潘家口蓄能電廠黑啟動電源研究

李吉虎，陳澤升

（國網(wǎng)新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北唐山 064309）

潘家口蓄能電廠黑啟動電源研究

李吉虎，陳澤升

（國網(wǎng)新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北唐山 064309）

本文首先通過介紹黑啟動及其作用，考慮通過增加潘家口蓄能電廠黑啟動功能，如冀北電網(wǎng)出現(xiàn)極端事故乃至全網(wǎng)停電的情況下，潘家口蓄能機組能夠通過黑啟動電源迅速自啟動并帶動其他機組最后逐步恢復全網(wǎng)供電。通過對柴油發(fā)電機和直流電源的分析比較，柴油發(fā)電機更適合做黑啟動電源。

潘家口蓄能電廠；黑啟動；柴油發(fā)電機；直流電源

0 引言

電網(wǎng)的黑啟動，是指整個電網(wǎng)在故障停運后在無法依靠其他電網(wǎng)送電恢復的情況下，通過電網(wǎng)內(nèi)具有自啟動能力的機組啟動，再帶動無自啟動能力的機組，進而逐步擴大電力系統(tǒng)的恢復范圍，最終實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)的恢復。通過增加潘家口蓄能電廠黑啟動功能，在冀北電網(wǎng)出現(xiàn)極端事故乃至全網(wǎng)停電的情況下，能夠快速、有效地自啟動并帶動其他機組乃至最后逐步恢復全網(wǎng)供電，爭取最大限度地減少大停電帶來的損失，保障社會正常有序供電。從整個電網(wǎng)的安全運行考慮，潘家口蓄能電廠增加黑啟動功能是非常必要的。

1 潘家口蓄能電廠概述

潘家口水電站位于河北省唐山市遷西縣，分為常規(guī)水電廠（以下簡稱潘水電廠）和蓄能電廠（以下簡稱潘蓄電廠）兩部分，潘水電廠由潘家口水電廠負責管理，潘蓄電廠由國網(wǎng)新源控股有限公司潘家口蓄能電廠負責管理。

潘家口蓄能電廠是一座常蓄結合的混流式抽水蓄能電站，設1臺常規(guī)水輪發(fā)電機（G1）和3臺抽水蓄能機組（G2、G3、G4）。電站分兩期施工，一期工程安裝了一臺150MW豎軸傘式常規(guī)水輪發(fā)電機（G1），COSφ為0.85，機端電壓為15.75kV，采用發(fā)變組單元接線，變壓器（1B）額定容量為180MVA，發(fā)變組之間設有斷路器，機端接有41B廠用變壓器，變壓器高壓側電壓等級為220kV。二期工程安裝3臺抽水蓄能機組，每臺機組容量為91MVA，機端電壓為13.8kV，采用發(fā)變組單元接線，變壓器（2B、3B、4B）為100MVA有載調(diào)壓變壓器，發(fā)變組之間設有斷路器，G3、G4兩臺機機端接有42B廠用變壓器，變壓器高壓側電壓等級為220kV。電站220kV系統(tǒng)接線方式為雙母線帶母聯(lián)（兼做出線旁路）接線，出線2回，均送往遵化變電站，此外，潘家口蓄能電廠還設有2臺小機組，機組容量為500kW。

廠用電分支引自發(fā)電機電壓母線，這樣廠用電源既可以從發(fā)電機取得，也可以自機組停機時由系統(tǒng)倒送取得。由于一、二期的機端電壓等級不同，1號常規(guī)機機端電壓為15.75kV，2～4號蓄能機組機端電壓為13.8kV，因此，41B廠用分支只能接G1機端，42B廠用分支可分別引自G3或G4 機端，此外還有一回廠用分支43B從外用10kV線路引接，41B、42B及43B變壓器低壓側均為400V，采用單母線分段的接線方式，43B分別作為41B或42B的備用。

220kV開關站及廠用電系統(tǒng)由潘水電廠和潘蓄電廠共同管理。一期設備由潘水電廠負責管理，主要包括G1、1B、41B、43B、220kV第1號出線及其相關的附屬設備、排水系統(tǒng)，2臺小機組。二期設備由潘蓄電廠負責管理，主要包括G2、G3、G4、2B、3B、4B、42B、220kV第2號出線及其相關的附屬設備。

