孤網(wǎng)全過程黑啟動(dòng)探索與實(shí)踐

杜 豐，杜才明，熊 彬，劉 浩，黃永勝

（1.國(guó)網(wǎng)撫州供電公司，江西 撫州 344100；2.中國(guó)水利電力對(duì)外有限公司，北京 101100）

0 引言

電力系統(tǒng)的黑啟動(dòng)，不僅是電站在全廠失電情況下生產(chǎn)自救的必要措施，也是電網(wǎng)大面積事故停電后，有序恢復(fù)供電的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所謂黑啟動(dòng)，是指電力系統(tǒng)事故停電或瓦解后，電站失電處于“黑暗”狀態(tài)下，不依賴其它外來電源，能首先獨(dú)立啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組，向用戶和其它無自啟動(dòng)能力的電廠供電，使其啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，逐步并最終恢復(fù)全電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行方式。

黑啟動(dòng)對(duì)于電力系統(tǒng)的重要性不言而喻。無窮大電力系統(tǒng)全網(wǎng)停電機(jī)會(huì)極少，電站黑啟動(dòng)僅限于站內(nèi)有準(zhǔn)備的功能性試驗(yàn)，止步于恢復(fù)自用電，缺乏從電站到網(wǎng)架重構(gòu)、負(fù)荷恢復(fù)的全過程黑啟動(dòng)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，以及出現(xiàn)各種問題的解決方案。真正全網(wǎng)停電時(shí)，要實(shí)現(xiàn)電站黑啟動(dòng)并向電網(wǎng)安全穩(wěn)定、快速?gòu)?fù)電，實(shí)施過程問題不少，解決處理好非常關(guān)鍵。

近年來中國(guó)在“一帶一路”沿線國(guó)家，主要是發(fā)展中國(guó)家的水電建設(shè)項(xiàng)目較多。其電網(wǎng)規(guī)模小，穩(wěn)定可靠性不高，黑啟動(dòng)操作頻繁，有機(jī)會(huì)讓相關(guān)專業(yè)人員從電站對(duì)高電壓、遠(yuǎn)距離電力網(wǎng)實(shí)施全過程的黑啟動(dòng)，在解決實(shí)際問題中改進(jìn)方案、創(chuàng)新方法和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以更好地服務(wù)于電力建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，為同業(yè)人員和相關(guān)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)單位提供借鑒。

1 站內(nèi)黑啟動(dòng)

黑啟動(dòng)第一步是電源點(diǎn)的啟動(dòng)。水輪發(fā)電機(jī)組與火電、核電機(jī)組相比，具有輔助廠用電設(shè)備簡(jiǎn)單、負(fù)荷較小，機(jī)組啟動(dòng)快速、負(fù)荷變化率高等特點(diǎn)，是電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)電源的首選。

1.1 全黑啟動(dòng)

全黑啟動(dòng)也稱A類黑啟動(dòng)[1]，適用于無應(yīng)急廠用保安小機(jī)組（如柴發(fā)、生態(tài)流量機(jī)組），或有應(yīng)急廠用保安小機(jī)組但仍可選擇全黑啟動(dòng)的電站。常規(guī)水電站，通常失去交流廠用電1～2 h內(nèi)，直流系統(tǒng)蓄電池和調(diào)速器液壓系統(tǒng)儲(chǔ)能得以保持，一般均能完成1個(gè)過程的機(jī)組自啟動(dòng)，對(duì)內(nèi)恢復(fù)機(jī)端廠用電，然后其它機(jī)組按正常方式啟動(dòng)并網(wǎng)發(fā)電。優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)迅速，不用反復(fù)倒換廠用電，不會(huì)帶來廠用電的多次間斷，也節(jié)約柴油能源，應(yīng)作為黑啟動(dòng)的首選方式。缺點(diǎn)是在機(jī)組輔助、公用設(shè)備交流失電告警情況下開機(jī)，需要開機(jī)流程條件許可，并清楚主輔設(shè)備的冷卻、潤(rùn)滑等系統(tǒng)能短時(shí)停電應(yīng)急工作，如勵(lì)磁功率柜在交流冷卻風(fēng)機(jī)停運(yùn)情況下啟動(dòng)運(yùn)行。并有可能需要對(duì)部分交流電動(dòng)閥門，如技術(shù)供水閥先行人工開啟。

