溫文忠

(深圳南山熱電股份有限公司, 廣東 深圳 518052)

近十幾年來,世界各地發(fā)生多起電網(wǎng)大停電事故,如美加大停電、紐約大停電、海南大停電、珠海澳門大面積停電等,這些重大事故都造成了災(zāi)難性的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。電網(wǎng)的大面積停電事故使電網(wǎng)對(duì)電廠的黑啟動(dòng)能力日益重視。

黑啟動(dòng)是指在電力系統(tǒng)因故障停運(yùn)后,系統(tǒng)全部停電,處于全“黑”狀態(tài),不依賴其他幫助,通過系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組啟動(dòng),帶動(dòng)無自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組,逐步擴(kuò)大系統(tǒng)的供電范圍,最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)供電的過程。

儲(chǔ)能作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè),近年來在國內(nèi)發(fā)展迅速,目前已在各地區(qū)電力系統(tǒng)中有一定規(guī)模的投入。儲(chǔ)能系統(tǒng)具有充放電轉(zhuǎn)換靈活、功率因數(shù)可調(diào)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[1],而燃?xì)廨啓C(jī)能夠快速啟動(dòng)、寬幅加載和靈敏響應(yīng)[2],這與黑啟動(dòng)在某些方面的需求相契合。因此“燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電+電池儲(chǔ)能系統(tǒng)”的混合發(fā)電解決方案, 在現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)電站設(shè)計(jì)上稍加改進(jìn)就可以成為一個(gè)合格黑啟動(dòng)電站。

1 電廠概述

某電廠現(xiàn)有3套9E燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組,采用“一拖一”方式運(yùn)行,即1臺(tái)120 MW燃?xì)廨啓C(jī)帶1臺(tái)60 MW汽輪機(jī)獨(dú)立運(yùn)行。3臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)均為PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī),3臺(tái)汽輪機(jī)均為聯(lián)合循環(huán)雙壓凝汽式。每臺(tái)發(fā)電機(jī)額定電壓均為10.5 kV,經(jīng)升壓至110 kV,廠出線電壓等級(jí)采用110 kV。升壓站采用室內(nèi)設(shè)計(jì),采用雙母線運(yùn)行方式,共計(jì)6臺(tái)主升壓變,3臺(tái)110 kV高壓廠用變及6回110 kV出線。全廠設(shè)置3臺(tái)高壓廠用變壓器從110 kV系統(tǒng)引接電源,#01、#03高廠變作為主供廠用6.6 kV電源,#02高廠變?yōu)閺S用電6.6 kV聯(lián)鎖備用電源。

3套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組自編號(hào)分別為#1/#2機(jī)組、#3/#4機(jī)組及#10/#11機(jī)組。其中,#1、#3、#10 為 9E 燃?xì)廨啓C(jī),#2、#4、#11為汽輪機(jī)。圖1為某電廠改造前電氣一次接線圖。

圖1 某電廠改造前電氣一次接線圖

2 黑啟動(dòng)方案

2.1 基本原則

根據(jù)與南方電網(wǎng)簽訂的黑啟動(dòng)技術(shù)協(xié)議,電廠接到調(diào)度指令后,在有限時(shí)間將本廠運(yùn)行方式調(diào)整至初始可控狀態(tài),確保廠用公用系統(tǒng)供電,做好向周邊電廠、變電站送電準(zhǔn)備工作。

根據(jù)本電廠原有電氣一次接線圖,擬先利用儲(chǔ)能系統(tǒng)作為外部電源,啟動(dòng)#1、#3、#10燃?xì)廨啓C(jī)至空載滿速,通過死母線合閘功能,電源送至110 kV 母線5 M/6 M/7 M,通過投入#01或#03高壓廠用變壓器,切換廠用電方式,實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)帶廠用電運(yùn)行,并退出儲(chǔ)能系統(tǒng),將本廠運(yùn)行方式按照電網(wǎng)要求實(shí)現(xiàn)初始可控狀態(tài)。

