燃氣輪機作為自啟動電源的電網黑啟動案例

郭 馨，張生龍，惠兆森

(1.黑龍江省節能技術服務中心，哈爾濱 150001;2.哈爾濱第703研究所，哈爾濱 150078)

0 引言

隨著社會經濟的發展，用電需求不斷增加，電力系統規模日益擴大，促進了超高壓大電網的形成和發展［1］。但是，大電網存在潛在的事故威脅，即局部電網的某些個別問題，特別是發生短路故障等，其影響將波及鄰近的區域，可能誘發惡性連鎖反應，最終釀成大面積停電的重大系統事故。

2003年8月14日美加大停電［2］以后，國際上接連發生了一系列的大面積停電事故，希臘大停電、倫敦大停電［3］、悉尼大停電、莫斯科大停電、馬來西亞大停電、新加坡大停電、印尼大停電、海南大停電、巴基斯坦大停電。這些重大事故都造成了災難性的社會影響和經濟損失。2008年初，我國南方大部分地區和西北地區東部出現了建國以來罕見的持續大范圍的低溫、雨雪和冰凍的極端天氣，引起極為嚴重的冰雪災害，造成浙江、安徽、江蘇、福建、湖北、湖南、江西、四川、重慶、貴州、云南、廣西和廣東等省、市不同程度受災，引發電網大面積癱瘓，甚至救災列車都不能正常行駛。因此，研究電網大面積停電后的緊急恢復措施—黑啟動［4］已經成為時代所趨。在研究保證大電力系統的安全穩定運行的同時，需要重點研究系統癱瘓后如何快速恢復問題，即如何有效預防和應對大面積停電事故已成為一個非常迫切和重要事情。

所謂黑啟動，是指整個系統因故障停運后，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，逐漸擴大系統恢復范圍，最終實現整個系統的恢復。目前，我國電力系統正在逐步走向市場化運作，電網事故的恢復方案［5－6］和有關規程也正處于修改編寫之中。

南京地區為保證電網系統安全可靠運行，兩年多來，詳細研究了黑啟動可能產生的問題及其應對措施。經過大量的前期試驗和周密細致的技術準備工作，黑啟動試驗獲得圓滿成功。

1 自啟動電源—黑啟動的關鍵因素之一

一直以來，水力發電廠的水輪發電機組都是黑啟動電源的首選［7－8］。與火電、核電等機組相比，水輪發電機組結構簡單，沒有復雜的輔機系統;廠用電少，消耗自身動力資源或直流電源少并且水輪機組啟動速度快，因此被認為是理想、方便快捷的啟動電源。東北電網利用吉林小豐滿水電機組、華北利用十三陵抽水蓄能電廠水電機組、浙江利用溪口抽水蓄能電廠水電機組和楊溪水電機組、貴州電網利用洪家渡水電機組、寧夏利用青銅埉和沙坡頭水電機組、華中利用葛洲壩水電機組、廣東利用廣州抽水蓄能電站B廠水電機組、湖北利用天堂抽水蓄能電廠水電機組、河南利用小浪底水電廠水電機組、湖南利用大源渡水電站水電機組等分別進行了黑啟動試驗［9－14］。但是水輪發電機組作為自啟動電源存在兩個問題:

(1)停電后控制水輪機組導葉開啟的壓力油槽中的油壓能否維持在正常工作范圍內(一般約需半個小時左右)。

(2)水電機組一般遠離負荷中心，需經長距離高壓線路接入系統，容性負載較大，有可能產生自勵磁或線路末端電壓過高的危險。

燃氣輪機發電機組［15］啟動速度快，6B機組15 min達全負荷、9E機組18 min達全負荷;并且燃氣輪機發電機組位于負荷中心，可以自然克服線路長造成過電壓和系統不穩定的問題。這些優勢使燃氣輪機發電機組用作黑啟動電源成為可能。

目前，南京高達新港熱電廠是南京地區電網系統內唯一具有黑啟動能力的燃機電廠(從接到啟機命令到38MW滿負荷僅需16 min)。首次作為黑啟動電源的燃氣輪機，顯示了突出的小電網自適應能力:

