电厂黑启动与汽轮发电机并网研究

电厂黑启动与汽轮发电机并网研究

贾飞

(中国电建集团江西省电力建设有限公司江西南昌330001)

摘要：黑启动是指在运行期间发电厂的电网发生故障后，在系统中使用外部电网或自启动发电机组。它可以实现并网运行，从而扩大电厂的供电范围，最终使整个电网恢复复合。本文通过对黑启动结构控制系统阐述，深入探讨电厂黑启动与汽轮发电机并网的技术问题。

关键字：电厂；黑启动；汽轮发电机；并网；

近年来，随着中国经济建设的发展，社会各行业的用电量不断提高。2017年，全社会用电总量达到6亿千瓦时，比往年增加10％。随着用量的提高，电厂的电网规模也不断扩大，甚至出现了跨区域的电网互联状况。由于电网规模的扩大，使得电网中各系统之间联系越紧密，局部系统的故障也可能会导致整个电网系统出现故障，反过来，它将给国民经济带来一定的损失，这样能够快速恢复电网运行状况，减少由于长时间停电给社会生产带来的经济损失。黑启动指的是在电网部分或完全停电期间在外部系统或系统中具有特定自启动功能的发电机组的帮助。启动系统中不具备自启动功能的发电机组可逐步恢复各系统的供电功能，实现整个系统的供电。这可以缩短电网复杂恢复的时间，减少因停电造成的社会经济损失。然而，对于电网的负荷恢复来说这是一个较为复杂的过程，而且在实际运行过程中，如果电网发生了大规模的停电，合理可行的黑启动恢复方案可以给相关人员提供参考。

一，黑启动方案的制定

印尼加里曼丹岛玛拉札瓦项目2x27.5MW燃煤机组，特殊点在于外网迟迟无法入场，为了实现项目部的里程碑节点，使用外电网电源进行的机组常规调试、汽轮发电机定速、励磁、短路、空载等机组试验工作，现场采用黑启动柴发机组群（2x1800kW，6.3kV）充当外电网电源，进行机组启机试验工作。厂用负荷电源完全依靠黑启动柴发提供，在并网异常时保安段电源由单独400V柴发供电，当单独400V柴发出现断电时，自动转为由黑启动柴发作为电源进行供电，会发生全场失电，此时会导致核心设备断电，会引起锅炉干烧、引风机、一次风机断电的风险。因此需要高度重视黑启动柴发机组群并网柜的性能调试。

通常黑启动阶段需要经历半小时至一小时之间，黑启动电源会首先与相邻的跳闸具有临街时间限制的电厂联系供电，并且启动电厂的常用复合，进而使得电厂恢复供电功能，进入并网，形成孤立运行的子系统，黑启动电源可以是燃气轮机和水轮机。然而，在黑启动阶段过程中存在的问题是：黑启动电厂的启动运行特征，向空载线路充电引起的自励磁和过电压问题，黑启动过程中的频率及电压偏移问题，由于母线上并联电压互感器而引发的谐振问题等。在这一阶段主要涉及电网从电磁暂态过程逐渐过渡到机电的暂态过程，最后形成系统的准稳态恢复过程。在执行黑启动会方案过程中，可能会遇到黑启动机组的进相问题，以及各个保护之间的相互配合。

（一）在制定黑启动计划的过程中，必须遵循一定的要求。具体来看，首先遵循科学性原则。在深入理解电力系统的技术特点以及使用场合的情况下，比如交直流混合仿真技术，大机组容量技术，能够结合电厂的实际运行情况，将这些技术有效应用于黑启动方案中。其次，还必须遵循实用性原则。在电网的黑启动恢复中，负载恢复所涉及的单元需要密切配合。有序原则是指电网黑启动中的所有操作，如子系统电压控制，黑启动功率，被启动电厂并网运行等环节，都需要遵循电网的严格操作并按顺序完成。