2.2 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組黑啟動(dòng)所需容量統(tǒng)計(jì)

2.2.1 單套9E聯(lián)合循環(huán)機(jī)組黑啟動(dòng)容量需求分析

由于電廠單套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組未設(shè)計(jì)旁路煙囪,燃?xì)廨啓C(jī)不具備單循環(huán)啟動(dòng)條件,因此要實(shí)現(xiàn)PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)黑啟動(dòng)需要考慮單臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)至空載滿速的必要負(fù)荷及余熱鍋爐和汽輪機(jī)輔助系統(tǒng)黑啟動(dòng)負(fù)荷?？紤]到電網(wǎng)故障失電不確定性,機(jī)組黑啟動(dòng)負(fù)荷以聯(lián)合循環(huán)機(jī)組設(shè)備處熱態(tài)狀態(tài)下啟動(dòng)時(shí)所需最大負(fù)荷來計(jì)算。#1、#3、#10燃?xì)廨啓C(jī)均是由GE公司生產(chǎn),但#1、#10機(jī)由法國阿爾斯通公司配套燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī),其拖動(dòng)電機(jī)功率為1 000 kW;#3機(jī)由印度BHEL公司配套燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī),其拖動(dòng)電機(jī)功率為1 305 kW。因此,以本廠啟動(dòng)#3機(jī)的聯(lián)合循環(huán)設(shè)備所需負(fù)荷來計(jì)算,詳見表1。

2.2.2 熱態(tài)情況下,其他機(jī)組盤車所需負(fù)荷

在電網(wǎng)失電后,為了保證其他機(jī)組能夠按照調(diào)度要求隨時(shí)啟動(dòng),必須把其他機(jī)組的盤車及冷卻系統(tǒng)正常投入運(yùn)行。表2為其他機(jī)組盤車所需負(fù)荷。

表2 其他機(jī)組盤車所需負(fù)荷

2.2.3 熱態(tài)情況下,燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)至空載滿速

為了優(yōu)化負(fù)載,根據(jù)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)情況按照以下原則進(jìn)行相關(guān)設(shè)備啟動(dòng)(啟動(dòng)#3機(jī)為例):(1) 全廠失電后,利用儲(chǔ)能系統(tǒng)通過開關(guān)接入#02高廠變低壓側(cè)母排恢復(fù)各套機(jī)組照明、冷卻水系統(tǒng),投入各機(jī)組滑油、盤車系統(tǒng);(2)恢復(fù)#3/#4機(jī)啟動(dòng)時(shí)所需負(fù)載廠用電源;(3)根據(jù)#3機(jī)啟動(dòng)過程中煙氣溫度變化情況,逐一投入余熱鍋爐高壓/低壓循環(huán)水泵、給水系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、汽機(jī)真空系統(tǒng)、汽機(jī)側(cè)高壓/低壓蒸汽旁路系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)等;(4)#3機(jī)運(yùn)行空載滿速后,通過死母線合閘功能,投入#01、#03高壓廠用變壓器,采用同期并聯(lián)切換方式,廠用電供電方式由儲(chǔ)能系統(tǒng)供電切換至#01或#03高廠變供電,最終實(shí)現(xiàn)#3機(jī)帶自身廠用電運(yùn)行。

根據(jù)2.2.3啟動(dòng)負(fù)載順序,該廠#3燃?xì)廨啓C(jī)啟機(jī)至空載滿速過程中所需廠用電負(fù)荷變化曲線如圖2所示。

圖2 #3燃?xì)廨啓C(jī)啟機(jī)至空載所需廠用電負(fù)荷變化曲線

3 輔助調(diào)頻方案

3.1 儲(chǔ)能輔助調(diào)頻優(yōu)勢

為了保障電網(wǎng)的穩(wěn)定,南方電網(wǎng)要求發(fā)電機(jī)組須擁有調(diào)頻義務(wù),調(diào)頻能力強(qiáng)的機(jī)組可以通過電力輔助服務(wù)賺取利潤。代表電廠調(diào)頻能力的好壞由三個(gè)考核指標(biāo)來決定,分別為調(diào)節(jié)速率、響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)精度,又稱K1、K2、K3,三者的綜合指標(biāo)為K。K值是影響調(diào)頻收益的最重要指標(biāo)之一,K值越大,在調(diào)頻輔助服務(wù)競爭中就更有優(yōu)勢,調(diào)頻收益也就越高。對(duì)發(fā)電企業(yè)來說,提升K值就是提升利潤。

