基于直流孤島運(yùn)行方式的水電廠 黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)優(yōu)化

舒安穩(wěn)

（云南華電金沙江中游水電開發(fā)有限公司梨園發(fā)電分公司，云南省麗江市 674100）

0 引言

直流孤島運(yùn)行方式是指送端電廠僅與直流系統(tǒng)相連的電力系統(tǒng)運(yùn)行方式［1］。黑啟動(dòng)電源是指電網(wǎng)系統(tǒng)或電廠因故障全部停電時(shí)，通過自啟動(dòng)恢復(fù)電廠機(jī)組發(fā)電及電網(wǎng)供電的電源［2］。隨著云南電網(wǎng)的異步聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行［3］，區(qū)域內(nèi)直流線路及配套電廠的孤島運(yùn)行已成為系統(tǒng)必備的運(yùn)行方式。孤島運(yùn)行時(shí)，受系統(tǒng)穩(wěn)定邊界條件的影響，直流孤島配套運(yùn)行機(jī)組不能停運(yùn)，同時(shí)，電廠還必須做好孤島運(yùn)行時(shí)直流發(fā)生雙極閉鎖的保廠用電準(zhǔn)備，確保所有風(fēng)險(xiǎn)均能得到有效防控［4］。黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)作為水電廠廠用電的最后一道保證，其運(yùn)行的安全、可靠及靈活性直接決定電廠廠用電的保障措施是否可靠，也決定直流孤島的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)是否絕對(duì)可控。因此，研究優(yōu)化基于直流孤島運(yùn)行方式的水電廠黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)，對(duì)新形勢下保證特高壓直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

1 梨園水電廠黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)

梨園水電廠2014年12月投產(chǎn)發(fā)電，裝機(jī)容量為2400MW（4×600MW），電廠配套直流送出系統(tǒng)為南方電網(wǎng)金中直流輸電系統(tǒng)［5］。梨園電廠廠用電源由主網(wǎng)系統(tǒng)倒送電或機(jī)組自發(fā)電為主用，電廠外來廠用電源為備用，黑啟動(dòng)電源（柴油發(fā)電機(jī)）為最后一道防線。電廠投產(chǎn)時(shí)，由于直流送出工程未建成，其黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)僅考慮電廠自身的黑啟動(dòng)，且系統(tǒng)涉及的設(shè)備操作較多，倒閘供電程序十分復(fù)雜，嚴(yán)重影響緊急情況下的電廠黑啟動(dòng)響應(yīng)速度，更不能及時(shí)可靠地為直流系統(tǒng)孤島運(yùn)行保駕護(hù)航。

由圖1可見，梨園電廠原有機(jī)組黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)的接線方式為：廠房柴油發(fā)電機(jī)（#1CF）接至400V保安負(fù)荷，再由400V保安負(fù)荷通過升壓變壓器倒送電至10kV廠用電Ⅰ段和Ⅲ段，然后再通過10kV廠用電分段或聯(lián)絡(luò)運(yùn)行給400V機(jī)組自用電、公用電、照明用電等用電設(shè)備供電。此系統(tǒng)接線方式，廠用電正常運(yùn)行時(shí)，10kV系統(tǒng)向400V保安負(fù)荷系統(tǒng)供電，機(jī)組黑啟動(dòng)時(shí)，需由400V保安負(fù)荷向10kV系統(tǒng)和400V系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備倒送電，且在黑啟動(dòng)操作前，還需臨時(shí)修改相應(yīng)400V、10kV斷路器保護(hù)定值及閉鎖邏輯，工作過程十分煩瑣，各步驟風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)較多，不滿足黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)安全、快速、可靠、靈活的要求。

2 基于孤島運(yùn)行方式的黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)

金中直流送出工程投運(yùn)后，送出系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變化對(duì)配套電廠的設(shè)備及系統(tǒng)提出了新的要求［6］，必須對(duì)電廠黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)做進(jìn)一步研究與優(yōu)化。

2.1 梨園電廠機(jī)組設(shè)備對(duì)廠用電的要求

金中直流投運(yùn)后，要求電廠的開機(jī)并網(wǎng)機(jī)組臺(tái)數(shù)較僅有交流送出時(shí)更多，且對(duì)機(jī)組的可靠性要求也更高，電廠配套直流運(yùn)行的機(jī)組不能停運(yùn)。梨園電廠機(jī)組運(yùn)行時(shí)，需不間斷進(jìn)行供電的設(shè)備有開停機(jī)過程的高壓油頂起裝置、各導(dǎo)軸承及推力軸承冷卻系統(tǒng)、調(diào)速器及筒閥油壓裝置供油系統(tǒng)等，如果這些設(shè)備或系統(tǒng)停運(yùn)，將直接觸發(fā)機(jī)組停機(jī)或造成更大的設(shè)備事故。因此，若電廠正常運(yùn)行的廠用電消失，黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)必須在最短的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)并切換倒送至機(jī)組用電設(shè)備，以確保機(jī)組正常運(yùn)行或安全停機(jī)。

圖1 梨園電廠原黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)示意圖（省略部分400V廠用電圖）Figure 1 Schematic diagram of the original Black start power system of Liyuan Power Plant （omit some 400V plant power map）

2.2 直流孤島運(yùn)行對(duì)配套電廠廠用電的要求

金中直流孤島運(yùn)行時(shí)，要求電廠廠用電與主網(wǎng)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，且正常運(yùn)行時(shí)由電廠外來廠用電源與1號(hào)機(jī)組分廠運(yùn)行的自發(fā)電對(duì)廠用電進(jìn)行分段供電，黑啟動(dòng)電源作為熱備用電源。這就要求孤島運(yùn)行期間，不論是電廠外來廠用電源還是自發(fā)電的機(jī)組停運(yùn)，黑啟動(dòng)電源都必須快速的啟動(dòng)并切換代替停運(yùn)電源［7］，以確保孤島系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

受黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)接線方式的影響，梨園電廠原有黑啟動(dòng)電源無法實(shí)現(xiàn)快速的與電廠外來廠用電源和分廠運(yùn)行的機(jī)組自發(fā)電源進(jìn)行切換，不滿足直流孤島運(yùn)行時(shí)電廠需有穩(wěn)定、可靠、靈活廠用電源的要求，須對(duì)黑啟動(dòng)電源做進(jìn)一步研究優(yōu)化。

2.3 梨園電廠黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)優(yōu)化措施

介于梨園電廠黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)存在的問題，結(jié)合直流孤島運(yùn)行及電廠機(jī)組黑啟動(dòng)實(shí)際需要，梨園電廠對(duì)黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)進(jìn)行了以下研究和優(yōu)化。一是在400V柴油發(fā)電機(jī)出口斷路器后增加一臺(tái)容量匹配的干式升壓變壓器，通過升壓變壓器直接將柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出的電升壓至10kV；二是將升壓變壓器10kV側(cè)通過電纜分別連接至10kV廠用電Ⅴ段（外來廠用電源接入此段）和Ⅰ段（孤島運(yùn)行時(shí)電廠1號(hào)機(jī)組帶此段分廠運(yùn)行）備用斷路器，實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)直接給10kV廠用電供電；三是根據(jù)新的黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)接線方式，重新核算與柴油發(fā)電機(jī)、升壓變壓器及相關(guān)斷路器匹配的保護(hù)定值，配置相應(yīng)保護(hù)裝置；四是設(shè)計(jì)優(yōu)化相關(guān)斷路器的閉鎖邏輯，并將斷路器的位置及控制信號(hào)、相關(guān)電壓電流信號(hào)及保護(hù)動(dòng)作信號(hào)等引入電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，使柴油發(fā)電機(jī)、升壓變壓器、斷路器等全部實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)視及遠(yuǎn)方操作。新的黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)接線方式見圖2。

通過對(duì)電廠黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，不僅完全避免了黑啟動(dòng)操作前的臨時(shí)改接線，實(shí)現(xiàn)了操作流程更加順暢、快捷、簡單，更是徹底解決了直流孤島運(yùn)行時(shí)黑啟動(dòng)電源與其他廠用電源切換復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)高的問題。

2.4 優(yōu)化后的黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)運(yùn)行方式

對(duì)于優(yōu)化后的黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)，在電廠送出直流系統(tǒng)孤島運(yùn)行期間，當(dāng)電廠外來廠用電源發(fā)生故障停運(yùn)時(shí)，可直接遠(yuǎn)程啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)用黑啟動(dòng)電源替代外來廠用電源運(yùn)行，當(dāng)分廠運(yùn)行自發(fā)電的1號(hào)機(jī)組故障停運(yùn)時(shí)，也可以快速直接的用黑啟動(dòng)電源替代分廠運(yùn)行機(jī)組為10kV廠用電Ⅰ段供電；在電廠送出系統(tǒng)處于其他運(yùn)行方式、廠用電正常分段運(yùn)行時(shí)，若外來廠用電源和送出系統(tǒng)故障全停，則可立即啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)用黑啟動(dòng)電源恢復(fù)10kV廠用電Ⅴ段供電，并通過遠(yuǎn)程操作和備自投自動(dòng)切換功能快速恢復(fù)機(jī)組自用電，確保機(jī)組各設(shè)備供電不間斷，機(jī)組運(yùn)行或停機(jī)正常。這樣，真正實(shí)現(xiàn)了電廠黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)安全、可靠、靈活的功能，切實(shí)發(fā)揮了黑啟動(dòng)電源作為電廠廠用電最后一道保障的優(yōu)勢。

2.5 黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)驗(yàn)證及模擬試驗(yàn)

黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)優(yōu)化后，梨園電廠分別進(jìn)行了四臺(tái)機(jī)組黑啟動(dòng)試驗(yàn)和模擬直流孤島運(yùn)行時(shí)的黑啟動(dòng)電源切換試驗(yàn)。并根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行方式安排，成功經(jīng)歷了兩次直流孤島運(yùn)行考驗(yàn)。所有試驗(yàn)及運(yùn)行過程均采用遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制，實(shí)現(xiàn)了一次操作試驗(yàn)成功，且黑啟動(dòng)時(shí)間僅為優(yōu)化前的1/3。黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)的優(yōu)化，無論在系統(tǒng)安全可靠及靈活性方面，還是在減少人力、降低風(fēng)險(xiǎn)等方面，都取得了顯著的成效。

圖2 梨園電廠優(yōu)化后的黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)示意圖（省略400V廠用電圖）Figure 2 Schematic diagram of the Black start power system after optimization of the Liyuan Power Plant （Omit the 400V plant power map）

3 結(jié)束語

黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)是反應(yīng)電廠及電網(wǎng)自恢復(fù)能力的關(guān)鍵系統(tǒng)，也是保證電力正常供應(yīng)的重要系統(tǒng)。隨著網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的發(fā)展，電力系統(tǒng)新技術(shù)的不斷研究及應(yīng)用，對(duì)送端電廠發(fā)電設(shè)備及廠用電的可靠性要求越來越高。黑啟動(dòng)電源系統(tǒng)作為電廠廠用電的重要組成部分，必須適應(yīng)電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的變化，不斷優(yōu)化更新，以更好地為電力系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步保駕護(hù)航。