百万机组孤岛运行的电气安全性分析

神华广东国华粤电台山发电有限公司 张杨迪，肖华宾，陈竞，高兴庆

百万机组孤岛运行的电气安全性分析

神华广东国华粤电台山发电有限公司 张杨迪，肖华宾，陈竞，高兴庆

孤岛运行是发电机组一种特殊的运行工况，具备孤岛运行能力的大型火电机组可以作为电网黑启动的电源点。本文介绍了百万机组实现孤岛运行的必要性和性能配置，通过对孤岛运行的触发和并网过程进行仿真和试验，论证了孤岛运行的电气安全性以及利用90%额定电压空充线路方案的可行性。

孤岛运行；快速切负荷（FCB）；黑启动；过电压

截至2014年底，全国全口径发电装机容量为13.6亿千瓦，其中煤电装机容量8.3亿千瓦，随着电力结构的调整，火电的装机容量比重以及发电量比重将会逐年降低，但火电在很长一段时间内都将仍是我国电力供应的主要来源[1]。另一方面，火电经过多年的发展与实践，其总装机容量大、技术成熟可靠以及600WM和1000MW大容量火电机组的广泛投产运营现状，使得电网对其有了更高的要求：节能减排、参与深度调峰以及做电网黑启动电源[2-4]。本文以南方电网内最大火力发电厂6号百万机组为例，主要介绍和分析其孤岛运行能力以及参与电网黑启动的过程。

孤岛运行是火电机组同电网解列自带厂用电运行的一种特殊工况，具备孤岛运行能力的机组能够在电网崩溃时维持厂用电、实现自启动，在系统恢复时作为黑启动电源，给停电的输电设备、重要用户和其它发电机组的厂用电负荷供电，同时维持合格的电压和频率，并逐步带动其它发电机组发电和扩大供电范围，最终恢复全网的正常运行状态[4-8]。

1 孤岛运行百万机组的配置

机组实现孤岛运行的前提是具备快速切负荷（Fast Cut Back，FCB）功能，具体来讲就是机组在高于某一负荷之上运行时（一般30%~40%额定负荷），因内部或外部（电网或线路等）故障与电网解列，瞬间甩掉全部对外供电负荷时，根据不同故障原因，分别实现快速减出力维持“机组与电网解列自带厂用电运行”或“停电不停机”或“停机不停炉” 的自动控制功能[9-11]。

孤岛运行工况对火电机组尤其是大型火电机组来说特别考验设备配置和控制能力。文献[12-16]对该类机组的高压旁路系统容量、低压旁路等系统配置、再热安全门型式、除氧水器容、汽泵汽源快切、控制系统的协调配合、负荷调节方式、厂用电切换等问题和要求进行了探讨。

国华台电6号机组是1000MW国产燃煤火力发电机组，其配置的超超临界塔式锅炉、超超临界单轴四缸四排汽反动式凝汽式汽轮机以及水氢氢冷却无刷旋转励磁发电机均为上海电气集团成套生产。旁路系统配置100%BMCR容量高压旁路，省去过热器安全阀，低压旁路容量为65%BMCR，另配100%再热器安全阀；给水系统配置2台50%容量的汽动给水泵；凝结水系统配置3台50%容量凝结水泵，其中2台变频1台工频；设有一个500m3的补给水箱，配备二台500m3/h的凝结水输送泵。

数字电液调速系统（Digital Electro Hydraulic Control System，DEH）内设转速控制模式，由上海汽轮机厂引进西门子技术成套配置；热力控制系统采用和利时分散控制系统（Distributed Control Systems，DCS），包括机组协调控制系统（Coordination Control System，CCS）、模拟量控制系统（Modulating Control System，MCS）、机组顺序控制系统（Sequence Control System，SCS）、电气部分发变组及厂用电的监控（Electrical Corotrol System，ECS）、锅炉炉膛安全监控系统（Furnace Safety Supervisory System，FSSS）、小汽轮机电液控制系统（Micro Electro Hydraulic Control System，MEH）等。