儲(chǔ)能系統(tǒng)參與輔助調(diào)頻具有以下優(yōu)勢:(1)響應(yīng)速度快,1～2 s;(2)調(diào)節(jié)速率快,可以在1 s以99%以上的精度完成指定功率輸出;(3)調(diào)節(jié)精度高,儲(chǔ)能電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)跟蹤曲線幾乎與AGC指令曲線重合。

3.2 基本思路

考慮到該電廠發(fā)電機(jī)組主變的額定容量,擬把儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)頻回路通過調(diào)頻變壓器接入汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)主變即#2主變、#4主變、#11主變的低壓側(cè)。

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)配置及接入方案

4.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)配置選擇

從圖2中可見,啟動(dòng)最大功率約7 250 kW,燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)至空載滿速所需時(shí)間約26 min,需要能量為0.681 kW·h。按照單臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)黑啟動(dòng)允許啟動(dòng)時(shí)間120 min作為每次啟動(dòng)時(shí)間來計(jì)算,啟動(dòng)所需能量約2.045 MW·h?？紤]黑啟動(dòng)失敗的可能性,設(shè)計(jì)容量按照兩次黑啟動(dòng)所需容量,容量應(yīng)不小 4.1 MW·h。儲(chǔ)能系統(tǒng)參與輔助調(diào)頻,放電深度維持在60%左右,容量應(yīng)不小于6.83 MW·h,再考慮儲(chǔ)能放電效率90%,儲(chǔ)能容量衰減到80%,容量應(yīng)9.5 MW·h。綜合考慮功率及容量,配置9 MW/9 MW·h儲(chǔ)能系統(tǒng),儲(chǔ)能電池充電和放電倍率均為1 C(C是電池充放電倍率的單位),即一小時(shí)可充滿或放光9 MW·h電量。

儲(chǔ)能電池系統(tǒng)由3套3 MW/3 MW·h磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)組成,每套包括蓄電池組、電池管理系統(tǒng)BMS、儲(chǔ)能變流器PCS(雙向工作)、能量管理系統(tǒng)EMS。其中蓄電池組采用模塊化設(shè)計(jì),由若干電池串并聯(lián)組成,從而獲得更大的功率容量。蓄電池組經(jīng)PCS、隔離變壓器與系統(tǒng)相連,并通過BMS和EMS對(duì)電池和能量進(jìn)行控制管理。每個(gè)電池組均裝有BMS對(duì)電池的充放電進(jìn)行在線管理,BMS與PCS通過以太網(wǎng)與后臺(tái)監(jiān)控相連,執(zhí)行充放電控制策略。

儲(chǔ)能系統(tǒng)帶有一路充電回路、儲(chǔ)能黑啟動(dòng)回路及儲(chǔ)能輔助調(diào)頻回路。每套蓄電池組經(jīng)過PCS、隔離變壓器后輸出6.6 kV至儲(chǔ)能系統(tǒng)母線。

為了保證儲(chǔ)能系統(tǒng)在全廠失電后能正常工作,設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能站用電源系統(tǒng),為儲(chǔ)能系統(tǒng)的照明、暖通和控制系統(tǒng)等輔助設(shè)備提供電源。它是由兩路380 VAC冗余電源通過自動(dòng)切換裝置后獲得,一路接入電廠380 V廠用電,另外一路接入站用變壓器6.6 kV/380 V低壓側(cè),從而保障在輔助供電中斷情況下儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行安全。