(1)啟動速度快。高達燃機啟動系統是柴油機，啟動12分鐘開始線路充電。

(2)出力適當，可以滿足這次黑啟動負荷要求。PG6541B出力為38 MW、南京熱電廠#5號機組130 MW。

(3)燃料適應能力強。燃用天然氣、柴油和重油，可以在運行中切換。

(4)控制系統反應快。增減負荷時，系統穩定性好。

(5)高達電廠擁有兩套PG6541B，可以獨立起動300 MW汽輪機組。

2 試驗路徑

啟動電源點:南京高達新港熱電廠(簡稱高達)#1機組。PG6541B燃氣輪機發電機組，具有較強的抗負荷、調頻性能和進相運行能力，燃用#0柴油，只要15 kW燃油泵要用廠用電。

被啟動電源點:南京熱電廠(簡稱南熱)的#5號130 MW發電機組和華能南京電廠(簡稱華京)的320 MW發電機組。試驗路徑:如圖1所示。

為了不影響地方企事業單位正常用電需求，利用曉莊變電站將高達、南熱、華京組成孤立小電網，充電線路距離約20 km。按照供電重要性，排列輕重緩急的系統恢復順序。

圖1 南京地區黑啟動試驗路徑圖

3 試驗程序

試驗由江蘇省調度中心統一指揮。具體程序見表1。

表

續表1

4 分析與討論

(1)為使黑啟動方便快捷，高達電廠應增設一臺15 kW直流電機燃油泵，則不需任何輔助電源完成黑啟動。為提高啟動過程運行的穩定性，高達應兩臺PG6541B運行。

(2)試驗方案正確，試驗路徑合理。自啟動和被啟動機組距離近，空載充電線路短，所以發電機未出現自勵磁、線路未端無明顯容升現象。高達#1機組并入孤立空網小系統時，試驗電網沒有電壓，機端開關(52 G)需要解除同期允許。在開關控制回路中短接同期允許接點，手動合52 G并網。然后，為了減少逐段沖擊線路的時間，防止操作過電壓，采用了“零起升壓”的方式，為試驗電網充電。在52 G合閘前將機端電壓降至3 000 V，合52 G。合閘后試驗系統容性電流較多，處于進相運行，頻率為50 Hz。保持頻率為50 Hz的前提下，手動逐漸升壓并觀察記錄過程數據變化。試驗表明:燃氣輪機發電機組的MARK V控制系統運行靈活、反應敏捷、功能強。

(3)運行方式和加載方案合理。保證小系統的穩定運行。大電網多臺機組并網運行時，機組都采用有差運行方式。因此，南熱啟動后，南熱和高達均以常規的有差方式運行，系統不穩定。改為南熱有差、高達無差，避免當高達機組帶負荷時其轉速下降所需的二次調頻，系統很穩定。

燃機的無差調節方式屬于閉環控制。根據系統反饋信息，始終保持基準轉速(TNRI)和實際轉速(TNH)一致。當基準轉速(TNRI)＞實際轉速(TNH)時，發電頻率低，電網有功缺少，燃料閥開度(FSRI)自動增大進行調解;當基準轉速(TNRI)＜實際轉速(TNH)時，發電頻率高，電網有功過多，燃料閥開度(FSRI)自動減小進行調解。調速過程中并不涉及機組實際功率，僅在機組負荷能力范圍內，保證電網頻率。高達和南熱組成的多電源的小系統沒有發生振蕩。

高達無差、南熱有差:在50Hz穩定狀態，南熱所帶負荷是運行人員調整設定的，高達所帶負荷是整個電網所需負荷減去南熱所帶負荷。這時如果電網負荷變化造成頻率變化，采用有差方式的機組(南熱)不承擔負荷變化，采用無差方式的機組(高達)承擔全部的變化負荷。此運行方式既能承擔負荷突然劇烈變化，又能保證供電質量(頻率)。

PG6541B燃氣輪機發電機組具有良好的吸收能力。無功與電壓控制有關。黑啟動恢復的初期需要空充或輕載線路，由于存在分布電容，勢必產生大量容性無功，可能造成發電機自勵磁或電壓升高失控，引起自勵磁過電壓限制器(CXP)的動作，因此要求自啟動機組具有吸收無功的能力。

(4)系統加負荷情況:燃氣輪機發電機組具有在低負荷狀態下穩定的調速、調壓能力，能夠維持小系統的頻率和電壓穩定。由于黑啟動運行初期，不斷增加負荷，既對小系統產生電壓和頻率擾動，如果發生短路故障，突然切負荷、切機等情況，系統仍能保持穩定，則系統在這種運行情況下是暫態穩定。反之，如果系統受大干擾后不能保持穩定，而是各發電機組轉子之間一直有相對角度，因而系統的功率、電流和電壓都不斷振蕩，以至整個系統不能繼續運行下去，則黑啟動將最終失敗。

