电厂黑启动能力验证试验

摘 要：随着国民经济快速发展，电力需求也随之增加，当电网出现大面积停电或系统瓦解时，如果能够通过电厂“黑启动”来恢复整个电网供电，就能够显著减少因停电所产生的影响和损失。上海地区的主力机组为火电机组，若将其作为黑启动的电源点，则须配置柴油发电机带动机组启动，继而恢复电网供电。当失去外部电源时，利用柴油发电机供电，启动某燃机电厂单台机组的黑启动能力，掌握某燃机电厂机组在市电缺失情况下的黑启动状况和时间。

关键词：黑启动；燃机；负载特性

中图分类号：TM 61 文献标志码：A

随着电力系统不断发展，电网安全问题变得更为重要[1]，黑启动是保证电力系统发生大面积停电之后快速恢复供电的有效措施[2]。上海电网本地发电机组主要以燃煤和燃气机组为主，为进一步提升上海电网的冗灾能力，需要增强上海电网的黑启动能力。某燃机电厂安装了柴油发电机，具备黑启动的条件。该电厂黑启动主要工作原理是当电网失电导致全厂停电时，启动辅助柴油发电机向黑启动柴油发电机的辅机供电，再启动柴油发电机发电，经柴发进线向6kV备用I段供电，再由6kVI段备用电源开关和6kVI段备用开关向6kVI段母线供电，使其成为燃机辅机的电源，以此启动燃机实现并网，解决全厂停电、电网失电问题。因此验证电厂黑启动能力是保障电网安全的必要措施，本试验通过柴油发电机带负载能力试验来验证该电厂的黑启动能力。

1 柴油发电机带负载能力试验

1.1 试验目的

本次试验旨在全面验证柴油发电机带辅机负载的能力。包括掌握柴油发电机启动时间和运行时的负荷特性、柴油发电机带厂用负载的稳定运行能力以及在不同负载条件下的性能表现。为柴油发电机的优化使用和可靠性评估提供准确、详实的数据支撑和理论依据。

1.2 试验原理

为了验证柴油发电机带电厂内燃机辅机的能力，需要对柴油发电机负载特性进行测量和分析。由于柴油发电机从启动开始到燃机并网前的过程是非线性变化的，因此在电厂黑启动过程中的负载绝大多数为异步马达，异步马达在启动过程中对电源的启动容量、稳态容量、短路容量都有一定的技术要求，否则，在马达启动过程中，特别是大容量马达启动时，母线电压过低会影响其他正常运行马达的工作，或导致马达不能正常启动，出现启动失败，甚至设备损坏的问题[3]。而该电厂燃机是由GE公司生产的PG9171E型燃气轮机，该机组的燃机启动马达是电压等级为6kV、额定功率为1000kW的异步电机，也是所有辅机设备中功率最大的，对电源侧的柴油发电机的影响最大。因此可以将试验分为以下3个部分。1）柴油发电机自身启动过程。2）柴油发电机在燃机发出盘车命令，燃机启动马达启动的过程。3）柴油发电机在燃机启动冲转，燃机启动马达介入的过程。

1.3 试验接线与测量点

某燃机电厂的电气主接线图和试验接线点如图1所示。

本次试验共有2组测量点，电压测量点为线电压，电流测量点为线电流。1）柴油发电机—测量柴油发电机输出的电压（U）、电流（I）、有功功率（P）、无功功率（Q）。测量仪器为TK4024便携式电量（波形）记录分析仪。2）燃机启动马达—测量启动马达的电压（U）、电流（I）、有功功率（P）、无功功率（Q）。测量仪器为TK2024便携式电量（波形）记录分析仪。

1.4 试验过程

将黑启动柴发作为电源侧向该电厂#1燃机机组辅机供电，直至启动燃机冲转至额定转速即具备并网能力。

在启动辅助柴油发电机后，启动黑启动柴油发电机，待黑启动柴油发电机稳定运行后，依次启动#11燃机机组的辅机设备。

启动燃机启动马达，带动#11燃机冲转至3000r/min。

试验结束后#11燃机停机。

1.5 初始电源参数

黑启动初始电源采用DIG156型柴油发电机。柴油发电机的主要参数：发电机容量为5475kVA，额定电压为6300V，额定电流为502A，额定转速为750r/min，功率因素为0.75，频率为50Hz。

2 柴油发电机负载特性分析

2.1 柴油发电机的启动特性

柴油发电机的启动过程录波曲线如图2所示，由图中电压波形可以看出，在32.0s附近，柴油发电机开始建立电压，在5.9s后，电压相角达到稳定，此时输出电压为446V。建压19s后，电压达到稳定，电压为6.30kV，其额定电压为6.30kV。

根据柴油发电机的启动特性录波曲线可以得出结论，柴油发电机的建压时间为19.0s。

2.2 柴油发电机的负载特性（启动马达驱动燃机盘车）

柴油发电机的负载特性录波曲线如图3所示，由图中电压波形可以看出，当辅机设备启动时，柴油发电机电压会出现瞬时降低或抖动，且受到负载设备容量的影响。在整个录波过程中，共存在3次明显的电压暂降，其中，第三次电压暂降主要由燃机启动马达所致。

