百萬機組孤島運行的電氣安全性分析

神華廣東國華粵電臺山發電有限公司 張楊迪，肖華賓，陳競，高興慶

百萬機組孤島運行的電氣安全性分析

神華廣東國華粵電臺山發電有限公司 張楊迪，肖華賓，陳競，高興慶

孤島運行是發電機組一種特殊的運行工況，具備孤島運行能力的大型火電機組可以作為電網黑啟動的電源點。本文介紹了百萬機組實現孤島運行的必要性和性能配置，通過對孤島運行的觸發和并網過程進行仿真和試驗，論證了孤島運行的電氣安全性以及利用90%額定電壓空充線路方案的可行性。

孤島運行；快速切負荷（FCB）；黑啟動；過電壓

截至2014年底，全國全口徑發電裝機容量為13.6億千瓦，其中煤電裝機容量8.3億千瓦，隨著電力結構的調整，火電的裝機容量比重以及發電量比重將會逐年降低，但火電在很長一段時間內都將仍是我國電力供應的主要來源[1]。另一方面，火電經過多年的發展與實踐，其總裝機容量大、技術成熟可靠以及600WM和1000MW大容量火電機組的廣泛投產運營現狀，使得電網對其有了更高的要求：節能減排、參與深度調峰以及做電網黑啟動電源[2-4]。本文以南方電網內最大火力發電廠6號百萬機組為例，主要介紹和分析其孤島運行能力以及參與電網黑啟動的過程。

孤島運行是火電機組同電網解列自帶廠用電運行的一種特殊工況，具備孤島運行能力的機組能夠在電網崩潰時維持廠用電、實現自啟動，在系統恢復時作為黑啟動電源，給停電的輸電設備、重要用戶和其它發電機組的廠用電負荷供電，同時維持合格的電壓和頻率，并逐步帶動其它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[4-8]。

1 孤島運行百萬機組的配置

機組實現孤島運行的前提是具備快速切負荷（Fast Cut Back，FCB）功能，具體來講就是機組在高于某一負荷之上運行時（一般30%~40%額定負荷），因內部或外部（電網或線路等）故障與電網解列，瞬間甩掉全部對外供電負荷時，根據不同故障原因，分別實現快速減出力維持“機組與電網解列自帶廠用電運行”或“停電不停機”或“停機不停爐” 的自動控制功能[9-11]。

孤島運行工況對火電機組尤其是大型火電機組來說特別考驗設備配置和控制能力。文獻[12-16]對該類機組的高壓旁路系統容量、低壓旁路等系統配置、再熱安全門型式、除氧水器容、汽泵汽源快切、控制系統的協調配合、負荷調節方式、廠用電切換等問題和要求進行了探討。

國華臺電6號機組是1000MW國產燃煤火力發電機組，其配置的超超臨界塔式鍋爐、超超臨界單軸四缸四排汽反動式凝汽式汽輪機以及水氫氫冷卻無刷旋轉勵磁發電機均為上海電氣集團成套生產。旁路系統配置100%BMCR容量高壓旁路，省去過熱器安全閥，低壓旁路容量為65%BMCR，另配100%再熱器安全閥；給水系統配置2臺50%容量的汽動給水泵；凝結水系統配置3臺50%容量凝結水泵，其中2臺變頻1臺工頻；設有一個500m3的補給水箱，配備二臺500m3/h的凝結水輸送泵。

數字電液調速系統（Digital Electro Hydraulic Control System，DEH）內設轉速控制模式，由上海汽輪機廠引進西門子技術成套配置；熱力控制系統采用和利時分散控制系統（Distributed Control Systems，DCS），包括機組協調控制系統（Coordination Control System，CCS）、模擬量控制系統（Modulating Control System，MCS）、機組順序控制系統（Sequence Control System，SCS）、電氣部分發變組及廠用電的監控（Electrical Corotrol System，ECS）、鍋爐爐膛安全監控系統（Furnace Safety Supervisory System，FSSS）、小汽輪機電液控制系統（Micro Electro Hydraulic Control System，MEH）等。

