梁慶春

（華東宜興抽水蓄能電站，江蘇宜興214205）

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淺析宜興抽蓄作為黑啟動電源的可行性

梁慶春

（華東宜興抽水蓄能電站，江蘇宜興214205）

根據(jù)黑啟動的要求，文中首先指出宜興抽蓄具備黑啟動電源的兩個特征，即快速自啟動和可靠的電能傳輸。接著通過詳細分析電站在黑啟動過程中面臨的具體問題及其應(yīng)對措施，表明宜興抽蓄作為黑啟動電源是確實可行的。

抽水蓄能電站；黑啟動；黑啟動電源

1　電站概況

華東宜興抽水蓄能電站（以下簡稱宜興抽蓄）位于宜興市西南郊的銅官山區(qū)，距宜興市中心7 km，距上海、無錫分別為200 km和75 km，是一座日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站。電站總裝機容量為1 000MW，裝設(shè)4臺單機容量為250MW的立軸單級混流可逆式機組。電站發(fā)電電動機與變壓器組合方式為單元接線，其間裝設(shè)有發(fā)電機斷路器和換向隔離閘刀。每兩組機組-變壓器單元在主變500 kV側(cè)組成聯(lián)合單元。500 kV側(cè)為兩進兩出內(nèi)橋接線。兩回500 kV輸電線路與8km外的岷珠變相連，從而接入華東500kV主網(wǎng)架。宜興抽蓄電氣主接線簡圖如圖1所示。

圖1　宜興抽蓄電氣主接線簡圖

2　黑啟動對機組的要求

黑啟動是指整個系統(tǒng)因故障停運后，不依賴別的網(wǎng)絡(luò)的幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力的機組的啟動，帶動無自啟動能力的機組，逐步擴大電力系統(tǒng)的恢復(fù)范圍，最終實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)的恢復(fù)?？梢娺x擇自啟動能力的機組，即黑啟動電源是黑啟動方案中首先需要確定的問題。水電廠（包括抽水蓄能電廠）機組沒有復(fù)雜的輔機系統(tǒng)，廠用電少，啟動速度快，是方便、理想的黑啟動電源。宜興抽蓄機組在開機條件滿足的情況下，從停機狀態(tài)到帶滿負荷僅需2min左右，對比火電機組（包括燃油發(fā)電機組），至少15min的啟動時間無疑有著較大的優(yōu)勢。另外，對于常規(guī)水電，由于受豐枯水期影響，可能在某些時候無法啟動。宜興抽蓄不受其約束，電站上水庫設(shè)計緊急事故備用容量50.7萬m3。該部分容量平時發(fā)電過程中不使用，僅在緊急情況下經(jīng)批準后使用，可供單機滿負荷運行1.5 h以上。能夠滿足黑啟動電能需求。

黑啟動需要考慮的第二個要點就是能夠方便地通過輸電線路傳送功率，或是至其他無法自啟動機組，帶動它們啟動；或直接傳送功率至用戶，恢復(fù)對附近重要負荷的供電。宜興抽蓄直接與華東主網(wǎng)架相連，不但靠近江蘇負荷中心，而且與多臺大容量火電機組相近。因此，不需要經(jīng)過長距離輸送電能，這就減少了產(chǎn)生機組自勵磁或線路末端過電壓的危險。同時，在輸電過程中根據(jù)需要恢復(fù)某些負荷，既能縮短用戶停電時間，又能協(xié)助控制過電壓問題。此外，宜興抽蓄機組勵磁調(diào)節(jié)器、調(diào)速器電氣裝置皆采用微機型，具有良好的調(diào)頻和調(diào)壓性能，也是黑啟動初期電能質(zhì)量的重要保證。更為可貴的是，考慮到宜興抽蓄在系統(tǒng)中擔(dān)負事故備用的作用，在電站設(shè)計初始就充分考慮了黑啟動功能的實現(xiàn)。

