利用水力发电机组进行黑启动的试验研究

王新乐

(云南电力试验研究院(集团)有限公司，昆明 650217)

0 前言

随着电力系统规模和容量的逐渐增大，大容量机组、长距离输电线路的大量投入使用，使电网的安全问题变得越来越重要，受战争、自然灾害等不可控因素影响，大面积停电事故是不可避免的，而在发生大面积停电后，如何进行电网的黑启动自救从而快速恢复整个电力系统的正常运行，对减少事故带来的经济损失和社会动荡是至关重要的。

1 主要内容

1.1 定义

1.1.1 黑启动定义

所谓黑启动，是指整个系统因故障停运后，系统全部停电(不排除孤立小电网仍维持运行)，处于全“黑”状态，不依赖别的网络帮助，通过系统中具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复。黑启动的基本任务为:对内恢复厂用电，对外配合电网调度恢复电网运行。机组具有黑启动功能不仅是电站在全厂失电情况下安全生产自救的必要措施，也是电网发展的需要。

1.1.2 黑启动试验

黑启动试验是指，为了验证在发生系统大面积停电情况下电厂的黑启动能力，并发现应急预案中未考虑周全的问题，人为模拟厂用电全失及区域电网停电，通过有序组织、合理安排来恢复厂用电，从而恢复对区域电网供电的一种验证手段。需要说明的是，受各种条件制约，黑启动试验几乎不可能完全模拟真实全网失电情况，因此相对于绝对参考价值，其验证结论的相对参考价值更大一些。

1.2 试验验证结果

根据云南电网网架结构，选取大盈江三级(3×50 MW)、功果桥(4×225 MW)、弄另(2×90 MW)、景洪(5×350 MW)、龙开口(5×360 MW)、苏家河口(3×100 MW)等水电厂进行黑启动试验，以验证其黑启动能力，发现应急预案中未涉及的问题并提出相应的解决方案。

1.2.1 黑启动方式

目前，黑启动较为常用的方法主要有两种，即调速系统自储能启动和事故备用电源(柴油发电机机)启动。参与试验的水电厂根据自身实际情况选择试验方式，最终各电厂选择的黑启动方式如表1 所示。

表1 各厂黑启动方式选择

1.2.2 黑启动时间

黑启动试验一般从试验总指挥下令开始计时，机组恢复带厂用电终止计时。各厂试验 用时如表2 所示。

表2 各厂黑启动试验耗时

1.3 存在的问题及解决方案

1.3.1 方式选择

1.3.1.1 自储能启动存在的障碍或风险

利用调速系统自储能进行黑启动是指在全厂失电、调速系统油压装置油泵无法启动的情况下，完全依靠压力罐储存的剩余压力能，手动开启导水叶使机组冲转至额定转速，然后对发电机出口断路器进行无压合闸，通过发电机励磁系统带主变及高厂变零起升压，直至建压至额定电压后再合上高厂变低压侧馈线断路器，由机组供给厂用电，进而恢复对全厂乃至电网供电。

从各电厂试验情况来看，自储能启动方式可能存在的障碍或风险主要包括以下几点:

1)启机前的障碍，在无交流电供给的情况下，一些电厂存在不满足开机的系统。如功果桥电厂大轴蠕动装置无法操作与大轴分离;龙开口电厂推力瓦采用巴氏合金瓦，高压油顶转子装置需要在低转速(＜95%Nr)下处于常投状态以形成油膜防止烧瓦。

2)建立送电通道的障碍，主要指在无交流电情况下操作合闸送电通道上断路器与隔离开关的障碍。如功果桥电厂发电机出口隔离开关操作电源取自交流电，机组带厂用电之前无法合闸。

3)升压过程中的风险。如功果桥电厂励磁风机电源取自励磁变，其控制逻辑设定为启励30 s 以内，若三台励磁风机均不启动则判断为启励失败退柜。因此如果手动启励过程超过30 s 则自动判为启励失败。

4)其他风险。如松山河口电厂机组工作密封磨损严重，导致厂内渗漏排水流量较大，排水井水位上升过快，存在水淹厂房的风险。此外，在恢复交流电供给以前，对全厂的直流系统是一个严峻考验。

1.3.1.2 柴油机启动存在的障碍或风险

对于配备有厂内柴油发电机的电厂，可以直接启动柴油发电机供给机组厂用交流电，具备开机条件后开机，带主变零起升压，之后断开柴油发电机，同时合上高厂变低压侧馈线断路器，由机组供给厂用电，进而恢复对全厂乃至电网供电。

