利用水力發(fā)電機組進行黑啟動的試驗研究

王新樂

(云南電力試驗研究院(集團)有限公司，昆明 650217)

0 前言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模和容量的逐漸增大，大容量機組、長距離輸電線路的大量投入使用，使電網的安全問題變得越來越重要，受戰(zhàn)爭、自然災害等不可控因素影響，大面積停電事故是不可避免的，而在發(fā)生大面積停電后，如何進行電網的黑啟動自救從而快速恢復整個電力系統(tǒng)的正常運行，對減少事故帶來的經濟損失和社會動蕩是至關重要的。

1 主要內容

1.1 定義

1.1.1 黑啟動定義

所謂黑啟動，是指整個系統(tǒng)因故障停運后，系統(tǒng)全部停電(不排除孤立小電網仍維持運行)，處于全“黑”狀態(tài)，不依賴別的網絡幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力的發(fā)電機組啟動，帶動無自啟動能力的發(fā)電機組，逐漸擴大系統(tǒng)恢復范圍，最終實現整個系統(tǒng)的恢復。黑啟動的基本任務為:對內恢復廠用電，對外配合電網調度恢復電網運行。機組具有黑啟動功能不僅是電站在全廠失電情況下安全生產自救的必要措施，也是電網發(fā)展的需要。

1.1.2 黑啟動試驗

黑啟動試驗是指，為了驗證在發(fā)生系統(tǒng)大面積停電情況下電廠的黑啟動能力，并發(fā)現應急預案中未考慮周全的問題，人為模擬廠用電全失及區(qū)域電網停電，通過有序組織、合理安排來恢復廠用電，從而恢復對區(qū)域電網供電的一種驗證手段。需要說明的是，受各種條件制約，黑啟動試驗幾乎不可能完全模擬真實全網失電情況，因此相對于絕對參考價值，其驗證結論的相對參考價值更大一些。

1.2 試驗驗證結果

根據云南電網網架結構，選取大盈江三級(3×50 MW)、功果橋(4×225 MW)、弄另(2×90 MW)、景洪(5×350 MW)、龍開口(5×360 MW)、蘇家河口(3×100 MW)等水電廠進行黑啟動試驗，以驗證其黑啟動能力，發(fā)現應急預案中未涉及的問題并提出相應的解決方案。

1.2.1 黑啟動方式

目前，黑啟動較為常用的方法主要有兩種，即調速系統(tǒng)自儲能啟動和事故備用電源(柴油發(fā)電機機)啟動。參與試驗的水電廠根據自身實際情況選擇試驗方式，最終各電廠選擇的黑啟動方式如表1 所示。

表1 各廠黑啟動方式選擇

1.2.2 黑啟動時間

黑啟動試驗一般從試驗總指揮下令開始計時，機組恢復帶廠用電終止計時。各廠試驗 用時如表2 所示。

表2 各廠黑啟動試驗耗時

1.3 存在的問題及解決方案

1.3.1 方式選擇

1.3.1.1 自儲能啟動存在的障礙或風險

利用調速系統(tǒng)自儲能進行黑啟動是指在全廠失電、調速系統(tǒng)油壓裝置油泵無法啟動的情況下，完全依靠壓力罐儲存的剩余壓力能，手動開啟導水葉使機組沖轉至額定轉速，然后對發(fā)電機出口斷路器進行無壓合閘，通過發(fā)電機勵磁系統(tǒng)帶主變及高廠變零起升壓，直至建壓至額定電壓后再合上高廠變低壓側饋線斷路器，由機組供給廠用電，進而恢復對全廠乃至電網供電。

從各電廠試驗情況來看，自儲能啟動方式可能存在的障礙或風險主要包括以下幾點:

1)啟機前的障礙，在無交流電供給的情況下，一些電廠存在不滿足開機的系統(tǒng)。如功果橋電廠大軸蠕動裝置無法操作與大軸分離;龍開口電廠推力瓦采用巴氏合金瓦，高壓油頂轉子裝置需要在低轉速(＜95%Nr)下處于常投狀態(tài)以形成油膜防止燒瓦。

