國華臺電百萬機組孤島運行黑啟動的電氣研究及應用

肖華賓 甘超齊 楊文超 張楊迪 趙 軍

（1.神華廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東省臺山市，529228；2.神華國華 （北京）電力研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100025）

1 引言

我國電網(wǎng)交直流輸電容量規(guī)模、電壓等級，以及發(fā)電機組容量不斷擴大。以南方電網(wǎng)為例，其已形成 “八交八直”共16條500kV 及以上西電東送大通道。預計到2015年，廣東省外送電規(guī)模將達3.98×107kW，形成了發(fā)供用電不平衡、水火電容量不平衡的電網(wǎng)架構形式，是世界上少有、復雜的交直流混合大電網(wǎng)。

電網(wǎng)規(guī)模的擴大化和復雜化，將伴隨著電力系統(tǒng)運行風險的不斷增加，電網(wǎng)崩潰的誘因越來越難控制。21世紀以來，大面積停電事故時有發(fā)生：2003年8月14日，美國、加拿大發(fā)生跨國大面積電網(wǎng)停電事故；2005年5月25日，俄羅斯電力系統(tǒng)故障導致首都莫斯科大面積停電；2012年7 月30日，印度發(fā)生大面積停電事故，停電范圍之廣，受害損失之大，遠遠超過人們的想像。這些事故告誡我們在同步開展電力系統(tǒng)風險評估和防范工作的同時，還必須重視電力系統(tǒng)出現(xiàn)大面積停電后 “亡羊補牢”的工作——系統(tǒng)黑啟動 （Black-Start），即當電力系統(tǒng)因故障停電后，不依賴別其他網(wǎng)絡，利用網(wǎng)內具有自啟動能力的發(fā)電機組進行孤島運行，逐步帶動其他發(fā)電機組發(fā)電和擴大供電范圍，最終恢復全網(wǎng)的正常運行狀態(tài)。要想實現(xiàn)系統(tǒng)快速恢復供電，首先要確保系統(tǒng)不同區(qū)域內有足夠的具備黑啟動的電源點。南方電網(wǎng)傳統(tǒng)的黑啟動電源主要依靠水電來實現(xiàn)，然而這種供電具有極大的缺陷，例如在廣東珠三角地區(qū)用電負荷高度集中的區(qū)域，就嚴重缺少這類水電機組。

對于大型發(fā)電廠來說，如果發(fā)電機組具備黑啟動功能，那么即使在電網(wǎng)出現(xiàn)嚴重故障的情況下，也有可能通過生產(chǎn)自救的模式，在極短時間內全部或部分恢復機組廠用電系統(tǒng)，進一步保證機組主要設備的安全。同時，還可以將機組的電量逐步輸送到周邊的發(fā)電廠、重要用戶，以形成 “星星之火，可以燎原”之勢，給局部電網(wǎng)迅速恢復，帶來極大好處。

2 黑啟動電源的可行性研究

國華臺電是神華國華電力公司在廣東省投資的南方電網(wǎng)內最大的火力發(fā)電廠。從2003 年12 月起，陸續(xù)投產(chǎn)了5臺600 MW 及2臺1000 MW 國產(chǎn)燃煤火力發(fā)電機組，分別建成了220kV 及500 kV 升壓站各一座，在珠三角地區(qū)共有4 條220 kV、4條500kV 輸電線路。

國華臺電6號、7號百萬級發(fā)電機組由上海電氣集團成套生產(chǎn)，汽輪機、鍋爐和發(fā)電機等主機參數(shù)能夠滿足快速切負荷 （Fast Cut Back，F(xiàn)CB）運行工況要求。經(jīng)過國華電力研究院、國華臺電、廣東電科院等專家共同研究后認為：國華臺電6號機組采用國產(chǎn)分散控制系統(tǒng) （Distributed Control Systems，DCS）、數(shù)字電液調速系統(tǒng) （Digital E-lectro-hydraulic Control System，DEH），均 可 根據(jù)50%及100%甩負荷、輔機故障減負荷 （Run Back，RB）試驗等結果進一步優(yōu)化FCB 邏輯，以有利于機組FCB功能的實現(xiàn)。電氣500kV 斷路器控制系統(tǒng)和安全穩(wěn)定控制裝置經(jīng)進一步設計改造后，也能滿足局部電網(wǎng)嚴重故障后，孤島運行條件，實現(xiàn)黑啟動功能。

2013年1 月，根據(jù)廣東電網(wǎng) 《基于大型火電機組FCB技術的防止大面積停電電網(wǎng)自愈理論研究與實踐》工作規(guī)劃，經(jīng)過廣泛的討論、研究，確定國華臺電6號發(fā)電機組成為廣東電網(wǎng)500kV 系統(tǒng)黑啟動電源點是可行的。

3 電氣設計改造及計算仿真

結合廣東電網(wǎng)系統(tǒng)潮流分布，以及電網(wǎng)安全運行方式的實際需要，廣東電網(wǎng)公司調度中心明確啟動路徑，計劃用6號機組向72km 長的500kV 鼓峰丙線進行空充試驗，這主要考驗黑啟動過程中發(fā)電機是否會產(chǎn)生自勵磁，以及操作過電壓等問題。

