國華臺電百萬機組孤島運行黑啟動的電氣研究及應用

肖華賓 甘超齊 楊文超 張楊迪 趙 軍

（1.神華廣東國華粵電臺山發電有限公司，廣東省臺山市，529228；2.神華國華 （北京）電力研究院有限公司，北京市朝陽區，100025）

1 引言

我國電網交直流輸電容量規模、電壓等級，以及發電機組容量不斷擴大。以南方電網為例，其已形成 “八交八直”共16條500kV 及以上西電東送大通道。預計到2015年，廣東省外送電規模將達3.98×107kW，形成了發供用電不平衡、水火電容量不平衡的電網架構形式，是世界上少有、復雜的交直流混合大電網。

電網規模的擴大化和復雜化，將伴隨著電力系統運行風險的不斷增加，電網崩潰的誘因越來越難控制。21世紀以來，大面積停電事故時有發生：2003年8月14日，美國、加拿大發生跨國大面積電網停電事故；2005年5月25日，俄羅斯電力系統故障導致首都莫斯科大面積停電；2012年7 月30日，印度發生大面積停電事故，停電范圍之廣，受害損失之大，遠遠超過人們的想像。這些事故告誡我們在同步開展電力系統風險評估和防范工作的同時，還必須重視電力系統出現大面積停電后 “亡羊補牢”的工作——系統黑啟動 （Black-Start），即當電力系統因故障停電后，不依賴別其他網絡，利用網內具有自啟動能力的發電機組進行孤島運行，逐步帶動其他發電機組發電和擴大供電范圍，最終恢復全網的正常運行狀態。要想實現系統快速恢復供電，首先要確保系統不同區域內有足夠的具備黑啟動的電源點。南方電網傳統的黑啟動電源主要依靠水電來實現，然而這種供電具有極大的缺陷，例如在廣東珠三角地區用電負荷高度集中的區域，就嚴重缺少這類水電機組。

對于大型發電廠來說，如果發電機組具備黑啟動功能，那么即使在電網出現嚴重故障的情況下，也有可能通過生產自救的模式，在極短時間內全部或部分恢復機組廠用電系統，進一步保證機組主要設備的安全。同時，還可以將機組的電量逐步輸送到周邊的發電廠、重要用戶，以形成 “星星之火，可以燎原”之勢，給局部電網迅速恢復，帶來極大好處。

2 黑啟動電源的可行性研究

國華臺電是神華國華電力公司在廣東省投資的南方電網內最大的火力發電廠。從2003 年12 月起，陸續投產了5臺600 MW 及2臺1000 MW 國產燃煤火力發電機組，分別建成了220kV 及500 kV 升壓站各一座，在珠三角地區共有4 條220 kV、4條500kV 輸電線路。

國華臺電6號、7號百萬級發電機組由上海電氣集團成套生產，汽輪機、鍋爐和發電機等主機參數能夠滿足快速切負荷 （Fast Cut Back，FCB）運行工況要求。經過國華電力研究院、國華臺電、廣東電科院等專家共同研究后認為：國華臺電6號機組采用國產分散控制系統 （Distributed Control Systems，DCS）、數字電液調速系統 （Digital E-lectro-hydraulic Control System，DEH），均 可 根據50%及100%甩負荷、輔機故障減負荷 （Run Back，RB）試驗等結果進一步優化FCB 邏輯，以有利于機組FCB功能的實現。電氣500kV 斷路器控制系統和安全穩定控制裝置經進一步設計改造后，也能滿足局部電網嚴重故障后，孤島運行條件，實現黑啟動功能。

2013年1 月，根據廣東電網 《基于大型火電機組FCB技術的防止大面積停電電網自愈理論研究與實踐》工作規劃，經過廣泛的討論、研究，確定國華臺電6號發電機組成為廣東電網500kV 系統黑啟動電源點是可行的。

3 電氣設計改造及計算仿真

結合廣東電網系統潮流分布，以及電網安全運行方式的實際需要，廣東電網公司調度中心明確啟動路徑，計劃用6號機組向72km 長的500kV 鼓峰丙線進行空充試驗，這主要考驗黑啟動過程中發電機是否會產生自勵磁，以及操作過電壓等問題。

3.1 FCB觸發電氣設計改造

由于國內沒有統一的FCB 技術標準，現參考廣東電科院、廣東電力設計研究院的意見，根據電氣一次主接線圖，采用安穩裝置的出口跳閘接點、斷路器運行位置，進行綜合邏輯判斷，作為觸發FCB條件。國華臺電6 號機組采用安穩切機的出口跳閘接點作為觸發FCB 條件。A／B 套安穩動作信號組成或門，5041及5042斷路器跳閘后位置接點串聯后組成與門，共同構成電氣FCB 動作觸發邏輯。電氣FCB觸發邏輯如圖1所示。