發電機額定電壓27kV，發電機裝設出口斷路器，高壓廠用電為6kV電壓等級，設有2臺高壓廠用變壓器，其電源從發電機出口斷路器和主變壓器之間引接，另有1臺停機/備用變壓器為6、7號機組共用，其容量與高壓廠用變壓器相同，電源從一期工程220kV母線引接。

采用3/2接線方式的6號發變組一次主接線圖如圖1所示，其中發電機額定容量1000MW，轉速3000r/min；806為發電機出口斷路器，具備自動準同期并網功能；主變容量1140MVA，發電機電能經主變升壓至500kV；5041和5043為邊斷路器，分別同兩條500kV母線（3M和4M）相連；5042為中斷路器，同72.5km長的500kV鼓峰丙線相連，并且經過改造其已具備了自動準同期并網功能。1PT和2PT分別為500kV鼓峰丙線線路側和6號主變高壓側電壓互感器。

圖1 6號發變組一次主接線圖

2 百萬機組脫離電網進入孤島運行工況分析

下面以2013年11月7日6號機組100%負荷FCB試驗為例，簡要分析百萬機組滿負荷時甩去全部對外負荷進入孤島運行工況的過程。

2.1 孤島運行工況的觸發

6號機組采用安穩裝置的出口跳閘節點、斷路器運行位置進行綜合判斷作為觸發FCB的條件[17]，邏輯圖如圖2所示。

圖2 電氣FCB觸發邏輯圖

圖3 FCB信號觸發時序圖

觸發前機組在協調控制方式，負荷996MW，各項連鎖保護正常投入， B/C/D/E/F五套制粉系統運行，A制粉系統熱備用，A/B給水泵運行，A/B凝泵工頻運行，C凝泵備用，A/B引風機、A/B送風機、A/B一次風機自動狀態運行。10時38分05秒，人工模擬B套安穩裝置動作，順利切除5041和5042斷路器后觸發FCB，該信號為3個電氣硬接點通過熱控三取二邏輯確認后觸發，持續時間7min，FCB觸發時序圖如圖3所示。

2.2 孤島運行工況的進入

FCB信號將觸發鍋爐RB信號，立即跳開F磨煤機，10s后再跳開E磨煤機，之后保持B/C/D制粉系統正常運行（鍋爐目標負荷480MW）。發電機有功功率和無功功率變化曲線如圖4所示，其中有功功率即機組負荷在2s內由試驗前的996MW降至32MW，無功功率由181MW降至28MW。

圖4 發電機有功及無功功率

理論上講機組進入孤島運行工況，由于突然甩掉對外全部的負荷，電磁功率突然減少，而機械功率不變，機端電壓會升高，發電機轉速（同汽輪機轉速）也會升高；根據反饋，勵磁系統開始調節機端電壓，由于發電機轉子繞組電感較大，其勵磁電流不能突變，導致機端電壓下降；隨后，隨著發電機轉速飛升機端電壓會再次上升，并最終在勵磁調節的作用下穩定于額定電壓；汽輪機超速保護（Over Speed Protect Controller，OPC）動作，旁路系統打開，機械功率迅速減小，機組進入轉速控制模式，轉速也隨之逐漸穩定，最終穩定于3000r/min左右。

圖5為試驗過程中汽輪機轉速曲線，可以看到機輪機轉速試驗前3001r/min，FCB 觸發后轉速開始飛升，至1.2s轉速飛升至最大值3150r/min，之后轉速開始下降，至12s，轉速下降至最小值2954r/ min，之后轉速開始恢復，至22s轉速穩定在2995r/min，期間OPC可靠動作使得汽輪機轉速高峰未觸及110%的基本保護停機值，轉速變化過程同理論分析一致。

