基于直流孤岛运行方式的水电厂 黑启动电源系统优化

舒安稳

（云南华电金沙江中游水电开发有限公司梨园发电分公司，云南省丽江市 674100）

0 引言

直流孤岛运行方式是指送端电厂仅与直流系统相连的电力系统运行方式［1］。黑启动电源是指电网系统或电厂因故障全部停电时，通过自启动恢复电厂机组发电及电网供电的电源［2］。随着云南电网的异步联网运行［3］，区域内直流线路及配套电厂的孤岛运行已成为系统必备的运行方式。孤岛运行时，受系统稳定边界条件的影响，直流孤岛配套运行机组不能停运，同时，电厂还必须做好孤岛运行时直流发生双极闭锁的保厂用电准备，确保所有风险均能得到有效防控［4］。黑启动电源系统作为水电厂厂用电的最后一道保证，其运行的安全、可靠及灵活性直接决定电厂厂用电的保障措施是否可靠，也决定直流孤岛的运行风险是否绝对可控。因此，研究优化基于直流孤岛运行方式的水电厂黑启动电源系统，对新形势下保证特高压直流输电系统的安全稳定运行意义重大。

1 梨园水电厂黑启动电源系统

梨园水电厂2014年12月投产发电，装机容量为2400MW（4×600MW），电厂配套直流送出系统为南方电网金中直流输电系统［5］。梨园电厂厂用电源由主网系统倒送电或机组自发电为主用，电厂外来厂用电源为备用，黑启动电源（柴油发电机）为最后一道防线。电厂投产时，由于直流送出工程未建成，其黑启动电源系统仅考虑电厂自身的黑启动，且系统涉及的设备操作较多，倒闸供电程序十分复杂，严重影响紧急情况下的电厂黑启动响应速度，更不能及时可靠地为直流系统孤岛运行保驾护航。

由图1可见，梨园电厂原有机组黑启动电源系统的接线方式为：厂房柴油发电机（#1CF）接至400V保安负荷，再由400V保安负荷通过升压变压器倒送电至10kV厂用电Ⅰ段和Ⅲ段，然后再通过10kV厂用电分段或联络运行给400V机组自用电、公用电、照明用电等用电设备供电。此系统接线方式，厂用电正常运行时，10kV系统向400V保安负荷系统供电，机组黑启动时，需由400V保安负荷向10kV系统和400V系统相关设备倒送电，且在黑启动操作前，还需临时修改相应400V、10kV断路器保护定值及闭锁逻辑，工作过程十分烦琐，各步骤风险点较多，不满足黑启动电源系统安全、快速、可靠、灵活的要求。

2 基于孤岛运行方式的黑启动电源系统

金中直流送出工程投运后，送出系统网架结构的变化对配套电厂的设备及系统提出了新的要求［6］，必须对电厂黑启动电源系统做进一步研究与优化。

2.1 梨园电厂机组设备对厂用电的要求

金中直流投运后，要求电厂的开机并网机组台数较仅有交流送出时更多，且对机组的可靠性要求也更高，电厂配套直流运行的机组不能停运。梨园电厂机组运行时，需不间断进行供电的设备有开停机过程的高压油顶起装置、各导轴承及推力轴承冷却系统、调速器及筒阀油压装置供油系统等，如果这些设备或系统停运，将直接触发机组停机或造成更大的设备事故。因此，若电厂正常运行的厂用电消失，黑启动电源系统必须在最短的时间内启动并切换倒送至机组用电设备，以确保机组正常运行或安全停机。

图1 梨园电厂原黑启动电源系统示意图（省略部分400V厂用电图）Figure 1 Schematic diagram of the original Black start power system of Liyuan Power Plant （omit some 400V plant power map）

2.2 直流孤岛运行对配套电厂厂用电的要求

金中直流孤岛运行时，要求电厂厂用电与主网系统相对独立，且正常运行时由电厂外来厂用电源与1号机组分厂运行的自发电对厂用电进行分段供电，黑启动电源作为热备用电源。这就要求孤岛运行期间，不论是电厂外来厂用电源还是自发电的机组停运，黑启动电源都必须快速的启动并切换代替停运电源［7］，以确保孤岛系统的正常运行。

