潘家口蓄能电厂黑启动电源研究

李吉虎，陈泽升

（国网新源控股有限公司潘家口蓄能电厂，河北唐山 064309）

潘家口蓄能电厂黑启动电源研究

李吉虎，陈泽升

（国网新源控股有限公司潘家口蓄能电厂，河北唐山 064309）

本文首先通过介绍黑启动及其作用，考虑通过增加潘家口蓄能电厂黑启动功能，如冀北电网出现极端事故乃至全网停电的情况下，潘家口蓄能机组能够通过黑启动电源迅速自启动并带动其他机组最后逐步恢复全网供电。通过对柴油发电机和直流电源的分析比较，柴油发电机更适合做黑启动电源。

潘家口蓄能电厂；黑启动；柴油发电机；直流电源

0 引言

电网的黑启动，是指整个电网在故障停运后在无法依靠其他电网送电恢复的情况下，通过电网内具有自启动能力的机组启动，再带动无自启动能力的机组，进而逐步扩大电力系统的恢复范围，最终实现整个电力系统的恢复。通过增加潘家口蓄能电厂黑启动功能，在冀北电网出现极端事故乃至全网停电的情况下，能够快速、有效地自启动并带动其他机组乃至最后逐步恢复全网供电，争取最大限度地减少大停电带来的损失，保障社会正常有序供电。从整个电网的安全运行考虑，潘家口蓄能电厂增加黑启动功能是非常必要的。

1 潘家口蓄能电厂概述

潘家口水电站位于河北省唐山市迁西县，分为常规水电厂（以下简称潘水电厂）和蓄能电厂（以下简称潘蓄电厂）两部分，潘水电厂由潘家口水电厂负责管理，潘蓄电厂由国网新源控股有限公司潘家口蓄能电厂负责管理。

潘家口蓄能电厂是一座常蓄结合的混流式抽水蓄能电站，设1台常规水轮发电机（G1）和3台抽水蓄能机组（G2、G3、G4）。电站分两期施工，一期工程安装了一台150MW竖轴伞式常规水轮发电机（G1），COSφ为0.85，机端电压为15.75kV，采用发变组单元接线，变压器（1B）额定容量为180MVA，发变组之间设有断路器，机端接有41B厂用变压器，变压器高压侧电压等级为220kV。二期工程安装3台抽水蓄能机组，每台机组容量为91MVA，机端电压为13.8kV，采用发变组单元接线，变压器（2B、3B、4B）为100MVA有载调压变压器，发变组之间设有断路器，G3、G4两台机机端接有42B厂用变压器，变压器高压侧电压等级为220kV。电站220kV系统接线方式为双母线带母联（兼做出线旁路）接线，出线2回，均送往遵化变电站，此外，潘家口蓄能电厂还设有2台小机组，机组容量为500kW。

厂用电分支引自发电机电压母线，这样厂用电源既可以从发电机取得，也可以自机组停机时由系统倒送取得。由于一、二期的机端电压等级不同，1号常规机机端电压为15.75kV，2～4号蓄能机组机端电压为13.8kV，因此，41B厂用分支只能接G1机端，42B厂用分支可分别引自G3或G4 机端，此外还有一回厂用分支43B从外用10kV线路引接，41B、42B及43B变压器低压侧均为400V，采用单母线分段的接线方式，43B分别作为41B或42B的备用。

220kV开关站及厂用电系统由潘水电厂和潘蓄电厂共同管理。一期设备由潘水电厂负责管理，主要包括G1、1B、41B、43B、220kV第1号出线及其相关的附属设备、排水系统，2台小机组。二期设备由潘蓄电厂负责管理，主要包括G2、G3、G4、2B、3B、4B、42B、220kV第2号出线及其相关的附属设备。

2 黑启动条件和黑启动电源比较分析

2.1 黑启动条件

电网全黑后，潘家口蓄能电厂应尽快启动厂内机组向黑启动方案中的被启动电源送电，即要尽量赶在丰润热电热启动最大临界时间限制前送出功率（丰润热电热启动最大临界时间为2h）。