圖1 電氣FCB觸發邏輯

3.1.1 電氣FCB動作出口接線

A／B兩套安穩裝置動作信號組成或門，共同重動3 個帶延時功能的中間繼電器，形成電氣FCB動作觸發接線原理圖，如圖2所示。其中TJ1-2、TJ1′-2分別為安穩A、B 套出口動作接點，TLP1、TLP1′分別為功能壓板，CKJ1～CKJ 3為FCB出口重動繼電器。

圖2 電氣FCB動作解發接線原理圖

3.1.2 電氣FCB動作送熱控系統接線

CKJ1～CKJ 3動作后分別送DCS及DEH 系統，通過與斷路器5041、5042及806位置接點進行邏輯組態組成與或非門，然后進行FCB 判斷，決定機組是否進入FCB運行狀態。電氣FCB 動作送熱控系統接線如圖3 所示，其中CKJ1-2～CKJ3-2分別為FCB 出口繼電器接點，2TLP1～2TLP 3分別為相應功能壓板。

圖3 電氣FCB動作送熱控系統接線圖

3.2 同期并網電氣設計改造

機組FCB成功后或系統恢復供電后，要通過主變高斷路器進行同期并網。由于原設計中6號發電機組同期并網點只有806一個，所以在主變高側需加裝一個同期點。

圖4 國華臺電6號機組單元一次設備主接線圖

圖4中1PT 為500kV 鼓峰丙線線路側電壓互感器；2PT 為6 號主變高壓側電壓互感器；5041～5043 為500kV 升壓站站內同一串的斷路器，5042為FCB 試驗所新加裝的同期并網點；806為發電機機端原同期并網點，原設計功能保持不變。5042斷路器處加設同期點，并且同時設計了自動準同期和手動同期兩種同期方式。

3.3 發電機組發生自勵磁計算

通常采用阻抗比較法 （電阻可忽略不計）進行發電機組發生自勵磁計算，即當外電路容抗Xc滿足Xq＜Xc＜Xd時，會發生發電機同步自勵磁 （Xq為發電機交軸電抗、Xd為發電機直軸電抗）。

對于隱極發電機，Xq=Xd，所以當外電路等效容抗Xc滿足Xc＞Xd，發電機不會發生自勵磁，若考慮主變短路電抗XT，即當Xc＞ （Xd+XT）時，發變組不會發生自勵磁。

鼓峰丙線參數采用Π 型等效模型，其折算至發電機端的容抗有名值Xc為8.711Ω，6號發電機參數由發電機廠提供的有名值Xd為1.714Ω。主變短路電抗折算至發電機端的有名值XT=0.115Ω，因為Xc=8.711Ω、Xd+XT=1.829Ω，所以Xc＞（Xd+XT）成立 （機組發生自勵磁時所對應的線路邊界長度為342km，遠遠大于鼓峰丙線72km），故不會發生自勵磁。

3.4 仿真試驗

2013年6 月，國華臺電委托華中科技大學在PSCAD／EMTDC軟件平臺上搭建國華臺電6號機組模型，進行百萬機組50%、100%FCB 仿真試驗，并由華中科技大學、廣東電科院、廣東電網調度中心和國華臺電共同對仿真模型、參數和邊界條件進行確認，經行業內著名專家對試驗仿真結果進行評估，一致認為仿真結果合理、結論正確，滿足國標要求。

3.4.1 發電機機端電壓仿真

發電機機端電壓仿真有關圖表，分別見圖5、圖6和表1。

表1 發電機機端電壓仿真數據

3.4.2 空充線路仿真

空充線路仿真有關圖表，分別見圖7～圖9，表2。

圖5 50%FCB發電機機端電壓

圖6 100%FCB發電機機端電壓

圖7 三相不同期合閘發電機機端電壓

圖8 三相不同期合閘線路首端電壓

圖9 三相不同期合閘線路末端電壓

根據上述理論計算及仿真試驗可知，6號機組空充鼓峰丙線過程中，不會發生機組自勵磁；6號發電機暫態電壓1.28pu，主變側暫態電壓1.83pu、線路末端暫態電壓1.84pu，且各暫態過電壓衰減很快，約一個周波后均衰減至1.2 倍額定電壓以下，0.08s之后穩定在額定電壓附近，且均在2.0 pu和4.0pu國標值范圍內。

