肖華賓 甘超齊 楊文超 張楊迪 趙 軍

（1.神華廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東省臺山市，529228；2.神華國華 （北京）電力研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100025）

1 引言

我國電網(wǎng)交直流輸電容量規(guī)模、電壓等級，以及發(fā)電機(jī)組容量不斷擴(kuò)大。以南方電網(wǎng)為例，其已形成 “八交八直”共16條500kV 及以上西電東送大通道。預(yù)計到2015年，廣東省外送電規(guī)模將達(dá)3.98×107kW，形成了發(fā)供用電不平衡、水火電容量不平衡的電網(wǎng)架構(gòu)形式，是世界上少有、復(fù)雜的交直流混合大電網(wǎng)。

電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大化和復(fù)雜化，將伴隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險的不斷增加，電網(wǎng)崩潰的誘因越來越難控制。21世紀(jì)以來，大面積停電事故時有發(fā)生：2003年8月14日，美國、加拿大發(fā)生跨國大面積電網(wǎng)停電事故；2005年5月25日，俄羅斯電力系統(tǒng)故障導(dǎo)致首都莫斯科大面積停電；2012年7 月30日，印度發(fā)生大面積停電事故，停電范圍之廣，受害損失之大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們的想像。這些事故告誡我們在同步開展電力系統(tǒng)風(fēng)險評估和防范工作的同時，還必須重視電力系統(tǒng)出現(xiàn)大面積停電后 “亡羊補(bǔ)牢”的工作——系統(tǒng)黑啟動 （Black-Start），即當(dāng)電力系統(tǒng)因故障停電后，不依賴別其他網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)內(nèi)具有自啟動能力的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行孤島運(yùn)行，逐步帶動其他發(fā)電機(jī)組發(fā)電和擴(kuò)大供電范圍，最終恢復(fù)全網(wǎng)的正常運(yùn)行狀態(tài)。要想實現(xiàn)系統(tǒng)快速恢復(fù)供電，首先要確保系統(tǒng)不同區(qū)域內(nèi)有足夠的具備黑啟動的電源點。南方電網(wǎng)傳統(tǒng)的黑啟動電源主要依靠水電來實現(xiàn)，然而這種供電具有極大的缺陷，例如在廣東珠三角地區(qū)用電負(fù)荷高度集中的區(qū)域，就嚴(yán)重缺少這類水電機(jī)組。

對于大型發(fā)電廠來說，如果發(fā)電機(jī)組具備黑啟動功能，那么即使在電網(wǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障的情況下，也有可能通過生產(chǎn)自救的模式，在極短時間內(nèi)全部或部分恢復(fù)機(jī)組廠用電系統(tǒng)，進(jìn)一步保證機(jī)組主要設(shè)備的安全。同時，還可以將機(jī)組的電量逐步輸送到周邊的發(fā)電廠、重要用戶，以形成 “星星之火，可以燎原”之勢，給局部電網(wǎng)迅速恢復(fù)，帶來極大好處。

2 黑啟動電源的可行性研究

國華臺電是神華國華電力公司在廣東省投資的南方電網(wǎng)內(nèi)最大的火力發(fā)電廠。從2003 年12 月起，陸續(xù)投產(chǎn)了5臺600 MW 及2臺1000 MW 國產(chǎn)燃煤火力發(fā)電機(jī)組，分別建成了220kV 及500 kV 升壓站各一座，在珠三角地區(qū)共有4 條220 kV、4條500kV 輸電線路。

國華臺電6號、7號百萬級發(fā)電機(jī)組由上海電氣集團(tuán)成套生產(chǎn)，汽輪機(jī)、鍋爐和發(fā)電機(jī)等主機(jī)參數(shù)能夠滿足快速切負(fù)荷 （Fast Cut Back，F(xiàn)CB）運(yùn)行工況要求。經(jīng)過國華電力研究院、國華臺電、廣東電科院等專家共同研究后認(rèn)為：國華臺電6號機(jī)組采用國產(chǎn)分散控制系統(tǒng) （Distributed Control Systems，DCS）、數(shù)字電液調(diào)速系統(tǒng) （Digital E-lectro-hydraulic Control System，DEH），均 可 根據(jù)50%及100%甩負(fù)荷、輔機(jī)故障減負(fù)荷 （Run Back，RB）試驗等結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化FCB 邏輯，以有利于機(jī)組FCB功能的實現(xiàn)。電氣500kV 斷路器控制系統(tǒng)和安全穩(wěn)定控制裝置經(jīng)進(jìn)一步設(shè)計改造后，也能滿足局部電網(wǎng)嚴(yán)重故障后，孤島運(yùn)行條件，實現(xiàn)黑啟動功能。