1.2 非全黑啟動(dòng)

非全黑啟動(dòng)也稱B類黑啟動(dòng)，先啟動(dòng)保安小機(jī)組接帶廠用電，再啟動(dòng)一臺(tái)機(jī)組恢復(fù)正常廠用電，然后其它機(jī)組按正常方式啟動(dòng)并網(wǎng)發(fā)電。本質(zhì)上機(jī)組這種黑啟動(dòng)，與正常啟動(dòng)并無區(qū)別，算不上真正的黑啟動(dòng)。只是保安小機(jī)組容量較小，一般按一臺(tái)機(jī)組發(fā)電和基本公用廠用負(fù)荷進(jìn)行配置。首臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)成功后，要及時(shí)倒換至機(jī)端自帶廠用電，將柴發(fā)停運(yùn)。啟動(dòng)柴發(fā)的黑啟動(dòng)，一般可作為保證電站黑啟動(dòng)成功的后備手段。因此，要對(duì)柴發(fā)備足油料，并定期啟動(dòng)空載試運(yùn)行，確保其健康工作狀態(tài)。

2 電網(wǎng)黑啟動(dòng)

站內(nèi)黑啟動(dòng)成功，只完成了黑啟動(dòng)的第一步。向電網(wǎng)樞紐變電站、終端用戶安全穩(wěn)定、快速?gòu)?fù)電成功，才是黑啟動(dòng)的關(guān)鍵。筆者在東南亞、非洲水電站建設(shè)與運(yùn)維過程中遇到的主要問題均出現(xiàn)在該階段。黑啟動(dòng)成功率和復(fù)電速度，是用戶、電力主管和調(diào)度部門關(guān)注的重點(diǎn)；復(fù)電安全穩(wěn)定性問題則主要由電站面對(duì)和解決。

幾內(nèi)亞凱樂塔電站（Kaleta）裝機(jī)容量3×92 MVA，鄰近的上游蘇阿皮蒂電站（Souapiti）裝機(jī)容量4×132.4 MVA，發(fā)變組單元接線，主變高壓側(cè)并網(wǎng)。主要負(fù)荷通過225 kV同塔雙回114.5 km主干線路，送電到首都科納克里的瑪尼亞變電站（Maneah），導(dǎo)線型號(hào)JLHA2-315。兩電站距225 kV主干線首端凱樂塔中心變電站分別為1.5 km和8.8 km。末端瑪尼亞站3臺(tái)主變，型號(hào)SFSZ11-150000/220，為有載調(diào)壓，容量3×150 MVA，中低側(cè)電壓為110/20 kV。兩變電站未配置補(bǔ)償電抗器。目前運(yùn)行主電網(wǎng)接線如圖1所示。

圖1 幾內(nèi)亞電力系統(tǒng)主網(wǎng)地理接線圖

3 電網(wǎng)黑啟動(dòng)主要問題

水電站通常遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，通過高電壓、長(zhǎng)距離輸電線路向負(fù)荷中心樞紐變電站供電。電站升壓主變?yōu)闊o載調(diào)壓，分接頭處于較高電壓位置。電站黑啟動(dòng)建立電壓后，若按全電壓、逐級(jí)向線路和變電站合閘的正常操作方式送電，將出現(xiàn)末端過電壓、機(jī)組自激磁、參數(shù)諧振、和應(yīng)涌流等一系列嚴(yán)重安全穩(wěn)定問題。

3.1 線路電容效應(yīng)

110 kV及以上長(zhǎng)距離電力線路的空載合閘送電，將出現(xiàn)明顯的電容效應(yīng)，導(dǎo)致線路末端電壓升高和機(jī)組無功深度進(jìn)相。凱樂塔和蘇阿皮蒂電站主變高壓側(cè)額定電壓235 kV，正常運(yùn)行分接頭位置為Ⅱ檔，空載額定電壓240.875 kV。正常負(fù)載運(yùn)行由于主變和線路的電壓降損失，電站母線電壓約230 kV，瑪尼亞站側(cè)電壓隨負(fù)荷變化約為200～220 kV，偏低，需通過有載調(diào)壓提升110/20 kV側(cè)電壓，必要時(shí)投入20 kV側(cè)補(bǔ)償電容提高功率因數(shù)。

