燃气轮机作为自启动电源的电网黑启动案例

郭 馨，张生龙，惠兆森

(1.黑龙江省节能技术服务中心，哈尔滨 150001;2.哈尔滨第703研究所，哈尔滨 150078)

0 引言

随着社会经济的发展，用电需求不断增加，电力系统规模日益扩大，促进了超高压大电网的形成和发展［1］。但是，大电网存在潜在的事故威胁，即局部电网的某些个别问题，特别是发生短路故障等，其影响将波及邻近的区域，可能诱发恶性连锁反应，最终酿成大面积停电的重大系统事故。

2003年8月14日美加大停电［2］以后，国际上接连发生了一系列的大面积停电事故，希腊大停电、伦敦大停电［3］、悉尼大停电、莫斯科大停电、马来西亚大停电、新加坡大停电、印尼大停电、海南大停电、巴基斯坦大停电。这些重大事故都造成了灾难性的社会影响和经济损失。2008年初，我国南方大部分地区和西北地区东部出现了建国以来罕见的持续大范围的低温、雨雪和冰冻的极端天气，引起极为严重的冰雪灾害，造成浙江、安徽、江苏、福建、湖北、湖南、江西、四川、重庆、贵州、云南、广西和广东等省、市不同程度受灾，引发电网大面积瘫痪，甚至救灾列车都不能正常行驶。因此，研究电网大面积停电后的紧急恢复措施—黑启动［4］已经成为时代所趋。在研究保证大电力系统的安全稳定运行的同时，需要重点研究系统瘫痪后如何快速恢复问题，即如何有效预防和应对大面积停电事故已成为一个非常迫切和重要事情。

所谓黑启动，是指整个系统因故障停运后，不依赖别的网络帮助，通过系统中具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复。目前，我国电力系统正在逐步走向市场化运作，电网事故的恢复方案［5－6］和有关规程也正处于修改编写之中。

南京地区为保证电网系统安全可靠运行，两年多来，详细研究了黑启动可能产生的问题及其应对措施。经过大量的前期试验和周密细致的技术准备工作，黑启动试验获得圆满成功。

1 自启动电源—黑启动的关键因素之一

一直以来，水力发电厂的水轮发电机组都是黑启动电源的首选［7－8］。与火电、核电等机组相比，水轮发电机组结构简单，没有复杂的辅机系统;厂用电少，消耗自身动力资源或直流电源少并且水轮机组启动速度快，因此被认为是理想、方便快捷的启动电源。东北电网利用吉林小丰满水电机组、华北利用十三陵抽水蓄能电厂水电机组、浙江利用溪口抽水蓄能电厂水电机组和杨溪水电机组、贵州电网利用洪家渡水电机组、宁夏利用青铜埉和沙坡头水电机组、华中利用葛洲坝水电机组、广东利用广州抽水蓄能电站B厂水电机组、湖北利用天堂抽水蓄能电厂水电机组、河南利用小浪底水电厂水电机组、湖南利用大源渡水电站水电机组等分别进行了黑启动试验［9－14］。但是水轮发电机组作为自启动电源存在两个问题:

(1)停电后控制水轮机组导叶开启的压力油槽中的油压能否维持在正常工作范围内(一般约需半个小时左右)。

(2)水电机组一般远离负荷中心，需经长距离高压线路接入系统，容性负载较大，有可能产生自励磁或线路末端电压过高的危险。

燃气轮机发电机组［15］启动速度快，6B机组15 min达全负荷、9E机组18 min达全负荷;并且燃气轮机发电机组位于负荷中心，可以自然克服线路长造成过电压和系统不稳定的问题。这些优势使燃气轮机发电机组用作黑启动电源成为可能。

目前，南京高达新港热电厂是南京地区电网系统内唯一具有黑启动能力的燃机电厂(从接到启机命令到38MW满负荷仅需16 min)。首次作为黑启动电源的燃气轮机，显示了突出的小电网自适应能力:

(1)启动速度快。高达燃机启动系统是柴油机，启动12分钟开始线路充电。

(2)出力适当，可以满足这次黑启动负荷要求。PG6541B出力为38 MW、南京热电厂#5号机组130 MW。

(3)燃料适应能力强。燃用天然气、柴油和重油，可以在运行中切换。

(4)控制系统反应快。增减负荷时，系统稳定性好。

(5)高达电厂拥有两套PG6541B，可以独立起动300 MW汽轮机组。

2 试验路径

启动电源点:南京高达新港热电厂(简称高达)#1机组。PG6541B燃气轮机发电机组，具有较强的抗负荷、调频性能和进相运行能力，燃用#0柴油，只要15 kW燃油泵要用厂用电。

