厂用电快切在黑启动过程中的应用及优化

吴育涛

摘要：燃机电厂黑启动过程中，厂用电最初由柴油发电机带载，当燃机启动成功后，再通过快切装置切换到燃机发电机带载。针对快切装置切换过程中频繁出现的闭锁现象，通过优化切换模式参数及切换程序，提高了切换装置的可靠性。

关键词：黑启动;柴油发电机;闭锁现象;切换模式;可靠性

0 引言

丰达电厂为2×180 MW联合循环天然气发电厂，燃机发电机有功功率为120 MW，汽机发电机有功功率为60 MW，配备一台型号为G-JM2400G/6300的柴油发电机，柴油发电机额定常用功率为2 400 kW，当电网发生故障全部停电后，电网处于全黑状态，电厂通过启动柴油发电机，恢复厂用电的正常供电，从而启动燃机，燃机启动成功后，通过快切装置将厂用电由柴油发电机带载切换到燃机发电机带载，燃机发电机带厂用电孤网运行，成为电网的一个电源点，最后对电网逐步恢复送电，实现黑启动。

1 黑启动厂用电运行方式

电厂经过黑启动改造后，增加了一台柴油发电机和2DL出口开关。燃机发电机正常运行接线图如图1所示，燃机发电机通过主变110 kV侧4DL开关向110 kV母线送电，再通过5DL開关接入惠州电网，高厂变110 kV高压侧3DL开关接在110 kV母线上，高厂变6 kV低压侧1DL开关接在6 kV厂用电母线上，为厂用电提供电源，柴油发电机在电网正常运行时，处于停机备用状态，其出口开关2DL处于断开状态。当电网出现故障停电后，1DL、3DL、4DL、5DL开关均处于断开状态，电厂处于停机状态，无任何外部电源，此时厂内柴油发电机紧急启动，15 s左右就可以达到3 000 r/min，通过柴油机同期装置的检6 kV母线无压合闸模式，合上柴油发电机2DL出口开关，6 kV厂用电母线恢复送电，燃机具备启机条件，20 min后，燃机可以达到3 000 r/min，通过燃机发电机同期装置的检110 kV母线无压合闸模式，合上4DL开关，对110 kV母线恢复送电，燃机控制系统选择孤网运行模式，燃机励磁系统选择AVR模式，最后合上高厂变110 kV侧3DL开关，对高厂变恢复送电，此时需要将6 kV厂用电负载由柴油机带载切换到燃机发电机带载，也就是实现1DL开关和2DL开关的快速切换，将厂用电切换到燃机发电机带载，实现燃机发电机带厂用电孤网运行，最后根据惠州电网及调度需要，合上5DL开关对惠州电网逐步恢复送电，实现惠州电网的黑启动。

2 黑启动快切并联切换存在的问题

为了实现燃机发电机和柴油发电机对厂用电带载的切换，电厂增加了一台快切装置，型号为MFC2000-6，黑启动快切厂用电接线图如图2所示。当2DL开关合上后，柴油发电机带6 kV厂用电运行，燃机发电机带高厂变空载运行时，快切装置检测到的6 kV母线电压Um来源于柴油发电机电压，备用电压Us来源于燃机发电机，燃机发电机和柴油发电机属于两个不同的电源系统，Us与Um存在初始相位差，这个初始相位差是随机的，在0°～360°都会存在相位差，快切装置并联切换允许的相位差为15°，一旦燃机发电机和柴油发电机二次电压初始相位差大于15°，马上闭锁，因此并联切换无法完全满足黑启动切换的需求，需要选择同时切换和串联切换方式进行补充。

