孤網全過程黑啟動探索與實踐

杜 豐，杜才明，熊 彬，劉 浩，黃永勝

（1.國網撫州供電公司，江西 撫州 344100；2.中國水利電力對外有限公司，北京 101100）

0 引言

電力系統的黑啟動，不僅是電站在全廠失電情況下生產自救的必要措施，也是電網大面積事故停電后，有序恢復供電的關鍵環節。所謂黑啟動，是指電力系統事故停電或瓦解后，電站失電處于“黑暗”狀態下，不依賴其它外來電源，能首先獨立啟動發電機組，向用戶和其它無自啟動能力的電廠供電，使其啟動發電機組并網發電，逐步并最終恢復全電力系統的正常運行方式。

黑啟動對于電力系統的重要性不言而喻。無窮大電力系統全網停電機會極少，電站黑啟動僅限于站內有準備的功能性試驗，止步于恢復自用電，缺乏從電站到網架重構、負荷恢復的全過程黑啟動實戰經驗，以及出現各種問題的解決方案。真正全網停電時，要實現電站黑啟動并向電網安全穩定、快速復電，實施過程問題不少，解決處理好非常關鍵。

近年來中國在“一帶一路”沿線國家，主要是發展中國家的水電建設項目較多。其電網規模小，穩定可靠性不高，黑啟動操作頻繁，有機會讓相關專業人員從電站對高電壓、遠距離電力網實施全過程的黑啟動，在解決實際問題中改進方案、創新方法和總結經驗，以更好地服務于電力建設和生產運營，為同業人員和相關設計、生產單位提供借鑒。

1 站內黑啟動

黑啟動第一步是電源點的啟動。水輪發電機組與火電、核電機組相比，具有輔助廠用電設備簡單、負荷較小，機組啟動快速、負荷變化率高等特點，是電力系統黑啟動電源的首選。

1.1 全黑啟動

全黑啟動也稱A類黑啟動[1]，適用于無應急廠用保安小機組（如柴發、生態流量機組），或有應急廠用保安小機組但仍可選擇全黑啟動的電站。常規水電站，通常失去交流廠用電1～2 h內，直流系統蓄電池和調速器液壓系統儲能得以保持，一般均能完成1個過程的機組自啟動，對內恢復機端廠用電，然后其它機組按正常方式啟動并網發電。優點是啟動迅速，不用反復倒換廠用電，不會帶來廠用電的多次間斷，也節約柴油能源，應作為黑啟動的首選方式。缺點是在機組輔助、公用設備交流失電告警情況下開機，需要開機流程條件許可，并清楚主輔設備的冷卻、潤滑等系統能短時停電應急工作，如勵磁功率柜在交流冷卻風機停運情況下啟動運行。并有可能需要對部分交流電動閥門，如技術供水閥先行人工開啟。

1.2 非全黑啟動

非全黑啟動也稱B類黑啟動，先啟動保安小機組接帶廠用電，再啟動一臺機組恢復正常廠用電，然后其它機組按正常方式啟動并網發電。本質上機組這種黑啟動，與正常啟動并無區別，算不上真正的黑啟動。只是保安小機組容量較小，一般按一臺機組發電和基本公用廠用負荷進行配置。首臺機組啟動成功后，要及時倒換至機端自帶廠用電，將柴發停運。啟動柴發的黑啟動，一般可作為保證電站黑啟動成功的后備手段。因此，要對柴發備足油料，并定期啟動空載試運行，確保其健康工作狀態。

2 電網黑啟動

站內黑啟動成功，只完成了黑啟動的第一步。向電網樞紐變電站、終端用戶安全穩定、快速復電成功，才是黑啟動的關鍵。筆者在東南亞、非洲水電站建設與運維過程中遇到的主要問題均出現在該階段。黑啟動成功率和復電速度，是用戶、電力主管和調度部門關注的重點；復電安全穩定性問題則主要由電站面對和解決。

幾內亞凱樂塔電站（Kaleta）裝機容量3×92 MVA，鄰近的上游蘇阿皮蒂電站（Souapiti）裝機容量4×132.4 MVA，發變組單元接線，主變高壓側并網。主要負荷通過225 kV同塔雙回114.5 km主干線路，送電到首都科納克里的瑪尼亞變電站（Maneah），導線型號JLHA2-315。兩電站距225 kV主干線首端凱樂塔中心變電站分別為1.5 km和8.8 km。末端瑪尼亞站3臺主變，型號SFSZ11-150000/220，為有載調壓，容量3×150 MVA，中低側電壓為110/20 kV。兩變電站未配置補償電抗器。目前運行主電網接線如圖1所示。