被启动电源点:南京热电厂(简称南热)的#5号130 MW发电机组和华能南京电厂(简称华京)的320 MW发电机组。试验路径:如图1所示。

为了不影响地方企事业单位正常用电需求，利用晓庄变电站将高达、南热、华京组成孤立小电网，充电线路距离约20 km。按照供电重要性，排列轻重缓急的系统恢复顺序。

图1 南京地区黑启动试验路径图

3 试验程序

试验由江苏省调度中心统一指挥。具体程序见表1。

表

续表1

4 分析与讨论

(1)为使黑启动方便快捷，高达电厂应增设一台15 kW直流电机燃油泵，则不需任何辅助电源完成黑启动。为提高启动过程运行的稳定性，高达应两台PG6541B运行。

(2)试验方案正确，试验路径合理。自启动和被启动机组距离近，空载充电线路短，所以发电机未出现自励磁、线路未端无明显容升现象。高达#1机组并入孤立空网小系统时，试验电网没有电压，机端开关(52 G)需要解除同期允许。在开关控制回路中短接同期允许接点，手动合52 G并网。然后，为了减少逐段冲击线路的时间，防止操作过电压，采用了“零起升压”的方式，为试验电网充电。在52 G合闸前将机端电压降至3 000 V，合52 G。合闸后试验系统容性电流较多，处于进相运行，频率为50 Hz。保持频率为50 Hz的前提下，手动逐渐升压并观察记录过程数据变化。试验表明:燃气轮机发电机组的MARK V控制系统运行灵活、反应敏捷、功能强。

(3)运行方式和加载方案合理。保证小系统的稳定运行。大电网多台机组并网运行时，机组都采用有差运行方式。因此，南热启动后，南热和高达均以常规的有差方式运行，系统不稳定。改为南热有差、高达无差，避免当高达机组带负荷时其转速下降所需的二次调频，系统很稳定。

燃机的无差调节方式属于闭环控制。根据系统反馈信息，始终保持基准转速(TNRI)和实际转速(TNH)一致。当基准转速(TNRI)＞实际转速(TNH)时，发电频率低，电网有功缺少，燃料阀开度(FSRI)自动增大进行调解;当基准转速(TNRI)＜实际转速(TNH)时，发电频率高，电网有功过多，燃料阀开度(FSRI)自动减小进行调解。调速过程中并不涉及机组实际功率，仅在机组负荷能力范围内，保证电网频率。高达和南热组成的多电源的小系统没有发生振荡。

高达无差、南热有差:在50Hz稳定状态，南热所带负荷是运行人员调整设定的，高达所带负荷是整个电网所需负荷减去南热所带负荷。这时如果电网负荷变化造成频率变化，采用有差方式的机组(南热)不承担负荷变化，采用无差方式的机组(高达)承担全部的变化负荷。此运行方式既能承担负荷突然剧烈变化，又能保证供电质量(频率)。

PG6541B燃气轮机发电机组具有良好的吸收能力。无功与电压控制有关。黑启动恢复的初期需要空充或轻载线路，由于存在分布电容，势必产生大量容性无功，可能造成发电机自励磁或电压升高失控，引起自励磁过电压限制器(CXP)的动作，因此要求自启动机组具有吸收无功的能力。

(4)系统加负荷情况:燃气轮机发电机组具有在低负荷状态下稳定的调速、调压能力，能够维持小系统的频率和电压稳定。由于黑启动运行初期，不断增加负荷，既对小系统产生电压和频率扰动，如果发生短路故障，突然切负荷、切机等情况，系统仍能保持稳定，则系统在这种运行情况下是暂态稳定。反之，如果系统受大干扰后不能保持稳定，而是各发电机组转子之间一直有相对角度，因而系统的功率、电流和电压都不断振荡，以至整个系统不能继续运行下去，则黑启动将最终失败。

华京2 000 kW循泵启动时，电动机启动时间3 s，高达110 kV系统的母线电压从115.0 kV降到104.8 kV;有功变化从 2.75 MW 到 4.96 MW，频率变化为51.4～48.3 Hz。南热6 kV母线系统的潮流出现瞬时的摆动，但很快恢复正常。

南热3 200 kW给水泵启动时，电动机启动时间约4.2 s，启动电流的峰值为4185 A。高达电厂110 kV系统的母线电压从114.9 kV降到102.1 kV;频率变化范围为 51.3 ～47.8 Hz。南热 6 kV母线电压从6.40 kV降到5.10 kV，降幅较大。给水泵启动正常后，小系统电压恢复正常。

