（華電福新廣東能源有限公司，蔣國璋，鄭愛青，謝俊暉）
摘要：分布式電源具有啟動速度快、結構簡單、反應靈活等特點，在電網安全運行中發揮著重要作用。本文介紹了某分布式能源站黑啟動系統的設計要求，對黑啟動過程中孤島運行、線路過電壓和主變勵磁湧流等問題進行深入分析。
關鍵詞：分布式電源 黑啟動 過電壓 勵磁湧流
1 概述
大面積停電後的系統自恢復通俗地稱為黑啟動。所謂黑啟動，是指整個系統因故障停運後，系統全部停電(不排除孤立小電網仍維持運行)，處於全「黑」狀態，不依賴別的網絡幫助，通過系統中具有自啟動能力的發電機組啟動，帶動無自啟動能力的發電機組，逐漸擴大系統恢復範圍，最終實現整個系統的恢復[1]。
隨著電網互聯程度的提高，電網結構日益複雜化，再加上採用大量遠距離輸電，衝擊負荷增加等因素的影響，大面積停電的風險增加。由於大停電發生的原因錯綜複雜，即使使用現代化技術也不可能完全防止，僅能運用一些有效的措施來縮小事故範圍和加快恢復時間[2]。近年來，隨著分布式發電技術的迅速發展，具有啟動速度快，結構簡單、反應靈活等特點的分布式發電機組作為黑啟動電源點是比較理想的選擇。
2 黑啟動系統設計
分布式能源站裝機容量為2×78MW, 燃機採用普惠動力系統公司的FT8-3 SwiftPac雙聯燃氣輪發電機組，由兩臺燃機和一臺發電機組成，兩臺燃機通過聯軸器直接連接一臺雙端驅動發電機（額定出力60MW）。發電機為英國BRUSH公司生產的型號為BDAX72-340ER的渦輪發電機組，發電機勵磁方式為無刷勵磁。
分布式能源站電氣一次系統採用典型的發變組單元接線，接線方式簡單，操作方便，利於進行黑啟動倒閘操作。
2.1 柴油發電機的容量選擇
針對FT8-3型燃機的啟動特點，通過分析燃機啟動時需提供的重要低壓負荷，如油泵、二次風機、啟動機、真空泵等的啟動負荷，選擇容量合適的柴油發電機。負荷均掛在燃機MCC母線上，所有需要考慮的負荷啟動功率為200.77kW（如表1-1）。根據對柴油發電機的功率計算，可以選擇容量為500kW的柴油發電機。
名稱代號 | 單臺功率（kW） |
燃機交流油泵 | 24.6 |
發電機交流油泵 | 7.5 |
二次風扇 | 29.4 |
燃機潤滑油冷卻風扇 | 4.4 |
發電機潤滑油冷卻風扇 | 3.4 |
真空泵 | 1.47 |
啟動機 | 110 |
其他負荷（照明，空調，電腦等） | 20 |
表1-1分布式能源站電廠FT8-3機組必要輔機負荷分配表
2.2 柴油發電機啟動方式及保護
柴油發電機裝設DCS遠方起動裝置，當電網及全廠停電後，燃機MCC工作電源也失電。在得到電網調度中心進行黑啟動的調令後，運行人員在集控室操作員站啟動柴油發電機，當其正常運行後，柴油發電機控制裝置自動合上柴油發電機出口開關，此時柴油發電機母線帶400V電壓。燃機MCC上的自動切換裝置檢測到備用電源側有電壓立即切換至備用電源供電。
柴油發電機設置以下幾個保護：柴油發電機速斷保護；柴油發電機定時限過流保護；分支過流保護；單相接地保護。
2.3 快速無擾雙電源自動切換裝置
燃機在啟動過程中包含兩次廠用電倒換過程，這個過程會有短暫的交流電失電狀態出現。為了保證燃機在啟動過程中能夠不受廠用電切換的影響，必須選用具有快速無擾自動切換功能的雙電源切換裝置。分布式能源站根據實際情況，選用美國阿斯卡7000系列不停電閉合雙電源轉換裝置，這裝置是一種電氣瞬間單線圈激磁操作、機械互鎖型雙投切換開關，這種開關切換速度快，一般切換負載實際斷電時間少於30ms。該開關配有智能控制器，可依據兩路電源的情況 進行開路式自動轉換(先斷後接)或閉路式自動轉換(先接後斷)。
2.4 黑啟動系統控制部分設計