从各电厂试验情况来看，柴油机启动方式最有可能存在的风险就是短时失电的风险。柴油发电机与机组分属两个不同规模的电源点，不能同时供给厂用电，因此在恢复由机组带厂用电之前，需要先将柴油发电机断开，会出现机组在运转状态下短时失去厂用交流电的情况，可能会对机组运行状态造成影响。如多数电厂为防止因主轴密封水中断导致的密封磨损，均设置有流量低+压力低延时跳机逻辑，而厂用交流电的失电时间如果大于此延时，则会让LCU“误判”为跳机逻辑满足从而导致停机。

1.3.1.3 解决方案

对于自储能启动方式可能存在的障碍或风险，可以通过对设备的适当改造将其排除，如将大轴蠕动装置电机电源和发电机出口隔离开关操作电源改造为取自UPS 供电，保证在无交流电供给的情况下部影响开机及送电通道的建立;在不影响可控硅温升的前提下，通过修改程序将励磁风机控制逻辑中的跳机延时适当延长，保证建压时间不超过此延时，以确保建压成功。

对于柴油机启动方式存在的机组运行过程中短时失去厂用交流点供给的风险，则可以通过运作方法的革新来避免。如松山河口电厂黑启动试验过程中，在机组建压后，为了防止柴油机断电后的短时失电造成的影响，先利利用机组A 向220 kV 母线供电，通过母线倒送将机组B 的主变及高厂变带电，从而恢复其B 段厂用电，然后将机组A 的厂用电负荷全部转移至B 段供电，此时断开柴油发电机后就不会造成机组A 的短时失电，待机组A 正常带A 段厂用电运行后再将机组A 的负荷转移至A 段恢复正常运行状态。

1.3.1.4 两种方式的利弊分析及其选择

自储能启动的优点在于对电气系统依赖性不高，在“全黑”情况下的可操作性较强，而且它完全依靠试验机组零起建压后带自身机组段厂用电，直至逐步联络恢复全厂其他机组段及公用段厂用电，与柴油发电机启动方式相比，倒闸操作相对较少，降低了在突发情况下因倒闸操作失误而引发的风险。但自储能启动方式也有其自身的弊端:在完全恢复机组带上厂用电以前，全厂均无交流电供给，这首先对直流系统是一个考验。另外更重要的是，机组从启动到无压合闸再到建压的过程中，往往某个或某几个单体系统是需要交流电供给才能满足流程继续执行的条件的，如上所述的大轴蠕动装置以及隔离开关的操作。这就形成了一个死循环:即不满足开机条件就无法开机，无法开机就无法建压带厂用电，无法恢复厂用交流电供给就不满足开机条件。

柴油机启动方式则恰好相反，其优点在于在机组启动前就能够利用柴油发电机供给厂用交流电，对直流系统要求相对不高，整个黑启动过程均由交流电供给，与正常运行方式差别不大，甚至可以满足自动开机条件，从而使机组启动时间大大缩短，也降低了手动开机的风险。但柴油机启动方式的弊端也显而易见，其涉及到的厂用电分段较多，馈电通道较复杂，需要的倒闸操作较多，因此因倒闸操作失误而引发风险的概率也大大增加。

对于黑启动方式的选择，由于自储能启动方式对于电气系统依赖性不高，属于真正意义上的“黑”启动，因此建议黑启动方式应以自储能启动为首选，柴油机作为事故备用电源可以作为备用方式。当然，如果电厂不具备自储能启动的条件——如前所述龙开口电厂的高压油顶起装置——那么也只有采用柴油机启动方式，这就要求电厂保持对于柴油机良好的维护水平，如定期启动，油料的定期补给等。

1.3.2 黑启动耗时

1.3.2.1 计时标准不统一

黑启动最明显的社会意义莫过于尽可能“快”的恢复电网供电，其中耗时是一个比较容易量化的标准，因此也是被大家普遍关心的问题，而计时标准的统一是考虑耗时问题前提。由于水力发电厂型式多样，因此计时标准的统一也困难重重。目前来看，对于计时标准问题主要有以下几个观点:

1)从全网失电开始计时，终止于全网(或区域电网)恢复向所有负荷用户供电;

2)从全网失电开始计时，终止于向网内重要负荷用户供电;

3)从全网失电开始计时，终止于向其他并网电源点倒送厂用电。

1.3.2.2 试验耗时与真实时间差距较大

耗时是黑启动试验需要验证的重要数据，但由于黑启动试验无法完全模拟真实情况，因此试验耗时与真实全网失电情况下所需时间存在较大差距。主要有以下几点原因:

1)与突发失电事故相比，黑启动试验属于有组织的生产活动，其组织方式、反应能力、随机因素等的不同决定了时间的差距;

2)受电网及电厂运行方式制约，试验内容往往比真实黑启动要省略，如电网无法实现模拟全网停电，试验机组启动后并网这一步就显得毫无意义。

受以上因素影响，黑启动试验耗时往往比真实时间偏小，如2005 年中国海南电网因台风造成的全网失电，用时1 小时25 分钟黑启动成功，而从各厂的实际试验耗时来看，最大耗时仅为45 分钟，也从侧面印证了此观点。