高达和南热组成的电力系统稳定运行时，华京启动8 000 kW的给水泵。电动机启动时间4.3 s，启动电流的最大有效值约为5 260 A(最大瞬时峰值约为13 960 A)，华京6 kV母线电压从启动前的6.31 kV降到4.41 kV。高达110 kV系统的母线电压从115.6 kV降到104.1 kV，频率变化范围为 47.9 ～51.3 Hz，有功变化从 7.05 MW到8.12 MW。南热220 kV母线电压从234.9 kV降到212.5 kV;南热发电机定子电压从13.5 kV降到12.8 kV;无功出力从1.2 Mvar瞬间达50 Mvar左右后稳定在3.2 Mvar，有功变化很小，从1.5 MW到1.6 MW。小系统经过9 s时间恢复正常，稳定运行。启动过程中高达电厂的机组承担了全部变化负荷，南热机组负荷几乎没有变化;另外南热机组的励磁调节器对试验系统的电压变化做出迅速反应，保证了试验系统的电压稳定。

(5)系统甩负荷情况:华京分三次切换厂用电。第二次切换厂用电时，小系统甩掉4 000 kW的有功负荷，切换之前高达有功输出为7.0 MW，南热#5发电机有功输出为1.8 MW，切换之后高达有功输出为3.3 MW，南热#5发电机有功输出为1.5 MW，总共甩掉4.0 MW的有功负荷，小系统的频率变化范围是48.7～52 Hz，此过程持续4.5 s，试验系统恢复正常运行。

因此，在黑启动的具体操作过程中，保持系统电压和频率稳定至关重要，频率与系统出力和负荷有关，控制频率涉及负荷恢复速度以及机组调速器响应和二次调频。负荷的恢复必须考虑启动功率和系统负荷之间的分配。为了保证系统稳定和恢复速度，需要使非自启动机组获得尽可能多的启动功率，同时又必须恢复系统负荷以保证功率平衡。试验中采取先恢复小负荷，逐步带较大的负荷和电网重要负荷。负荷恢复慢将延长恢复时间，过快增长则有使频率下降。所以，增加负荷的速度必须在加快恢复时间和保证机组频率稳定之间兼顾。本次试验中一次启动最大负荷8 000 kW，占发电出力的4.6%。

5 结论

(1)燃机发电机组是最佳的黑启动电源。PG6541B发电机组的控制系统特性适宜于黑启动要求。两台PG6541B运行或一台PG9071E可直接启动300MW汽轮机组。作为黑启动电源，高达电厂应两台机组同时运行。并应增加一台15 kW之流燃油泵，启动后切换。

(2)试验方案正确，试验路径合理，可以避免发电机自励磁和线路电容大而过电压。PG6541B燃机发电机组具有很强的系统抗扰动能力。国内首次实现连续启动两个火电厂、一次启动最大容量8 000 kW电动机的成功经验。

(3)黑启动试验采用零起升压的方式，减少了逐段冲击线路、主变操作的时间，有利于电网的尽快恢复;避免了冲击空线和主变而产生的操作过电压和谐振过电压，保证黑启动系统稳定运行。

(4)试验小系统甩负荷冲击的试验表明，PG6541B发电机组作为自启动电源，不仅可以起动电网中的机组，而且能够承受负荷的不规则波动。

［1］曾纪添.跨区域互联电网运行与建设规划研究［M］.中国电力出版社，2004.

［2］印永华，郭剑波，赵建军，等.美加8.14大停电事故初步分析以及应吸取的教训［J］.电网技术，2003，27(10):8－11.

［3］唐葆生.伦敦南部地区大停电及其教训［J］.电网技术，2003，27(11):1 －5，12.

［4］蔡达涛，张 尧，荆朝霞.地方电网黑启动方案的制定［J］.电力系统及其自动化学报，2005，29(12):73－76.

［5］房鑫炎，郁帷镛，熊惠敏，等.电力系统黑启动的研究［J］.中国电力，2000，33(1):40－43.

［6］熊惠敏，房鑫炎，郁惟镛，等.电力系统全网停电后的恢复——黑启动综述［J］.电力系统及其自动化.

［7］高 翔，张沛超，章坚民.电网故障信息系统应用技术［M］.中国电力出版社，2006.

［8］吴 涛，郭嘉阳，李华伟，华北电网利用十三陵抽水蓄能电厂水电机组进行黑启动的试验研究［J］.电网技术，2001，25(3):56－58.

［9］张 涛，沈 青，戴建炜，等.贵州电网黑启动方案研究［J］.贵州电力技术，2002.

［10］李志刚，孙丽萍，刘嘉新.热网监控系统的设计与实现［J］.森林工程，2013(4):90－95+160.

［11］江 平，张 宁，岳 军，等.广西电网黑启动方案研究［J］.广西电力，2003.

［12］李继红，倪秋龙，金啸虎.浙江电网黑启动方案编制研究［J］.华东电力，2006，34(1):26－29.

［13］郭嘉阳.华北电网“黑启动”试验研究［J］.华北电力技术，2001(5).

［14］杨 勇，刘 勇，蔡剑青，等.湖北电网首次黑启动试验［D］.湖北电力，2002.学报，1999，11(3):12－17.

［15］杨顺虎.燃气－蒸汽联合循环发电设备及运行［M］.中国电力出版社，2003.