黑啟動(dòng)時(shí)情況相反，由于空載線路電容效應(yīng)，電站通過主變對(duì)線路空載合閘送電時(shí)，對(duì)側(cè)瑪尼站進(jìn)線電壓將升高約19 kV，達(dá)到240.875+19≈260 kV，超過許可極限電壓1.1×225 kV=247.5 kV。因此，機(jī)組不能按正常起勵(lì)方式直接建壓至額定。為了提高復(fù)電速度，不采用零升方式，可利用勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置試驗(yàn)程序的0.8 p.u.軟按鍵，首先一步建壓至0.8 p.u.，再手動(dòng)增加至0.9 p.u.，為0.9×240.875 kV≈216.8 kV[2]。此時(shí)合閘充電，對(duì)側(cè)電壓約236 kV，線路兩側(cè)電壓均在可接受范圍。

3.2 發(fā)電機(jī)自激磁

發(fā)電機(jī)按0.9 p.u.電壓向空載線路合閘充電，盡管線路首尾電壓未超限，但由于線路電容充電功率突變，容易導(dǎo)致發(fā)電機(jī)自激磁，使發(fā)變組電壓失控、劇烈震動(dòng)，并出現(xiàn)深度無功進(jìn)相。

由于高壓線路的電容充電功率QC=ωCU2，無功進(jìn)相深度與線路長(zhǎng)度、電壓平方成正比。225 kV線路充電功率約14 MVar/100 km，本工程在0.9 p.u.機(jī)端電壓向線路充電，雙回線路約30 MVar，均在兩個(gè)電站任一發(fā)電機(jī)的可承受范圍。

自激磁本質(zhì)上是發(fā)變組電感與線路電容在特定電網(wǎng)參數(shù)、頻率下，出現(xiàn)的鐵磁諧振，能持續(xù)保持而不衰減，使發(fā)變組劇烈震動(dòng)，且電壓不能通過增減勵(lì)磁進(jìn)行調(diào)整而超限，直至繼電保護(hù)動(dòng)作[3]，或人工干預(yù)跳閘，導(dǎo)致黑啟動(dòng)組網(wǎng)失敗。自激磁不是每次都能碰上，但發(fā)生概率很高，約70%以上；即使不出現(xiàn)，合閘沖擊電流、操作過電壓也很大，對(duì)發(fā)變組及電網(wǎng)設(shè)備構(gòu)成安全風(fēng)險(xiǎn)。

盡快消除或削弱自激磁諧振的有效方法是投入感性負(fù)載、改變電網(wǎng)參數(shù)，使諧振條件變化。如做好事故預(yù)想，迅速合上負(fù)載變、中低壓配電線路；或帶小部分負(fù)荷合閘；雙回線路臨時(shí)斷開一回等。

3.3 和應(yīng)涌流

東南亞、非洲地區(qū)110/220 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式較特殊，因電網(wǎng)規(guī)模小，并列運(yùn)行主變的中性點(diǎn)均為全接地，而不是一個(gè)站只有一臺(tái)接地。黑啟動(dòng)組網(wǎng)時(shí)，電站側(cè)運(yùn)行主變中性點(diǎn)應(yīng)投入，高壓線路充電后，對(duì)變電站主變空載合閘時(shí)，中性點(diǎn)也應(yīng)投入，并產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。由于勵(lì)磁涌流存在很大的直流分量和大量的非周期分量，流經(jīng)并列運(yùn)行的電源側(cè)主變勵(lì)磁電抗，使鐵芯趨于飽和，產(chǎn)生相應(yīng)的浪涌電流，即和應(yīng)涌流。