1.3.2.3 解决方案

对于计时标准问题，业界尚未有相关规范给出具体规定，但作者认为第一种观点供电范围过大，受事故后不确定因素影响较大，如果以此作为计时标准，势必将计入很大一部分非供电部门可以决定的时间;而第三种观点又过于狭义，实际上只是为恢复供电做好了准备，并未真正恢复任何用户的供电。第二种观点比较合适，既考虑了关系国民经济及国家安全的重要负荷的优先恢复，又将恢复供电范围掌控在供电部门可以掌控的范围之内，有利于相关部门根据事件的轻重缓急对事态加以判断，以便做出合理决策。

1.3.3 孤网下的调节品质

1.3.3.1 频率/电压的波动

在真实全网失电情况下，一旦机组启动成功，除了恢复自身自用电以及全厂厂用电以外，最重要的任务就是安全迅速的向电网供电，因此并网运行是必经步骤。但此时的并网不同于平时，属于特殊工况。尤其首台黑启动成功的机组，其输电线路上尚没有其他负荷，并网后机组仅带厂用电负荷以及空线路阻抗运行，相当于孤网运行模式，其电压、频率的波动较大，不利于后续机组同期并网。按照中国国家电力调度中心2005 年发布的《电力系统黑启动方案编制和实施技术规范》要求，“频率应尽可能控制在49.5～50.5 Hz以内，电压应尽可能控制在0.9～1.1 标幺值以内”，但孤网模式下由于发电机轴功率与负载很难达到均衡，造成机组频率与电压频繁波动，而且由于负载过小，频率和电压往往会超偏高方向波动，给全网快速恢复供电造成了困难。

而对于黑启动试验，由于往往无法真实模拟孤网状态，因此现场试验采用了近似模拟方法:机组带厂用电启动后主变高压侧断路器不合闸，即相当于带厂用电孤网运行，但由于部分调速系统对于“并网”的判据是“发电机出口断路器与主变高压侧断路器均为合闸态”，因此需要短接调速器柜的高压侧断路器端子，使调速系统将当前状态“误判”为并网状态，从而使之选择并网PID 参数进行调节。

就要尽可能想办法去模拟这种孤网情况，从而得到第一手的频率及电压波动数据，以对后期仿真分析以及PID 参数选择提供数据支持。需要注意的是，部分调速系统和励磁系统对于“并网”的判据是“发电机出口断路器＆高压侧断路器均为合闸态”，因此对于某些试验过程中不能动作高压侧断路器的电厂来说，如果想让调速系统及励磁系统将当前状态“误判”为并网状态，就需要在二次端做些工作，如短接高压侧断路器位置信号等。

1.3.3.2 解决方案

在控制频率波动方面，一个可行的方法是利用调速系统孤网模式下的自适应PID 参数选择来改善孤网模式下的调节品质。调速系统在大网模式下的PID 参数，其调节速率、稳定时间、超调量等指标均已不适应黑启动的需要，因此需要调速系统首先要通过大量的仿真模拟以及现场试验确定不同情况下的频率波动范围到底有多大，再据此选择一组合适的大网模式下的PID 参数，并通过试验对其进行验证;其次要求调速系统有自动切换PID 参数的功能，通过某一判据自动判断是否为孤网模式，自动选择之前已经预设的孤网模式下的PID 参数，这一判据设置是否合理也是影响调节品质的重要因素。在电压控制方面，利用励磁系统进行电压控制也是同样道理，这里不再赘述。

2 结束语

通过以上讨论可以得出以下结论:

1)黑启动方式的选择应遵循自储能启动方式优先，兼顾柴油发电机启动方式;

2)黑启动过程中可能遇到的风险可以通过设备的改造或方法的革新来控制;

3)黑启动应急预案的编制水平与演练水平决定了试验时间与真实黑启动时间的差距;

4)根据不同电厂不同的试验时间对其进行黑启动等级划分具备可行性;

5)调速系统及励磁系统应对孤网模式下的PID 参数作出自适应对策。

本文所讨论的黑启动仅仅从电源侧来讨论其存在的问题，实际上对于整个电网来说，黑启动不仅涉及到黑启动电源点的选择、子系统划分、黑启动路径选择、重要负荷恢复等级等等。对于整个社会来说，它涉及到的范围就更为广泛，如通讯、交通、救护、治安等各个方面，因此黑启动是一个系统工程。当今世界电网规模不断扩大，由于可控因素而发生大面积停电的几率越来越小，但由于自然灾害、战争等不可控因素造成的大面积停电并非完全没有可能，因此黑启动作为一项考验全社会应急处置的机制，对于国计民生、国民经济甚至国家安全具有重要意义。

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