水电厂黑启动关键技术研究

邱灿锋

摘要：水电站发电机组黑启动是指厂用电消失的情况下，利用水电站机组自身特点完成机组自启动和水电站事故备用电源（如柴油发电机等）开机恢复一台或多台机组的厂用交流电，继而完成机组的启动建压、恢复厂用交流电并对外配合调度恢复电网送电过程。

利用电网内大型水电机组自启动能力可以加快系统恢复响应速度，此时黑启动试验过程中需带高压送出线路，强调通过厂内机组黑启动恢复电网供电能力。一方面考虑线路容升效应以防止黑启动试验过程中机组自励磁损坏设备造成黑启动试验失败，另外也需对黑启动试验过程中过电压状态进行计算防止设备绝缘破坏，通过黑启动过电压计算为现场黑启动试验方案制定提供依据，确保现场试验安全可靠开展。

关键词：励磁限制;黑启动过电压;自励磁

引言

电厂在黑启动过程中，一般可划分为黑启动初始状态、黑启动可控状态、黑启动成功状态和黑启动结束等几个阶段，在实施过程中，各厂站操作方法和步骤因设备与接线方式的差别而各不相同。广西大化水力发电厂作为广西电网南宁网区的骨干电厂，在南宁网区的调峰调频上起着重要作用，同时也是广西电网黑启动的重要启动电源点之一，至今已进行过若干次不同程度、不同范围的黑启动试验，本文就大化水电厂机组黑启动试验过程中的特点进行分析，以此作为本厂黑启动试验和操作的指导建议，同时也希望能给其他水电厂黑启动的实施提供参考。

1概述

黑启动是在电网发生大面积停电事故后，在系统全黑或者是部分停电的情况下，能够在最短时间内比较安全地恢復电网的正常运行，从而减少大面积停电造成的损失。电力系统的恢复一般分为3个阶段，即黑启动、网架重构和负荷恢复。完成这3个阶段，电网的供电恢复。由此可见，黑启动是电力系统恢复正常运营的第一步。黑启动电源在大面积停电后，通过自身启动带动其他不能自启的电源恢复供电，并与其他电源形成一个小系统，与发电厂的供电共同形成子系统。通过一个个子系统的连接，使得停电区域内的变电站和输电线路能够逐步恢复正常运营，从而恢复电网的正常工作。

大面积停电后，电力系统恢复正常的运营时间较长，一般3个过程的完成需要9h。黑启动作为电力恢复的第一阶段，首先需要启动自身的电源，在此基础上带动其他不能自启电源启动。在我国电力系统中，关于黑启动方案需要大量的指导原则提供科学的理论依据，因此安全有效地进行黑启动离不开科学的启动方案。

2黑启动初始状态

2.1公共辅机

全厂公共辅机均为交流供电。左右岸厂房渗漏排水系统停启间隔超过3h，且备用、安全容积足够;高压气系统对调速系统油罐的补气周期超过3天，短期失电对油压无影响;左右岸厂房各装设有低压气系统，右岸低压气为双气罐，全黑状态发生后，低压气系统可以满足全厂机组同时进行气制动刹车停机，本厂机组在制动停机稳定后风闸自动退出，不需要保持在加闸状态。

2.2直流系统

全厂各直流系统蓄电池均为220V/300Ah，监控上位机UPS蓄电池为220V/100Ah。直流系统蓄电池定期核对性放电试验合格，30A放电10h后蓄电池电压为200V，104个蓄电池单体电压均大于1.8V;监控UPS蓄电池定期核对性放电试验合格，10A放电10h后蓄电池电压174V，12个蓄电池单体电压均大于10.5V，直流系统、监控UPS蓄电池容量满足试验规范。在柴油机应急电源投入后，可以立即带上厂房直流系统和监控上位机UPS运行，直流系统和监控UPS的工作可靠性会进一步提高。

2.3机组及辅助设备

本厂无快速闸门，初始全黑状态时，全厂5台轴流转桨机组事故全停后，在主压力油罐和备用压力油罐的双重配置下，机组调速系统油压可以维持在最低动作油压以上（事故低油压）数小时，但交流压油泵若不启动，机组油压无法支持重新开机;机组在停机状态下，顶盖排水泵最短停启间隔15～20min，经临时调整密封水压，机组密封漏水（顶盖积水）可以控制在最高水位以下大约超过40min，此外还可投入检修空气密封以减少漏水;调速器、励磁调节器和现地控制单元均为交流、直流双电源配置，系统全黑期间不影响其正常工作;机组甩负荷后的轴承温度和电压等各参数经试验均在合格可控范围。

3过电压计算

3.1计算工具与模型

利用PSCADEMTDC电磁暂态仿真软件搭建里底电站发电机组（包括励磁系统、调速系统）、主变、线路以及电抗器等详细数学模型，计算研究不同黑启动方式下过电压水平，包括空载升压带厂用负荷以及带线路合闸等情况下过电压水平，为现场黑启动方案制定提供理论计算依据。

3.2线路合闸点选择

大型水电机组一般均采用单元接线方式，带线路黑启动过程中采用机端断路器与采用主变高压侧断路器作为合闸点对线路末端过电压影响较大，区别在于主变电抗对空充过程中过电压具有抑制作用，计算不同合闸位置过电压。

4励磁欠励限制影响分析

两侧高抗全部投入与电源单侧电抗投入方案均不可行，同时两侧高抗全部退出时再额定电压下空充线路暂态过电压较高，试验风险较大，因此一种可行方案是将电压降低至0.9pu下合闸空充线路，一方面可降低合闸过程中暂态过电压水平，同时稳态电压也可满足电厂自身及外部用电设备用电质量要求。空充瞬间机端进相无功最大为178.405MVar，稳态情况下机组进相无功为-84.75MVar，由于机组进相较深，因此需计算在此情况下机组欠励限制以及失磁保护是否动作。通过查阅发电机组进相试验报告，欠励限制设置在零有功出力条件下无功限制为-70.47MVar（0.9pu），可见，在对线路空充瞬间暂态过程及稳态过程中，机组无功进相深度均大于欠励限制曲线设置范围，造成空充过程中欠励限制工作。

结语

通过对黑启动过程中各关键因素仿真计算分析，黑启动过程中应重点关注空充线路瞬间线路暂态过电压，并合理利用主变、高抗等抑制合闸过程中出现暂态过电压，同时还需考虑稳态电压水平，确保黑启动过程中线路末端稳态电压在设备正常允许工作范围内。同时应对机组自励磁进行计算分析，以确保黑启动过程中机组不会发生自励磁现象。

参考文献：

[1]王文忠.朗寨水电站黑启动运用分析和试验[J].通讯世界，2018，（11）：92-93.