DCS控制系統設計的功能：在全廠沒有外來電源的情況下，能遠程啟動柴油發電機，提供燃機的重要負荷供電，以保證燃機能順利啟動。在控制室以及就地可以監測到柴油發電機運行的相關實時數據，實現柴油發電機的遠程啟、停機控制。
2.5 FT8-3航改型燃機MICRONET控制系統改造
為了滿足燃機死母線併網與孤島運行模式的需要，FT8-3航改型燃機的生產廠家美國普惠公司對燃機MICRONET控制系統的相關代碼及參數進行修改，增加了「黑啟動」模式，使燃機可以在線路沒有電壓的情況下通過死母線併網對主變充電並恢復廠用電，從而替換下柴油發電機。另外通過修改相關參數使燃機能夠在微小負荷的「孤島運行」方式下穩定運行。
3 黑啟動成功後的孤島運行
3.1燃機發電機的孤島運行控制
發電機出口開關合閘後，廠用電帶電與柴油發電機同期切換，燃機獨自帶著廠用電運行，這時候發電機既不連電網也不連接其他發電機組，運行在孤島方式。若廠用電數值在燃機額定負荷的10%～90%，其控制方式為無差控制方式，以維持機組運行在限定的運行轉速上而不是電網的頻率，該控制方式使得燃機能夠從電網分開並能承擔小幅變化的負荷。在該方式下，無差控制能自動調節燃機出力以確保燃機運行在設定轉速，當燃機轉速低於設定值時，表明出力低於負荷而需要提高預選負荷設定值，反之若燃機轉速高於設定值時，表明出力高於負荷而需要降低預選負荷設定值。若廠用電數值在燃機額定負荷的10%以內，其控制方式為廠用電負荷控制方式。其和無差調節的主要區別在於用設定好的負荷點燃料值來穩定和維持高壓開關打開後的孤島轉速，而不是無差調節的轉速跟蹤。由於該狀態下廠用電負荷較小，燃機有足夠轉動慣量和調節能力使其孤島轉速維持在不大的波動範圍內。
燃機控制系統一旦接受到該啟動信號，便自動切換到孤島運行控制方式，根據轉速來匹配負荷出力，而一旦遠方開關合上，啟動信號消失，燃機便切換到與電網並聯時使用的有差調節方式。
3.2 孤島時的燃機發電機勵磁控制
在孤島運行時，發電機的負荷特性取決於廠用電負荷本身，所以不能使用功率因數控制方式，而應使用電壓調節方式，根據實測電壓與設定電壓的偏差動態調整勵磁，使電壓水平維持在設定範圍內。
4 黑啟動線路充電期間相關問題分析
在黑啟動過程中所面對的主要問題是空充主變時產生的勵磁湧流、發電機帶長線路而引發的自勵磁和空載線路合閘導致的系統內部過電壓。勵磁湧流一般經歷幾個周波就幾乎完全衰減；一旦自勵磁產生的條件得到滿足時，發電機端電壓也在很短時間增大到較高的數值；系統過電壓是從一種狀態經過振蕩轉變為另一種穩定工作狀態過程中所產生的暫態性質的過電壓[3]。
4.1過電壓問題
分布式能源站通過110 kV 線路接入廣州電網，因此不存在發電機自勵磁問題，主要問題是空載線路合閘時產生的過電壓問題。考慮分布參數線路模型進行線路末端過電壓計算，復頻域的均勻線路方程為：
式中：Ra、Ga、La、Ca分別為單位長度的電阻、電導、電感和電容；s 為拉普拉斯算子；x 為距線路始端距離。計算結果如表 2-1 所示。經過計算校核分析，各母線電壓均未超過標準要求[4]。同時，為確保電壓不超標，可控制能源站發電機母線電壓標麼值不超過0.9。
線路名稱 | 線路類型 | 長度/km | 末端電壓/kV |
能源站—迎賓 | 電纜、架空線 | 18.121 | 229.97 |
迎賓—展能電廠 | 架空線 | 43.800 | 242.33 |
能源站—赤沙 | 電纜、架空線 | 9.342 | 226.66 |
赤沙—瑞明電廠 | 架空線 | 24.000 | 242.09 |
表2-1 空載線路合閘時過電壓計算結果
4.2變壓器勵磁湧流問題