圖1 幾內亞電力系統主網地理接線圖

3 電網黑啟動主要問題

水電站通常遠離負荷中心，通過高電壓、長距離輸電線路向負荷中心樞紐變電站供電。電站升壓主變為無載調壓，分接頭處于較高電壓位置。電站黑啟動建立電壓后，若按全電壓、逐級向線路和變電站合閘的正常操作方式送電，將出現末端過電壓、機組自激磁、參數諧振、和應涌流等一系列嚴重安全穩定問題。

3.1 線路電容效應

110 kV及以上長距離電力線路的空載合閘送電，將出現明顯的電容效應，導致線路末端電壓升高和機組無功深度進相。凱樂塔和蘇阿皮蒂電站主變高壓側額定電壓235 kV，正常運行分接頭位置為Ⅱ檔，空載額定電壓240.875 kV。正常負載運行由于主變和線路的電壓降損失，電站母線電壓約230 kV，瑪尼亞站側電壓隨負荷變化約為200～220 kV，偏低，需通過有載調壓提升110/20 kV側電壓，必要時投入20 kV側補償電容提高功率因數。

黑啟動時情況相反，由于空載線路電容效應，電站通過主變對線路空載合閘送電時，對側瑪尼站進線電壓將升高約19 kV，達到240.875+19≈260 kV，超過許可極限電壓1.1×225 kV=247.5 kV。因此，機組不能按正常起勵方式直接建壓至額定。為了提高復電速度，不采用零升方式，可利用勵磁調節裝置試驗程序的0.8 p.u.軟按鍵，首先一步建壓至0.8 p.u.，再手動增加至0.9 p.u.，為0.9×240.875 kV≈216.8 kV[2]。此時合閘充電，對側電壓約236 kV，線路兩側電壓均在可接受范圍。

3.2 發電機自激磁

發電機按0.9 p.u.電壓向空載線路合閘充電，盡管線路首尾電壓未超限，但由于線路電容充電功率突變，容易導致發電機自激磁，使發變組電壓失控、劇烈震動，并出現深度無功進相。

由于高壓線路的電容充電功率QC=ωCU2，無功進相深度與線路長度、電壓平方成正比。225 kV線路充電功率約14 MVar/100 km，本工程在0.9 p.u.機端電壓向線路充電，雙回線路約30 MVar，均在兩個電站任一發電機的可承受范圍。

自激磁本質上是發變組電感與線路電容在特定電網參數、頻率下，出現的鐵磁諧振，能持續保持而不衰減，使發變組劇烈震動，且電壓不能通過增減勵磁進行調整而超限，直至繼電保護動作[3]，或人工干預跳閘，導致黑啟動組網失敗。自激磁不是每次都能碰上，但發生概率很高，約70%以上；即使不出現，合閘沖擊電流、操作過電壓也很大，對發變組及電網設備構成安全風險。

盡快消除或削弱自激磁諧振的有效方法是投入感性負載、改變電網參數，使諧振條件變化。如做好事故預想，迅速合上負載變、中低壓配電線路；或帶小部分負荷合閘；雙回線路臨時斷開一回等。

3.3 和應涌流

東南亞、非洲地區110/220 kV系統中性點運行方式較特殊，因電網規模小，并列運行主變的中性點均為全接地，而不是一個站只有一臺接地。黑啟動組網時，電站側運行主變中性點應投入，高壓線路充電后，對變電站主變空載合閘時，中性點也應投入，并產生勵磁涌流。由于勵磁涌流存在很大的直流分量和大量的非周期分量，流經并列運行的電源側主變勵磁電抗，使鐵芯趨于飽和，產生相應的浪涌電流，即和應涌流。

勵磁涌流與和應涌流分別出現在變電站合閘主變與電站運行主變上，其峰值交替出現，類似L-C并聯諧振。當合閘主變容量、涌流較大時，振蕩程度相當嚴重，引發電源側發變組強烈震動，甚至會引起發電機失磁、主變零序保護誤動，導致黑啟動組網失敗。

消除和應涌流的方法是當變電站主變合閘時，將電站運行主變中性點接地暫時斷開。該方法應經調度同意，并注意操作過電壓對不接地變的風險，確保中性點間隙保護投入。也可在變電站側大型主變合閘前，電站側盡可能多地并列上幾臺發變組，分散和應涌流對電站主變的影響。