2 黑啟動條件和黑啟動電源比較分析

2.1 黑啟動條件

電網(wǎng)全黑后，潘家口蓄能電廠應盡快啟動廠內(nèi)機組向黑啟動方案中的被啟動電源送電，即要盡量趕在豐潤熱電熱啟動最大臨界時間限制前送出功率（豐潤熱電熱啟動最大臨界時間為2h）。

潘家口蓄能電廠機組啟動條件時以下設備均應正常：

（1）相關的220kV進出線、主變壓器、機端及中性點設備。

（2）機組附屬設備，包括勵磁系統(tǒng)、保護系統(tǒng)、技術供水系統(tǒng)、調(diào)速器及其油壓裝置及快速門等。

（3）公用設備，包括空壓機、排水系統(tǒng)。

（4）首臺機啟動時間應控制在40min之內(nèi)，以保證2h內(nèi)將電送至豐潤熱電廠。

2.2 黑啟動電源比較分析

在電網(wǎng)全部停電的情況下，若想首臺機組啟動，其機組啟動必備的設備必須要有相應的電源，同時水電廠由于防洪的需要，還要考慮必要的安全電源。水電廠黑啟動電源通常采用電廠的小機組、柴油發(fā)電機及直流電源3種方式。

潘家口蓄能電廠雖然有小機組，但其管理權為潘水電廠，潘蓄電廠要操作運行小機組存在困難，故本次潘蓄電廠黑啟動不考慮采用小機組作為黑啟動電源。

選擇柴油發(fā)電機作為黑啟動電源，柴油發(fā)電機的容量以能帶動1臺機組頂起油泵（軟啟動）、4臺主變壓器冷卻風扇、1臺滲漏排水泵（直接啟動）及機組啟動運行的小負荷計算，同時還應按以下三種方式檢驗：其一，滿足1臺壓力油罐油泵運行和1臺滲漏排水泵直接啟動。其二，滿足1臺空壓機運行和1臺滲漏排水泵直接啟動。其三，滿足1臺壓力油罐油泵運行、1臺空壓機運行和1臺滲漏排水泵直接啟動。

選擇直流電源作為黑啟動電源需要更換油泵電機、空壓機、排水泵、勵磁風扇、主變壓器冷卻風扇等設備，負荷統(tǒng)計方式與柴油發(fā)電機的負荷容量基本相同，但增加了控制負荷，且油泵電機、空壓機、排水泵及冷卻風扇按隨機負荷計算、考慮首臺機的啟動時間應滿足電網(wǎng)送電要求，黑啟動直流供電時間最長按1h計算。

下面對柴油發(fā)電機和直流電源作為黑啟動電源進行比較：

（1）柴油發(fā)電機作為黑啟動電源。

增加柴油發(fā)電機作為黑啟動電源可以有兩種方案，其一是經(jīng)斷路器和隔離開關直接送電到兩段廠用母線之一；其二是擇地另設黑啟動電源母線盤柜。方案一優(yōu)點是節(jié)省投資，缺點是原廠用母線需要增加進線回路而使系統(tǒng)改造復雜，而且在黑啟動時需要切除大量無關負荷而使黑啟動時間變長。方案二優(yōu)點是對現(xiàn)有系統(tǒng)影響最小不誤生產(chǎn)，黑啟動時只需切除黑啟動電源母線盤柜進線開關并投入柴油發(fā)電機即可；缺點是投資較大占地較多且工程量較大。如果能結合電站廠用系統(tǒng)改造整體設計則可以達到最優(yōu)效果。

作為電網(wǎng)的黑啟動電源，恢復時間和可靠性都有及其重要的意義，按其重要性推薦采用方案二。

柴油發(fā)電機組的負荷采用式（1）計算

式中：SJS——計算負荷，kVA；

ΣP——可能同時運行的應急負荷（包括旋轉(zhuǎn)和靜止的負荷）的額定功率之和，kW；

Ση——應急負荷的計算效率，一般取0.82～0.88 ；

cosφ——計算負荷的功率因數(shù)，可取0.80。可能同時運行的應急負荷見表1。

表1 同時運行的應急負荷Tab.1 Emergency load at the same time of running

階段 1：SJS=150÷0.82÷0.8=228.66kVA

階段 2：SJS=130÷0.82÷0.8=198.17kVA

階段3：SJS=114.99÷0.82÷0.8=175.29kVA

階段 4：SJS=205÷0.82÷0.8=312.5kVA

計算時考慮應急負荷的投運規(guī)律。對于在時間上能錯開運行的應急負荷不應全部計算，可以分階段統(tǒng)計同時運行的應急負荷，分為階段1、階段2、階段3、階段4，取其最大者作為計算負荷。