4.2 儲(chǔ)能黑啟動(dòng)回路接入方案

儲(chǔ)能6.6 kV系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.6 kV 6M、7M、8M儲(chǔ)能母線段,每一段母線容量均為3 MW/3 MW·h。6.6 kV儲(chǔ)能母線段設(shè)置了聯(lián)合開關(guān)和聯(lián)絡(luò)刀閘,3套3 MW儲(chǔ)能電源可以并聯(lián)使用,保證黑啟動(dòng)過程中微網(wǎng)容量足夠支撐輔機(jī)功率突變與波動(dòng)。

如圖3 所示,6.6 kV 6M段母線通過黑啟動(dòng)供電開關(guān)662H接入#02高廠變低壓側(cè)母排,作為黑啟動(dòng)時(shí)廠用電供電電源。6.6 kV 2M段母線引一回線路通過充電開關(guān)6072接入6.6 kV 7M段,作為儲(chǔ)能電池的充電回路。

圖3 儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖

4.3 儲(chǔ)能輔助調(diào)頻回路接入方案

選擇#2、#4、#11汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)出口作為各機(jī)組聯(lián)合輔助調(diào)頻接入口。汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)出口電壓為 10.5 kV,因此從每段儲(chǔ)能母線上通過開關(guān)接入一臺(tái)6.6/10.5 kV升壓變(#1調(diào)頻變、#2調(diào)頻變、#3調(diào)頻變),從每臺(tái)升壓變高壓側(cè)通過隔離開關(guān)分別接入#2 、#4 、#11 汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)出口,以實(shí)現(xiàn) AGC 輔助調(diào)頻功能。每套儲(chǔ)能系統(tǒng)可單獨(dú)對(duì)一臺(tái)機(jī)組實(shí)施輔助調(diào)頻功能,也可以通過儲(chǔ)能母線母聯(lián)開關(guān)實(shí)現(xiàn)多套儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)一臺(tái)機(jī)組實(shí)施輔助調(diào)頻功能。圖4為儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電廠示意圖。

圖4 儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電廠示意圖

5 儲(chǔ)能系統(tǒng)黑啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法

5.1 廠用電運(yùn)行方式

該電廠廠用電電壓等級(jí)為6.6 kV和400 V。6.6 kV 1M、6.6 kV 2M、6.6 kV 3M段母線正常運(yùn)行,由#01高廠變供電、#02高廠變供電開關(guān)聯(lián)鎖備用;6.6 kV 4M、6.6 kV 5M段母線正常運(yùn)行,由#03高廠變供電、#02高廠變供電開關(guān)聯(lián)鎖備用。

3套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組正常運(yùn)行,分別由6.6 kV 3M/4M/5M三段廠用母線各自供電,因此每段6.6 kV廠用母線需具備黑啟動(dòng)能力。為了保證燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)所需功率及負(fù)載容量,儲(chǔ)能6.6 kV 6M/6.6 kV 7M、6.6 kV 7M/6.6 kV 8M段母線之間設(shè)置母聯(lián)開關(guān),燃?xì)廨啓C(jī)黑啟動(dòng)時(shí),3套3 MW儲(chǔ)能采用并聯(lián)使用運(yùn)行方式。儲(chǔ)能6.6 kV 6M、6.6 kV 7M、6.6 kV 8M段母線并聯(lián)后經(jīng)開關(guān)接入廠用6.6 kV各段母線。

5.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)啟動(dòng)方案

儲(chǔ)能系統(tǒng)選擇黑啟動(dòng)方式,儲(chǔ)能母線段建壓完成。運(yùn)行人員根據(jù)選擇啟動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)通過#02高廠變低壓側(cè)母排來恢復(fù)相應(yīng)6.6 kV段電源,恢復(fù)機(jī)組啟動(dòng)所需廠用電源。

