小浪底水利樞紐工程黑啟動電源孤網(wǎng)運(yùn)行探索與實(shí)踐

郭偉震，潘方正，潘淑改，秦冠超，劉英浩，宋珂豪，王 哲

(1.黃河水利水電開發(fā)集團(tuán)有限公司，河南 濟(jì)源 454681；2.黃河小浪底水資源投資有限公司，河南 濟(jì)源 454681)

0 引 言

電力系統(tǒng)黑啟動是指電力系統(tǒng)事故停電或瓦解后，電站失電處于“黑暗”狀態(tài)下，不依賴其他外來電源，能夠獨(dú)立啟動發(fā)電機(jī)組，向用戶和其他無自啟動能力的電廠供電，使其啟動發(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。如何快速黑啟動并安全穩(wěn)定向電網(wǎng)供電，解決處理好其過程中的問題非常關(guān)鍵。

1 工程概況

小浪底水利樞紐工程是河南省電網(wǎng)“黑啟動”電源點(diǎn)，承擔(dān)著調(diào)峰、基荷、事故備用作用，安裝有6臺單機(jī)容量30 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，位于河南省洛陽市以北40 km的黃河干流上；上距三門峽水利樞紐130 km，下距黃河京廣鐵路橋115 km。壩址控制流域面積占全河的92.3%，壩址徑流量和輸沙量分別占全河總量的91%和近100%。

為滿足小浪底水利樞紐安全運(yùn)行和河南電網(wǎng)“黑啟動”需要，提高河南電網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性，河南省發(fā)改委同意建設(shè)小浪底西溝水電站，作為小浪底水利樞紐的“黑啟動”電源。 小浪底西溝水電站建于小浪底水利樞紐北側(cè)西溝水庫下游、橋溝河右岸支溝內(nèi)。電站主要任務(wù)是保證小浪底水利樞紐和電網(wǎng)的安全運(yùn)行，運(yùn)行原則是優(yōu)先保證灌溉用水，兼顧發(fā)電；主要建筑物包括引水發(fā)電洞(分地下埋管段和明管段)、調(diào)壓井、電站廠房和尾水渠等，安裝2臺單機(jī)容量10 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)年利用小時5 000 h，多年平均發(fā)電量為1億kW·h。出線以35 kV線路T接小浪底東河清變電站和蓼塢變電站，然后通過110 kV線路接入洛陽市電網(wǎng)。

2 孤網(wǎng)供電運(yùn)行方式

正常運(yùn)行時，西溝水電站2臺機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，發(fā)電由35 kV出線經(jīng)1東浪2開關(guān)、1東蓼1開關(guān)、東351開關(guān)至東河清東1號主變，由110 kV朝東線送至洛陽電網(wǎng)。

2.1 作為小浪底黑啟動電源

當(dāng)河南省電網(wǎng)、洛陽電網(wǎng)因故障崩潰停運(yùn)，小浪底水利樞紐和西溝水電站被迫全廠停機(jī)，系統(tǒng)處于全“黑”狀態(tài)時，西溝水電站機(jī)組迅速自啟動、孤網(wǎng)運(yùn)行恢復(fù)廠用電；然后供電至小浪底水利樞紐廠用電。小浪底水利樞紐機(jī)組啟動，帶動小浪底廠用電和其他機(jī)組啟動，供電至河南電網(wǎng)，逐步擴(kuò)大電網(wǎng)系統(tǒng)的恢復(fù)范圍；最終實(shí)現(xiàn)整個河南電網(wǎng)系統(tǒng)的恢復(fù)供電。

2.2 孤網(wǎng)運(yùn)行供電

當(dāng)小浪底水利樞紐管理區(qū)供電服務(wù)出現(xiàn)故障，東河清變電站、蓼塢變電站供電能力不足時，西溝水電站機(jī)組可自啟動后孤網(wǎng)運(yùn)行給橋溝水電站、東河清變電站及蓼塢變電站供電，為樞紐管理區(qū)提供備用電源，提高樞紐管理區(qū)供電的可靠性。