潘家口蓄能电厂机组启动条件时以下设备均应正常：

（1）相关的220kV进出线、主变压器、机端及中性点设备。

（2）机组附属设备，包括励磁系统、保护系统、技术供水系统、调速器及其油压装置及快速门等。

（3）公用设备，包括空压机、排水系统。

（4）首台机启动时间应控制在40min之内，以保证2h内将电送至丰润热电厂。

2.2 黑启动电源比较分析

在电网全部停电的情况下，若想首台机组启动，其机组启动必备的设备必须要有相应的电源，同时水电厂由于防洪的需要，还要考虑必要的安全电源。水电厂黑启动电源通常采用电厂的小机组、柴油发电机及直流电源3种方式。

潘家口蓄能电厂虽然有小机组，但其管理权为潘水电厂，潘蓄电厂要操作运行小机组存在困难，故本次潘蓄电厂黑启动不考虑采用小机组作为黑启动电源。

选择柴油发电机作为黑启动电源，柴油发电机的容量以能带动1台机组顶起油泵（软启动）、4台主变压器冷却风扇、1台渗漏排水泵（直接启动）及机组启动运行的小负荷计算，同时还应按以下三种方式检验：其一，满足1台压力油罐油泵运行和1台渗漏排水泵直接启动。其二，满足1台空压机运行和1台渗漏排水泵直接启动。其三，满足1台压力油罐油泵运行、1台空压机运行和1台渗漏排水泵直接启动。

选择直流电源作为黑启动电源需要更换油泵电机、空压机、排水泵、励磁风扇、主变压器冷却风扇等设备，负荷统计方式与柴油发电机的负荷容量基本相同，但增加了控制负荷，且油泵电机、空压机、排水泵及冷却风扇按随机负荷计算、考虑首台机的启动时间应满足电网送电要求，黑启动直流供电时间最长按1h计算。

下面对柴油发电机和直流电源作为黑启动电源进行比较：

（1）柴油发电机作为黑启动电源。

增加柴油发电机作为黑启动电源可以有两种方案，其一是经断路器和隔离开关直接送电到两段厂用母线之一；其二是择地另设黑启动电源母线盘柜。方案一优点是节省投资，缺点是原厂用母线需要增加进线回路而使系统改造复杂，而且在黑启动时需要切除大量无关负荷而使黑启动时间变长。方案二优点是对现有系统影响最小不误生产，黑启动时只需切除黑启动电源母线盘柜进线开关并投入柴油发电机即可；缺点是投资较大占地较多且工程量较大。如果能结合电站厂用系统改造整体设计则可以达到最优效果。

作为电网的黑启动电源，恢复时间和可靠性都有及其重要的意义，按其重要性推荐采用方案二。

柴油发电机组的负荷采用式（1）计算

式中：SJS——计算负荷，kVA；

ΣP——可能同时运行的应急负荷（包括旋转和静止的负荷）的额定功率之和，kW；

Ση——应急负荷的计算效率，一般取0.82～0.88 ；

cosφ——计算负荷的功率因数，可取0.80。可能同时运行的应急负荷见表1。

表1 同时运行的应急负荷Tab.1 Emergency load at the same time of running

阶段 1：SJS=150÷0.82÷0.8=228.66kVA

阶段 2：SJS=130÷0.82÷0.8=198.17kVA

阶段3：SJS=114.99÷0.82÷0.8=175.29kVA

阶段 4：SJS=205÷0.82÷0.8=312.5kVA

计算时考虑应急负荷的投运规律。对于在时间上能错开运行的应急负荷不应全部计算，可以分阶段统计同时运行的应急负荷，分为阶段1、阶段2、阶段3、阶段4，取其最大者作为计算负荷。