2013年1 月，根據(jù)廣東電網(wǎng) 《基于大型火電機(jī)組FCB技術(shù)的防止大面積停電電網(wǎng)自愈理論研究與實踐》工作規(guī)劃，經(jīng)過廣泛的討論、研究，確定國華臺電6號發(fā)電機(jī)組成為廣東電網(wǎng)500kV 系統(tǒng)黑啟動電源點是可行的。

3 電氣設(shè)計改造及計算仿真

結(jié)合廣東電網(wǎng)系統(tǒng)潮流分布，以及電網(wǎng)安全運(yùn)行方式的實際需要，廣東電網(wǎng)公司調(diào)度中心明確啟動路徑，計劃用6號機(jī)組向72km 長的500kV 鼓峰丙線進(jìn)行空充試驗，這主要考驗黑啟動過程中發(fā)電機(jī)是否會產(chǎn)生自勵磁，以及操作過電壓等問題。

3.1 FCB觸發(fā)電氣設(shè)計改造

由于國內(nèi)沒有統(tǒng)一的FCB 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)參考廣東電科院、廣東電力設(shè)計研究院的意見，根據(jù)電氣一次主接線圖，采用安穩(wěn)裝置的出口跳閘接點、斷路器運(yùn)行位置，進(jìn)行綜合邏輯判斷，作為觸發(fā)FCB條件。國華臺電6 號機(jī)組采用安穩(wěn)切機(jī)的出口跳閘接點作為觸發(fā)FCB 條件。A／B 套安穩(wěn)動作信號組成或門，5041及5042斷路器跳閘后位置接點串聯(lián)后組成與門，共同構(gòu)成電氣FCB 動作觸發(fā)邏輯。電氣FCB觸發(fā)邏輯如圖1所示。

圖1 電氣FCB觸發(fā)邏輯

3.1.1 電氣FCB動作出口接線

A／B兩套安穩(wěn)裝置動作信號組成或門，共同重動3 個帶延時功能的中間繼電器，形成電氣FCB動作觸發(fā)接線原理圖，如圖2所示。其中TJ1-2、TJ1′-2分別為安穩(wěn)A、B 套出口動作接點，TLP1、TLP1′分別為功能壓板，CKJ1～CKJ 3為FCB出口重動繼電器。

圖2 電氣FCB動作解發(fā)接線原理圖

3.1.2 電氣FCB動作送熱控系統(tǒng)接線

CKJ1～CKJ 3動作后分別送DCS及DEH 系統(tǒng)，通過與斷路器5041、5042及806位置接點進(jìn)行邏輯組態(tài)組成與或非門，然后進(jìn)行FCB 判斷，決定機(jī)組是否進(jìn)入FCB運(yùn)行狀態(tài)。電氣FCB 動作送熱控系統(tǒng)接線如圖3 所示，其中CKJ1-2～CKJ3-2分別為FCB 出口繼電器接點，2TLP1～2TLP 3分別為相應(yīng)功能壓板。

圖3 電氣FCB動作送熱控系統(tǒng)接線圖

3.2 同期并網(wǎng)電氣設(shè)計改造

機(jī)組FCB成功后或系統(tǒng)恢復(fù)供電后，要通過主變高斷路器進(jìn)行同期并網(wǎng)。由于原設(shè)計中6號發(fā)電機(jī)組同期并網(wǎng)點只有806一個，所以在主變高側(cè)需加裝一個同期點。

圖4 國華臺電6號機(jī)組單元一次設(shè)備主接線圖

圖4中1PT 為500kV 鼓峰丙線線路側(cè)電壓互感器；2PT 為6 號主變高壓側(cè)電壓互感器；5041～5043 為500kV 升壓站站內(nèi)同一串的斷路器，5042為FCB 試驗所新加裝的同期并網(wǎng)點；806為發(fā)電機(jī)機(jī)端原同期并網(wǎng)點，原設(shè)計功能保持不變。5042斷路器處加設(shè)同期點，并且同時設(shè)計了自動準(zhǔn)同期和手動同期兩種同期方式。

