. Dr N P A Smith：Sustainable Control Systems Ltd，4 Charleston House, Peel Street，Nottingham. UKDr P T