緬甸薄弱電網(wǎng)背景下燃機(jī)項(xiàng)目黑啟動(dòng)電源配置方案分析

張奮來(lái)

（中國(guó)電建集團(tuán)海外投資有限公司，北京）

1 電廠概況

緬甸皎漂燃?xì)怆娬疚挥诰挼槲鞑康娜糸_邦，皎漂是緬甸與中國(guó)及其他鄰國(guó)的物流中轉(zhuǎn)站，其位置具有非常重要的戰(zhàn)略意義。皎漂地區(qū)電力嚴(yán)重不足，交通、通訊等基礎(chǔ)設(shè)施不盡完善，緬甸皎漂燃?xì)怆娬就哆\(yùn)后將成為皎漂地區(qū)一個(gè)永久電源點(diǎn)，可大大提高該地區(qū)供電的可靠性及安全性。

緬甸皎漂燃?xì)怆娬驹谙到y(tǒng)中的定位為基荷電廠，建設(shè)規(guī)模為額定出力約137.58 MW 的“二拖一”燃?xì)? 蒸汽多軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，配置2 臺(tái)燃機(jī)+2 臺(tái)燃機(jī)發(fā)電機(jī)+2 臺(tái)余熱鍋爐+ 1 臺(tái)純凝式汽輪發(fā)電機(jī)組，多軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，電廠生產(chǎn)用水采用海水，生活用水采用地下水。

2 黑啟動(dòng)必要性

隨著電力系統(tǒng)相關(guān)理論和技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)得到了空前迅速的發(fā)展，世界各國(guó)相繼出現(xiàn)了許多跨地區(qū)甚至跨國(guó)的大電網(wǎng)和超級(jí)大電網(wǎng)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨合理，且日益強(qiáng)大。但經(jīng)過幾十年的運(yùn)行表明，凡事都有兩面性，隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的加強(qiáng)，其防范和抵御事故的能力雖然提高了，但是一旦發(fā)生大面積停電和電網(wǎng)全網(wǎng)停電后，因電網(wǎng)的復(fù)雜性和龐大性，也使得電網(wǎng)的恢復(fù)過程變得空前的復(fù)雜。

從20 世紀(jì)60 年代開始，一些國(guó)際著名的大電網(wǎng)就相繼出現(xiàn)了大停電事故，這些事故給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和電力系統(tǒng)本身都帶來(lái)了空前的損失，為此如何使電網(wǎng)盡快恢復(fù)供電，以減少停電帶來(lái)的損失，就成了各大電網(wǎng)所面臨的問題之一。紐約、東京、中國(guó)臺(tái)灣等大停電事故的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)表明，為在電網(wǎng)大面積停電或全部停電后能快速而有序地恢復(fù)，事先必須制定有關(guān)方案，即“黑啟動(dòng)”方案，以最大限度地加快恢復(fù)速度，從而最大限度地減少因停電而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

緬甸電網(wǎng)由國(guó)家互聯(lián)電網(wǎng)和偏遠(yuǎn)地區(qū)的孤立電網(wǎng)組成，主要包含有230 kV、132 kV、66 kV、33 kV 四種電壓等級(jí)，圍繞中部的仰光- 曼德勒負(fù)荷中心向周邊延伸，覆蓋了中部的多數(shù)省份。仰光、曼德勒和內(nèi)比都三個(gè)城市占總用電負(fù)荷的61%，其余39%為其他城市和鄉(xiāng)村用電。緬甸電網(wǎng)技術(shù)裝備落后，電網(wǎng)保護(hù)、控制及通信設(shè)備整體陳舊，自動(dòng)控制和繼電保護(hù)功能欠缺，不能對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控和保護(hù)。

根據(jù)緬甸電力部分相關(guān)要求，結(jié)合緬甸國(guó)內(nèi)電網(wǎng)實(shí)際情況，本工程需要設(shè)置黑啟動(dòng)電源。黑啟動(dòng)是指整個(gè)電力系統(tǒng)因故障停運(yùn)后，不依靠外部系統(tǒng)的幫助，通過系統(tǒng)中具有啟動(dòng)能力機(jī)組的啟動(dòng)，帶動(dòng)其它無(wú)自啟動(dòng)能力的機(jī)組，逐步擴(kuò)大系統(tǒng)的恢復(fù)范圍，最終恢復(fù)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

本項(xiàng)目電氣主接線方案如下：2 臺(tái)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組采用發(fā)電機(jī)- 變壓器組單元接線，經(jīng)主變升壓至230 kV，采用電纜接入廠內(nèi)230 kV配電裝置；1 臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)主變升壓至230 kV，采用電纜接入廠內(nèi)230 kV 配電裝置，230 kV 配電裝置采用戶內(nèi)GIS 方案。2 臺(tái)燃機(jī)發(fā)電機(jī)出口均設(shè)置發(fā)電機(jī)出口斷路器，汽機(jī)發(fā)電機(jī)出口不設(shè)置發(fā)電機(jī)出口斷路器。全廠電氣主接線原理見圖1。