发电机容量选择计算：

发电机连续输出容量应大于最大计算负荷，可采用式（2）

式中：SG1——发电机的额定容量，kVA。

阶段1：取SG1为230kVA。

阶段2：取SG1为200kVA。

阶段3：取SG1为180kVA。

阶段4：取SG1为320kVA。

按带负荷后仍满足最大单台电动机或成组电动机的启动应校验发电机容量，见式（3）

式中：SG2——按最大单台电动机或成组电动机启动校验的发电机容量，kVA；

Pm——启动最大单台电动机或成组电动机的容量，kW；

cosφm——电动机的启动功率因数，一般取0.4；

ηdcosφd——电动机额定效率和额定功率因数的乘积，简化计算时取0.80；

K——电动机的启动倍数；

C——按电动机启动方式确定的系数，全压启动C=1；

cosφG——发电机的功率因数，可取0.80。

阶 段 1 ：SG2=[（150-75）÷0.82+75×7×0.4÷0.8]÷0.8=389.09 kVA

阶 段 2 ：SG2=[（130-55）÷0.82+75×7×0.4÷0.8]÷0.8=442.45 kVA

阶 段 3 ：SG2=[（114.99-75）÷0.82+75×7×0.4÷0.8]÷0.8=411.97 kVA

阶 段 4 ：SG2=[（205-75）÷0.82+75×7×0.4÷0.8]÷0.8=526.30 kVA

按空载启动最大的单台电动机时母线容许电压降校验发电机容量，可采用式（4）

式中：SG3——按空载启动单台最大的电动机时母线容许电压降校验的发电机容量，kVA；

Pn——最大的单台电动机功率，kW；

X″d——发电机次暂态电抗，一般取0.25；

ΔE——厂（站）用电母线允许的瞬时电压降，一般取0.25（有电梯时取0.2）。

SG3=75×7×0.25/0.8×（1÷0.25-1）=492.19kVA

根据以上计算潘家口黑启动用柴油发电机容量应分别选用500、530kVA。

由于500kVA与530kVA容量相差不多，黑启动为非正常运行工况，油压装置和空压机可同时操作，避免运行人员因不熟悉操作流程而导致的误操作，且可节省2min的黑启动时间，故选择530kVA的柴油发电机。

1）厂用电设备的更改。

按照方案二原厂用母线上需要有较大的备用出线回路，改造增加成本；考虑将三台机组相应的黑启动负荷需要改接至黑启动电源母线盘柜上。

2）电厂现有直流系统容量核算。

一台机启动运行负荷统计见表2。

表2 一台机启动运行负荷Tab.2 The load with one unit running

蓄电池按单体放电终止电压1.9V，放电时间按1h计算。

第一阶段计算容量根据公式可得

第二阶段计算容量根据公式可得

式中：F1——第一阶段（第1个放电周期）计算出的蓄电池容量；

F2——第二阶段（第2个放电周期）计算出的蓄电池容量；

Kk——设计可靠系数，取 1.4；

I1——一台机启动运行负荷在第一阶段的放电电流；

I2——一台机启动运行负荷在第二阶段的放电电流；

Cp1——1min容量换算系数，查规范中表可得Cp1取0.86；

Cp21——60min容量换算系数，查规范中表可得Cp21取0.424；

Cp22——59min容量换算系数，查规范中表可得Cp22取 0.430。

由以上计算结果可以看出F2＞F1。根据取最大值原则及蓄电池规格，原蓄电池组为800A·h，满足需求。

（2）直流电源作为黑启动电源。

1）采用直流电源作为黑启动电源，则需要将以下每台机组的设备由交流电源更换为直流电源。

调速器油压装置：将油压装置内两台55kW电动机的其中一台更换为直流电机。

励磁系统：将两台370W励磁风机的其中一台更换为直流电机。

顶起油泵：将两台30kW顶起油泵的其中一台更换为直流电机。

吸油雾电机：将一台370W吸油雾电机更换为直流电机。

滑环冷却风扇：将两台450W滑环冷却风扇的其中一台更换为直流电机。

主变压器冷却风扇：将八台1.1kW主变压器冷却风扇的其中四台更换为直流电机。

此外，以下公用设备还应更换。

空压机系统（油压装置补气）：将3台75kW空压机中的其中一台更换为直流电机，补气管路控制用的电磁阀6个及电磁空气阀4个更换为直流操作。

全厂渗漏排水系统：将2台75kW排水泵的其中一台更换为直流电机。

小功率的电磁阀及电磁空气阀更改较为容易。对于大功率设备，从造价上来说，直流电机价格是同等功率交流电机的3～4倍，且要串接启动电阻，控制回路复杂，改造后同一系统中既有交流电机又有直流电机，增加了设备正常工况下运行、维护的技术难度和工作量。

