孤网全过程黑启动探索与实践

杜 丰，杜才明，熊 彬，刘 浩，黄永胜

（1.国网抚州供电公司，江西 抚州 344100；2.中国水利电力对外有限公司，北京 101100）

0 引言

电力系统的黑启动，不仅是电站在全厂失电情况下生产自救的必要措施，也是电网大面积事故停电后，有序恢复供电的关键环节。所谓黑启动，是指电力系统事故停电或瓦解后，电站失电处于“黑暗”状态下，不依赖其它外来电源，能首先独立启动发电机组，向用户和其它无自启动能力的电厂供电，使其启动发电机组并网发电，逐步并最终恢复全电力系统的正常运行方式。

黑启动对于电力系统的重要性不言而喻。无穷大电力系统全网停电机会极少，电站黑启动仅限于站内有准备的功能性试验，止步于恢复自用电，缺乏从电站到网架重构、负荷恢复的全过程黑启动实战经验，以及出现各种问题的解决方案。真正全网停电时，要实现电站黑启动并向电网安全稳定、快速复电，实施过程问题不少，解决处理好非常关键。

近年来中国在“一带一路”沿线国家，主要是发展中国家的水电建设项目较多。其电网规模小，稳定可靠性不高，黑启动操作频繁，有机会让相关专业人员从电站对高电压、远距离电力网实施全过程的黑启动，在解决实际问题中改进方案、创新方法和总结经验，以更好地服务于电力建设和生产运营，为同业人员和相关设计、生产单位提供借鉴。

1 站内黑启动

黑启动第一步是电源点的启动。水轮发电机组与火电、核电机组相比，具有辅助厂用电设备简单、负荷较小，机组启动快速、负荷变化率高等特点，是电力系统黑启动电源的首选。

1.1 全黑启动

全黑启动也称A类黑启动[1]，适用于无应急厂用保安小机组（如柴发、生态流量机组），或有应急厂用保安小机组但仍可选择全黑启动的电站。常规水电站，通常失去交流厂用电1～2 h内，直流系统蓄电池和调速器液压系统储能得以保持，一般均能完成1个过程的机组自启动，对内恢复机端厂用电，然后其它机组按正常方式启动并网发电。优点是启动迅速，不用反复倒换厂用电，不会带来厂用电的多次间断，也节约柴油能源，应作为黑启动的首选方式。缺点是在机组辅助、公用设备交流失电告警情况下开机，需要开机流程条件许可，并清楚主辅设备的冷却、润滑等系统能短时停电应急工作，如励磁功率柜在交流冷却风机停运情况下启动运行。并有可能需要对部分交流电动阀门，如技术供水阀先行人工开启。

1.2 非全黑启动

非全黑启动也称B类黑启动，先启动保安小机组接带厂用电，再启动一台机组恢复正常厂用电，然后其它机组按正常方式启动并网发电。本质上机组这种黑启动，与正常启动并无区别，算不上真正的黑启动。只是保安小机组容量较小，一般按一台机组发电和基本公用厂用负荷进行配置。首台机组启动成功后，要及时倒换至机端自带厂用电，将柴发停运。启动柴发的黑启动，一般可作为保证电站黑启动成功的后备手段。因此，要对柴发备足油料，并定期启动空载试运行，确保其健康工作状态。

2 电网黑启动

站内黑启动成功，只完成了黑启动的第一步。向电网枢纽变电站、终端用户安全稳定、快速复电成功，才是黑启动的关键。笔者在东南亚、非洲水电站建设与运维过程中遇到的主要问题均出现在该阶段。黑启动成功率和复电速度，是用户、电力主管和调度部门关注的重点；复电安全稳定性问题则主要由电站面对和解决。

几内亚凯乐塔电站（Kaleta）装机容量3×92 MVA，邻近的上游苏阿皮蒂电站（Souapiti）装机容量4×132.4 MVA，发变组单元接线，主变高压侧并网。主要负荷通过225 kV同塔双回114.5 km主干线路，送电到首都科纳克里的玛尼亚变电站（Maneah），导线型号JLHA2-315。两电站距225 kV主干线首端凯乐塔中心变电站分别为1.5 km和8.8 km。末端玛尼亚站3台主变，型号SFSZ11-150000/220，为有载调压，容量3×150 MVA，中低侧电压为110/20 kV。两变电站未配置补偿电抗器。目前运行主电网接线如图1所示。

