浅析宜兴抽蓄作为黑启动电源的可行性

梁庆春

（华东宜兴抽水蓄能电站，江苏宜兴214205）



浅析宜兴抽蓄作为黑启动电源的可行性

梁庆春

（华东宜兴抽水蓄能电站，江苏宜兴214205）

根据黑启动的要求，文中首先指出宜兴抽蓄具备黑启动电源的两个特征，即快速自启动和可靠的电能传输。接着通过详细分析电站在黑启动过程中面临的具体问题及其应对措施，表明宜兴抽蓄作为黑启动电源是确实可行的。

抽水蓄能电站；黑启动；黑启动电源

1　电站概况

华东宜兴抽水蓄能电站（以下简称宜兴抽蓄）位于宜兴市西南郊的铜官山区，距宜兴市中心7 km，距上海、无锡分别为200 km和75 km，是一座日调节纯抽水蓄能电站。电站总装机容量为1 000MW，装设4台单机容量为250MW的立轴单级混流可逆式机组。电站发电电动机与变压器组合方式为单元接线，其间装设有发电机断路器和换向隔离闸刀。每两组机组-变压器单元在主变500 kV侧组成联合单元。500 kV侧为两进两出内桥接线。两回500 kV输电线路与8km外的岷珠变相连，从而接入华东500kV主网架。宜兴抽蓄电气主接线简图如图1所示。

图1　宜兴抽蓄电气主接线简图

2　黑启动对机组的要求

黑启动是指整个系统因故障停运后，不依赖别的网络的帮助，通过系统中具有自启动能力的机组的启动，带动无自启动能力的机组，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。可见选择自启动能力的机组，即黑启动电源是黑启动方案中首先需要确定的问题。水电厂（包括抽水蓄能电厂）机组没有复杂的辅机系统，厂用电少，启动速度快，是方便、理想的黑启动电源。宜兴抽蓄机组在开机条件满足的情况下，从停机状态到带满负荷仅需2min左右，对比火电机组（包括燃油发电机组），至少15min的启动时间无疑有着较大的优势。另外，对于常规水电，由于受丰枯水期影响，可能在某些时候无法启动。宜兴抽蓄不受其约束，电站上水库设计紧急事故备用容量50.7万m3。该部分容量平时发电过程中不使用，仅在紧急情况下经批准后使用，可供单机满负荷运行1.5 h以上。能够满足黑启动电能需求。

黑启动需要考虑的第二个要点就是能够方便地通过输电线路传送功率，或是至其他无法自启动机组，带动它们启动；或直接传送功率至用户，恢复对附近重要负荷的供电。宜兴抽蓄直接与华东主网架相连，不但靠近江苏负荷中心，而且与多台大容量火电机组相近。因此，不需要经过长距离输送电能，这就减少了产生机组自励磁或线路末端过电压的危险。同时，在输电过程中根据需要恢复某些负荷，既能缩短用户停电时间，又能协助控制过电压问题。此外，宜兴抽蓄机组励磁调节器、调速器电气装置皆采用微机型，具有良好的调频和调压性能，也是黑启动初期电能质量的重要保证。更为可贵的是，考虑到宜兴抽蓄在系统中担负事故备用的作用，在电站设计初始就充分考虑了黑启动功能的实现。

3　宜兴抽蓄黑启动

宜兴抽蓄被选作电网黑启动电源后，首先需要点亮自己才能传递“火种”启动其他电站。电站的黑启动是指在电网（或全厂）停电后不借助外来电源而实现机组的自启动。此时机组的启动与正常启动有较大差异，主要体现在厂用电系统、直流系统、UPS以及机组励磁、监控流程等方面。

3.1厂用电系统

宜兴抽蓄在失去厂用交流电源的情况下，机组球阀和导叶的液压操作动力，可由各自设置的压力油罐并辅以两个2.5m3操作储气罐提供；机组推力轴承在低转速时油膜的建立可依靠作为后备的直流注油泵，在机组转速升至90%额定转速时，油膜自动形成，不需要外来能量。唯一困难是机组冷却水的供给。然而根据机组设计规定，当轴承冷却水中断时，机组可带最大负荷运行15min，推力和导轴承不会损坏，轴承温度也不会超过允许值。因此，考虑机组黑启动时间（从停机状态到带负荷恢复厂用电）不长，能够承受这样的温升。

尽管机组在无外加交流电源的情况下，可以实现自启动。但是为了确保启动的成功，宜兴抽蓄设置了1台容量为650 kW的1号柴油发电机，作为电厂的保安电源，在厂用电丢失后提供全厂消防电源，以及机组黑启动电源。由此可见，该柴油发电机才是黑启动时点亮电网的“第一根火柴”。考虑到容量问题，宜兴抽蓄在同一时刻只允许选择1台机组进行黑启动。