2)建立送電通道的障礙，主要指在無交流電情況下操作合閘送電通道上斷路器與隔離開關的障礙。如功果橋電廠發(fā)電機出口隔離開關操作電源取自交流電，機組帶廠用電之前無法合閘。

3)升壓過程中的風險。如功果橋電廠勵磁風機電源取自勵磁變，其控制邏輯設定為啟勵30 s 以內，若三臺勵磁風機均不啟動則判斷為啟勵失敗退柜。因此如果手動啟勵過程超過30 s 則自動判為啟勵失敗。

4)其他風險。如松山河口電廠機組工作密封磨損嚴重，導致廠內滲漏排水流量較大，排水井水位上升過快，存在水淹廠房的風險。此外，在恢復交流電供給以前，對全廠的直流系統(tǒng)是一個嚴峻考驗。

1.3.1.2 柴油機啟動存在的障礙或風險

對于配備有廠內柴油發(fā)電機的電廠，可以直接啟動柴油發(fā)電機供給機組廠用交流電，具備開機條件后開機，帶主變零起升壓，之后斷開柴油發(fā)電機，同時合上高廠變低壓側饋線斷路器，由機組供給廠用電，進而恢復對全廠乃至電網供電。

從各電廠試驗情況來看，柴油機啟動方式最有可能存在的風險就是短時失電的風險。柴油發(fā)電機與機組分屬兩個不同規(guī)模的電源點，不能同時供給廠用電，因此在恢復由機組帶廠用電之前，需要先將柴油發(fā)電機斷開，會出現機組在運轉狀態(tài)下短時失去廠用交流電的情況，可能會對機組運行狀態(tài)造成影響。如多數電廠為防止因主軸密封水中斷導致的密封磨損，均設置有流量低+壓力低延時跳機邏輯，而廠用交流電的失電時間如果大于此延時，則會讓LCU“誤判”為跳機邏輯滿足從而導致停機。

1.3.1.3 解決方案

對于自儲能啟動方式可能存在的障礙或風險，可以通過對設備的適當改造將其排除，如將大軸蠕動裝置電機電源和發(fā)電機出口隔離開關操作電源改造為取自UPS 供電，保證在無交流電供給的情況下部影響開機及送電通道的建立;在不影響可控硅溫升的前提下，通過修改程序將勵磁風機控制邏輯中的跳機延時適當延長，保證建壓時間不超過此延時，以確保建壓成功。

對于柴油機啟動方式存在的機組運行過程中短時失去廠用交流點供給的風險，則可以通過運作方法的革新來避免。如松山河口電廠黑啟動試驗過程中，在機組建壓后，為了防止柴油機斷電后的短時失電造成的影響，先利利用機組A 向220 kV 母線供電，通過母線倒送將機組B 的主變及高廠變帶電，從而恢復其B 段廠用電，然后將機組A 的廠用電負荷全部轉移至B 段供電，此時斷開柴油發(fā)電機后就不會造成機組A 的短時失電，待機組A 正常帶A 段廠用電運行后再將機組A 的負荷轉移至A 段恢復正常運行狀態(tài)。

1.3.1.4 兩種方式的利弊分析及其選擇

自儲能啟動的優(yōu)點在于對電氣系統(tǒng)依賴性不高，在“全黑”情況下的可操作性較強，而且它完全依靠試驗機組零起建壓后帶自身機組段廠用電，直至逐步聯(lián)絡恢復全廠其他機組段及公用段廠用電，與柴油發(fā)電機啟動方式相比，倒閘操作相對較少，降低了在突發(fā)情況下因倒閘操作失誤而引發(fā)的風險。但自儲能啟動方式也有其自身的弊端:在完全恢復機組帶上廠用電以前，全廠均無交流電供給，這首先對直流系統(tǒng)是一個考驗。另外更重要的是，機組從啟動到無壓合閘再到建壓的過程中，往往某個或某幾個單體系統(tǒng)是需要交流電供給才能滿足流程繼續(xù)執(zhí)行的條件的，如上所述的大軸蠕動裝置以及隔離開關的操作。這就形成了一個死循環(huán):即不滿足開機條件就無法開機，無法開機就無法建壓帶廠用電，無法恢復廠用交流電供給就不滿足開機條件。