4 電網軟充電黑啟動

如前所述，電網黑啟動組網過程，發電站對長距離高壓線路、大容量主變分步全電壓沖擊合閘送電時，將出現一系列的不安全現象，對電站和電網設備構成故障隱患，或直接導致黑啟動不成功。

為了從根本上消除以上各種不利因素，并減少電網黑啟動操作程序、提高系統復電速度，需要改變常規復電程序。歷經實踐探索和不斷改進，黑啟動初期，首個電站以“軟充電”方式向電網合閘送電，是行之有效，最安全、穩定、快捷的黑啟動方式。通過幾個境外電力系統和數年的運行實踐，取得了顯著的效果。

4.1 發電機帶225 kV全系統整體起勵建壓

電網事故停電后，首先完成電站內黑啟動，恢復正常廠用電。然后啟動一臺機至空轉態，無壓合上發變組并網開關，帶225 kV全系統（無窮大系統可預先試驗確定送電范圍），包括升壓站和各變電站225 kV母線、雙回線路、受端主變（可同時帶2～3臺150 MVA主變），再從勵磁屏上按0.8 p.u.起勵試驗按鈕，帶225 kV全系統設備軟充電建壓。

軟充電起勵建壓過程約6 s時間，非常安靜、穩定。然后調整系統電壓至合適水平，投入各變電站自用電、分步合110/20 kV負荷開關，陸續接帶負荷。待機端電壓達額定值后，勵磁調節切遠方自動位。調速器可一直在自動位。

4.2 軟充電優點

1）完全避免發電機自激磁諧振與主變和應涌流。黑啟動初期盡管電站發變組容量參數小，但電網軟充電建壓過程長達數秒，完全避免了全電壓沖擊合閘時，因線路電容電流、主變勵磁涌流躍變對電站發變組的沖擊和耦合。

2）大幅削減線路電容效應。軟充電可一臺機帶多條225 kV線路和數倍于機組容量的受端主變同時進行。由于主變電抗消耗無功，起到了高壓電抗器補償線路充電功率的作用。如本案例，線路末端電壓上升從19 kV減小到2～3 kV，并減少機組無功進相。

3）提高復電速度。電網因局部故障停電后，225 kV主干線開關一般仍在合位，不需要像全電壓逐級送電那樣，先全部斷開，再逐一合上，大幅減少復電操作項目、操作步驟。復電速度是電網事故后用戶體驗度好壞的重點。

4）提高黑啟動成功率。由于軟充電無沖擊、諧振，非常安全穩定，使黑啟動成功率從原先的約30%，提高到幾乎100%。另外，常規復電操作，高壓開關頻繁動作容易出現儲能、傳動機械等故障而拒動，導致復電中斷、電網黑啟動失敗。減少開關設備操作項，也減少了人為誤操作因素。

4.3 注意事項

1）應先啟動機組至空轉態，再無壓合發變組并網開關，否則調速器接收到并網態，一般默認不能啟機。

2）有些勵磁調節器可能并網態下不能起勵，啟勵前應先臨時斷開并網令。斷開并網令，可以采取對PLC開入測點置位、臨時甩線，或斷開回路預先加裝的小開關等措施。

3）發電機起勵建壓過程，既可以手動進行，也可以由勵磁裝置自動完成。自動完成時可視主變分接頭位置、線路末端電壓計算情況，目標電壓設定為0.9～1.0 p.u.，系統穩定后調壓至額定。

4）軟充電與全電壓硬充電一樣，除225 kV系統線路和設備外，不應帶負載一并進行，以避免發電機頻率大幅波動，或敏感負載因電壓、頻率短暫異常出現問題。

5 負荷恢復

全過程黑啟動的最后一環是負荷恢復。軟充電黑啟動時，機組起勵目標電壓可直接設定為0.9～1.0 p.u.，因此電網首尾兩側可同時分批接入負載。孤網條件下負載由配電網逐條投入配電線路來實現，發電機只能被動接受、增加出力。根據調速、勵磁相關技術要求，配電網單次投入的沖擊負載不應超過機組容量的8%，否則會導致電網頻率、電壓大幅波動。負荷逐步接入后，跟蹤調整系統頻率和電壓在合格水平。

6 結語

通過境外多個電站的實踐檢驗和不斷完善，電站黑啟動與電網恢復的理論方法、實踐運用日臻成熟。蘇阿皮蒂電站后期據此在計算機監控、勵磁系統增加一鍵式黑啟動軟充電程序，進一步提高了黑啟動自動化水平、復電速度和安全穩定性。