廣州協(xié)鑫藍天燃氣熱電有限公司 李學冠

某電廠兩套9E燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組，黑啟動電源由2×520kW柴油發(fā)電機及輸出功率為2.52MW、容量為2.82MWh的儲能蓄電池系統(tǒng)構(gòu)成，黑啟動電源接入廠用400V母線段為機組啟動提供電源。為保證電廠黑啟動過程中有功、無功充足，需對黑啟動過程中所需負荷進行核算，對無功進行計算，通過數(shù)據(jù)分析，檢驗電廠電源無功容量是否滿足黑啟動要求。

1 黑啟動設(shè)備參數(shù)、系統(tǒng)配置及運行方式

1.1 黑啟動設(shè)備參數(shù)

1號、2號柴油發(fā)電機參數(shù)分別為：額定容量520kW、額定電流936A、功率因數(shù)0.8cos∮、額定定子電壓400V、額定頻率50Hz、相數(shù)3、絕緣水平F；儲能蓄電池參數(shù)：成組方式12S2P、標稱電壓38.4V、初始容量340Ah、總數(shù)量216個、每臺PCS 54個、每組電池18個、并聯(lián)組數(shù)3、品牌為天津力神、總?cè)萘?.83MVA；PCS參數(shù)：品牌為深瑞、額定容量630kVA、最大效率0.988、過載能力110%/10分鐘、額定電壓0.4kV、直流滿載電壓900V、產(chǎn)品型號PRS-7563-400/630；燃機啟動馬達變頻器（VFPS-06-630）、閉式水泵變頻器（22C-D260A103）、柱塞泵變頻器（ACS550-01-72A-4）參數(shù)分別為：額定容量630/130/37kVA、額定電流62/260/72A、額定電壓6/0.38/0.38、額定頻率50Hz、相數(shù)3。

1A低壓升變壓器、儲能隔離變壓器、1C公用變壓器額定電壓分別為6/0.38kV、0.4/0.4 kV、6/0.38kV，其余參數(shù)分別為：額定容量2000/2500/1600kVA、空載電流1.34/40/1.38A、短路阻抗10.28/2.50/8.01、無功功率160.86/100.00/22.08kVar、接線組別Dyn11，1A低壓升變壓器、1C公用變壓器空載/負載損耗分別為3.06/14.45kW、2.45/11.73kW。

表1 啟動負荷清單

1.2 黑啟動系統(tǒng)配置

某電廠兩套9E燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組，黑啟動電源由2×520kW柴油發(fā)電機以及輸出功率為2.52MW、容量為2.82MWh的儲能蓄電池系統(tǒng)構(gòu)成，黑啟動電源接入廠用400V母線段為機組啟動提供電源，黑啟動系統(tǒng)配置圖如下：

圖1 黑啟動系統(tǒng)配置圖

1.3 設(shè)計特點

電廠黑啟動系統(tǒng)設(shè)計僅是為了滿足在電網(wǎng)失電情況下，儲能系統(tǒng)為機組啟動提供啟動電源，配置相應(yīng)的儲能容量，并沒有考慮儲能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻，機組啟動一次需要675kWh容量，系統(tǒng)配置2.82MWh的容量，可以滿足機組黑啟動4～5次。

零起升壓節(jié)省容量。黑啟動系統(tǒng)采取柴油發(fā)電機接入400V系統(tǒng)，采取零啟升壓的方式給6kV母線充電，儲能系統(tǒng)再同期并入，儲能系統(tǒng)通過此措施可避開變壓器的勵磁涌流，系統(tǒng)容量按滿足機組啟動的容量配置即可；燃機啟動電機采取軟啟動節(jié)省容量。燃機啟動電機功率為1000kW,啟動電流為6～8倍額定電流，正常啟動需要的容量太大，采取變頻軟啟動裝置可降低儲能系統(tǒng)的容量。

儲能系統(tǒng)自帶冷卻空調(diào)系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)空調(diào)第一路取自400V加藥MCC段，第二路取自儲能系統(tǒng)輸出交流側(cè)。正常情況儲能系統(tǒng)空調(diào)電源由第一路供電，當全廠失電、儲能系統(tǒng)啟動后，空調(diào)動力電源由自動切換裝置切至第二路供電，當廠用電恢復后空調(diào)電源再切至第一路供電；黑啟動系統(tǒng)控制電源。儲能系統(tǒng)控制電源第一路取自自動切換開關(guān)切換后交流電源，第二路取自儲能系統(tǒng)自身UPS，當自動切換開關(guān)交流電壓失壓后，儲能控制電源由自身UPS實行不間斷供電，儲能系統(tǒng)啟動后由自動切換開關(guān)切至第一路交流電源供電。

圖2 儲能系統(tǒng)空調(diào)及控制電源接線圖

1.4 運行方式

系統(tǒng)失電保安電源恢復。當保安段失電情況下，保安段備自投動作自動啟動儲能系統(tǒng)，備自投檢測保安段帶電后自動合上1BA3（2BA3）給保安段供電，啟動儲能系統(tǒng)對400V保安段供電，恢復燃機和汽機盤車運行，整個過程大致需要5分鐘。