發(fā)電機容量選擇計算：

發(fā)電機連續(xù)輸出容量應大于最大計算負荷，可采用式（2）

式中：SG1——發(fā)電機的額定容量，kVA。

階段1：取SG1為230kVA。

階段2：取SG1為200kVA。

階段3：取SG1為180kVA。

階段4：取SG1為320kVA。

按帶負荷后仍滿足最大單臺電動機或成組電動機的啟動應校驗發(fā)電機容量，見式（3）

式中：SG2——按最大單臺電動機或成組電動機啟動校驗的發(fā)電機容量，kVA；

Pm——啟動最大單臺電動機或成組電動機的容量，kW；

cosφm——電動機的啟動功率因數(shù)，一般取0.4；

ηdcosφd——電動機額定效率和額定功率因數(shù)的乘積，簡化計算時取0.80；

K——電動機的啟動倍數(shù)；

C——按電動機啟動方式確定的系數(shù)，全壓啟動C=1；

cosφG——發(fā)電機的功率因數(shù)，可取0.80。

階 段 1 ：SG2=[（150-75）÷0.82+75×7×0.4÷0.8]÷0.8=389.09 kVA

階 段 2 ：SG2=[（130-55）÷0.82+75×7×0.4÷0.8]÷0.8=442.45 kVA

階 段 3 ：SG2=[（114.99-75）÷0.82+75×7×0.4÷0.8]÷0.8=411.97 kVA

階 段 4 ：SG2=[（205-75）÷0.82+75×7×0.4÷0.8]÷0.8=526.30 kVA

按空載啟動最大的單臺電動機時母線容許電壓降校驗發(fā)電機容量，可采用式（4）

式中：SG3——按空載啟動單臺最大的電動機時母線容許電壓降校驗的發(fā)電機容量，kVA；

Pn——最大的單臺電動機功率，kW；

X″d——發(fā)電機次暫態(tài)電抗，一般取0.25；

ΔE——廠（站）用電母線允許的瞬時電壓降，一般取0.25（有電梯時取0.2）。

SG3=75×7×0.25/0.8×（1÷0.25-1）=492.19kVA

根據(jù)以上計算潘家口黑啟動用柴油發(fā)電機容量應分別選用500、530kVA。

由于500kVA與530kVA容量相差不多，黑啟動為非正常運行工況，油壓裝置和空壓機可同時操作，避免運行人員因不熟悉操作流程而導致的誤操作，且可節(jié)省2min的黑啟動時間，故選擇530kVA的柴油發(fā)電機。