圖5 汽輪機轉速曲線

FCB觸發過程中發電機機端相間電壓（線電壓）錄波圖如圖6所示，從上到下分別是UAB、UBC和UCA的有效值波形，可以明顯看到試驗前機端電壓為27kV，FCB觸發后經過約0.7s機端電壓升至最高（約29.7kV），隨后又經過約2s電壓降至最低（約26.5kV），之后又經過約6s機端電壓逐步穩定在27kV左右。

圖6 100%FCB試驗機端三相電壓

表1記錄了6號發電機組進入孤島運行工況過程中發電機機端電壓的部分實測數據，有別于上方相間電壓的錄波，此處分相別進行測量和記錄。可以看到進入孤島運行的過程中暫態過電壓倍數C相最大，達到了1.12倍，A、B相均為1.08倍，這同上面錄波曲線得到的數據基本保持一致（約1.1倍），并且過電壓倍數并未達到發電機過電壓保護定值（Ⅰ段1.25倍0.5s動作、Ⅱ段1.40倍0.1s動作），也遠低于電力系統設備的絕緣承受能力[18-19]。

表1 孤島運行發電機機端電壓實測數據

3 孤島運行百萬機組并入電網過程分析

孤島運行機組并入電網分兩種情況：一是接入有載電網，二是對空載線路進行充電，對空載線路充電又有三種方式：低電壓充電、全電壓充電和零起升壓。

3.1 孤島運行機組并入有載電網

以臺電6號機組為例，當安穩裝置動作觸發FCB后，5041和5042斷路器分斷，6號發變組同500kV電網分離自帶廠用電運行，如果確認電網故障消除并且電網已帶載，那么6號發變組并入電網可有兩種方式：一是孤島運行狀態直接通過安裝設有自動準同期裝置的5042斷路器同期并網，隨后再合上5041斷路器使得系統合環運行；二是將孤島運行機組的廠用電倒換至啟動/備用變壓器帶，斷開發電機出口斷路器806，進行主變倒送電，之后再將高壓廠用電倒換至兩臺高廠變帶，最后通過裝設自動準同期裝置的發電機出口斷路器806同期并網。第二種操作方式適用于主變高壓側斷路器無同期并網功能的機組，但是在切換廠用電過程中存在很大的風險，若廠用電切換失敗將引發停機停爐。臺電5042斷路器在建設之初并未設計同期并網點，為了使得第一種并網方式順利實施，6號機組完成了5042斷路器加裝同期點的改造。

3.2 孤島運行機組對空載線路充電

當遭遇電網故障或大面積停電時，安穩裝置動作觸發FCB，6號機組進入孤島運行工況，在電網恢復的過程中維持孤島運行的6號機組將發揮黑啟動電源的作用，向空載的鼓峰丙線充電，恢復局部電網。此種情況下線路存在較大的充電電容，系統情況復雜，若機組及系統參數配合不當，或者恢復操作不當，將可能出現發電機自勵磁、進相能力不足以及系統過電壓問題。

3.2.1 發電機自勵磁

發電機自勵磁將導致機端電壓幅值失控飆升，損壞設備絕緣或誘發軸系振蕩。文獻[20]用阻抗比較法從理論上計算和驗證了6號機組空充鼓峰丙線不會發生機組自勵磁，并且可以通過計算得知機組發生自勵磁時所對應的線路邊界長度為342km，遠大于鼓峰丙線72.5km的實際長度。

為了驗證6號發電機對鼓峰丙線充電時是否會發生自勵磁現象，2013年7月4日，進行了發電機空載條件下帶鼓峰丙線零起升壓試驗，通過手動勵磁的方式對機端電壓進行控制，手動零起升壓過程中各測點的穩態電壓及發電機出力數據如表2所示。

表2 發電機帶空線路零啟升壓試驗結果

根據測量結果，在手動零起升壓過程中隨著勵磁電壓逐漸增大，各測點的電壓隨之平穩增大，發電機電流、有功、無功也隨之平穩增大且滿足機組安全運行的要求，驗證了6號機組空充鼓峰丙線不會發生機組自勵磁。