燃機廠用電恢復及黑啟動后孤網(wǎng)運行。合上400V廠用PCA段低廠變高低壓側(cè)開關(guān)，合上其他低廠變高壓開關(guān)，斷開其他低廠變低壓側(cè)開關(guān)，合上柴油發(fā)電機出口靠PCA段開關(guān)，柴油發(fā)電機帶著400V廠用PCA段通過低廠變對6kV工作段啟動建壓，柴油發(fā)電機電壓升致額定電壓后，采用同期裝置同期合上儲能輸出開關(guān)（1A711/2A711）將儲能系統(tǒng)并入柴油發(fā)電機運行，然后啟動燃機運行并建壓，采用同期裝置同期合上6kV工作段進線開關(guān)將燃機并入6kV廠用系統(tǒng)，合上保安段進線開關(guān)（1BA1/2BA1），退出柴油發(fā)電機和儲能系統(tǒng)運行，燃機進入孤網(wǎng)運行，整個過程大致需要30分鐘。

黑啟動完成對外供電。燃機啟動自帶廠用電穩(wěn)定運行后，具備對外供電條件，合上主變變高開關(guān)對220kV母線進行充電，合上220kV線路開關(guān)對對側(cè)站220kV母線進行充電。

2 黑啟動電源容量及負荷計算

在實際黑啟動試驗中，協(xié)鑫電廠只啟動一臺柴油發(fā)電機，因此黑啟動電源容量計算均以一臺柴油發(fā)電機和儲能電池為分析對象。在黑啟動前期階段（保安電源恢復階段），僅由儲能系統(tǒng)供電，后續(xù)由柴油發(fā)電機和儲能系統(tǒng)同時供電，此階段柴油發(fā)電機以額定有功、無功恒功率運行，其余負荷由儲能系統(tǒng)提供，因此無功容量計算也按此劃分為兩個階段。

2.1 有功容量

保安電源恢復階段：黑啟動電源有功容量取儲能電池最大輸出功率Ps∑=Pb.max，式中Ps∑為黑啟動電源有功容量，Pb.max為儲能電池最大輸出功率，計算得Ps∑=2500kW。

柴油發(fā)電機和儲能系統(tǒng)同時供電階段：黑啟動電源有功容量取柴油發(fā)電機額定有功、儲能電池最大輸出功率之和Ps∑=Pgn+Pb.max，式中Ps∑為黑啟動電源有功容量，Pgn為柴油發(fā)電機額定有功，Pb.max為儲能電池最大輸出功率，計算得Ps∑=520+2500kW。

2.2 無功容量

電廠儲能PCS額定容量為630kVA，共配置了4套PCS，因此儲能電池實際容量按PCS的額定容量計算，取2.5MVA。

保安電源恢復階段：黑啟動電源無功容量取儲能電池最大無功功率Qs∑=Qbn，式中Qs∑為黑啟動電源無功容量，Qbn為儲能電池額定無功，計算得Qs∑=2489.90kVar。

柴油發(fā)電機和儲能系統(tǒng)同時供電階段：黑啟動電源無功容量取柴油發(fā)電機額定有功、儲能電池最大無功功率之和Qs∑=Qgn+Qb.max，式中Qs∑為黑啟動電源無功容量，Qgn為柴油發(fā)電機額定無功，Qb.max為儲能電池最大輸出無功，計算得Qs∑=2737.28kVar。

2.3 黑啟動有功負荷計算

啟動負荷清單中列出了電廠黑啟動廠用負荷情況，有功負荷計算中，取各負荷的額定有功和變壓器所耗的有功之和。

柴油發(fā)電機和儲能系統(tǒng)同時供電階段：計算得PL∑=1380.4kW，對比柴油發(fā)電機和儲能系統(tǒng)同時供電階段黑啟動電源有功容量3020kW，有PS∑＞PL∑。因此黑啟動電源有功容量滿足要求。

2.4 黑啟動無功負荷計算

電機啟動方式、運行狀態(tài)不同，所需無功也大不相同：電機工頻啟動過程中，啟動電流是額定電流的6～8倍（按8倍取值），此時電流基本是無功電流；在變頻啟動時，啟動電流是額定電流的2～3倍（按3倍取值），此時電流也基本是無功電流；穩(wěn)態(tài)運行時，所需的最大無功功率為額定無功。因此在計算黑啟動無功負荷時，需將穩(wěn)態(tài)運行和啟動過程分開，分別計算。此外還需考慮到變壓器勵磁涌流的影響。而協(xié)鑫電廠黑啟動柴油發(fā)電機采用零起升壓的模式啟動，不存在勵磁涌流的問題，因此在計算無功負荷時不考慮變壓器勵磁涌流的影響。

穩(wěn)態(tài)運行時，各廠用負荷（電機）的無功按額定無功功率計算，同時計入黑啟動變壓器所需的無功。

表2 柴油發(fā)電機和儲能系統(tǒng)同時供電階段

表2中各階段所對應(yīng)的負荷名稱表示該階段正在啟動的電機/負荷，計算時，根據(jù)啟動方式取8倍或3倍額定無功計入QL∑；在該階段之前的負荷處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，取其額定無功計入QL∑。由表2數(shù)據(jù)可看出，在黑啟動各個階段無功負荷大少各不相同。在保安電源恢復階段最大無功負荷為448.9kVar，小于2488.90kVar的黑啟動電源無功容量；在同時供電階段最大無功負荷為1745.24kVar，小于2737.28kVar的黑啟動電源無功容量。因此，在整個啟動過程中黑啟動電源無功容量滿足要求。

由該電廠的改造情況論證，當全廠發(fā)生停電事故時，可確保9E燃機黑啟動系統(tǒng)正常運行。相對于只設(shè)置保安電源的9E燃機機組，經(jīng)改造后的燃機柴油發(fā)電機+儲能結(jié)合供電方式安全系數(shù)更高，因而具有較好的推廣價值。