1）廠用電設備的更改。

按照方案二原廠用母線上需要有較大的備用出線回路，改造增加成本；考慮將三臺機組相應的黑啟動負荷需要改接至黑啟動電源母線盤柜上。

2）電廠現(xiàn)有直流系統(tǒng)容量核算。

一臺機啟動運行負荷統(tǒng)計見表2。

表2 一臺機啟動運行負荷Tab.2 The load with one unit running

蓄電池按單體放電終止電壓1.9V，放電時間按1h計算。

第一階段計算容量根據(jù)公式可得

第二階段計算容量根據(jù)公式可得

式中：F1——第一階段（第1個放電周期）計算出的蓄電池容量；

F2——第二階段（第2個放電周期）計算出的蓄電池容量；

Kk——設計可靠系數(shù)，取 1.4；

I1——一臺機啟動運行負荷在第一階段的放電電流；

I2——一臺機啟動運行負荷在第二階段的放電電流；

Cp1——1min容量換算系數(shù)，查規(guī)范中表可得Cp1取0.86；

Cp21——60min容量換算系數(shù)，查規(guī)范中表可得Cp21取0.424；

Cp22——59min容量換算系數(shù)，查規(guī)范中表可得Cp22取 0.430。

由以上計算結果可以看出F2＞F1。根據(jù)取最大值原則及蓄電池規(guī)格，原蓄電池組為800A·h，滿足需求。

（2）直流電源作為黑啟動電源。

1）采用直流電源作為黑啟動電源，則需要將以下每臺機組的設備由交流電源更換為直流電源。

調(diào)速器油壓裝置：將油壓裝置內(nèi)兩臺55kW電動機的其中一臺更換為直流電機。

勵磁系統(tǒng)：將兩臺370W勵磁風機的其中一臺更換為直流電機。

頂起油泵：將兩臺30kW頂起油泵的其中一臺更換為直流電機。

吸油霧電機：將一臺370W吸油霧電機更換為直流電機。

滑環(huán)冷卻風扇：將兩臺450W滑環(huán)冷卻風扇的其中一臺更換為直流電機。

主變壓器冷卻風扇：將八臺1.1kW主變壓器冷卻風扇的其中四臺更換為直流電機。

此外，以下公用設備還應更換。

空壓機系統(tǒng)（油壓裝置補氣）：將3臺75kW空壓機中的其中一臺更換為直流電機，補氣管路控制用的電磁閥6個及電磁空氣閥4個更換為直流操作。

全廠滲漏排水系統(tǒng)：將2臺75kW排水泵的其中一臺更換為直流電機。

小功率的電磁閥及電磁空氣閥更改較為容易。對于大功率設備，從造價上來說，直流電機價格是同等功率交流電機的3～4倍，且要串接啟動電阻，控制回路復雜，改造后同一系統(tǒng)中既有交流電機又有直流電機，增加了設備正常工況下運行、維護的技術難度和工作量。

2）直流負荷統(tǒng)計見表3。

3）容量計算。

潘家口蓄能電廠為冀北電網(wǎng)首選的黑啟動電源，且在2h內(nèi)將電能送電至豐潤電廠公用側?？紤]首臺機的啟動時間應滿足電網(wǎng)送電要求，黑啟動直流供電時間最長按1h計算。

第一階段計算容量

第二階段以后的計算容量

式中：FS——每個放電周期計算出的蓄電池容量；

S——分析的放電周期；

P——放電時段；

IP——對應每個放電時段的放電電流；

t——每個放電周期時間；

Ct——容量換算系數(shù)（20℃，在t時間段放電至終止電壓的電池放電率）。

第一階段計算容量根據(jù)公式可得

第二階段計算容量根據(jù)公式可得

表3 直流負荷Tab.3 The direct-current load

隨機（沖擊）負荷計算容量根據(jù)公式計算

式中：I3——隨機（沖擊）負荷5s的放電電流；

F3——隨機（沖擊）負荷計算出的蓄電池容量。

隨機（沖擊）負荷計算時間取5s，容量換算系數(shù)查規(guī)范中表可得Cp取 0.87。

階段1：滿足1臺壓油罐油泵等運行和1臺滲漏排水泵直接啟動，其隨機負荷計算容量為

階段2：滿足1臺空壓機等運行和1臺滲漏排水泵直接啟動，其隨機負荷計算容量為

階段3：滿足1臺空壓機、1臺壓油罐油泵等運行和1臺滲漏排水泵直接啟動，其隨機負荷計算容量為

將F3與F2疊加，按階段1疊加為1748.8A·h，按階段2疊加為1853.28A·h，按階段3疊加為2140.64A·h，現(xiàn)有的800A·h電池需要更換，考慮階段2和階段3出線的概率較低，蓄電池可采用1800A·h。且應更換相應的充電裝置，并增加相應的直流開關。

（3）黑啟動電源比選結果。

增加柴油發(fā)電機作為黑啟動電源優(yōu)點是對現(xiàn)有系統(tǒng)影響最小，黑啟動時只需切除黑啟動電源母線盤柜進線開關并投入柴油發(fā)電機即可，且任何一臺抽水蓄能機組均可作為首臺黑啟動機組，運行方式靈活、可靠性高；缺點是占地較多且工程量較大，如果能結合電站廠用系統(tǒng)改造整體設計則可以達到最優(yōu)效果。