圖1 全廠電氣主接線原理

每臺(tái)機(jī)組的燃機(jī)起動(dòng)器電源從該機(jī)組6 kV 廠用電工作段引接。燃機(jī)正常啟動(dòng)時(shí)，通過230 kV系統(tǒng)倒送電至6 kV工作段。燃機(jī)啟動(dòng)電機(jī)接線見圖2。

圖2 燃機(jī)啟動(dòng)電機(jī)接線

3 黑啟動(dòng)要求

緬甸皎漂燃?xì)怆娬静捎梦鏖T子公司SGT-800 燃?xì)廨啓C(jī)作為主機(jī)，設(shè)有旁路煙囪，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單循環(huán)或者聯(lián)合循環(huán)兩種運(yùn)行模式。

3.1 主機(jī)啟動(dòng)對(duì)黑啟動(dòng)的要求

由于緬甸皎漂燃?xì)怆娬救紮C(jī)可在簡(jiǎn)單循環(huán)模式下運(yùn)行即燃機(jī)在不帶余熱鍋爐與汽機(jī)，工況下單獨(dú)運(yùn)行，且燃機(jī)出口設(shè)有高壓廠用變壓器，在燃機(jī)啟動(dòng)后，6 kV 工作段已經(jīng)正常供電，全廠負(fù)荷均可以正常啟動(dòng)，黑啟動(dòng)電源已經(jīng)切出，故黑啟動(dòng)電源僅需滿足燃機(jī)啟動(dòng)時(shí)所需的工藝電負(fù)荷和控制電負(fù)荷要求。

3.2 輔助設(shè)備對(duì)黑啟動(dòng)的要求

由于工作在簡(jiǎn)單循環(huán)模式下，除燃機(jī)啟動(dòng)電機(jī)與燃機(jī)MCC 低壓?jiǎn)?dòng)負(fù)荷外，廠區(qū)輔助設(shè)備需要參與黑啟動(dòng)有閉式循環(huán)冷卻水泵、循環(huán)水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、天然級(jí)調(diào)壓站負(fù)荷、必要的熱控設(shè)備、二次保護(hù)設(shè)備與照明負(fù)荷等。燃機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩、速度與消耗功率曲線見圖3。

圖3 燃機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩、速度與消耗功率曲線

3.3 母線供電對(duì)黑啟動(dòng)的要求

燃?xì)廨啓C(jī)在黑啟動(dòng)柴油機(jī)的供電下啟動(dòng)并到全速空載時(shí)，由于母線側(cè)依然沒電所以不能進(jìn)行正常同期操作。在此時(shí)就需要母線合閘給主變送電并恢復(fù)廠用電，從而逐步替換下黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)。由于主變低壓側(cè)阻抗小，而且在初充時(shí)由于電磁還未建立，所以會(huì)導(dǎo)致巨大的沖擊電流而導(dǎo)致電氣保護(hù)動(dòng)作引起黑啟動(dòng)失敗。在合發(fā)電機(jī)出口開關(guān)時(shí)去掉發(fā)電機(jī)勵(lì)磁使之不帶電壓或只帶剩余電壓合閘，合閘成功后再緩慢建立發(fā)電機(jī)電壓及主變電壓至額定值。母線合閘前運(yùn)行人員要確保母線為不帶電狀態(tài)，并且接地刀和隔離刀在正確位置。建議接地刀和隔離刀的位置信號(hào)接入DCS 后送至燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)作為允許“母線合閘”的閉鎖信號(hào)[2]。一旦選擇母線合閘模式，勵(lì)磁就處于關(guān)斷狀態(tài)，這時(shí)候發(fā)電機(jī)電壓會(huì)逐漸下降，其速率和發(fā)電機(jī)時(shí)間常數(shù)相關(guān)。當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓降至10%并維持5s 時(shí)，控制盤給出報(bào)警“機(jī)組準(zhǔn)備母線合閘”，這時(shí)候運(yùn)行員在操作臺(tái)站人機(jī)界面（HMI）上按下“合閘”按鈕，合閘并逐漸升壓。如果在去磁28s內(nèi)發(fā)電機(jī)電壓未降至10%，該次母線合閘將自動(dòng)取消。