（二）制定黑启动方案中遇到的问题

首先需要进行黑启动电源的选择。在选择黑启动电源的过程中，它可以由外部电网或具有来自内部电网的一些自动启动能力的发电机组组成。当电网内的电动机用作黑启动电源时，该装置启动较快，通常被认为是黑启动电源。但对于火力发电组的汽轮机组来说，由于动作较快，且具有良好的调压，调频功能，因此也可以被认为是一种黑启动电源。需要注意的是，柴油发电机机组也可以也被认为是电网中一些系统的黑启动电源，当通过外部网格需要黑启动时，相邻的电网子站可以用作黑启动源。能够有效避免由于黑启动过程初期启动量不足的问题，加快系统恢复正常运行状态。其次，有必要进行自激检查。发电机端电压自发上升的现象。进而使发电机电压保护装置动作，整个过程是一个反馈调节的过程，然而，发电机机端的电压不会一直升高，主要是由于磁路饱和条件的限制，因而最终会达到稳定值。操作过电压的校核。操作过电压实际上是指电力系统中的一些电容器，电感元件充电和放电过程中产生的高频振荡，以及由于长线空载而产生的过电压，在操作过程中电压持续时间短，但由于变化值较大，因此也会损坏电线路绝缘，进而导致线路的保护装置的动作，因此对于空载的线路需要进行核查，必要时可以进行操作过电压的仿真实验。对于带厂用负荷时电压和频率的校核中，电压和频率是电力系统运行过程中重要的电能质量指标，电压的稳定是指电网突然大负荷或者遭受一定程度的波动时，系统能够稳定电压值，电压的稳定性和电网结构是与其负荷特性相关的，但是，电力系统的频率可以直接反映电力系统的有功功率状态，频率偏移也与系统的有效平衡有关。是电力运行中的重要指标之一。黑启动实际上是通过长线空载的黑启动电源，可用于启动发电厂的共同负载。反过来，可以启动黑启动发电厂，并且可以将发电厂恢复到一定的负载容量，然后将启动的发电厂和黑启动发电厂连接到电网。形成系统并逐步恢复供电范围，实现整个电网的负荷恢复。在黑启动过程的早期阶段，由于刚刚建成的小系统相对较弱，即使外界的负载波动很小，电力系统的频率也可能波动很大。甚至使这个电厂和黑启动电厂并网形成的小系统出现崩溃，被启动电厂的负荷容量虽然比较大的，但是，黑启动电源相对来说容量更大，被启动电厂的电负载受黑启动电源容量的限制，这将对电力系统的电压和频率产生一定的影响。因此，当负载恢复时，需要实时监控系统的频率和电压，以防止电力系统崩溃。需要对负荷恢复进行严密的控制。一般来说，一次性恢复的负荷量不可以超过发动机额定值的5%。

针对我们的项目部给出的初步方案是黑启动柴油机组与汽轮发电机并网完成后，黑启动柴油机组群缓慢降低功率至零，汽轮发电机逐步将功率输出提升，然而技术重点在于黑启动与汽轮发电机并网。

二，发电机组构成的供电系统

我们使用的发电机组的功能主要是通过基于电源的发电机驱动发电厂的辅机，无需外网使汽轮机可以发电。汽轮机发动机单元主要基于供热和供电的综合运行。当发电厂建成后，柴油发动机用于启动蒸汽涡轮发动机，整个发电厂可以实现独立的自供电站。蒸汽轮机可以在电网上或在单个机器中运行。另一个蒸汽轮机由发电的蒸汽轮机启动。柴油发电机组负荷为给水泵，引风机，一次风机，循环水泵，需根据工艺要求依次启动。在柴油发电机已经有部分负荷的情况下，启动这种进料泵将导致发电机组的电压更大。因此，需要通过变频启动来实现给水泵。但不会使用软启动器启动，主要是由于软启动器也同样需要较高的容量，且受到启动力距的限制，存在谐波问题，因此当以这样的变频器启动时，容量小，并且转矩大，并且在启动完成之后可以适当地改变变频器的频率。实现节能的电力运行。

