摘 要：隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展，電力需求也隨之增加，當電網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電或系統(tǒng)瓦解時，如果能夠通過電廠“黑啟動”來恢復(fù)整個電網(wǎng)供電，就能夠顯著減少因停電所產(chǎn)生的影響和損失。上海地區(qū)的主力機組為火電機組，若將其作為黑啟動的電源點，則須配置柴油發(fā)電機帶動機組啟動，繼而恢復(fù)電網(wǎng)供電。當失去外部電源時，利用柴油發(fā)電機供電，啟動某燃機電廠單臺機組的黑啟動能力，掌握某燃機電廠機組在市電缺失情況下的黑啟動狀況和時間。

關(guān)鍵詞：黑啟動；燃機；負載特性

中圖分類號：TM 61 文獻標志碼：A

隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，電網(wǎng)安全問題變得更為重要[1]，黑啟動是保證電力系統(tǒng)發(fā)生大面積停電之后快速恢復(fù)供電的有效措施[2]。上海電網(wǎng)本地發(fā)電機組主要以燃煤和燃氣機組為主，為進一步提升上海電網(wǎng)的冗災(zāi)能力，需要增強上海電網(wǎng)的黑啟動能力。某燃機電廠安裝了柴油發(fā)電機，具備黑啟動的條件。該電廠黑啟動主要工作原理是當電網(wǎng)失電導致全廠停電時，啟動輔助柴油發(fā)電機向黑啟動柴油發(fā)電機的輔機供電，再啟動柴油發(fā)電機發(fā)電，經(jīng)柴發(fā)進線向6kV備用I段供電，再由6kVI段備用電源開關(guān)和6kVI段備用開關(guān)向6kVI段母線供電，使其成為燃機輔機的電源，以此啟動燃機實現(xiàn)并網(wǎng)，解決全廠停電、電網(wǎng)失電問題。因此驗證電廠黑啟動能力是保障電網(wǎng)安全的必要措施，本試驗通過柴油發(fā)電機帶負載能力試驗來驗證該電廠的黑啟動能力。

1 柴油發(fā)電機帶負載能力試驗

1.1 試驗?zāi)康?/p>

本次試驗旨在全面驗證柴油發(fā)電機帶輔機負載的能力。包括掌握柴油發(fā)電機啟動時間和運行時的負荷特性、柴油發(fā)電機帶廠用負載的穩(wěn)定運行能力以及在不同負載條件下的性能表現(xiàn)。為柴油發(fā)電機的優(yōu)化使用和可靠性評估提供準確、詳實的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1.2 試驗原理

為了驗證柴油發(fā)電機帶電廠內(nèi)燃機輔機的能力，需要對柴油發(fā)電機負載特性進行測量和分析。由于柴油發(fā)電機從啟動開始到燃機并網(wǎng)前的過程是非線性變化的，因此在電廠黑啟動過程中的負載絕大多數(shù)為異步馬達，異步馬達在啟動過程中對電源的啟動容量、穩(wěn)態(tài)容量、短路容量都有一定的技術(shù)要求，否則，在馬達啟動過程中，特別是大容量馬達啟動時，母線電壓過低會影響其他正常運行馬達的工作，或?qū)е埋R達不能正常啟動，出現(xiàn)啟動失敗，甚至設(shè)備損壞的問題[3]。而該電廠燃機是由GE公司生產(chǎn)的PG9171E型燃氣輪機，該機組的燃機啟動馬達是電壓等級為6kV、額定功率為1000kW的異步電機，也是所有輔機設(shè)備中功率最大的，對電源側(cè)的柴油發(fā)電機的影響最大。因此可以將試驗分為以下3個部分。1）柴油發(fā)電機自身啟動過程。2）柴油發(fā)電機在燃機發(fā)出盤車命令，燃機啟動馬達啟動的過程。3）柴油發(fā)電機在燃機啟動沖轉(zhuǎn)，燃機啟動馬達介入的過程。