3　宜興抽蓄黑啟動

宜興抽蓄被選作電網(wǎng)黑啟動電源后，首先需要點亮自己才能傳遞“火種”啟動其他電站。電站的黑啟動是指在電網(wǎng)（或全廠）停電后不借助外來電源而實現(xiàn)機組的自啟動。此時機組的啟動與正常啟動有較大差異，主要體現(xiàn)在廠用電系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、UPS以及機組勵磁、監(jiān)控流程等方面。

3.1廠用電系統(tǒng)

宜興抽蓄在失去廠用交流電源的情況下，機組球閥和導(dǎo)葉的液壓操作動力，可由各自設(shè)置的壓力油罐并輔以兩個2.5m3操作儲氣罐提供；機組推力軸承在低轉(zhuǎn)速時油膜的建立可依靠作為后備的直流注油泵，在機組轉(zhuǎn)速升至90%額定轉(zhuǎn)速時，油膜自動形成，不需要外來能量。唯一困難是機組冷卻水的供給。然而根據(jù)機組設(shè)計規(guī)定，當(dāng)軸承冷卻水中斷時，機組可帶最大負荷運行15min，推力和導(dǎo)軸承不會損壞，軸承溫度也不會超過允許值。因此，考慮機組黑啟動時間（從停機狀態(tài)到帶負荷恢復(fù)廠用電）不長，能夠承受這樣的溫升。

盡管機組在無外加交流電源的情況下，可以實現(xiàn)自啟動。但是為了確保啟動的成功，宜興抽蓄設(shè)置了1臺容量為650 kW的1號柴油發(fā)電機，作為電廠的保安電源，在廠用電丟失后提供全廠消防電源，以及機組黑啟動電源。由此可見，該柴油發(fā)電機才是黑啟動時點亮電網(wǎng)的“第一根火柴”?？紤]到容量問題，宜興抽蓄在同一時刻只允許選擇1臺機組進行黑啟動。

另外，為了保證地下廠房滲漏水、機組及輔助設(shè)備排水在廠用電丟失能夠順利排出，防止出現(xiàn)水淹廠房事故。宜興抽蓄還設(shè)置了1臺功率1 600 kW的2號柴油發(fā)電機，為滲漏水泵提供電源。一旦廠用電全部丟失，難以短期恢復(fù)，則無論是否進行黑啟動都應(yīng)啟動該臺柴油發(fā)電機。

3.2220 V直流系統(tǒng)

宜興抽蓄廠用電丟失后，事故照明以及直流工作電源和操作電源都由220V直流系統(tǒng)的蓄電池提供，因此，黑啟動對蓄電池的容量有較高要求。以地下廠房為例，220 V直流系統(tǒng)采用單母線分段接線。每段母線設(shè)一組閥控式密封鉛酸蓄電池。每組蓄電池的只數(shù)為108只（2 V/只），容量為600 Ah，兩組容量則為1 200 Ah。黑啟動時，事故照明負荷按35 kW計算，約160 A；勵磁系統(tǒng)所需起勵電源最大58 A，但時間極短；假設(shè)交流注油泵故障，則直流注油泵負荷為34 A；控制和操作負荷為60 A；短時沖擊負荷200 A。地下廠房直流負荷最大為512 A，蓄電池容量能夠滿足要求。

其他區(qū)域中，地面開關(guān)站以及上庫220V直流系統(tǒng)容量分別為200 Ah和80 Ah，黑啟動時各用戶負荷均較小，因此，蓄電池容量也能滿足要求。需要特別指出的是，電站事故照明系統(tǒng)分別采用自動切換裝置（地下廠房）、在線式逆變電源（地面開關(guān)站）、緊急電源系統(tǒng)EPS（中控樓）以及應(yīng)急燈等提供安全可靠的照明，保證黑啟動的檢查、操作工作順利進行。

3.3UPS

宜興抽蓄為監(jiān)控系統(tǒng)上位機以及繼保樓500 kV保護裝置分別設(shè)置UPS。其中，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置的UPS采用并聯(lián)熱備份的方式，平常兩臺UPS各擔(dān)負一半負荷，在黑啟動期間由自帶蓄電池供電，每臺UPS能夠維持對應(yīng)用戶1 h以上的電能需求。開關(guān)站UPS由于負荷較小，而且直流電源取自開關(guān)站220 V直流系統(tǒng)，因此能夠滿足交流失電后電能的中短期供給。