三，控制系统

并联控制系统是整个发电机组控制系统的核心。它由触摸屏，PLC和其他组件组成。自动启动发电机组和开关设备，并通过触摸屏接受用户信息，手动启动和停止设备。输出机柜和进柜的开关操作。另外，用户可以使用上位工业计算机来实现发动机组的远程自动启动负载等功能。具体地，并联控制器是柴油发电机组并联控制所需的模块，并且可以确定单元的出口和无线之间的电压差。频率差等，如果发电机组的频率和电压值有效调整，在车辆满足后，可以将脉冲信号发送到终端。完成单元后和车辆后，根据不同单元的功率分配调整单元的电压和频率。单元之间的负载处于平衡状态。过低，过频等。并网控制器的作用是控制一些控制器，使发电机能够被连入电网。发电机组的有效控制可以向涡轮机输出一定量的功率并将发电机的负载传递到电网。PLC是具有I/O，DA等功能的可编程控制器，具有强大的容量扩展能力。它可以通过上位工业计算机的通信实时监控和保护整个发电机供电系统的运行状态。

四，发电机的并车带载

当可编程控制器从工厂控制台接收到启动命令时，该命令被发送到控制器并且并行控制器启动引擎。当某个发动机首先达到稳定状态时，首先判断发动机总线电压是否为零。此时，发动机的母线处于充电状态。当电压和频率满足同步要求时，它们将与相应的发电机出口开关闭合，两个发电机处于空载状态。当电网完成后，柴油发电机并联控制器将控制负荷开关柜关闭，柴油发电机组将开始负荷运行。并且能够有效控制这种负载均衡状况。控制器实时监控两台发电机组的功率并调节其调速器，以确保两台柴油发电机组的运行功率相等。为了避免重复操作，还在控制器中设置死区调节，其中控制器不调节柴油发电机组的速度。

五，发电机组控制系统的调试过程

首先，有必要进行单机调试。模拟调整保护参数以调试发电机差动保护值。发电机在空载时启动，并观察发电机的电动机参数和机械参数的正确性。在发电机的空转状态正常后，执行发电机的调速器下垂特性的负载设定，如果上述链路处于正常状态，则需要对具有防水性的发电机上的负载进行测试。在电网连接过程中观察两组发电机在负载上的分布。如果发动机在车载测试期间正常运行，则需要模拟发电机的反电网控制系统的功能。具体地，一个发电机用于启动电网，另一个用于水阻负载，并且观察两个发电机的负载转移和固定功率输出。发电机由并联控制器启动，两个发电机和汽轮机电网通过控制器相互连接。观察发动机是否可以按原设定功率输出，经过上述调试后执行黑启动实验，并由集中控制站发出启动命令。车辆控制器启动装置以自动分开开关柜。在操作期间，黑启动过程持续约9小时，柴油发电机组在这个过程中能够启动，确保电压频率维持在标准范围内，而且，发电机在无功功率和有功功率分配方面相对平衡，并且控制相对稳定。

小结

随着发电厂规模的扩大，利用柴油发动机组作为黑启动的需求不断增加，本文通过对黑启动结构控制系统最近阐述，深入探讨了电厂黑启动于汽轮发电机并网。

参考文献:

[1]刘力卿,米增强,杜平,等.用于黑启动暂态分析的DFIG空载并网仿真[J].系统仿真学报,2016,28(7):1575-1585.

[2]王琳.孤立微电网的黑启动状态研究[D].辽宁工业大学,2017.

[3]张驰.EPS作为QD128燃气轮机发电机组黑启动电源的探讨[J].工程技术:全文版,2016(11):00318-00319.

作者简介：

贾飞（1983-），男，山东济宁，大专，助理工程师，从事电站电气调试工作。