采用直流電源作為黑啟動電源需要更換油泵電機、空壓機、排水泵等設備，考慮3臺抽水蓄能機組均可作為首臺黑啟動機組，3臺機組上述設備需要全部更換，投資較大，對現(xiàn)有機組的安全運行有較大影響，若只更換1臺抽水蓄能機組的設備，則只能固定一臺抽水蓄能機組作為首臺黑啟動機組、可靠性降低，且日常運行時油壓系統(tǒng)、空壓機系統(tǒng)、排水系統(tǒng)主備泵采用不同電源的電機，運行維護技術量增加，工作量增大。

綜合比較，采用柴油發(fā)電機作為黑啟動電源是合適的。

3 結束語

（1）電能是國家的基礎能源，已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟、居民生活的方方面面。在電網(wǎng)出現(xiàn)極端事故乃至全網(wǎng)停電的情況下，如果不能快速恢復供電，將會造成極大的社會影響及較大的經(jīng)濟損失。而潘家口蓄能電廠是冀北電網(wǎng)恢復供電的源點，其增設黑啟動功能是非常必要的，相應配套設施的增加也是必不可少的。

（2）潘家口蓄能機組啟動迅速，并網(wǎng)快，運行方式靈活，為冀北電網(wǎng)首選的黑啟動電源，通過綜合比較，適合采用柴油發(fā)電機作為黑啟動機組啟動電源。

[1]葉生，彭煜民.廣州蓄能水電廠黑啟動系統(tǒng)研究與設計.水力發(fā)電，36（10）：53-55.YE Sheng，PENG Yu min.Study and Design on Black-Start System for Guangzhou Pumped-Storage Power Station.Water Power，2010，36（10）：53-55.

[2]周桂江.發(fā)電廠黑啟動的方案探討.科技創(chuàng)新導報，2011（04）：94.ZHOU Guijiang.Discussion on Black Start Scheme of Power Plant.Science and Technology Innovation Herald，2011（04）：94.

[3]孟洪文.電力系統(tǒng)擴展黑啟動方案的研究.科技展望，2015（30）：82.MENG Hongwen.Study on Extended Black Start Scheme for Power System.Science and Technology，2015（30）：82.

[4]吳濤，郭嘉陽，李華偉.華北電網(wǎng)利用十三陵抽水蓄能電廠水電機組進行黑啟動的試驗研究.電網(wǎng)技術，25（3）：57-58.WU Tao，GUO Jiayang，LI Huawei.INVESTIGATION OF BLACK START FOR NORTH CHINA POWER SYSTEM BY SHISANLING HYDROELECTRIC GENERATING SETS.Power System Technology，25（3）：57-58.

[5]張光宇.淺析十三陵蓄能電廠機組黑啟動.水利電力科技，35（3）：26-29.ZHANG Guangyu.Analysis on Black Start-up of Shisanling Pumped storage Power Plant，Water Resources and Electric Power，35（3）：26-29.

[6]孟利平.十三陵抽水蓄能電廠機組黑啟動方式.水利水電技術，2000（4）：30-32.MENG Liping.Black Start Mode of Shisanling Pumped Storage Power Plant，Water Resources and Hydropower Engineering，2000（4）：30-32.

Study on Black-start Power Supply of Panjiakou Pumped Storage Power Plant

LI Jihu，CHEN Zesheng
（State Grid Xin Yuan Company Limited Panjiakou Pumped Storage Power Plant，Tangshan 064309，China）

Firstly，this paper introduces black start and its function，we considered increasing black start function of Panjiakou pumped storage power plant ，Once the power grid in northern Hebei occurs extreme accident and even the whole power network blackout，Panjiakou pumped-storage unit is capable of self-starting rapidly by the black-start power supply and bring others to start up until the whole power network resumes.Diesel generators are more suitable for black-start power through the analysis and comparison of diesel generators and DC power supply.

panjiakou pumped storage power plant； black start； diesel generators ； DC power supply

TV73 文獻標識碼：A 學科代碼：570.2510 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.015

2015-11-14

李吉虎（1978—），本科，工程師，國網(wǎng)新源控股有限公司潘家口蓄能電廠。