3 同时切换与串联切换理论分析

同时切换和串联切换的共同点是不需要并列工作和备用两路电源，工作电源开关分开后，将导致工作母线上的电压存在一定程度的衰减，因此实现快切的方式有快速切换、同期捕捉切换、残压切换3种方式，在这3种方式中，切换质量差的是残压切换，切换质量最好的是快速切换。6 kV工作母线残压和6 kV备用电源之间的相量图如图3所示，2DL开关分开后，6 kV母线残压Um处于不断衰减状态下，Um=[Xm/（Xs+Xm）]·ΔU，令K=Xm/（Xs+Xm），Um=K·ΔU，为了保证切换安全，按母线上电动机自启动时端电压不超过1.1Un工况下来计算合闸允许极限角δ，δ对应图3中△COD构成的角度，δ=2arcsin 0.55Un/Us=66°，也就是计算得到的合闸极限角为66°。假设柴油机发电机与燃机发电机厂用电源之间相角差为?（t1），?（t1）一阶导数?′（t1）对应的物理意义为相角差速度，?（t1）二阶导数?″（t1）对应的物理意义为相角差加速度，同时切换开关合闸时间为Th，开关分闸时间为Tt，一般情况下Th大于Tt，同时切换跳工作开关和合备用开关的命令几乎是同时发生，因此同时切换的时间按备用开关合闸时间Th与工作开关分闸时间Tt的时间差Th-Tt进行合闸允许角度计算，就可以实现快速切换，如式（1）所示：

4 快切优化

4.1    同时切换参数优化

同时切换是在发跳工作开关命令时，可以通过同时切换合备用延时参数，保证让工作开关先分开，再延时合备用开关，为防止两路电源非法并列，快切装置增加合备用开关延时时间定值，定值设置为1～500 ms。现场6 kV工作开关和备用开关都采用ABB公司生产的VD4，2004年投入运行，工作开关和备用开关品牌和型号相同，运行年限也相同。试验测量6 kV开关合闸时间Th为64 ms左右，分闸时间为38 ms左右，查阅多年的开关试验数据，开关分合闸时间几乎没有变化，非常稳定。现场将快切装置合备用开关延时时间优化为1 ms后，进行同时切换快速带载试验，能实现快速切换，电压最后降低到额定电压的94.02%，切换质量良好。快切反馈回来的报文显示，切换过程未发现两路电源并列，证明合备用开关延时时间整定为1 ms，既不会造成两路电源并列，又能让备用开关快速合闸，提高切换质量。为了进一步对比切换效果，再将定值改为100 ms后，在同样的工况下，现场无法实现快速切换，只能通过同捕切换实现，最后母线电压下降到额定电压的43.48%，切换质量较低，现场很多电机接触器失压重启动，影响机组安全运行。

4.2    快切程序的优化

同时切换存在的一个缺点就是工作开关分开后，假如备用开关由于机械、二次回路故障无法合闸时，6 kV母线将会失电。而并联切换的优点是采用备用开关先合上，确定备用开关合上之后，才去分开工作开关，切换过程中6 kV母线不失电，可靠性高，由于工作和备用电源需要短时并联，两路电源的初始相角差应在15°的角差范围内，要求较高。这两种切换模式各有优缺点，如果能通过优化快切装置程序，使快切程序同时兼容这两种切换模式，将能有效提高快切的可靠性和成功率。现场在快切装置程序增加了“切换允许最长时间”和“并联切换失败转同时切换”两个控制字，一般切换允许最长时间设置为10 s，装置将在10 s内一直检测并联切换条件所需要的压差、角差和频差，如果满足条件就并联切换，如果超过10 s，并联切换条件仍然不满足，再通过并联切换失败转同时切换控制字，进入同时切换模式，这样就充分利用了并联切换和同时切换的优势，更加有利于黑启动的可靠快切。

5 结语

在黑启动过程中，厂用电刚开始由柴油发电机带载，燃机发电机启动成功后，厂用电需切换到燃机发电机带载，实现燃机发电机带厂用电孤网运行，在这个过程中，不可避免地存在柴油发电机和燃机发电机两路电源的切换。通过对同时切模式参数的优化，使同时切换更容易实现快速切换;此外，两路电源的初始相角差是随机不可控的变量，通过对快切程序的优化，使快切装置根据初始相位角是否大于并联切换定值，自动选择并联切换和同时切换模式，充分发挥两种切换模式的优点，保证厂用电可靠的切换，最终实现整个电厂的黑启动。

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