4 黑啟動試驗過程及結果

4.1 黑啟動試驗過程

從理論上講，電網故障后的恢復一般有3種方法，即采用低電壓對電網進行安全恢復 （以下簡稱低電壓恢復）、采用全電壓對電網進行安全恢復、采用零起升壓對電網進行安全恢復。無論采用何種方法，都將面臨過電壓問題。采用全電壓對電網進行安全恢復，充電恢復過程中的過電壓接近2～3倍相電壓，雖然一般不會威脅絕緣，但會造成發電機過電壓保護或避雷器動作；采用零起升壓對電網進行安全恢復，雖能很好地控制過電壓倍數，但時間較長，操作緩慢，對燃煤機組也不合適。采用低電壓對電網進行安全恢復，不僅可以彌補以上兩種方法的不足，而且可以避免設備損壞或因避雷器動作而重復停電等異常情況的發生。因此，從安全和實踐角度考慮，為了控制恢復過程中過電壓的威脅，采用低電壓恢復更為合理。低電壓恢復是指發電機運行在低電壓下，對供電區域內的系統進行充電。低電壓恢復要注意以下兩個問題：一是，確定發電機實施充電的低電壓安全工作范圍；二是，限制操作過程中的過電壓在合理的控制范圍內。

表2 三相不同期合閘線路電壓暫態仿真

鑒于電力系統過渡過程的復雜性，為安全穩妥起見，經過專家論證，確定6號發電機組先零起升壓至額定電壓，以考查自勵磁情況；后以90%額定電壓進行鼓峰丙線，進行空充試驗，以校核過電壓情況。2013 年7 月4 日，在6 號機組完成50%FCB試驗后，分別進行了發電機帶空線路零起升壓試驗 （見表3），以及90%發電機額定電壓空充線路試驗 （見表4）。

表3 發電機帶空線路零起升壓試驗結果

表4 90%發電機額定電壓空充線路試驗結果

4.2 黑啟動試驗結果

隨著勵磁電壓的逐漸升高，各測點電壓也平穩升高，發電機電流、有功功率、無功功率也平穩增大，且滿足機組安全運行的要求，發電機未發生自勵磁。

空充線路試驗時，各暫態過電壓與仿真數據基本相符。其中，主變高壓側為1.81倍、線路末端為1.89倍，發電機機端為1.40倍，均滿足國標和設備參數要求。

5 結論

對于大型發電廠來講，由于電廠升壓站內有多臺發電機組和多條輸電線路，故障形式復雜多樣，即便在發電機組、輸電線路相繼跳閘，甚至全部停電的情況下，電廠也可以在極短的時間內，通過黑啟動機組自帶全廠或部分非黑啟動機組來進行自產、自救。隨后通過電網調度，恢復輸電線路供電，將更加強大的火力發電機組電量源源不斷輸入電網、其他的發電廠以及重要用戶，極大地減少了重要用戶的經濟損失，為國民經濟持續、健康發展，提供持續的電力能源保障。

2013年11月7日，國華臺電6號機組順利完成了100%FCB試驗，成功完成了國產燃煤百萬機組FCB試驗，以及帶72km 的500kV輸電線路空充試驗，標志著國華臺電6號機組從此已經完全具備南方電網500kV 黑啟動能力，從此打破了一般采用水電廠遠程啟動火電廠的黑啟動常規，在我國電力系統黑啟動應急預案中奠定了一個嶄新的里程碑，在電網安全、穩定運行管理中具有劃時代的意義。

［1］ 中華人民共和國國家能源局.南方電網發展規劃（2013-2020年）［R］.2013

［2］ 何大愚.一年以后對美加 “8.14”大停電事故的反思 ［J］.電網技術，2004 （21）

［3］ 余長軍，熊巍，曾毅.電網黑啟動試驗及勵磁控制［J］.水電站機電技術，2011 （1）

［4］ 林姿峰，閔勇，周云海等.電力市場中的黑啟動服務 ［J］.電力系統自動化，2002（2）

［5］ 諶軍，曾勇剛，楊晉柏等 .南方電網黑啟動方案［J］.電力系統自動化，2011 （9）

［6］ 劉棟，孫英云.基于社會效益最大化的黑啟動電源規劃 ［J］.電力系統及自動化，2009 （12）

［7］ 李東.基于PDCA 與SDCA 循環的電力系統黑啟動服務管理 ［D］.濟南：山東大學，2011

［8］ 寧繼宏.1000 MW 火電機組FCB功能與系統配置探討 ［J］.廣西電力，2009 （4）

［9］ 姚金環.對FCB 若干問題的探討 ［J］.中國電力，2007 （5）

［10］ 馮偉忠.1000 MW 超超臨界機組FCB 試驗 ［J］.中國電力，2008 （10）

［11］ 危雪，周云海 .黑啟動中的自勵磁判據及仿真［J］.三峽大學學報（自然科學版），2005 （3）

［12］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB／T 18481-2001 電能質量 暫時過電壓和瞬態過電壓［S］