图1 几内亚电力系统主网地理接线图

3 电网黑启动主要问题

水电站通常远离负荷中心，通过高电压、长距离输电线路向负荷中心枢纽变电站供电。电站升压主变为无载调压，分接头处于较高电压位置。电站黑启动建立电压后，若按全电压、逐级向线路和变电站合闸的正常操作方式送电，将出现末端过电压、机组自激磁、参数谐振、和应涌流等一系列严重安全稳定问题。

3.1 线路电容效应

110 kV及以上长距离电力线路的空载合闸送电，将出现明显的电容效应，导致线路末端电压升高和机组无功深度进相。凯乐塔和苏阿皮蒂电站主变高压侧额定电压235 kV，正常运行分接头位置为Ⅱ档，空载额定电压240.875 kV。正常负载运行由于主变和线路的电压降损失，电站母线电压约230 kV，玛尼亚站侧电压随负荷变化约为200～220 kV，偏低，需通过有载调压提升110/20 kV侧电压，必要时投入20 kV侧补偿电容提高功率因数。

黑启动时情况相反，由于空载线路电容效应，电站通过主变对线路空载合闸送电时，对侧玛尼站进线电压将升高约19 kV，达到240.875+19≈260 kV，超过许可极限电压1.1×225 kV=247.5 kV。因此，机组不能按正常起励方式直接建压至额定。为了提高复电速度，不采用零升方式，可利用励磁调节装置试验程序的0.8 p.u.软按键，首先一步建压至0.8 p.u.，再手动增加至0.9 p.u.，为0.9×240.875 kV≈216.8 kV[2]。此时合闸充电，对侧电压约236 kV，线路两侧电压均在可接受范围。

3.2 发电机自激磁

发电机按0.9 p.u.电压向空载线路合闸充电，尽管线路首尾电压未超限，但由于线路电容充电功率突变，容易导致发电机自激磁，使发变组电压失控、剧烈震动，并出现深度无功进相。

由于高压线路的电容充电功率QC=ωCU2，无功进相深度与线路长度、电压平方成正比。225 kV线路充电功率约14 MVar/100 km，本工程在0.9 p.u.机端电压向线路充电，双回线路约30 MVar，均在两个电站任一发电机的可承受范围。

自激磁本质上是发变组电感与线路电容在特定电网参数、频率下，出现的铁磁谐振，能持续保持而不衰减，使发变组剧烈震动，且电压不能通过增减励磁进行调整而超限，直至继电保护动作[3]，或人工干预跳闸，导致黑启动组网失败。自激磁不是每次都能碰上，但发生概率很高，约70%以上；即使不出现，合闸冲击电流、操作过电压也很大，对发变组及电网设备构成安全风险。

尽快消除或削弱自激磁谐振的有效方法是投入感性负载、改变电网参数，使谐振条件变化。如做好事故预想，迅速合上负载变、中低压配电线路；或带小部分负荷合闸；双回线路临时断开一回等。

3.3 和应涌流

东南亚、非洲地区110/220 kV系统中性点运行方式较特殊，因电网规模小，并列运行主变的中性点均为全接地，而不是一个站只有一台接地。黑启动组网时，电站侧运行主变中性点应投入，高压线路充电后，对变电站主变空载合闸时，中性点也应投入，并产生励磁涌流。由于励磁涌流存在很大的直流分量和大量的非周期分量，流经并列运行的电源侧主变励磁电抗，使铁芯趋于饱和，产生相应的浪涌电流，即和应涌流。

励磁涌流与和应涌流分别出现在变电站合闸主变与电站运行主变上，其峰值交替出现，类似L-C并联谐振。当合闸主变容量、涌流较大时，振荡程度相当严重，引发电源侧发变组强烈震动，甚至会引起发电机失磁、主变零序保护误动，导致黑启动组网失败。

消除和应涌流的方法是当变电站主变合闸时，将电站运行主变中性点接地暂时断开。该方法应经调度同意，并注意操作过电压对不接地变的风险，确保中性点间隙保护投入。也可在变电站侧大型主变合闸前，电站侧尽可能多地并列上几台发变组，分散和应涌流对电站主变的影响。