勵(lì)磁涌流與和應(yīng)涌流分別出現(xiàn)在變電站合閘主變與電站運(yùn)行主變上，其峰值交替出現(xiàn)，類似L-C并聯(lián)諧振。當(dāng)合閘主變?nèi)萘俊⒂苛鬏^大時(shí)，振蕩程度相當(dāng)嚴(yán)重，引發(fā)電源側(cè)發(fā)變組強(qiáng)烈震動(dòng)，甚至?xí)鸢l(fā)電機(jī)失磁、主變零序保護(hù)誤動(dòng)，導(dǎo)致黑啟動(dòng)組網(wǎng)失敗。

消除和應(yīng)涌流的方法是當(dāng)變電站主變合閘時(shí)，將電站運(yùn)行主變中性點(diǎn)接地暫時(shí)斷開。該方法應(yīng)經(jīng)調(diào)度同意，并注意操作過電壓對(duì)不接地變的風(fēng)險(xiǎn)，確保中性點(diǎn)間隙保護(hù)投入。也可在變電站側(cè)大型主變合閘前，電站側(cè)盡可能多地并列上幾臺(tái)發(fā)變組，分散和應(yīng)涌流對(duì)電站主變的影響。

4 電網(wǎng)軟充電黑啟動(dòng)

如前所述，電網(wǎng)黑啟動(dòng)組網(wǎng)過程，發(fā)電站對(duì)長(zhǎng)距離高壓線路、大容量主變分步全電壓沖擊合閘送電時(shí)，將出現(xiàn)一系列的不安全現(xiàn)象，對(duì)電站和電網(wǎng)設(shè)備構(gòu)成故障隱患，或直接導(dǎo)致黑啟動(dòng)不成功。

為了從根本上消除以上各種不利因素，并減少電網(wǎng)黑啟動(dòng)操作程序、提高系統(tǒng)復(fù)電速度，需要改變常規(guī)復(fù)電程序。歷經(jīng)實(shí)踐探索和不斷改進(jìn)，黑啟動(dòng)初期，首個(gè)電站以“軟充電”方式向電網(wǎng)合閘送電，是行之有效，最安全、穩(wěn)定、快捷的黑啟動(dòng)方式。通過幾個(gè)境外電力系統(tǒng)和數(shù)年的運(yùn)行實(shí)踐，取得了顯著的效果。

4.1 發(fā)電機(jī)帶225 kV全系統(tǒng)整體起勵(lì)建壓

電網(wǎng)事故停電后，首先完成電站內(nèi)黑啟動(dòng)，恢復(fù)正常廠用電。然后啟動(dòng)一臺(tái)機(jī)至空轉(zhuǎn)態(tài)，無壓合上發(fā)變組并網(wǎng)開關(guān)，帶225 kV全系統(tǒng)（無窮大系統(tǒng)可預(yù)先試驗(yàn)確定送電范圍），包括升壓站和各變電站225 kV母線、雙回線路、受端主變（可同時(shí)帶2～3臺(tái)150 MVA主變），再?gòu)膭?lì)磁屏上按0.8 p.u.起勵(lì)試驗(yàn)按鈕，帶225 kV全系統(tǒng)設(shè)備軟充電建壓。

軟充電起勵(lì)建壓過程約6 s時(shí)間，非常安靜、穩(wěn)定。然后調(diào)整系統(tǒng)電壓至合適水平，投入各變電站自用電、分步合110/20 kV負(fù)荷開關(guān)，陸續(xù)接帶負(fù)荷。待機(jī)端電壓達(dá)額定值后，勵(lì)磁調(diào)節(jié)切遠(yuǎn)方自動(dòng)位。調(diào)速器可一直在自動(dòng)位。

4.2 軟充電優(yōu)點(diǎn)

1）完全避免發(fā)電機(jī)自激磁諧振與主變和應(yīng)涌流。黑啟動(dòng)初期盡管電站發(fā)變組容量參數(shù)小，但電網(wǎng)軟充電建壓過程長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒，完全避免了全電壓沖擊合閘時(shí)，因線路電容電流、主變勵(lì)磁涌流躍變對(duì)電站發(fā)變組的沖擊和耦合。

2）大幅削減線路電容效應(yīng)。軟充電可一臺(tái)機(jī)帶多條225 kV線路和數(shù)倍于機(jī)組容量的受端主變同時(shí)進(jìn)行。由于主變電抗消耗無功，起到了高壓電抗器補(bǔ)償線路充電功率的作用。如本案例，線路末端電壓上升從19 kV減小到2～3 kV，并減少機(jī)組無功進(jìn)相。