1.3 試驗接線與測量點

某燃機電廠的電氣主接線圖和試驗接線點如圖1所示。

本次試驗共有2組測量點，電壓測量點為線電壓，電流測量點為線電流。1）柴油發(fā)電機—測量柴油發(fā)電機輸出的電壓（U）、電流（I）、有功功率（P）、無功功率（Q）。測量儀器為TK4024便攜式電量（波形）記錄分析儀。2）燃機啟動馬達—測量啟動馬達的電壓（U）、電流（I）、有功功率（P）、無功功率（Q）。測量儀器為TK2024便攜式電量（波形）記錄分析儀。

1.4 試驗過程

將黑啟動柴發(fā)作為電源側(cè)向該電廠#1燃機機組輔機供電，直至啟動燃機沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速即具備并網(wǎng)能力。

在啟動輔助柴油發(fā)電機后，啟動黑啟動柴油發(fā)電機，待黑啟動柴油發(fā)電機穩(wěn)定運行后，依次啟動#11燃機機組的輔機設(shè)備。

啟動燃機啟動馬達，帶動#11燃機沖轉(zhuǎn)至3000r/min。

試驗結(jié)束后#11燃機停機。

1.5 初始電源參數(shù)

黑啟動初始電源采用DIG156型柴油發(fā)電機。柴油發(fā)電機的主要參數(shù)：發(fā)電機容量為5475kVA，額定電壓為6300V，額定電流為502A，額定轉(zhuǎn)速為750r/min，功率因素為0.75，頻率為50Hz。

2 柴油發(fā)電機負載特性分析

2.1 柴油發(fā)電機的啟動特性

柴油發(fā)電機的啟動過程錄波曲線如圖2所示，由圖中電壓波形可以看出，在32.0s附近，柴油發(fā)電機開始建立電壓，在5.9s后，電壓相角達到穩(wěn)定，此時輸出電壓為446V。建壓19s后，電壓達到穩(wěn)定，電壓為6.30kV，其額定電壓為6.30kV。

根據(jù)柴油發(fā)電機的啟動特性錄波曲線可以得出結(jié)論，柴油發(fā)電機的建壓時間為19.0s。

2.2 柴油發(fā)電機的負載特性（啟動馬達驅(qū)動燃機盤車）

柴油發(fā)電機的負載特性錄波曲線如圖3所示，由圖中電壓波形可以看出，當輔機設(shè)備啟動時，柴油發(fā)電機電壓會出現(xiàn)瞬時降低或抖動，且受到負載設(shè)備容量的影響。在整個錄波過程中，共存在3次明顯的電壓暫降，其中，第三次電壓暫降主要由燃機啟動馬達所致。

由圖4的錄波曲線可以看出，在相關(guān)輔機啟動前，柴油發(fā)電機處于空載狀態(tài)。相關(guān)輔機設(shè)備完成既定任務(wù)后停止運行，因此柴油發(fā)電機穩(wěn)定運行后的有功功率和無功功率仍接近零。柴油發(fā)電機能夠帶動此類輔機啟動并穩(wěn)定運行。第一次電壓暫降時柴油發(fā)電機各電氣量特性見表1。

在輔機啟動過程中，柴油發(fā)電機的輸出電壓最低值為4.98kV，為額定輸出電壓的79.0%，最大值為6.40kV，為額定輸出電壓的101.6%。在系統(tǒng)受到?jīng)_擊后，650ms后柴油發(fā)電機的輸出電壓恢復(fù)穩(wěn)定（變化在柴油發(fā)電機額定電壓的±5%）。

由圖5的錄波曲線可以看出，在輔機啟動前，柴油發(fā)電機輸出電壓為6.29kV，輸出電流為6.79A，有功功率為0.06MW，無功功率為0.01MVar。在輔機啟動后，柴油發(fā)電機穩(wěn)定時的輸出電壓為6.29kV，輸出電流為6.31A，有功功率為0.07MW，無功功率為0.02MVar。柴油發(fā)電機能夠帶動此類輔機啟動并穩(wěn)定運行。第二次電壓暫降時柴油發(fā)電機各電氣量特性見表2。

在輔機啟動過程中，柴油發(fā)電機的輸出電壓最低值為5.72kV，為額定輸出電壓的90.8%，最大值為6.67kV，為額定輸出電壓的105.9%。系統(tǒng)受到?jīng)_擊后，1.3s后柴油發(fā)電機的輸出電壓恢復(fù)穩(wěn)定（變化在柴油發(fā)電機額定電壓的±5%）。