2）直流负荷统计见表3。

3）容量计算。

潘家口蓄能电厂为冀北电网首选的黑启动电源，且在2h内将电能送电至丰润电厂公用侧。考虑首台机的启动时间应满足电网送电要求，黑启动直流供电时间最长按1h计算。

第一阶段计算容量

第二阶段以后的计算容量

式中：FS——每个放电周期计算出的蓄电池容量；

S——分析的放电周期；

P——放电时段；

IP——对应每个放电时段的放电电流；

t——每个放电周期时间；

Ct——容量换算系数（20℃，在t时间段放电至终止电压的电池放电率）。

第一阶段计算容量根据公式可得

第二阶段计算容量根据公式可得

表3 直流负荷Tab.3 The direct-current load

随机（冲击）负荷计算容量根据公式计算

式中：I3——随机（冲击）负荷5s的放电电流；

F3——随机（冲击）负荷计算出的蓄电池容量。

随机（冲击）负荷计算时间取5s，容量换算系数查规范中表可得Cp取 0.87。

阶段1：满足1台压油罐油泵等运行和1台渗漏排水泵直接启动，其随机负荷计算容量为

阶段2：满足1台空压机等运行和1台渗漏排水泵直接启动，其随机负荷计算容量为

阶段3：满足1台空压机、1台压油罐油泵等运行和1台渗漏排水泵直接启动，其随机负荷计算容量为

将F3与F2叠加，按阶段1叠加为1748.8A·h，按阶段2叠加为1853.28A·h，按阶段3叠加为2140.64A·h，现有的800A·h电池需要更换，考虑阶段2和阶段3出线的概率较低，蓄电池可采用1800A·h。且应更换相应的充电装置，并增加相应的直流开关。

（3）黑启动电源比选结果。

增加柴油发电机作为黑启动电源优点是对现有系统影响最小，黑启动时只需切除黑启动电源母线盘柜进线开关并投入柴油发电机即可，且任何一台抽水蓄能机组均可作为首台黑启动机组，运行方式灵活、可靠性高；缺点是占地较多且工程量较大，如果能结合电站厂用系统改造整体设计则可以达到最优效果。

采用直流电源作为黑启动电源需要更换油泵电机、空压机、排水泵等设备，考虑3台抽水蓄能机组均可作为首台黑启动机组，3台机组上述设备需要全部更换，投资较大，对现有机组的安全运行有较大影响，若只更换1台抽水蓄能机组的设备，则只能固定一台抽水蓄能机组作为首台黑启动机组、可靠性降低，且日常运行时油压系统、空压机系统、排水系统主备泵采用不同电源的电机，运行维护技术量增加，工作量增大。

综合比较，采用柴油发电机作为黑启动电源是合适的。

3 结束语

（1）电能是国家的基础能源，已经深入到国民经济、居民生活的方方面面。在电网出现极端事故乃至全网停电的情况下，如果不能快速恢复供电，将会造成极大的社会影响及较大的经济损失。而潘家口蓄能电厂是冀北电网恢复供电的源点，其增设黑启动功能是非常必要的，相应配套设施的增加也是必不可少的。

（2）潘家口蓄能机组启动迅速，并网快，运行方式灵活，为冀北电网首选的黑启动电源，通过综合比较，适合采用柴油发电机作为黑启动机组启动电源。

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Study on Black-start Power Supply of Panjiakou Pumped Storage Power Plant

LI Jihu，CHEN Zesheng
（State Grid Xin Yuan Company Limited Panjiakou Pumped Storage Power Plant，Tangshan 064309，China）

Firstly，this paper introduces black start and its function，we considered increasing black start function of Panjiakou pumped storage power plant ，Once the power grid in northern Hebei occurs extreme accident and even the whole power network blackout，Panjiakou pumped-storage unit is capable of self-starting rapidly by the black-start power supply and bring others to start up until the whole power network resumes.Diesel generators are more suitable for black-start power through the analysis and comparison of diesel generators and DC power supply.

panjiakou pumped storage power plant； black start； diesel generators ； DC power supply

TV73 文献标识码：A 学科代码：570.2510 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.015

2015-11-14

李吉虎（1978—），本科，工程师，国网新源控股有限公司潘家口蓄能电厂。