受黑启动电源系统接线方式的影响，梨园电厂原有黑启动电源无法实现快速的与电厂外来厂用电源和分厂运行的机组自发电源进行切换，不满足直流孤岛运行时电厂需有稳定、可靠、灵活厂用电源的要求，须对黑启动电源做进一步研究优化。

2.3 梨园电厂黑启动电源系统优化措施

介于梨园电厂黑启动电源系统存在的问题，结合直流孤岛运行及电厂机组黑启动实际需要，梨园电厂对黑启动电源系统进行了以下研究和优化。一是在400V柴油发电机出口断路器后增加一台容量匹配的干式升压变压器，通过升压变压器直接将柴油发电机发出的电升压至10kV；二是将升压变压器10kV侧通过电缆分别连接至10kV厂用电Ⅴ段（外来厂用电源接入此段）和Ⅰ段（孤岛运行时电厂1号机组带此段分厂运行）备用断路器，实现柴油发电机直接给10kV厂用电供电；三是根据新的黑启动电源系统接线方式，重新核算与柴油发电机、升压变压器及相关断路器匹配的保护定值，配置相应保护装置；四是设计优化相关断路器的闭锁逻辑，并将断路器的位置及控制信号、相关电压电流信号及保护动作信号等引入电厂计算机监控系统，使柴油发电机、升压变压器、断路器等全部实现远方监视及远方操作。新的黑启动电源系统接线方式见图2。

通过对电厂黑启动电源系统进行优化，不仅完全避免了黑启动操作前的临时改接线，实现了操作流程更加顺畅、快捷、简单，更是彻底解决了直流孤岛运行时黑启动电源与其他厂用电源切换复杂、风险高的问题。

2.4 优化后的黑启动电源系统运行方式

对于优化后的黑启动电源系统，在电厂送出直流系统孤岛运行期间，当电厂外来厂用电源发生故障停运时，可直接远程启动柴油发电机用黑启动电源替代外来厂用电源运行，当分厂运行自发电的1号机组故障停运时，也可以快速直接的用黑启动电源替代分厂运行机组为10kV厂用电Ⅰ段供电；在电厂送出系统处于其他运行方式、厂用电正常分段运行时，若外来厂用电源和送出系统故障全停，则可立即启动柴油发电机用黑启动电源恢复10kV厂用电Ⅴ段供电，并通过远程操作和备自投自动切换功能快速恢复机组自用电，确保机组各设备供电不间断，机组运行或停机正常。这样，真正实现了电厂黑启动电源系统安全、可靠、灵活的功能，切实发挥了黑启动电源作为电厂厂用电最后一道保障的优势。

2.5 黑启动电源系统验证及模拟试验

黑启动电源系统优化后，梨园电厂分别进行了四台机组黑启动试验和模拟直流孤岛运行时的黑启动电源切换试验。并根据电网系统运行方式安排，成功经历了两次直流孤岛运行考验。所有试验及运行过程均采用远程监视与控制，实现了一次操作试验成功，且黑启动时间仅为优化前的1/3。黑启动电源系统的优化，无论在系统安全可靠及灵活性方面，还是在减少人力、降低风险等方面，都取得了显著的成效。

图2 梨园电厂优化后的黑启动电源系统示意图（省略400V厂用电图）Figure 2 Schematic diagram of the Black start power system after optimization of the Liyuan Power Plant （Omit the 400V plant power map）

3 结束语

黑启动电源系统是反应电厂及电网自恢复能力的关键系统，也是保证电力正常供应的重要系统。随着网架结构的发展，电力系统新技术的不断研究及应用，对送端电厂发电设备及厂用电的可靠性要求越来越高。黑启动电源系统作为电厂厂用电的重要组成部分，必须适应电网系统网架结构的变化，不断优化更新，以更好地为电力系统的发展和进步保驾护航。