发电机额定电压27kV，发电机装设出口断路器，高压厂用电为6kV电压等级，设有2台高压厂用变压器，其电源从发电机出口断路器和主变压器之间引接，另有1台停机/备用变压器为6、7号机组共用，其容量与高压厂用变压器相同，电源从一期工程220kV母线引接。

采用3/2接线方式的6号发变组一次主接线图如图1所示，其中发电机额定容量1000MW，转速3000r/min；806为发电机出口断路器，具备自动准同期并网功能；主变容量1140MVA，发电机电能经主变升压至500kV；5041和5043为边断路器，分别同两条500kV母线（3M和4M）相连；5042为中断路器，同72.5km长的500kV鼓峰丙线相连，并且经过改造其已具备了自动准同期并网功能。1PT和2PT分别为500kV鼓峰丙线线路侧和6号主变高压侧电压互感器。

图1 6号发变组一次主接线图

2 百万机组脱离电网进入孤岛运行工况分析

下面以2013年11月7日6号机组100%负荷FCB试验为例，简要分析百万机组满负荷时甩去全部对外负荷进入孤岛运行工况的过程。

2.1 孤岛运行工况的触发

6号机组采用安稳装置的出口跳闸节点、断路器运行位置进行综合判断作为触发FCB的条件[17]，逻辑图如图2所示。

图2 电气FCB触发逻辑图

图3 FCB信号触发时序图

触发前机组在协调控制方式，负荷996MW，各项连锁保护正常投入， B/C/D/E/F五套制粉系统运行，A制粉系统热备用，A/B给水泵运行，A/B凝泵工频运行，C凝泵备用，A/B引风机、A/B送风机、A/B一次风机自动状态运行。10时38分05秒，人工模拟B套安稳装置动作，顺利切除5041和5042断路器后触发FCB，该信号为3个电气硬接点通过热控三取二逻辑确认后触发，持续时间7min，FCB触发时序图如图3所示。

2.2 孤岛运行工况的进入

FCB信号将触发锅炉RB信号，立即跳开F磨煤机，10s后再跳开E磨煤机，之后保持B/C/D制粉系统正常运行（锅炉目标负荷480MW）。发电机有功功率和无功功率变化曲线如图4所示，其中有功功率即机组负荷在2s内由试验前的996MW降至32MW，无功功率由181MW降至28MW。

图4 发电机有功及无功功率

理论上讲机组进入孤岛运行工况，由于突然甩掉对外全部的负荷，电磁功率突然减少，而机械功率不变，机端电压会升高，发电机转速（同汽轮机转速）也会升高；根据反馈，励磁系统开始调节机端电压，由于发电机转子绕组电感较大，其励磁电流不能突变，导致机端电压下降；随后，随着发电机转速飞升机端电压会再次上升，并最终在励磁调节的作用下稳定于额定电压；汽轮机超速保护（Over Speed Protect Controller，OPC）动作，旁路系统打开，机械功率迅速减小，机组进入转速控制模式，转速也随之逐渐稳定，最终稳定于3000r/min左右。

图5为试验过程中汽轮机转速曲线，可以看到机轮机转速试验前3001r/min，FCB 触发后转速开始飞升，至1.2s转速飞升至最大值3150r/min，之后转速开始下降，至12s，转速下降至最小值2954r/ min，之后转速开始恢复，至22s转速稳定在2995r/min，期间OPC可靠动作使得汽轮机转速高峰未触及110%的基本保护停机值，转速变化过程同理论分析一致。

图5 汽轮机转速曲线

FCB触发过程中发电机机端相间电压（线电压）录波图如图6所示，从上到下分别是UAB、UBC和UCA的有效值波形，可以明显看到试验前机端电压为27kV，FCB触发后经过约0.7s机端电压升至最高（约29.7kV），随后又经过约2s电压降至最低（约26.5kV），之后又经过约6s机端电压逐步稳定在27kV左右。