4 电网软充电黑启动

如前所述，电网黑启动组网过程，发电站对长距离高压线路、大容量主变分步全电压冲击合闸送电时，将出现一系列的不安全现象，对电站和电网设备构成故障隐患，或直接导致黑启动不成功。

为了从根本上消除以上各种不利因素，并减少电网黑启动操作程序、提高系统复电速度，需要改变常规复电程序。历经实践探索和不断改进，黑启动初期，首个电站以“软充电”方式向电网合闸送电，是行之有效，最安全、稳定、快捷的黑启动方式。通过几个境外电力系统和数年的运行实践，取得了显著的效果。

4.1 发电机带225 kV全系统整体起励建压

电网事故停电后，首先完成电站内黑启动，恢复正常厂用电。然后启动一台机至空转态，无压合上发变组并网开关，带225 kV全系统（无穷大系统可预先试验确定送电范围），包括升压站和各变电站225 kV母线、双回线路、受端主变（可同时带2～3台150 MVA主变），再从励磁屏上按0.8 p.u.起励试验按钮，带225 kV全系统设备软充电建压。

软充电起励建压过程约6 s时间，非常安静、稳定。然后调整系统电压至合适水平，投入各变电站自用电、分步合110/20 kV负荷开关，陆续接带负荷。待机端电压达额定值后，励磁调节切远方自动位。调速器可一直在自动位。

4.2 软充电优点

1）完全避免发电机自激磁谐振与主变和应涌流。黑启动初期尽管电站发变组容量参数小，但电网软充电建压过程长达数秒，完全避免了全电压冲击合闸时，因线路电容电流、主变励磁涌流跃变对电站发变组的冲击和耦合。

2）大幅削减线路电容效应。软充电可一台机带多条225 kV线路和数倍于机组容量的受端主变同时进行。由于主变电抗消耗无功，起到了高压电抗器补偿线路充电功率的作用。如本案例，线路末端电压上升从19 kV减小到2～3 kV，并减少机组无功进相。

3）提高复电速度。电网因局部故障停电后，225 kV主干线开关一般仍在合位，不需要像全电压逐级送电那样，先全部断开，再逐一合上，大幅减少复电操作项目、操作步骤。复电速度是电网事故后用户体验度好坏的重点。

4）提高黑启动成功率。由于软充电无冲击、谐振，非常安全稳定，使黑启动成功率从原先的约30%，提高到几乎100%。另外，常规复电操作，高压开关频繁动作容易出现储能、传动机械等故障而拒动，导致复电中断、电网黑启动失败。减少开关设备操作项，也减少了人为误操作因素。

4.3 注意事项

1）应先启动机组至空转态，再无压合发变组并网开关，否则调速器接收到并网态，一般默认不能启机。

2）有些励磁调节器可能并网态下不能起励，启励前应先临时断开并网令。断开并网令，可以采取对PLC开入测点置位、临时甩线，或断开回路预先加装的小开关等措施。

3）发电机起励建压过程，既可以手动进行，也可以由励磁装置自动完成。自动完成时可视主变分接头位置、线路末端电压计算情况，目标电压设定为0.9～1.0 p.u.，系统稳定后调压至额定。

4）软充电与全电压硬充电一样，除225 kV系统线路和设备外，不应带负载一并进行，以避免发电机频率大幅波动，或敏感负载因电压、频率短暂异常出现问题。

5 负荷恢复

全过程黑启动的最后一环是负荷恢复。软充电黑启动时，机组起励目标电压可直接设定为0.9～1.0 p.u.，因此电网首尾两侧可同时分批接入负载。孤网条件下负载由配电网逐条投入配电线路来实现，发电机只能被动接受、增加出力。根据调速、励磁相关技术要求，配电网单次投入的冲击负载不应超过机组容量的8%，否则会导致电网频率、电压大幅波动。负荷逐步接入后，跟踪调整系统频率和电压在合格水平。

6 结语

通过境外多个电站的实践检验和不断完善，电站黑启动与电网恢复的理论方法、实践运用日臻成熟。苏阿皮蒂电站后期据此在计算机监控、励磁系统增加一键式黑启动软充电程序，进一步提高了黑启动自动化水平、复电速度和安全稳定性。