3）提高復(fù)電速度。電網(wǎng)因局部故障停電后，225 kV主干線開關(guān)一般仍在合位，不需要像全電壓逐級(jí)送電那樣，先全部斷開，再逐一合上，大幅減少?gòu)?fù)電操作項(xiàng)目、操作步驟。復(fù)電速度是電網(wǎng)事故后用戶體驗(yàn)度好壞的重點(diǎn)。

4）提高黑啟動(dòng)成功率。由于軟充電無沖擊、諧振，非常安全穩(wěn)定，使黑啟動(dòng)成功率從原先的約30%，提高到幾乎100%。另外，常規(guī)復(fù)電操作，高壓開關(guān)頻繁動(dòng)作容易出現(xiàn)儲(chǔ)能、傳動(dòng)機(jī)械等故障而拒動(dòng)，導(dǎo)致復(fù)電中斷、電網(wǎng)黑啟動(dòng)失敗。減少開關(guān)設(shè)備操作項(xiàng)，也減少了人為誤操作因素。

4.3 注意事項(xiàng)

1）應(yīng)先啟動(dòng)機(jī)組至空轉(zhuǎn)態(tài)，再無壓合發(fā)變組并網(wǎng)開關(guān)，否則調(diào)速器接收到并網(wǎng)態(tài)，一般默認(rèn)不能啟機(jī)。

2）有些勵(lì)磁調(diào)節(jié)器可能并網(wǎng)態(tài)下不能起勵(lì)，啟勵(lì)前應(yīng)先臨時(shí)斷開并網(wǎng)令。斷開并網(wǎng)令，可以采取對(duì)PLC開入測(cè)點(diǎn)置位、臨時(shí)甩線，或斷開回路預(yù)先加裝的小開關(guān)等措施。

3）發(fā)電機(jī)起勵(lì)建壓過程，既可以手動(dòng)進(jìn)行，也可以由勵(lì)磁裝置自動(dòng)完成。自動(dòng)完成時(shí)可視主變分接頭位置、線路末端電壓計(jì)算情況，目標(biāo)電壓設(shè)定為0.9～1.0 p.u.，系統(tǒng)穩(wěn)定后調(diào)壓至額定。

4）軟充電與全電壓硬充電一樣，除225 kV系統(tǒng)線路和設(shè)備外，不應(yīng)帶負(fù)載一并進(jìn)行，以避免發(fā)電機(jī)頻率大幅波動(dòng)，或敏感負(fù)載因電壓、頻率短暫異常出現(xiàn)問題。

5 負(fù)荷恢復(fù)

全過程黑啟動(dòng)的最后一環(huán)是負(fù)荷恢復(fù)。軟充電黑啟動(dòng)時(shí)，機(jī)組起勵(lì)目標(biāo)電壓可直接設(shè)定為0.9～1.0 p.u.，因此電網(wǎng)首尾兩側(cè)可同時(shí)分批接入負(fù)載。孤網(wǎng)條件下負(fù)載由配電網(wǎng)逐條投入配電線路來實(shí)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)只能被動(dòng)接受、增加出力。根據(jù)調(diào)速、勵(lì)磁相關(guān)技術(shù)要求，配電網(wǎng)單次投入的沖擊負(fù)載不應(yīng)超過機(jī)組容量的8%，否則會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)頻率、電壓大幅波動(dòng)。負(fù)荷逐步接入后，跟蹤調(diào)整系統(tǒng)頻率和電壓在合格水平。

6 結(jié)語

通過境外多個(gè)電站的實(shí)踐檢驗(yàn)和不斷完善，電站黑啟動(dòng)與電網(wǎng)恢復(fù)的理論方法、實(shí)踐運(yùn)用日臻成熟。蘇阿皮蒂電站后期據(jù)此在計(jì)算機(jī)監(jiān)控、勵(lì)磁系統(tǒng)增加一鍵式黑啟動(dòng)軟充電程序，進(jìn)一步提高了黑啟動(dòng)自動(dòng)化水平、復(fù)電速度和安全穩(wěn)定性。