另外，为了保证地下厂房渗漏水、机组及辅助设备排水在厂用电丢失能够顺利排出，防止出现水淹厂房事故。宜兴抽蓄还设置了1台功率1 600 kW的2号柴油发电机，为渗漏水泵提供电源。一旦厂用电全部丢失，难以短期恢复，则无论是否进行黑启动都应启动该台柴油发电机。

3.2220 V直流系统

宜兴抽蓄厂用电丢失后，事故照明以及直流工作电源和操作电源都由220V直流系统的蓄电池提供，因此，黑启动对蓄电池的容量有较高要求。以地下厂房为例，220 V直流系统采用单母线分段接线。每段母线设一组阀控式密封铅酸蓄电池。每组蓄电池的只数为108只（2 V/只），容量为600 Ah，两组容量则为1 200 Ah。黑启动时，事故照明负荷按35 kW计算，约160 A；励磁系统所需起励电源最大58 A，但时间极短；假设交流注油泵故障，则直流注油泵负荷为34 A；控制和操作负荷为60 A；短时冲击负荷200 A。地下厂房直流负荷最大为512 A，蓄电池容量能够满足要求。

其他区域中，地面开关站以及上库220V直流系统容量分别为200 Ah和80 Ah，黑启动时各用户负荷均较小，因此，蓄电池容量也能满足要求。需要特别指出的是，电站事故照明系统分别采用自动切换装置（地下厂房）、在线式逆变电源（地面开关站）、紧急电源系统EPS（中控楼）以及应急灯等提供安全可靠的照明，保证黑启动的检查、操作工作顺利进行。

3.3UPS

宜兴抽蓄为监控系统上位机以及继保楼500 kV保护装置分别设置UPS。其中，监控系统设置的UPS采用并联热备份的方式，平常两台UPS各担负一半负荷，在黑启动期间由自带蓄电池供电，每台UPS能够维持对应用户1 h以上的电能需求。开关站UPS由于负荷较小，而且直流电源取自开关站220 V直流系统，因此能够满足交流失电后电能的中短期供给。

3.4通讯系统

宜兴抽蓄通讯系统以光纤为介质，组成厂内以及系统两大通讯体系。通讯设备电源配以独立的48V直流系统（自带蓄电池），保证在各种极端事故情况下电站内部以及与系统之间的通讯通畅。

3.5励磁系统

宜兴抽蓄励磁系统采用UNITROL 5000型微机调节器。晶闸管转换器输入端（交流侧）的少量电压（约5 V）即可启动励磁系统。因此，黑启动时机组能以剩磁完成启动。如果励磁系统检测机组剩磁不足，则自动切换至起励回路，提供转子初期电流。电站起励电源采用220 V直流，取自地下厂房厂用220 V直流系统。机组选择黑启动模式时，首先合上机组出口开关。接着励磁系统启动，工作在手动模式。等到机组转速达到95%额定转速时，励磁电流在剩磁或起励电源的作用下迅速升至额定值的10%（相当于极端电压20%左右）。此时，励磁系统发送“准备好充电”信号给监控系统，操作人员可在监控界面上发送信号给励磁系统调节机端电压。当电压升至50%3.6监控流程

额定电压时可切至自动模式，保证机组电压调节准确、迅速。

宜兴抽蓄按无人值班（少人值守）的要求设计。采用先进的计算机监控系统，实现对全厂的监控，并在成功应用现场总线技术的基础上，尽量减少运行人员的现地操作。系统为机组黑启动设置了专门的顺控流程，实现自动操作。系统停电后，运行人员根据调度命令设置好500 kV系统运行方式，选择4台机组中任一台进行黑启动，自动执行图2所示流程。

图2　宜兴抽蓄机组黑启动流程图

黑启动流程每步执行令间设置一定时间的延时，用于上一步命令发出后，预留充分的时间供现地设备实际动作，当监控系统收到反馈信号时再发出下一步命令。这也表明在动作反馈信号的期限到来前，无论采用何种措施，只要现地操作设备能够正确动作，顺控流程就能顺利执行。因此，在顺控自动执行的情况下，运行人员现地参与流程操作也是允许的。另外，顺控流程还按照机组的特性，划分为若干步骤。操作人员选择顺控单步执行时，在每个步骤之间允许更长时间的等待，能够确保现地设备正确动作、黑启动流程顺利完成。

4　结语

通过上述分析，可以得出宜兴抽蓄有足够能力担当黑启动电源。电站也据此制定了初步的黑启动预案。为了进一步完善该预案，同时验证机组黑启动的实际能力，建议在机组调试初期申请系统给予配合，选取一台机组进行黑启动试验。随着黑启动试验的实施，电站各岗位配合和实际操作能力必将得到提高，同时，进一步缩短黑启动时间，确保故障情况下电网迅速恢复。

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TV743

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1672-5387（2016）02-0044-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.02.013

2015-08-10

梁庆春（1981-），男，工程师，从事机电运维工作。