3 孤網(wǎng)供電運(yùn)行要求

3.1 先恢復(fù)站內(nèi)廠用電

西溝水電站機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行供電時，必須保證自身廠用電運(yùn)行正常后，再向外供電。自身廠用電丟失情況下，對廠用電開關(guān)做好措施后，利用站內(nèi)直流系統(tǒng)蓄電池儲存的電能量和蝶閥液壓系統(tǒng)、調(diào)速器液壓系統(tǒng)儲存的液壓能量，完成機(jī)組自啟動帶電至站內(nèi)10 kV母線。10 kV母線電壓、頻率在正常范圍后恢復(fù)自身廠用電，全面檢查站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行正常后，方可對外供電。廠用電運(yùn)行正常時，對35 kV出口開關(guān)做好措施后，可按照廠用電正常時孤網(wǎng)供電啟動流程直接啟動機(jī)組帶電至35 kV母線。

3.2 嚴(yán)禁兩個系統(tǒng)電壓并列運(yùn)行(閉鎖條件)

機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行供電方式特殊，必須全面考慮電站設(shè)備正常運(yùn)行方式和運(yùn)行人員的操作習(xí)慣，防止孤網(wǎng)帶站內(nèi)廠用電時10 kV外來電源突然來電和孤網(wǎng)送電至浪T線時對側(cè)35 kV線路突然來電的危險；應(yīng)做好措施，避免兩個系統(tǒng)電壓并列運(yùn)行發(fā)生事故。

3.3 孤網(wǎng)啟動機(jī)組響應(yīng)速度要快

西溝水電站蓄電池組總?cè)萘繛?00 A·h，失去交流電源后，應(yīng)在最短時間內(nèi)啟動機(jī)組恢復(fù)站內(nèi)廠用電。勵磁系統(tǒng)采用2套可控硅全控整流橋并聯(lián)運(yùn)行，額定輸出電流為679 A，交流電源消失整流柜風(fēng)機(jī)停運(yùn)，整流橋運(yùn)行時間過長將引發(fā)勵磁系統(tǒng)故障報(bào)警。蝶閥和調(diào)速器系統(tǒng)油泵因交流電源失電而停運(yùn)，液壓能量有限，應(yīng)盡量保證一次性啟動機(jī)組成功。

3.4 頻率控制

孤網(wǎng)運(yùn)行最突出的特點(diǎn)是需要從負(fù)荷控制轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率控制。由于電網(wǎng)容量較小，其中旋轉(zhuǎn)慣量儲能所具備的能力勢能較小，要求調(diào)速系統(tǒng)具有更高的靈敏度、更小的遲緩和更快的動態(tài)響應(yīng)特性。西溝水電站調(diào)速器系統(tǒng)目前基本能夠滿足孤網(wǎng)運(yùn)行要求，但是要修改調(diào)速器死區(qū)參數(shù)(0.3 Hz至0.1 Hz)，以限制頻率調(diào)節(jié)范圍。

3.5 電壓控制

電站孤網(wǎng)運(yùn)行時應(yīng)保證勵磁系統(tǒng)處于自動電壓調(diào)節(jié)方式，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓閉環(huán)運(yùn)行，保證機(jī)端電壓恒定維持在給定的水平上。機(jī)組開機(jī)至空轉(zhuǎn)后應(yīng)先起勵(修改勵磁參數(shù)中P91起勵門檻值至30%Ue)，然后合上發(fā)電機(jī)出口開關(guān)、主變高壓側(cè)開關(guān)，機(jī)組帶主變及35 kV母線一起升壓至額定電壓。

4 孤網(wǎng)供電路徑

孤網(wǎng)供電一次系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

4.1 供電途徑一

通過35 kV線路帶浪T線供電至東河清、蓼塢變電站(如圖1左上部分)。

西溝水電站機(jī)組自啟動帶電至35 kV母線，通過35 kV浪T線，向蓼塢和東河清變電站供電。一方面可通過1東蓼2開關(guān)合閘給蓼塢變電站35 kV母線、蓼小線、10 kV母線供電，進(jìn)而恢復(fù)小浪底10 kVⅠ段廠用電，啟動小浪底電站機(jī)組；另一方面可通過1東蓼1開關(guān)合閘給東河清變電站東35 kV北母、東35 kV南母供電，進(jìn)而恢復(fù)霞東給西霞院電站供電。

4.2 供電途徑二

通過橋溝10 kV線路反送電至蓼塢變電站(如圖1右下部分)。

在橋溝水電站峪1站用1開關(guān)下側(cè)、峪2站用1開關(guān)上側(cè)，加裝3×70 mm2臨時電纜。西溝水電站機(jī)組自啟動帶電至35 kV母線，通過峪浪線恢復(fù)橋溝水電站廠用電，利用橋溝廠用電臨時電纜反送電至蓼塢變電站10 kV北母。反送電最大可達(dá)3 000 kW。