由圖6的錄波曲線可以看出，在燃機啟動馬達啟動前，柴油發(fā)電機輸出電壓為6.26kV，輸出電流為19.8A，有功功率為0.18MW，無功功率為0.11MVar。當燃機啟動馬達達到穩(wěn)態(tài)時，柴油發(fā)電機輸出電壓為6.29kV，輸出電流為142A，有功功率為1.40MW，無功功率為0.64MVar。在完成燃機盤車后，啟動馬達停止運行，此時柴油發(fā)電機輸出電壓為6.29kV，輸出電流為14.3A，有功功率為0.14MW，無功功率為0.06MVar。柴油發(fā)電機能夠帶動馬達啟動并穩(wěn)定運行。燃機馬達啟動時柴油發(fā)電機各電氣量特性見表3。

從錄波曲線可以看出，啟動馬達在694.0s時刻啟動，6s后達到穩(wěn)定（柴油發(fā)電機輸出電壓在額定電壓的±5%）。柴油發(fā)電機的輸出電壓最低值為4.22kV，為額定輸出電壓的67.0%，最大值為7.09kV，為額定輸出電壓的112.5%。

在燃機啟動馬達啟動瞬間（0.3s內(nèi)），對柴油發(fā)電機的沖擊最大，此時電壓最低值為4.22kV。啟動馬達啟動1.175s時，柴油發(fā)電機的視在功率達到最大，視在功率為8.18MVA，其中有功功率為1.68MW，無功功率為8.01MVar。

根據(jù)錄波數(shù)據(jù)可以得出，柴油發(fā)電機能在保持小系統(tǒng)相對穩(wěn)定的情況下，帶動啟動馬達啟動并完成燃機盤車任務(wù)。

2.3 柴油發(fā)電機的負載特性（啟動馬達驅(qū)動燃機沖轉(zhuǎn)）

柴油發(fā)電機的負載特性錄波曲線如圖7所示，由圖中電壓波形可以看出，輔機設(shè)備啟動時，柴油發(fā)電機電壓會出現(xiàn)瞬時降低或抖動，且受到負載設(shè)備容量的影響。在整個錄波過程中，共有2次明顯的電壓暫降情況，其中，燃機馬達啟動會導致第二次電壓暫降。

由圖8的錄波曲線可以看出，在循環(huán)水泵啟動前，柴油發(fā)電機輸出電壓為6.30kV，輸出電流為16.8A，有功功率為0.16MW，無功功率為0.08MVar。在循環(huán)水泵啟動完成后，柴油發(fā)電機穩(wěn)定時輸出電壓為6.31kV，輸出電流為78.0A，有功功率為0.71MW，無功功率為0.46MVar。柴油發(fā)電機能夠帶動循環(huán)水泵啟動并穩(wěn)定運行。第一次電壓暫降時柴油發(fā)電機各電氣量特性（燃機沖轉(zhuǎn)）見表4。

在輔機啟動過程中，柴油發(fā)電機的輸出電壓最低值為4.67kV，為額定輸出電壓的74.1%，最大值為7.06kV，為額定輸出電壓的112.1%。系統(tǒng)受到?jīng)_擊后，3.4s后柴油發(fā)電機的輸出電壓恢復(fù)穩(wěn)定（變化在柴油發(fā)電機額定電壓的±5%）。

由圖9的錄波曲線可以看出，在燃機啟動馬達啟動前，柴油發(fā)電機輸出電壓為6.26kV，輸出電流為99.3A，有功功率為0.89MW，無功功率為0.594MVar。當燃機啟動馬達達到穩(wěn)態(tài)時，柴油發(fā)電機輸出電壓為6.24kV，輸出電流為232A，有功功率為2.18MW，無功功率為1.21MVar。柴油發(fā)電機能夠帶動燃機啟動馬達完成沖轉(zhuǎn)并穩(wěn)定運行。燃機啟動馬達啟動時柴油發(fā)電機各電氣量特性（燃機沖轉(zhuǎn)）見表5。