4 燃機(jī)黑啟動(dòng)電源配置

4.1 黑啟動(dòng)電源

本工程裝設(shè)發(fā)電機(jī)出口斷路器，每臺(tái)燃機(jī)設(shè)1 臺(tái)高壓廠用工作變壓器，采用6.3 MVA 的雙卷變壓器。由于設(shè)置發(fā)電機(jī)出口斷路器,燃機(jī)啟動(dòng)電源由系統(tǒng)直接引接，高壓廠用變壓器采用有載調(diào)壓方式，廠用變壓器的電壓為11±8×1.25%/6.3 kV，變壓器電源由發(fā)電機(jī)出口斷路器外側(cè)引接。每臺(tái)機(jī)組設(shè)1 段6 kV工作母線，向本單元燃機(jī)及汽機(jī)機(jī)組廠用負(fù)荷供電，6 kV工作母線電源從高廠變低壓側(cè)引接。不設(shè)啟備變。

2 臺(tái)高壓廠用變壓器均可帶全廠正常運(yùn)行負(fù)荷，不設(shè)置啟動(dòng)備用變壓器。當(dāng)機(jī)組正常起動(dòng)時(shí)，燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)電源是經(jīng)過主變壓器倒送電至高壓廠用工作變壓器獲得。

本工程黑啟動(dòng)電源全廠設(shè)置一組，擬分別接至2 臺(tái)機(jī)組6 kV 工作母線，可以滿足任一機(jī)組啟動(dòng)時(shí)電源要求，黑啟動(dòng)電源容量滿足機(jī)組啟動(dòng)負(fù)荷要求。

根據(jù)DL/T5174-2016《燃?xì)? 蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠設(shè)計(jì)規(guī)定》要求，發(fā)電容量小于200 MW 的非調(diào)峰機(jī)組應(yīng)根據(jù)制造廠要求，決定是否設(shè)置交流保安電源。根據(jù)本工程各主機(jī)廠家要求，僅燃機(jī)輪機(jī)啟動(dòng)電機(jī)（6 kV 供電）在機(jī)組停機(jī)時(shí)需要滿足盤車要求，燃機(jī)輪機(jī)低壓段重要負(fù)荷已經(jīng)設(shè)置UPS 電源，其他負(fù)荷無(wú)保安電源要求。由于本工程已經(jīng)設(shè)置高壓黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，在滿足黑啟動(dòng)同時(shí)兼具保安電源能力，故本工程不再設(shè)置低壓保安柴油發(fā)電機(jī)與低壓保安段。

4.2 黑啟動(dòng)電源形式選擇

黑啟動(dòng)電源可以采用柴油發(fā)電機(jī)組和電池儲(chǔ)能裝置。下面對(duì)兩種形式的黑啟動(dòng)電源進(jìn)行比較分析。

4.2.1 電池儲(chǔ)能裝置的供電及監(jiān)控系統(tǒng)要求 （1） 控制系統(tǒng)的供電要求。并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)應(yīng)采用并網(wǎng)逆變器直接從逆變器直流側(cè)和交流側(cè)同時(shí)取電的雙路冗余供電方式。（2） 控制系統(tǒng)的基本要求。并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)應(yīng)采用高性能DSP 冗余備份的全數(shù)字化控制結(jié)構(gòu)以確?？刂葡到y(tǒng)損壞后，逆變器可以安全停機(jī)；反饋環(huán)節(jié)應(yīng)采用低溫漂、高精度、寬溫度范圍的高品質(zhì)傳感器（傳感器的帶寬和實(shí)際檢測(cè)精度必須滿足控制要求）；模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)應(yīng)采用高精度的高速AD/DA（如有）；控制系統(tǒng)和為其供電的多路冗余輔助電源應(yīng)滿足25 年使用壽命的要求[3]?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)能穩(wěn)定、快速的實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤和輸出波形質(zhì)量控制，以確保并網(wǎng)逆變器獲得最大的功率輸入并輸出預(yù)期的正序正弦波電流。（3） 通信。并網(wǎng)逆變器應(yīng)提供標(biāo)準(zhǔn)的隔離型RS485標(biāo)準(zhǔn)通信接口或PLC 電力載波接口，并網(wǎng)逆變器應(yīng)能與光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集器通過基于RS485 通信接口的Modbus RTU 協(xié)議或PLC 電力載波進(jìn)行通信。（4） 投標(biāo)并網(wǎng)逆變器應(yīng)具有自動(dòng)與電網(wǎng)側(cè)同步的功能。并網(wǎng)逆變器應(yīng)能根據(jù)日出及日落的日照條件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開機(jī)和關(guān)機(jī)。并網(wǎng)逆變器啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)確保光伏發(fā)電站輸出的有功功率變化率不超過所設(shè)定的最大功率變化率。

4.2.2 柴油發(fā)電機(jī)組的供電及監(jiān)控系統(tǒng)要求（1） DCS控制，直流和UPS 對(duì)DCS 單獨(dú)供電。（2） DCS 的基本要求見廠內(nèi)DCS 的詳細(xì)描述。（3） 不需要單獨(dú)通訊。（4） 不需要額外增加并網(wǎng)設(shè)備,可以有簡(jiǎn)單同期裝置。