在能源站主變壓器高壓側帶線路和110kV迎賓變電站主變壓器空載合閘瞬間，該主變壓器勵磁湧流理論上為額定電流的6～8 倍，該電流的大小還與合閘角和發電機的剩磁有關，湧流中的高次諧波分量和直流分量衰減的時間取決於迴路中電阻和電抗。從實際運行數據分析，勵磁湧流一般為額定電流的3～5倍。基於主變壓器的保護及其運行能力分析，勵磁湧流對迎賓變電站的影響可以不用考慮。合閘時，迎賓變電站勵磁湧流的激勵作用將導致能源站升壓變壓能源站升壓變等效阻抗為其額定阻抗的1/8。分析時，不計線路阻抗的變化。勵磁湧流的特性決定發電機需要考慮暫態過程，故等值計算時需採用暫態參數。另外，勵磁湧流會導致發電機機端電壓下降勵磁系統要做相應調整，故等值計算還需考慮勵磁系統的作用。
圖3-1 等效電路圖
其中，發電機暫態電動勢Eq′標麼值為1.3；暫態電抗Xd′標麼值為0.3587； 能源站升壓變壓器電抗XT標麼值為1.25；線路電抗XL標麼值為0.012；迎賓變電站主變壓器電抗XY標麼值為0.4554，忽略輸電線路的電阻。基準容量、基準電壓、基準電流分別為SB=110 MVA、UB=110 kV、IB=0.525 kA。勵磁湧流計算值為：Ir=Eq′/（Xd′+XT /8+XL+XY/8）=2.227 ，也即Ir=1.169 kA，是迎賓變電站110 kV 側額定電流的0.97倍；折算到能源站低壓側為12.25 kA，是發電機額定電流的3 倍。根據廠家提供的發電機過載能力，可得發電機電流為額定電流的3倍時，最大過載時間是4.17 s。同理，可計算南部電網黑啟動時，能源站發電機的過載電流為11.88kA， 是發電機額定電流的2.92倍，最大過載時間為4.398s。以上計算為最大電流，若按照實際運行數據，迎賓變電站勵磁湧流為5倍的額定電流考慮，則能源站主變壓器由於勵磁湧流將會更小，符合要求[5]。
4.3 分析結果
根據上述計算結果以及發電機、變壓器的過載能力可知：能源站電廠在黑啟動的過程中勵磁湧流和過電壓均滿足設備要求。但為確保恢復供電，黑啟動過程中應採取如下措施：
（1）在對線路及主變壓器充電之前，將能源站電廠燃機發電機機端電壓標麼值調整在 0.9 附近，能有效降低系統電壓，同時降低勵磁湧流的影響。
（2）提高能源站電廠發電機廠用負荷。鑑於勵磁湧流及系統三相運行的要求， 通過控制合閘角來降低勵磁湧流不可行，在黑啟動過程中應提高發電機廠用電，藉此降低勵磁湧流的影響。
5 結論
分布式能源站電廠黑啟動系統改造完成後，邀請廣東省電力科學研究院進行黑啟動試驗。試驗結果如下：
（1）通過本次試驗，應急柴油機的各項指標基本達到技術協議的要求，完全滿足燃機啟動所需負荷的要求。
（2）燃機死母線併網合上出口開關後，變壓器的勵磁湧流對燃機發電機機端電壓、頻率影響較小，繼電保護沒有動作及報警。
（3）在燃機啟動成功以後，快速無擾自動切換系統在進行廠用負荷切換過程中，燃機輔助設備均無因廠用電切換而出現失電跳閘的情況，燃機在切換過程中運行穩定。
（4）燃機自帶廠用小島運行期間，其電壓和頻率比較穩定，波動很小。證明燃機的勵磁系統和調速系統性能穩定，能滿足帶小負荷系統正常運行。
國內分布式能源站項目的建設和運營方興未艾，分布式能源站在黑啟動方面技術研究和應用的成功經驗，對國內分布式能源站的設計、建設及運營有借鑑和示範意義。建議新建分布式能源站，在項目設計時就要考慮布置應急柴油發電機及相應的黑啟動系統，那麼能源站建成後即具備黑啟動能力，無須在後來通過技術改造來實現黑啟動功能。
參考文獻
[1]熊惠敏，房鑫炎，鬱惟鏞等.電力全網停電後的恢復—黑啟動綜述 電力系統及其自動化學報，1999
[2]傅書逷.IEEE PES 2004會議 電網安全問題綜述及防止大面積停電事故建議[J].電力系統自動化，2005
[3]廖旭明，童家鵬，餘濤 微型燃氣輪機發電系統在城市電網黑啟動中的運用，2009
[4]張毅超，吳曉宇 廣州大學城能源站黑啟動試驗報告，2012
[5]向麗玲，曹亞龍，王珂，張軒 廣州電網黑啟動方案，2011
關鍵詞：電力新聞