黑啟動(dòng)基本方法:儲(chǔ)能黑啟動(dòng)方式→儲(chǔ)能6.6 kV 6M/7M/8M母線段建壓→恢復(fù)機(jī)組廠用電→燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)→死母線合閘→110 kV 母線帶電→投入#01、#03高廠變→同期切換機(jī)組廠用電(退出儲(chǔ)能系統(tǒng)供電)→根據(jù)電網(wǎng)要求繼續(xù)恢復(fù)其他燃?xì)廨啓C(jī)或外送電源。

6 儲(chǔ)能輔助調(diào)頻功能實(shí)現(xiàn)方法

6.1 基本原理

在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中,增加儲(chǔ)能設(shè)備,以燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組作為響應(yīng)AGC 調(diào)頻指令的基礎(chǔ)單元,以儲(chǔ)能系統(tǒng)作為補(bǔ)充的快速響應(yīng)單元。利用儲(chǔ)能系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)輸出功率的能力,達(dá)到改善機(jī)組AGC 響應(yīng)速度和精度、緩解機(jī)組設(shè)備磨損并降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的目的[3]。

6.2 控制策略

儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后,對(duì)原發(fā)電機(jī)組響應(yīng)電網(wǎng)AGC指令進(jìn)行修改,修改基本方法如下:電網(wǎng)通過遠(yuǎn)動(dòng)裝置RTU下發(fā)AGC負(fù)荷調(diào)節(jié)指令,機(jī)組DCS系統(tǒng)和儲(chǔ)能控制系統(tǒng)EMS同時(shí)接收AGC指令,控制機(jī)組出力跟蹤電網(wǎng)調(diào)度指令。機(jī)組DCS系統(tǒng)和儲(chǔ)能控制系統(tǒng)同時(shí)響應(yīng),機(jī)組響應(yīng)較慢,儲(chǔ)能控制系統(tǒng)會(huì)快速響應(yīng)。隨著機(jī)組的響應(yīng),儲(chǔ)能控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)負(fù)荷指令和機(jī)組響應(yīng)出力情況來調(diào)整其輸出或儲(chǔ)存功率。當(dāng)機(jī)組實(shí)際出力低于AGC指令要求時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)放電饋送電能;反之,當(dāng)機(jī)組實(shí)際出力高于AGC指令要求時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)充電吸收電能,從而主動(dòng)彌補(bǔ)機(jī)組實(shí)際出力與AGC指令間的偏差,如圖5 所示。

圖5 儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)控制策略示意圖

7 結(jié)語

與傳統(tǒng)黑啟動(dòng)電源相比,儲(chǔ)能系統(tǒng)具有占地規(guī)模小、布點(diǎn)靈活、調(diào)節(jié)幅度更大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快等特點(diǎn)。如果在燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組中配儲(chǔ)能系統(tǒng),可在黑啟動(dòng)初始階段提供可靠的電源。而且不論是從配備發(fā)電機(jī)的類型,還是從穩(wěn)定性、啟動(dòng)成功率、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性上來說,儲(chǔ)能系統(tǒng)相較于小型柴油機(jī),都更具優(yōu)勢。儲(chǔ)能系統(tǒng)參與發(fā)電機(jī)機(jī)組黑啟動(dòng)時(shí),啟動(dòng)速度更快,更加經(jīng)濟(jì)可靠,有效解決局部電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源不足的問題,減少大停電損失,對(duì)電力系統(tǒng)崩潰后的恢復(fù)具有重要意義。

另外,隨著電網(wǎng)現(xiàn)貨市場政策的推行以及新能源滲透比例的不斷提升,電網(wǎng)對(duì)調(diào)頻里程的需求將會(huì)顯著提升,調(diào)頻機(jī)組參與AGC響應(yīng)的需求也會(huì)隨之提升。儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)能夠精確地響應(yīng)電力調(diào)頻,解決了傳統(tǒng)機(jī)組調(diào)節(jié)速率慢、折返延遲和誤差大的缺點(diǎn),又能夠使發(fā)電機(jī)組在保持平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)大幅度提高調(diào)頻性能,提高了機(jī)組運(yùn)行調(diào)整的安全性,為機(jī)組帶來經(jīng)濟(jì)效益。