图6 100%FCB试验机端三相电压

表1记录了6号发电机组进入孤岛运行工况过程中发电机机端电压的部分实测数据，有别于上方相间电压的录波，此处分相别进行测量和记录。可以看到进入孤岛运行的过程中暂态过电压倍数C相最大，达到了1.12倍，A、B相均为1.08倍，这同上面录波曲线得到的数据基本保持一致（约1.1倍），并且过电压倍数并未达到发电机过电压保护定值（Ⅰ段1.25倍0.5s动作、Ⅱ段1.40倍0.1s动作），也远低于电力系统设备的绝缘承受能力[18-19]。

表1 孤岛运行发电机机端电压实测数据

3 孤岛运行百万机组并入电网过程分析

孤岛运行机组并入电网分两种情况：一是接入有载电网，二是对空载线路进行充电，对空载线路充电又有三种方式：低电压充电、全电压充电和零起升压。

3.1 孤岛运行机组并入有载电网

以台电6号机组为例，当安稳装置动作触发FCB后，5041和5042断路器分断，6号发变组同500kV电网分离自带厂用电运行，如果确认电网故障消除并且电网已带载，那么6号发变组并入电网可有两种方式：一是孤岛运行状态直接通过安装设有自动准同期装置的5042断路器同期并网，随后再合上5041断路器使得系统合环运行；二是将孤岛运行机组的厂用电倒换至启动/备用变压器带，断开发电机出口断路器806，进行主变倒送电，之后再将高压厂用电倒换至两台高厂变带，最后通过装设自动准同期装置的发电机出口断路器806同期并网。第二种操作方式适用于主变高压侧断路器无同期并网功能的机组，但是在切换厂用电过程中存在很大的风险，若厂用电切换失败将引发停机停炉。台电5042断路器在建设之初并未设计同期并网点，为了使得第一种并网方式顺利实施，6号机组完成了5042断路器加装同期点的改造。

3.2 孤岛运行机组对空载线路充电

当遭遇电网故障或大面积停电时，安稳装置动作触发FCB，6号机组进入孤岛运行工况，在电网恢复的过程中维持孤岛运行的6号机组将发挥黑启动电源的作用，向空载的鼓峰丙线充电，恢复局部电网。此种情况下线路存在较大的充电电容，系统情况复杂，若机组及系统参数配合不当，或者恢复操作不当，将可能出现发电机自励磁、进相能力不足以及系统过电压问题。

3.2.1 发电机自励磁

发电机自励磁将导致机端电压幅值失控飙升，损坏设备绝缘或诱发轴系振荡。文献[20]用阻抗比较法从理论上计算和验证了6号机组空充鼓峰丙线不会发生机组自励磁，并且可以通过计算得知机组发生自励磁时所对应的线路边界长度为342km，远大于鼓峰丙线72.5km的实际长度。

为了验证6号发电机对鼓峰丙线充电时是否会发生自励磁现象，2013年7月4日，进行了发电机空载条件下带鼓峰丙线零起升压试验，通过手动励磁的方式对机端电压进行控制，手动零起升压过程中各测点的稳态电压及发电机出力数据如表2所示。

表2 发电机带空线路零启升压试验结果

根据测量结果，在手动零起升压过程中随着励磁电压逐渐增大，各测点的电压随之平稳增大，发电机电流、有功、无功也随之平稳增大且满足机组安全运行的要求，验证了6号机组空充鼓峰丙线不会发生机组自励磁。

3.2.2 发电机进相能力

根据发电机和线路参数建立仿真模型对6号发电机空充鼓峰丙线进行模拟测试，当机组由孤岛运行工况向空载线路充电，发电机输出有功P=44MW，无功Q=55MVAR；当机组在启备变带厂用电条件下（也即发电机空载）空充线路时，机组输出有功约为5MW，无功约为Q=80MVAR。

6号发电机进相运行稳定极限示意图如图7所示，仿真得到的两种工况下机组空充线路运行稳定点在图中分别对应A（4.4%，-5.5%）和B（0.5%，-8%），很明显两者均处于稳定边界之上，说明机组进相运行能力满足空充线路工况的要求。