3.2.2 發電機進相能力

根據發電機和線路參數建立仿真模型對6號發電機空充鼓峰丙線進行模擬測試，當機組由孤島運行工況向空載線路充電，發電機輸出有功P=44MW，無功Q=55MVAR；當機組在啟備變帶廠用電條件下（也即發電機空載）空充線路時，機組輸出有功約為5MW，無功約為Q=80MVAR。

6號發電機進相運行穩定極限示意圖如圖7所示，仿真得到的兩種工況下機組空充線路運行穩定點在圖中分別對應A（4.4%，-5.5%）和B（0.5%，-8%），很明顯兩者均處于穩定邊界之上，說明機組進相運行能力滿足空充線路工況的要求。

圖7 6號發電機進相運行與穩定極限示意圖

另外，在表2中還可以看到：6號發電機帶空線路零啟升壓試驗過程中，電壓穩定在100%時機組的有功和無功功率分別為6.12MW和-86.89MW，機組運行穩定，也驗證了以上仿真結果和機組進行分析的正確。

3.2.3 系統過電壓

作為黑啟動電源，不管是傳統的水電機組還是具備孤島運行能力的火電機組，其作為“星星之火”參與電網故障后的恢復不可避免地會出現系統過電壓情況，而黑啟動電源向空載電網送電又有三種方式，采用零起升壓方式對線路充電可以有效控制過電壓倍數，但是操作緩慢升壓時間過長，對燃煤機組來說不便執行，影響整個電網的黑啟動效率；直接采用全電壓空充線路的方法操作簡便、效率最高，但是系統過電壓倍數較高，容易對設備和系統造成絕緣擊穿等損壞；采用低電壓對空載線路進行充電，可以彌補以上兩種方法的不足，避免設備損壞或避雷器動作而重復停電等異常[21]。

為了確認應該以具體什么數值的低壓向線路充電，我們通過多方討論并用仿真模型進行多次測試，最終確定了6號機組空載條件下以90%發電機額定電壓空充鼓峰丙線的方案。表3記錄了90%發電機額定電壓空充線路仿真電壓數據，為了便于分析這里只列出各測點最大過電壓倍數相別的數據。

表3 90%發電機額定電壓空充線路仿真電壓數據

在表3中我們可以看到用90%額定電壓空充線路，主變高壓側以及線路末端的暫態過電壓倍數最高、持續時間最長，分別達到了1.83倍82ms和1.87倍88ms，而鼓峰丙線線路保護定值為“80V”，換算為線路額定電壓倍數的話約為1.386倍，雖然暫態過電壓已超過線路過電壓定值但整個暫態過程很短只有約0.08s，而且并不是整個暫態過程均超過保護定值，所以線路保護不會動作。對于發電機來說，空充過程中機端電壓暫態過電壓倍數最高達到1.41倍，暫態過程持續時間40ms，也不會觸發發電機過電壓保護動作。

2013年7月4日進行了90%發電機額定電壓空充鼓峰丙線試驗，對空充過程的過電壓情況進行檢驗，相關測試數據記錄如表4所示。

表4 90%發電機額定電壓空充線路試驗實測電壓數據

對比表3和表4我們可以發現90%額定電壓空充線路實測數據同模擬數據基本一致，各電壓等級的暫態過電壓水平均滿足國標和設備參數要求[18-19]。

4 結語

本文分析了火電廠百萬機組FCB觸發進入孤島運行工況以及重新并入電網的過程，就其中發電機組配置、系統過電壓、發電機轉速飛升、有功無功負荷調節、機組自勵磁及進相運行能力進行論證和分析，通過仿真模型測試和試驗實測對比得出結論：臺電6號機組三大主機設備以及高低旁路、再熱器安全閥、給水系統、凝結水系統、熱工控制系統、電氣設備配置均滿足了孤島運行工況的要求，在參與電網黑啟動的過程中不會發生機組自勵磁和進相能力不足的文體，并且在機組進入孤島運行工況和以90%額定電壓空充鼓峰丙線的過程中不會發生危機設備和系統安全的過電壓現象。

[1] 中國電力工業現狀與展望[R]. 中國電力企業聯合會, 2015.