柴油機啟動方式則恰好相反，其優(yōu)點在于在機組啟動前就能夠利用柴油發(fā)電機供給廠用交流電，對直流系統(tǒng)要求相對不高，整個黑啟動過程均由交流電供給，與正常運行方式差別不大，甚至可以滿足自動開機條件，從而使機組啟動時間大大縮短，也降低了手動開機的風險。但柴油機啟動方式的弊端也顯而易見，其涉及到的廠用電分段較多，饋電通道較復雜，需要的倒閘操作較多，因此因倒閘操作失誤而引發(fā)風險的概率也大大增加。

對于黑啟動方式的選擇，由于自儲能啟動方式對于電氣系統(tǒng)依賴性不高，屬于真正意義上的“黑”啟動，因此建議黑啟動方式應以自儲能啟動為首選，柴油機作為事故備用電源可以作為備用方式。當然，如果電廠不具備自儲能啟動的條件——如前所述龍開口電廠的高壓油頂起裝置——那么也只有采用柴油機啟動方式，這就要求電廠保持對于柴油機良好的維護水平，如定期啟動，油料的定期補給等。

1.3.2 黑啟動耗時

1.3.2.1 計時標準不統(tǒng)一

黑啟動最明顯的社會意義莫過于盡可能“快”的恢復電網供電，其中耗時是一個比較容易量化的標準，因此也是被大家普遍關心的問題，而計時標準的統(tǒng)一是考慮耗時問題前提。由于水力發(fā)電廠型式多樣，因此計時標準的統(tǒng)一也困難重重。目前來看，對于計時標準問題主要有以下幾個觀點:

1)從全網失電開始計時，終止于全網(或區(qū)域電網)恢復向所有負荷用戶供電;

2)從全網失電開始計時，終止于向網內重要負荷用戶供電;

3)從全網失電開始計時，終止于向其他并網電源點倒送廠用電。

1.3.2.2 試驗耗時與真實時間差距較大

耗時是黑啟動試驗需要驗證的重要數據，但由于黑啟動試驗無法完全模擬真實情況，因此試驗耗時與真實全網失電情況下所需時間存在較大差距。主要有以下幾點原因:

1)與突發(fā)失電事故相比，黑啟動試驗屬于有組織的生產活動，其組織方式、反應能力、隨機因素等的不同決定了時間的差距;

2)受電網及電廠運行方式制約，試驗內容往往比真實黑啟動要省略，如電網無法實現模擬全網停電，試驗機組啟動后并網這一步就顯得毫無意義。

受以上因素影響，黑啟動試驗耗時往往比真實時間偏小，如2005 年中國海南電網因臺風造成的全網失電，用時1 小時25 分鐘黑啟動成功，而從各廠的實際試驗耗時來看，最大耗時僅為45 分鐘，也從側面印證了此觀點。

1.3.2.3 解決方案

對于計時標準問題，業(yè)界尚未有相關規(guī)范給出具體規(guī)定，但作者認為第一種觀點供電范圍過大，受事故后不確定因素影響較大，如果以此作為計時標準，勢必將計入很大一部分非供電部門可以決定的時間;而第三種觀點又過于狹義，實際上只是為恢復供電做好了準備，并未真正恢復任何用戶的供電。第二種觀點比較合適，既考慮了關系國民經濟及國家安全的重要負荷的優(yōu)先恢復，又將恢復供電范圍掌控在供電部門可以掌控的范圍之內，有利于相關部門根據事件的輕重緩急對事態(tài)加以判斷，以便做出合理決策。

1.3.3 孤網下的調節(jié)品質

1.3.3.1 頻率/電壓的波動

在真實全網失電情況下，一旦機組啟動成功，除了恢復自身自用電以及全廠廠用電以外，最重要的任務就是安全迅速的向電網供電，因此并網運行是必經步驟。但此時的并網不同于平時，屬于特殊工況。尤其首臺黑啟動成功的機組，其輸電線路上尚沒有其他負荷，并網后機組僅帶廠用電負荷以及空線路阻抗運行，相當于孤網運行模式，其電壓、頻率的波動較大，不利于后續(xù)機組同期并網。按照中國國家電力調度中心2005 年發(fā)布的《電力系統(tǒng)黑啟動方案編制和實施技術規(guī)范》要求，“頻率應盡可能控制在49.5～50.5 Hz以內，電壓應盡可能控制在0.9～1.1 標幺值以內”，但孤網模式下由于發(fā)電機軸功率與負載很難達到均衡，造成機組頻率與電壓頻繁波動，而且由于負載過小，頻率和電壓往往會超偏高方向波動，給全網快速恢復供電造成了困難。