3.3 發(fā)電機(jī)組發(fā)生自勵磁計算

通常采用阻抗比較法 （電阻可忽略不計）進(jìn)行發(fā)電機(jī)組發(fā)生自勵磁計算，即當(dāng)外電路容抗Xc滿足Xq＜Xc＜Xd時，會發(fā)生發(fā)電機(jī)同步自勵磁 （Xq為發(fā)電機(jī)交軸電抗、Xd為發(fā)電機(jī)直軸電抗）。

對于隱極發(fā)電機(jī)，Xq=Xd，所以當(dāng)外電路等效容抗Xc滿足Xc＞Xd，發(fā)電機(jī)不會發(fā)生自勵磁，若考慮主變短路電抗XT，即當(dāng)Xc＞ （Xd+XT）時，發(fā)變組不會發(fā)生自勵磁。

鼓峰丙線參數(shù)采用Π 型等效模型，其折算至發(fā)電機(jī)端的容抗有名值Xc為8.711Ω，6號發(fā)電機(jī)參數(shù)由發(fā)電機(jī)廠提供的有名值Xd為1.714Ω。主變短路電抗折算至發(fā)電機(jī)端的有名值XT=0.115Ω，因為Xc=8.711Ω、Xd+XT=1.829Ω，所以Xc＞（Xd+XT）成立 （機(jī)組發(fā)生自勵磁時所對應(yīng)的線路邊界長度為342km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鼓峰丙線72km），故不會發(fā)生自勵磁。

3.4 仿真試驗

2013年6 月，國華臺電委托華中科技大學(xué)在PSCAD／EMTDC軟件平臺上搭建國華臺電6號機(jī)組模型，進(jìn)行百萬機(jī)組50%、100%FCB 仿真試驗，并由華中科技大學(xué)、廣東電科院、廣東電網(wǎng)調(diào)度中心和國華臺電共同對仿真模型、參數(shù)和邊界條件進(jìn)行確認(rèn)，經(jīng)行業(yè)內(nèi)著名專家對試驗仿真結(jié)果進(jìn)行評估，一致認(rèn)為仿真結(jié)果合理、結(jié)論正確，滿足國標(biāo)要求。

3.4.1 發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓仿真

發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓仿真有關(guān)圖表，分別見圖5、圖6和表1。

表1 發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓仿真數(shù)據(jù)

3.4.2 空充線路仿真

空充線路仿真有關(guān)圖表，分別見圖7～圖9，表2。

圖5 50%FCB發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓

圖6 100%FCB發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓

圖7 三相不同期合閘發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓

圖8 三相不同期合閘線路首端電壓

圖9 三相不同期合閘線路末端電壓

根據(jù)上述理論計算及仿真試驗可知，6號機(jī)組空充鼓峰丙線過程中，不會發(fā)生機(jī)組自勵磁；6號發(fā)電機(jī)暫態(tài)電壓1.28pu，主變側(cè)暫態(tài)電壓1.83pu、線路末端暫態(tài)電壓1.84pu，且各暫態(tài)過電壓衰減很快，約一個周波后均衰減至1.2 倍額定電壓以下，0.08s之后穩(wěn)定在額定電壓附近，且均在2.0 pu和4.0pu國標(biāo)值范圍內(nèi)。