華京2 000 kW循泵啟動時，電動機啟動時間3 s，高達110 kV系統的母線電壓從115.0 kV降到104.8 kV;有功變化從 2.75 MW 到 4.96 MW，頻率變化為51.4～48.3 Hz。南熱6 kV母線系統的潮流出現瞬時的擺動，但很快恢復正常。

南熱3 200 kW給水泵啟動時，電動機啟動時間約4.2 s，啟動電流的峰值為4185 A。高達電廠110 kV系統的母線電壓從114.9 kV降到102.1 kV;頻率變化范圍為 51.3 ～47.8 Hz。南熱 6 kV母線電壓從6.40 kV降到5.10 kV，降幅較大。給水泵啟動正常后，小系統電壓恢復正常。

高達和南熱組成的電力系統穩定運行時，華京啟動8 000 kW的給水泵。電動機啟動時間4.3 s，啟動電流的最大有效值約為5 260 A(最大瞬時峰值約為13 960 A)，華京6 kV母線電壓從啟動前的6.31 kV降到4.41 kV。高達110 kV系統的母線電壓從115.6 kV降到104.1 kV，頻率變化范圍為 47.9 ～51.3 Hz，有功變化從 7.05 MW到8.12 MW。南熱220 kV母線電壓從234.9 kV降到212.5 kV;南熱發電機定子電壓從13.5 kV降到12.8 kV;無功出力從1.2 Mvar瞬間達50 Mvar左右后穩定在3.2 Mvar，有功變化很小，從1.5 MW到1.6 MW。小系統經過9 s時間恢復正常，穩定運行。啟動過程中高達電廠的機組承擔了全部變化負荷，南熱機組負荷幾乎沒有變化;另外南熱機組的勵磁調節器對試驗系統的電壓變化做出迅速反應，保證了試驗系統的電壓穩定。

(5)系統甩負荷情況:華京分三次切換廠用電。第二次切換廠用電時，小系統甩掉4 000 kW的有功負荷，切換之前高達有功輸出為7.0 MW，南熱#5發電機有功輸出為1.8 MW，切換之后高達有功輸出為3.3 MW，南熱#5發電機有功輸出為1.5 MW，總共甩掉4.0 MW的有功負荷，小系統的頻率變化范圍是48.7～52 Hz，此過程持續4.5 s，試驗系統恢復正常運行。

因此，在黑啟動的具體操作過程中，保持系統電壓和頻率穩定至關重要，頻率與系統出力和負荷有關，控制頻率涉及負荷恢復速度以及機組調速器響應和二次調頻。負荷的恢復必須考慮啟動功率和系統負荷之間的分配。為了保證系統穩定和恢復速度，需要使非自啟動機組獲得盡可能多的啟動功率，同時又必須恢復系統負荷以保證功率平衡。試驗中采取先恢復小負荷，逐步帶較大的負荷和電網重要負荷。負荷恢復慢將延長恢復時間，過快增長則有使頻率下降。所以，增加負荷的速度必須在加快恢復時間和保證機組頻率穩定之間兼顧。本次試驗中一次啟動最大負荷8 000 kW，占發電出力的4.6%。

5 結論

(1)燃機發電機組是最佳的黑啟動電源。PG6541B發電機組的控制系統特性適宜于黑啟動要求。兩臺PG6541B運行或一臺PG9071E可直接啟動300MW汽輪機組。作為黑啟動電源，高達電廠應兩臺機組同時運行。并應增加一臺15 kW之流燃油泵，啟動后切換。

(2)試驗方案正確，試驗路徑合理，可以避免發電機自勵磁和線路電容大而過電壓。PG6541B燃機發電機組具有很強的系統抗擾動能力。國內首次實現連續啟動兩個火電廠、一次啟動最大容量8 000 kW電動機的成功經驗。

(3)黑啟動試驗采用零起升壓的方式，減少了逐段沖擊線路、主變操作的時間，有利于電網的盡快恢復;避免了沖擊空線和主變而產生的操作過電壓和諧振過電壓，保證黑啟動系統穩定運行。

(4)試驗小系統甩負荷沖擊的試驗表明，PG6541B發電機組作為自啟動電源，不僅可以起動電網中的機組，而且能夠承受負荷的不規則波動。

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