[2] 王志軒. 我國電力工業環境保護現狀與展望[J]. 中國電力, 1999, 32 (10) : 46-51.

[3] 趙竣屹, 孟江麗. 大機組深度調峰運行的可靠性與經濟性研究方式的探討[J]. 山西電力, 2005, (4) : 27 - 28, 30.

[4] 劉皓明, 丁帥, 盧恩, 等. 含快速切負荷功能火電機組的電力系統黑啟動策略[J]. 電力系統自動化, 2013, 37 (9) : 23 - 28, 116.

[5] 辛闊, 吳小辰, 和識之. 電網大停電回顧及其警示與對策探討[J]. 南方電網技術, 2013, 7 (1) : 32 - 38.

[6] 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, 34 (1) : 41 - 43.

[7] 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, 26 (2) : 9 - 13.

[8] 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, 30 (9) : 80 - 83, 87.

[9] 姚金環. 對FCB若干問題的探討[J]. 中國電力, 2007, 40 (5) : 59 - 62.

[10] 譚金. 國產超臨界機組實現快速切負荷的若干技術問題探討[J]. 廣東電力, 2010, 23 (10) : 50 - 53.

[11] 陳又申, 余正環. 電網故障與火電廠機組控制應對[J]. 中國電力, 2005, 38 (3) : 70 - 73.

[12] 寧繼宏. 1000MW火電機組FCB功能與系統配置探討[J]. 廣西電力, 2009 (4) : 63 - 67.

[13] 馮偉忠. 1000MW超超臨界機組FCB試驗[J].中國電力, 2008, 41 (10) : 62-66.

[14] 馮偉忠. 1000MW級火電機組旁路系統作用及配置[J]. 中國電力, 2005, 38 (8) : 53 - 56.

[15] 郭鑫. 大型發電機組FCB功能的探討[J]. 華北電力技術, 2010, 24 (2) : 22 - 23.

[16] 尹武昌. 國產1000MW機組實現FCB功能可行性研究[J]. 神華科技, 2013, 11 (5) : 54 - 58.

[17] 肖華賓, 張楊迪. 基于火電廠百萬機組的電網大UPS電氣研究及實踐[J].電氣自動化, 2015, 37 (1) : 83 - 85.

[18] GB/T 18481-2001, 電能質量：暫時過電壓和瞬態過電壓[S].

[19] DL/T 620-1997, 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].

[20] 甘超齊, 肖華賓, 張楊迪, 等. 南方電網百萬機組作為黑啟動電源的電氣研究及應用[J]. 神華科技, 2014, (5) : 53 - 57, 62.

[21] 周衛杰. 電網安全與水電站黑啟動[J]. 電力安全技術, 2004, 6 (9) : 48 - 50.

Analysis on Electrical Safety for Island operation of 1000MW unit

Island operation is a special working condition of power unit. Large thermal power generating unit with the ability of island operation can be used as a black start power. This paper introduces the necessity and performance configuration of 1000MW units to achieve island operation ability. Simulation experiments of island-operating and power grid interconnecting demonstrates the security of island operation and the feasibility of the scheme with 90% rated voltage charging circuit.

Island operation; Fast cut back (FCB); Black start; Overvoltage

張楊迪（1990-），男，安徽淮北人，助理工程師，理學學士，2011年畢業于中南大學，現任神華廣東國華粵電臺山發電有限公司電氣二次專業檢修工程師，從事大型火電機組繼電保護和電氣自動化設備的調試維護和技術管理，主要研究方向為發電廠電力系統自動化、發變組及線路保護。