從錄波曲線可以看出， 405.0 s 時，馬達啟動，在410s附近達到穩(wěn)態(tài)。柴油發(fā)電機的輸出電壓最低值為4.34kV，為額定輸出電壓的68.9%，最大值為6.92kV，為額定輸出電壓的109.8%。

在燃機啟動馬達啟動瞬間（0.3s內(nèi)），對柴油發(fā)電機的沖擊最大，此時電壓最低值為6.28kV。啟動馬達啟動1.261s時，柴油發(fā)電機的視在功率達到最大，此時視在功率為8.40MVA，其中，有功功率為2.56MW，無功功率為7.98MVar。

根據(jù)錄波數(shù)據(jù)可以得知，柴油發(fā)電機能在保持廠用電系統(tǒng)相對穩(wěn)定的情況下，帶較大容量輔機穩(wěn)定運行，并帶動啟動馬達啟動完成驅(qū)動燃機沖轉(zhuǎn)任務(wù)。

綜合柴油發(fā)電機的負載特性錄波曲線可以得到，當柴油發(fā)電機帶動小負載輔機設(shè)備時，電壓會暫時下降，并能迅速恢復(fù)正常。輔機設(shè)備啟動瞬間，隨著輔機負載容量增加，電壓下降幅度越大，恢復(fù)至額定電壓所需時間越長，但柴油發(fā)電機均能恢復(fù)廠用電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

柴油發(fā)電機在輕載的情況下，能帶動燃機啟動馬達啟動完成盤車任務(wù)；能夠在帶約900kW其他輔機負荷的情況下，帶動燃機啟動馬達啟動完成沖轉(zhuǎn)任務(wù)。在上述燃機馬達啟動過程中，柴油發(fā)電機能夠在小系統(tǒng)受到擾動的過程中，恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定并迅速將電壓恢復(fù)至正常水平，表明該柴油發(fā)電機能夠承受較大功率交換帶來的電壓沖擊。

綜上所述，柴油發(fā)電機具備正常帶啟動馬達等單臺燃機輔機設(shè)備的能力，并能按黑啟動的要求，在保證系統(tǒng)的穩(wěn)定的情況下，驅(qū)動燃機轉(zhuǎn)子盤車，并能順利完成燃機沖轉(zhuǎn)。

3 結(jié)論

通過本次黑啟動能力驗證試驗可得到以下結(jié)論。1）燃機啟動馬達在啟動瞬間對系統(tǒng)的沖擊較大，有功沖擊約為2.30MW，無功沖擊約為3.40MVar，沖擊造成系統(tǒng)電壓瞬間大幅下降。2）柴油發(fā)電機作為小系統(tǒng)中的唯一電源，具備帶動包括燃機啟動馬達等單臺機組輔機設(shè)備的能力。即使系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，柴油發(fā)電機仍具備保持廠用電系統(tǒng)穩(wěn)定運行的能力。3）#11燃機能依靠柴油發(fā)電機完成輔機設(shè)備啟動，并在廠用電系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，依次完成盤車和沖轉(zhuǎn)過程，具備正常啟機的條件。

綜上所述，電廠將AvKDIG156型柴油發(fā)電機作為黑啟動的電源點（發(fā)電機容量為5475kVA，額定功率為4106kW，功率因數(shù)為0.75）能夠帶動#11燃機的輔機設(shè)備正常運行，并能在保證廠用電系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，啟動燃機啟動馬達，驅(qū)動燃機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并完成沖轉(zhuǎn)，使#11燃機在無其他電源協(xié)助情況下，達到額定轉(zhuǎn)速（3000r/min）。本試驗為柴油發(fā)電機帶動單臺燃機啟動試驗。電廠運行人員在能夠熟練掌握本試驗全過程細節(jié)后，可在此試驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上進行拓展。進一步驗證單臺燃機孤網(wǎng)運行時的穩(wěn)定性和可靠性，并帶動另一臺同類型機組的能力、考驗單機空充線路并帶空載主變運行的能力和電網(wǎng)解列轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)運行的能力。該電廠除4臺9E燃機機組外還有2臺9F燃機機組，可以驗證黑啟動帶單臺9F燃機機組的能力。

參考文獻

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