而對于黑啟動試驗，由于往往無法真實模擬孤網狀態(tài)，因此現場試驗采用了近似模擬方法:機組帶廠用電啟動后主變高壓側斷路器不合閘，即相當于帶廠用電孤網運行，但由于部分調速系統(tǒng)對于“并網”的判據是“發(fā)電機出口斷路器與主變高壓側斷路器均為合閘態(tài)”，因此需要短接調速器柜的高壓側斷路器端子，使調速系統(tǒng)將當前狀態(tài)“誤判”為并網狀態(tài)，從而使之選擇并網PID 參數進行調節(jié)。

就要盡可能想辦法去模擬這種孤網情況，從而得到第一手的頻率及電壓波動數據，以對后期仿真分析以及PID 參數選擇提供數據支持。需要注意的是，部分調速系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)對于“并網”的判據是“發(fā)電機出口斷路器＆高壓側斷路器均為合閘態(tài)”，因此對于某些試驗過程中不能動作高壓側斷路器的電廠來說，如果想讓調速系統(tǒng)及勵磁系統(tǒng)將當前狀態(tài)“誤判”為并網狀態(tài)，就需要在二次端做些工作，如短接高壓側斷路器位置信號等。

1.3.3.2 解決方案

在控制頻率波動方面，一個可行的方法是利用調速系統(tǒng)孤網模式下的自適應PID 參數選擇來改善孤網模式下的調節(jié)品質。調速系統(tǒng)在大網模式下的PID 參數，其調節(jié)速率、穩(wěn)定時間、超調量等指標均已不適應黑啟動的需要，因此需要調速系統(tǒng)首先要通過大量的仿真模擬以及現場試驗確定不同情況下的頻率波動范圍到底有多大，再據此選擇一組合適的大網模式下的PID 參數，并通過試驗對其進行驗證;其次要求調速系統(tǒng)有自動切換PID 參數的功能，通過某一判據自動判斷是否為孤網模式，自動選擇之前已經預設的孤網模式下的PID 參數，這一判據設置是否合理也是影響調節(jié)品質的重要因素。在電壓控制方面，利用勵磁系統(tǒng)進行電壓控制也是同樣道理，這里不再贅述。

2 結束語

通過以上討論可以得出以下結論:

1)黑啟動方式的選擇應遵循自儲能啟動方式優(yōu)先，兼顧柴油發(fā)電機啟動方式;

2)黑啟動過程中可能遇到的風險可以通過設備的改造或方法的革新來控制;

3)黑啟動應急預案的編制水平與演練水平決定了試驗時間與真實黑啟動時間的差距;

4)根據不同電廠不同的試驗時間對其進行黑啟動等級劃分具備可行性;

5)調速系統(tǒng)及勵磁系統(tǒng)應對孤網模式下的PID 參數作出自適應對策。

本文所討論的黑啟動僅僅從電源側來討論其存在的問題，實際上對于整個電網來說，黑啟動不僅涉及到黑啟動電源點的選擇、子系統(tǒng)劃分、黑啟動路徑選擇、重要負荷恢復等級等等。對于整個社會來說，它涉及到的范圍就更為廣泛，如通訊、交通、救護、治安等各個方面，因此黑啟動是一個系統(tǒng)工程。當今世界電網規(guī)模不斷擴大，由于可控因素而發(fā)生大面積停電的幾率越來越小，但由于自然災害、戰(zhàn)爭等不可控因素造成的大面積停電并非完全沒有可能，因此黑啟動作為一項考驗全社會應急處置的機制，對于國計民生、國民經濟甚至國家安全具有重要意義。

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