3.4通訊系統(tǒng)

宜興抽蓄通訊系統(tǒng)以光纖為介質(zhì)，組成廠內(nèi)以及系統(tǒng)兩大通訊體系。通訊設(shè)備電源配以獨立的48V直流系統(tǒng)（自帶蓄電池），保證在各種極端事故情況下電站內(nèi)部以及與系統(tǒng)之間的通訊通暢。

3.5勵磁系統(tǒng)

宜興抽蓄勵磁系統(tǒng)采用UNITROL 5000型微機調(diào)節(jié)器。晶閘管轉(zhuǎn)換器輸入端（交流側(cè)）的少量電壓（約5 V）即可啟動勵磁系統(tǒng)。因此，黑啟動時機組能以剩磁完成啟動。如果勵磁系統(tǒng)檢測機組剩磁不足，則自動切換至起勵回路，提供轉(zhuǎn)子初期電流。電站起勵電源采用220 V直流，取自地下廠房廠用220 V直流系統(tǒng)。機組選擇黑啟動模式時，首先合上機組出口開關(guān)。接著勵磁系統(tǒng)啟動，工作在手動模式。等到機組轉(zhuǎn)速達到95%額定轉(zhuǎn)速時，勵磁電流在剩磁或起勵電源的作用下迅速升至額定值的10%（相當(dāng)于極端電壓20%左右）。此時，勵磁系統(tǒng)發(fā)送“準備好充電”信號給監(jiān)控系統(tǒng)，操作人員可在監(jiān)控界面上發(fā)送信號給勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)機端電壓。當(dāng)電壓升至50%3.6監(jiān)控流程

額定電壓時可切至自動模式，保證機組電壓調(diào)節(jié)準確、迅速。

宜興抽蓄按無人值班（少人值守）的要求設(shè)計。采用先進的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對全廠的監(jiān)控，并在成功應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，盡量減少運行人員的現(xiàn)地操作。系統(tǒng)為機組黑啟動設(shè)置了專門的順控流程，實現(xiàn)自動操作。系統(tǒng)停電后，運行人員根據(jù)調(diào)度命令設(shè)置好500 kV系統(tǒng)運行方式，選擇4臺機組中任一臺進行黑啟動，自動執(zhí)行圖2所示流程。

圖2　宜興抽蓄機組黑啟動流程圖

黑啟動流程每步執(zhí)行令間設(shè)置一定時間的延時，用于上一步命令發(fā)出后，預(yù)留充分的時間供現(xiàn)地設(shè)備實際動作，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)收到反饋信號時再發(fā)出下一步命令。這也表明在動作反饋信號的期限到來前，無論采用何種措施，只要現(xiàn)地操作設(shè)備能夠正確動作，順控流程就能順利執(zhí)行。因此，在順控自動執(zhí)行的情況下，運行人員現(xiàn)地參與流程操作也是允許的。另外，順控流程還按照機組的特性，劃分為若干步驟。操作人員選擇順控單步執(zhí)行時，在每個步驟之間允許更長時間的等待，能夠確?，F(xiàn)地設(shè)備正確動作、黑啟動流程順利完成。

4　結(jié)語

通過上述分析，可以得出宜興抽蓄有足夠能力擔(dān)當(dāng)黑啟動電源。電站也據(jù)此制定了初步的黑啟動預(yù)案。為了進一步完善該預(yù)案，同時驗證機組黑啟動的實際能力，建議在機組調(diào)試初期申請系統(tǒng)給予配合，選取一臺機組進行黑啟動試驗。隨著黑啟動試驗的實施，電站各崗位配合和實際操作能力必將得到提高，同時，進一步縮短黑啟動時間，確保故障情況下電網(wǎng)迅速恢復(fù)。

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1672-5387（2016）02-0044-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.02.013

2015-08-10

梁慶春（1981-），男，工程師，從事機電運維工作。