3.1 FCB觸發(fā)電氣設計改造

由于國內沒有統(tǒng)一的FCB 技術標準，現(xiàn)參考廣東電科院、廣東電力設計研究院的意見，根據(jù)電氣一次主接線圖，采用安穩(wěn)裝置的出口跳閘接點、斷路器運行位置，進行綜合邏輯判斷，作為觸發(fā)FCB條件。國華臺電6 號機組采用安穩(wěn)切機的出口跳閘接點作為觸發(fā)FCB 條件。A／B 套安穩(wěn)動作信號組成或門，5041及5042斷路器跳閘后位置接點串聯(lián)后組成與門，共同構成電氣FCB 動作觸發(fā)邏輯。電氣FCB觸發(fā)邏輯如圖1所示。

圖1 電氣FCB觸發(fā)邏輯

3.1.1 電氣FCB動作出口接線

A／B兩套安穩(wěn)裝置動作信號組成或門，共同重動3 個帶延時功能的中間繼電器，形成電氣FCB動作觸發(fā)接線原理圖，如圖2所示。其中TJ1-2、TJ1′-2分別為安穩(wěn)A、B 套出口動作接點，TLP1、TLP1′分別為功能壓板，CKJ1～CKJ 3為FCB出口重動繼電器。

圖2 電氣FCB動作解發(fā)接線原理圖

3.1.2 電氣FCB動作送熱控系統(tǒng)接線

CKJ1～CKJ 3動作后分別送DCS及DEH 系統(tǒng)，通過與斷路器5041、5042及806位置接點進行邏輯組態(tài)組成與或非門，然后進行FCB 判斷，決定機組是否進入FCB運行狀態(tài)。電氣FCB 動作送熱控系統(tǒng)接線如圖3 所示，其中CKJ1-2～CKJ3-2分別為FCB 出口繼電器接點，2TLP1～2TLP 3分別為相應功能壓板。

圖3 電氣FCB動作送熱控系統(tǒng)接線圖

3.2 同期并網(wǎng)電氣設計改造

機組FCB成功后或系統(tǒng)恢復供電后，要通過主變高斷路器進行同期并網(wǎng)。由于原設計中6號發(fā)電機組同期并網(wǎng)點只有806一個，所以在主變高側需加裝一個同期點。

圖4 國華臺電6號機組單元一次設備主接線圖

圖4中1PT 為500kV 鼓峰丙線線路側電壓互感器；2PT 為6 號主變高壓側電壓互感器；5041～5043 為500kV 升壓站站內同一串的斷路器，5042為FCB 試驗所新加裝的同期并網(wǎng)點；806為發(fā)電機機端原同期并網(wǎng)點，原設計功能保持不變。5042斷路器處加設同期點，并且同時設計了自動準同期和手動同期兩種同期方式。

3.3 發(fā)電機組發(fā)生自勵磁計算

通常采用阻抗比較法 （電阻可忽略不計）進行發(fā)電機組發(fā)生自勵磁計算，即當外電路容抗Xc滿足Xq＜Xc＜Xd時，會發(fā)生發(fā)電機同步自勵磁 （Xq為發(fā)電機交軸電抗、Xd為發(fā)電機直軸電抗）。

對于隱極發(fā)電機，Xq=Xd，所以當外電路等效容抗Xc滿足Xc＞Xd，發(fā)電機不會發(fā)生自勵磁，若考慮主變短路電抗XT，即當Xc＞ （Xd+XT）時，發(fā)變組不會發(fā)生自勵磁。

鼓峰丙線參數(shù)采用Π 型等效模型，其折算至發(fā)電機端的容抗有名值Xc為8.711Ω，6號發(fā)電機參數(shù)由發(fā)電機廠提供的有名值Xd為1.714Ω。主變短路電抗折算至發(fā)電機端的有名值XT=0.115Ω，因為Xc=8.711Ω、Xd+XT=1.829Ω，所以Xc＞（Xd+XT）成立 （機組發(fā)生自勵磁時所對應的線路邊界長度為342km，遠遠大于鼓峰丙線72km），故不會發(fā)生自勵磁。

3.4 仿真試驗

2013年6 月，國華臺電委托華中科技大學在PSCAD／EMTDC軟件平臺上搭建國華臺電6號機組模型，進行百萬機組50%、100%FCB 仿真試驗，并由華中科技大學、廣東電科院、廣東電網(wǎng)調度中心和國華臺電共同對仿真模型、參數(shù)和邊界條件進行確認，經(jīng)行業(yè)內著名專家對試驗仿真結果進行評估，一致認為仿真結果合理、結論正確，滿足國標要求。

3.4.1 發(fā)電機機端電壓仿真

發(fā)電機機端電壓仿真有關圖表，分別見圖5、圖6和表1。

表1 發(fā)電機機端電壓仿真數(shù)據(jù)