4.2.3 配置優(yōu)缺點(diǎn)分析 柴油發(fā)電機(jī)組相較于電池儲(chǔ)能裝置的優(yōu)點(diǎn)是：（1） 外集裝箱布置，占地面積小。（2）輸出容量大。（3） 作為黑啟動(dòng)電源時(shí),反應(yīng)動(dòng)作時(shí)間快。（4） 電能質(zhì)量較好控制。（5） 使用壽命長(zhǎng)。

4.2.4 小結(jié) 根據(jù)上述論述，本工程采用柴油發(fā)電機(jī)組作為黑啟動(dòng)電源。黑啟動(dòng)柴油機(jī)作為黑啟動(dòng)動(dòng)作時(shí)的電源供應(yīng)者，應(yīng)具有快速的啟動(dòng)性、高度的可靠性、電力供應(yīng)的穩(wěn)定性以及功率的匹配性。

目前黑啟動(dòng)柴油機(jī)有二沖程、四沖程。其中二沖程柴油機(jī)多為單機(jī)功率為4 000 kW 以上的大型柴油機(jī)，四沖程多為單機(jī)功率較小的箱式快裝柴油機(jī)?？紤]本項(xiàng)目在啟動(dòng)階段，負(fù)荷逐漸變化，采用多臺(tái)小功率柴油機(jī)更能符合啟動(dòng)負(fù)荷變化的需要，且更容易啟動(dòng)，比如采用壓縮空氣啟動(dòng)。而采用大功率柴油機(jī)可能會(huì)使機(jī)組在啟動(dòng)階段更長(zhǎng)時(shí)間工作在低負(fù)荷區(qū)域，且啟動(dòng)相對(duì)困難。因此本項(xiàng)目推薦采用四沖程小功率的柴油發(fā)電機(jī)組。

黑啟動(dòng)柴油機(jī)應(yīng)具有多機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的良好性能，以滿足負(fù)荷在峰、谷變化時(shí)的自動(dòng)投入與退出，并保證電壓、頻率的波動(dòng)在國(guó)家技術(shù)規(guī)定之內(nèi)，也為啟動(dòng)設(shè)備的安全性提供保證。

4.3 黑啟動(dòng)負(fù)荷計(jì)算

黑啟動(dòng)柴油機(jī)出口電源選用6.3 kV，根據(jù)黑啟動(dòng)方案，容量計(jì)算見表1。

表1 容量計(jì)算

∑P1=2 955 kW

黑啟動(dòng)的計(jì)算負(fù)荷為：

Sc=K∑P1=0.95×2 955=2 808 kVA

Pc=Sc×cosφc= 2 808×0.86=2 415 kW

式中：Sc- 黑啟動(dòng)計(jì)算負(fù)荷(kVA)；∑P1- 同時(shí)運(yùn)行的最大功率；K- 換算系數(shù)，取0.95；Pc- 有功功率(KW)；cosφc - 功率因數(shù)，取0.86。

按最大電機(jī)啟動(dòng)1 臺(tái)最大電機(jī)短時(shí)過載容量校驗(yàn)：

式中：Sc- 黑啟動(dòng)計(jì)算負(fù)荷(kVA)；PDm- 最大電機(jī)功率，取燃機(jī)啟動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)功率900 kW；Kq- 最大電機(jī)啟動(dòng)電流倍數(shù)，由于燃機(jī)啟動(dòng)電機(jī)為變頻啟動(dòng)，取2.5；KOL-柴油發(fā)電機(jī)短時(shí)過負(fù)荷系數(shù)，取1.5。

計(jì)算得到Se=2 931 kVA, Pc=Sc×cosφ= 2 931×0.8=2 345 kW

根據(jù)燃機(jī)黑啟動(dòng)負(fù)荷計(jì)算，本工程推薦黑啟動(dòng)柴油機(jī)總?cè)萘繛? 000 kW。黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)選擇集裝箱式四沖程柴油發(fā)電機(jī)組，容量為1 500 kW，功率因數(shù)0.8，共2 臺(tái)。柴油機(jī)廠家成套提供高壓開關(guān)柜及柴油機(jī)控制系統(tǒng)。

5 結(jié)論

根據(jù)緬甸電力部要求，機(jī)組應(yīng)具備黑啟動(dòng)能力。本研究通過對(duì)黑啟動(dòng)電源形式分析，以及機(jī)組啟動(dòng)電負(fù)荷計(jì)算基礎(chǔ)上，合理選擇了2 臺(tái)1 500 kW的集裝箱式四沖程黑啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組。黑啟動(dòng)柴油機(jī)應(yīng)具有多機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的良好性能，能保證電壓、頻率的波動(dòng)在規(guī)定范圍之內(nèi)，滿足燃機(jī)黑啟動(dòng)設(shè)備的安全性要求。