4 黑啟動試驗過程及結(jié)果

4.1 黑啟動試驗過程

從理論上講，電網(wǎng)故障后的恢復(fù)一般有3種方法，即采用低電壓對電網(wǎng)進(jìn)行安全恢復(fù) （以下簡稱低電壓恢復(fù)）、采用全電壓對電網(wǎng)進(jìn)行安全恢復(fù)、采用零起升壓對電網(wǎng)進(jìn)行安全恢復(fù)。無論采用何種方法，都將面臨過電壓問題。采用全電壓對電網(wǎng)進(jìn)行安全恢復(fù)，充電恢復(fù)過程中的過電壓接近2～3倍相電壓，雖然一般不會威脅絕緣，但會造成發(fā)電機(jī)過電壓保護(hù)或避雷器動作；采用零起升壓對電網(wǎng)進(jìn)行安全恢復(fù)，雖能很好地控制過電壓倍數(shù)，但時間較長，操作緩慢，對燃煤機(jī)組也不合適。采用低電壓對電網(wǎng)進(jìn)行安全恢復(fù)，不僅可以彌補(bǔ)以上兩種方法的不足，而且可以避免設(shè)備損壞或因避雷器動作而重復(fù)停電等異常情況的發(fā)生。因此，從安全和實踐角度考慮，為了控制恢復(fù)過程中過電壓的威脅，采用低電壓恢復(fù)更為合理。低電壓恢復(fù)是指發(fā)電機(jī)運(yùn)行在低電壓下，對供電區(qū)域內(nèi)的系統(tǒng)進(jìn)行充電。低電壓恢復(fù)要注意以下兩個問題：一是，確定發(fā)電機(jī)實施充電的低電壓安全工作范圍；二是，限制操作過程中的過電壓在合理的控制范圍內(nèi)。

表2 三相不同期合閘線路電壓暫態(tài)仿真

鑒于電力系統(tǒng)過渡過程的復(fù)雜性，為安全穩(wěn)妥起見，經(jīng)過專家論證，確定6號發(fā)電機(jī)組先零起升壓至額定電壓，以考查自勵磁情況；后以90%額定電壓進(jìn)行鼓峰丙線，進(jìn)行空充試驗，以校核過電壓情況。2013 年7 月4 日，在6 號機(jī)組完成50%FCB試驗后，分別進(jìn)行了發(fā)電機(jī)帶空線路零起升壓試驗 （見表3），以及90%發(fā)電機(jī)額定電壓空充線路試驗 （見表4）。

表3 發(fā)電機(jī)帶空線路零起升壓試驗結(jié)果

表4 90%發(fā)電機(jī)額定電壓空充線路試驗結(jié)果

4.2 黑啟動試驗結(jié)果

隨著勵磁電壓的逐漸升高，各測點電壓也平穩(wěn)升高，發(fā)電機(jī)電流、有功功率、無功功率也平穩(wěn)增大，且滿足機(jī)組安全運(yùn)行的要求，發(fā)電機(jī)未發(fā)生自勵磁。

空充線路試驗時，各暫態(tài)過電壓與仿真數(shù)據(jù)基本相符。其中，主變高壓側(cè)為1.81倍、線路末端為1.89倍，發(fā)電機(jī)機(jī)端為1.40倍，均滿足國標(biāo)和設(shè)備參數(shù)要求。

5 結(jié)論

對于大型發(fā)電廠來講，由于電廠升壓站內(nèi)有多臺發(fā)電機(jī)組和多條輸電線路，故障形式復(fù)雜多樣，即便在發(fā)電機(jī)組、輸電線路相繼跳閘，甚至全部停電的情況下，電廠也可以在極短的時間內(nèi)，通過黑啟動機(jī)組自帶全廠或部分非黑啟動機(jī)組來進(jìn)行自產(chǎn)、自救。隨后通過電網(wǎng)調(diào)度，恢復(fù)輸電線路供電，將更加強(qiáng)大的火力發(fā)電機(jī)組電量源源不斷輸入電網(wǎng)、其他的發(fā)電廠以及重要用戶，極大地減少了重要用戶的經(jīng)濟(jì)損失，為國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、健康發(fā)展，提供持續(xù)的電力能源保障。

2013年11月7日，國華臺電6號機(jī)組順利完成了100%FCB試驗，成功完成了國產(chǎn)燃煤百萬機(jī)組FCB試驗，以及帶72km 的500kV輸電線路空充試驗，標(biāo)志著國華臺電6號機(jī)組從此已經(jīng)完全具備南方電網(wǎng)500kV 黑啟動能力，從此打破了一般采用水電廠遠(yuǎn)程啟動火電廠的黑啟動常規(guī)，在我國電力系統(tǒng)黑啟動應(yīng)急預(yù)案中奠定了一個嶄新的里程碑，在電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行管理中具有劃時代的意義。

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