4.3 供電途徑三

通過西溝10 kV外來電源線路反送電至小浪底(如圖1左下部分)。

利用西溝水電站10 kV外來電源線路反送電至小浪底10 kV廠用電四段。反送電受西溝水電站2號站用變?nèi)萘?315 kVA)限制。

5 孤網(wǎng)供電流程

西溝水電站廠用電運(yùn)行正常時，機(jī)組啟動由上位機(jī)自動開機(jī)；廠用電丟失時，機(jī)組啟動可選擇人為手動模式或者上位機(jī)自動模式開機(jī)。

手動開機(jī)至空轉(zhuǎn)操作步驟：退機(jī)械制動→退空氣圍帶→投技術(shù)供水→蝸殼充水→退蝶閥鎖錠→開啟進(jìn)水蝶閥→退導(dǎo)葉鎖錠→機(jī)手動開導(dǎo)葉至空轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)。

廠用電丟失自動模式開機(jī)：上導(dǎo)、下導(dǎo)及水導(dǎo)技術(shù)供水示流信號計(jì)采用的是交流供電，廠用電丟失示流信號無法返回自動開機(jī)流程無法執(zhí)行，因此開機(jī)前需要在監(jiān)控系統(tǒng)將XII1∶6、XII1∶7、XII1∶8、XII1∶30四個信號計(jì)強(qiáng)制為1后，方可發(fā)出“空轉(zhuǎn)令”。

孤網(wǎng)供電流程推薦使用自動模式開機(jī)，可大大節(jié)省時間，具體操作流程如圖2所示。

圖2 西溝水電站機(jī)組孤網(wǎng)供電流程圖

6 孤網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)視要求

6.1 運(yùn)行監(jiān)屏人員要定期記錄機(jī)組各部參數(shù)

西溝水電站機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行不同于正常運(yùn)行方式，運(yùn)行值班人員應(yīng)保證供電電壓、頻率在規(guī)定范圍內(nèi)，關(guān)注站內(nèi)調(diào)速器和調(diào)壓閥運(yùn)行工況；特別是大負(fù)荷階躍時要關(guān)注調(diào)試器運(yùn)行穩(wěn)定性，應(yīng)避免導(dǎo)葉頻繁開關(guān)引起調(diào)壓閥頻繁開關(guān)導(dǎo)致的調(diào)壓室涌浪發(fā)散問題，詳見圖3。

圖3 機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)視記錄表

6.2 機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行重點(diǎn)巡檢要求

7 孤網(wǎng)運(yùn)行應(yīng)急處置

7.1 出現(xiàn)如下情況時，應(yīng)迅速停止對外供電

7.2 處置原則

8 孤網(wǎng)供電實(shí)踐

2020年6月3—7日，作為小浪底水利樞紐黑啟動電源，通過孤網(wǎng)供電途徑一，安全、穩(wěn)定、持續(xù)向小浪底水利樞紐供電5 d，累計(jì)11.1萬kW·h電量，詳見圖4。期間，最大有功3 892 kW，最小有功1 146 kW；最大無功557.27 kvar，最小無功240 kvar；最大頻率50.38 Hz，最小頻率49.30 Hz；最大到導(dǎo)葉開度42.22%，最小導(dǎo)葉開度24.18%。

圖4 2020年6月3—7日孤網(wǎng)供電負(fù)荷曲線

2020年6月29日，通過供電途徑二，通過橋溝10 kV線路反送電至蓼塢10 kV北母，期間最大供電負(fù)荷達(dá)3 000 kW，持續(xù)3 h。

2020年6月25日，通過供電途徑三，西溝水電站2號機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行恢復(fù)橋溝電站廠用電，當(dāng)時西溝水電站2號機(jī)組有功106 kW，無功112 kvar，機(jī)端電壓10.1 kV，頻率50.1 Hz，持續(xù)2 d。

小浪底西溝水電站已多次成功孤網(wǎng)供電，最長運(yùn)行時間達(dá)5 d，最大負(fù)荷近4 000 kW，能夠充分發(fā)揮小浪底水利樞紐黑啟動電源的作用。