图7 6号发电机进相运行与稳定极限示意图

另外，在表2中还可以看到：6号发电机带空线路零启升压试验过程中，电压稳定在100%时机组的有功和无功功率分别为6.12MW和-86.89MW，机组运行稳定，也验证了以上仿真结果和机组进行分析的正确。

3.2.3 系统过电压

作为黑启动电源，不管是传统的水电机组还是具备孤岛运行能力的火电机组，其作为“星星之火”参与电网故障后的恢复不可避免地会出现系统过电压情况，而黑启动电源向空载电网送电又有三种方式，采用零起升压方式对线路充电可以有效控制过电压倍数，但是操作缓慢升压时间过长，对燃煤机组来说不便执行，影响整个电网的黑启动效率；直接采用全电压空充线路的方法操作简便、效率最高，但是系统过电压倍数较高，容易对设备和系统造成绝缘击穿等损坏；采用低电压对空载线路进行充电，可以弥补以上两种方法的不足，避免设备损坏或避雷器动作而重复停电等异常[21]。

为了确认应该以具体什么数值的低压向线路充电，我们通过多方讨论并用仿真模型进行多次测试，最终确定了6号机组空载条件下以90%发电机额定电压空充鼓峰丙线的方案。表3记录了90%发电机额定电压空充线路仿真电压数据，为了便于分析这里只列出各测点最大过电压倍数相别的数据。

表3 90%发电机额定电压空充线路仿真电压数据

在表3中我们可以看到用90%额定电压空充线路，主变高压侧以及线路末端的暂态过电压倍数最高、持续时间最长，分别达到了1.83倍82ms和1.87倍88ms，而鼓峰丙线线路保护定值为“80V”，换算为线路额定电压倍数的话约为1.386倍，虽然暂态过电压已超过线路过电压定值但整个暂态过程很短只有约0.08s，而且并不是整个暂态过程均超过保护定值，所以线路保护不会动作。对于发电机来说，空充过程中机端电压暂态过电压倍数最高达到1.41倍，暂态过程持续时间40ms，也不会触发发电机过电压保护动作。

2013年7月4日进行了90%发电机额定电压空充鼓峰丙线试验，对空充过程的过电压情况进行检验，相关测试数据记录如表4所示。

表4 90%发电机额定电压空充线路试验实测电压数据

对比表3和表4我们可以发现90%额定电压空充线路实测数据同模拟数据基本一致，各电压等级的暂态过电压水平均满足国标和设备参数要求[18-19]。

4 结语

本文分析了火电厂百万机组FCB触发进入孤岛运行工况以及重新并入电网的过程，就其中发电机组配置、系统过电压、发电机转速飞升、有功无功负荷调节、机组自励磁及进相运行能力进行论证和分析，通过仿真模型测试和试验实测对比得出结论：台电6号机组三大主机设备以及高低旁路、再热器安全阀、给水系统、凝结水系统、热工控制系统、电气设备配置均满足了孤岛运行工况的要求，在参与电网黑启动的过程中不会发生机组自励磁和进相能力不足的文体，并且在机组进入孤岛运行工况和以90%额定电压空充鼓峰丙线的过程中不会发生危机设备和系统安全的过电压现象。

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Analysis on Electrical Safety for Island operation of 1000MW unit

Island operation is a special working condition of power unit. Large thermal power generating unit with the ability of island operation can be used as a black start power. This paper introduces the necessity and performance configuration of 1000MW units to achieve island operation ability. Simulation experiments of island-operating and power grid interconnecting demonstrates the security of island operation and the feasibility of the scheme with 90% rated voltage charging circuit.

Island operation; Fast cut back (FCB); Black start; Overvoltage

张杨迪（1990-），男，安徽淮北人，助理工程师，理学学士，2011年毕业于中南大学，现任神华广东国华粤电台山发电有限公司电气二次专业检修工程师，从事大型火电机组继电保护和电气自动化设备的调试维护和技术管理，主要研究方向为发电厂电力系统自动化、发变组及线路保护。