3.4.2 空充線路仿真

空充線路仿真有關圖表，分別見圖7～圖9，表2。

圖5 50%FCB發(fā)電機機端電壓

圖6 100%FCB發(fā)電機機端電壓

圖7 三相不同期合閘發(fā)電機機端電壓

圖8 三相不同期合閘線路首端電壓

圖9 三相不同期合閘線路末端電壓

根據(jù)上述理論計算及仿真試驗可知，6號機組空充鼓峰丙線過程中，不會發(fā)生機組自勵磁；6號發(fā)電機暫態(tài)電壓1.28pu，主變側暫態(tài)電壓1.83pu、線路末端暫態(tài)電壓1.84pu，且各暫態(tài)過電壓衰減很快，約一個周波后均衰減至1.2 倍額定電壓以下，0.08s之后穩(wěn)定在額定電壓附近，且均在2.0 pu和4.0pu國標值范圍內。

4 黑啟動試驗過程及結果

4.1 黑啟動試驗過程

從理論上講，電網(wǎng)故障后的恢復一般有3種方法，即采用低電壓對電網(wǎng)進行安全恢復 （以下簡稱低電壓恢復）、采用全電壓對電網(wǎng)進行安全恢復、采用零起升壓對電網(wǎng)進行安全恢復。無論采用何種方法，都將面臨過電壓問題。采用全電壓對電網(wǎng)進行安全恢復，充電恢復過程中的過電壓接近2～3倍相電壓，雖然一般不會威脅絕緣，但會造成發(fā)電機過電壓保護或避雷器動作；采用零起升壓對電網(wǎng)進行安全恢復，雖能很好地控制過電壓倍數(shù)，但時間較長，操作緩慢，對燃煤機組也不合適。采用低電壓對電網(wǎng)進行安全恢復，不僅可以彌補以上兩種方法的不足，而且可以避免設備損壞或因避雷器動作而重復停電等異常情況的發(fā)生。因此，從安全和實踐角度考慮，為了控制恢復過程中過電壓的威脅，采用低電壓恢復更為合理。低電壓恢復是指發(fā)電機運行在低電壓下，對供電區(qū)域內的系統(tǒng)進行充電。低電壓恢復要注意以下兩個問題：一是，確定發(fā)電機實施充電的低電壓安全工作范圍；二是，限制操作過程中的過電壓在合理的控制范圍內。

表2 三相不同期合閘線路電壓暫態(tài)仿真

鑒于電力系統(tǒng)過渡過程的復雜性，為安全穩(wěn)妥起見，經(jīng)過專家論證，確定6號發(fā)電機組先零起升壓至額定電壓，以考查自勵磁情況；后以90%額定電壓進行鼓峰丙線，進行空充試驗，以校核過電壓情況。2013 年7 月4 日，在6 號機組完成50%FCB試驗后，分別進行了發(fā)電機帶空線路零起升壓試驗 （見表3），以及90%發(fā)電機額定電壓空充線路試驗 （見表4）。

表3 發(fā)電機帶空線路零起升壓試驗結果

表4 90%發(fā)電機額定電壓空充線路試驗結果

4.2 黑啟動試驗結果

隨著勵磁電壓的逐漸升高，各測點電壓也平穩(wěn)升高，發(fā)電機電流、有功功率、無功功率也平穩(wěn)增大，且滿足機組安全運行的要求，發(fā)電機未發(fā)生自勵磁。

空充線路試驗時，各暫態(tài)過電壓與仿真數(shù)據(jù)基本相符。其中，主變高壓側為1.81倍、線路末端為1.89倍，發(fā)電機機端為1.40倍，均滿足國標和設備參數(shù)要求。

5 結論

對于大型發(fā)電廠來講，由于電廠升壓站內有多臺發(fā)電機組和多條輸電線路，故障形式復雜多樣，即便在發(fā)電機組、輸電線路相繼跳閘，甚至全部停電的情況下，電廠也可以在極短的時間內，通過黑啟動機組自帶全廠或部分非黑啟動機組來進行自產(chǎn)、自救。隨后通過電網(wǎng)調度，恢復輸電線路供電，將更加強大的火力發(fā)電機組電量源源不斷輸入電網(wǎng)、其他的發(fā)電廠以及重要用戶，極大地減少了重要用戶的經(jīng)濟損失，為國民經(jīng)濟持續(xù)、健康發(fā)展，提供持續(xù)的電力能源保障。

2013年11月7日，國華臺電6號機組順利完成了100%FCB試驗，成功完成了國產(chǎn)燃煤百萬機組FCB試驗，以及帶72km 的500kV輸電線路空充試驗，標志著國華臺電6號機組從此已經(jīng)完全具備南方電網(wǎng)500kV 黑啟動能力，從此打破了一般采用水電廠遠程啟動火電廠的黑啟動常規(guī)，在我國電力系統(tǒng)黑啟動應急預案中奠定了一個嶄新的里程碑，在電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行管理中具有劃時代的意義。

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