由图4的录波曲线可以看出，在相关辅机启动前，柴油发电机处于空载状态。相关辅机设备完成既定任务后停止运行，因此柴油发电机稳定运行后的有功功率和无功功率仍接近零。柴油发电机能够带动此类辅机启动并稳定运行。第一次电压暂降时柴油发电机各电气量特性见表1。

在辅机启动过程中，柴油发电机的输出电压最低值为4.98kV，为额定输出电压的79.0%，最大值为6.40kV，为额定输出电压的101.6%。在系统受到冲击后，650ms后柴油发电机的输出电压恢复稳定（变化在柴油发电机额定电压的±5%）。

由图5的录波曲线可以看出，在辅机启动前，柴油发电机输出电压为6.29kV，输出电流为6.79A，有功功率为0.06MW，无功功率为0.01MVar。在辅机启动后，柴油发电机稳定时的输出电压为6.29kV，输出电流为6.31A，有功功率为0.07MW，无功功率为0.02MVar。柴油发电机能够带动此类辅机启动并稳定运行。第二次电压暂降时柴油发电机各电气量特性见表2。

在辅机启动过程中，柴油发电机的输出电压最低值为5.72kV，为额定输出电压的90.8%，最大值为6.67kV，为额定输出电压的105.9%。系统受到冲击后，1.3s后柴油发电机的输出电压恢复稳定（变化在柴油发电机额定电压的±5%）。

由图6的录波曲线可以看出，在燃机启动马达启动前，柴油发电机输出电压为6.26kV，输出电流为19.8A，有功功率为0.18MW，无功功率为0.11MVar。当燃机启动马达达到稳态时，柴油发电机输出电压为6.29kV，输出电流为142A，有功功率为1.40MW，无功功率为0.64MVar。在完成燃机盘车后，启动马达停止运行，此时柴油发电机输出电压为6.29kV，输出电流为14.3A，有功功率为0.14MW，无功功率为0.06MVar。柴油发电机能够带动马达启动并稳定运行。燃机马达启动时柴油发电机各电气量特性见表3。

从录波曲线可以看出，启动马达在694.0s时刻启动，6s后达到稳定（柴油发电机输出电压在额定电压的±5%）。柴油发电机的输出电压最低值为4.22kV，为额定输出电压的67.0%，最大值为7.09kV，为额定输出电压的112.5%。

在燃机启动马达启动瞬间（0.3s内），对柴油发电机的冲击最大，此时电压最低值为4.22kV。启动马达启动1.175s时，柴油发电机的视在功率达到最大，视在功率为8.18MVA，其中有功功率为1.68MW，无功功率为8.01MVar。

根据录波数据可以得出，柴油发电机能在保持小系统相对稳定的情况下，带动启动马达启动并完成燃机盘车任务。

2.3 柴油发电机的负载特性（启动马达驱动燃机冲转）

柴油发电机的负载特性录波曲线如图7所示，由图中电压波形可以看出，辅机设备启动时，柴油发电机电压会出现瞬时降低或抖动，且受到负载设备容量的影响。在整个录波过程中，共有2次明显的电压暂降情况，其中，燃机马达启动会导致第二次电压暂降。

由图8的录波曲线可以看出，在循环水泵启动前，柴油发电机输出电压为6.30kV，输出电流为16.8A，有功功率为0.16MW，无功功率为0.08MVar。在循环水泵启动完成后，柴油发电机稳定时输出电压为6.31kV，输出电流为78.0A，有功功率为0.71MW，无功功率为0.46MVar。柴油发电机能够带动循环水泵启动并稳定运行。第一次电压暂降时柴油发电机各电气量特性（燃机冲转）见表4。

在辅机启动过程中，柴油发电机的输出电压最低值为4.67kV，为额定输出电压的74.1%，最大值为7.06kV，为额定输出电压的112.1%。系统受到冲击后，3.4s后柴油发电机的输出电压恢复稳定（变化在柴油发电机额定电压的±5%）。

由图9的录波曲线可以看出，在燃机启动马达启动前，柴油发电机输出电压为6.26kV，输出电流为99.3A，有功功率为0.89MW，无功功率为0.594MVar。当燃机启动马达达到稳态时，柴油发电机输出电压为6.24kV，输出电流为232A，有功功率为2.18MW，无功功率为1.21MVar。柴油发电机能够带动燃机启动马达完成冲转并稳定运行。燃机启动马达启动时柴油发电机各电气量特性（燃机冲转）见表5。

从录波曲线可以看出， 405.0 s 时，马达启动，在410s附近达到稳态。柴油发电机的输出电压最低值为4.34kV，为额定输出电压的68.9%，最大值为6.92kV，为额定输出电压的109.8%。

在燃机启动马达启动瞬间（0.3s内），对柴油发电机的冲击最大，此时电压最低值为6.28kV。启动马达启动1.261s时，柴油发电机的视在功率达到最大，此时视在功率为8.40MVA，其中，有功功率为2.56MW，无功功率为7.98MVar。

根据录波数据可以得知，柴油发电机能在保持厂用电系统相对稳定的情况下，带较大容量辅机稳定运行，并带动启动马达启动完成驱动燃机冲转任务。

综合柴油发电机的负载特性录波曲线可以得到，当柴油发电机带动小负载辅机设备时，电压会暂时下降，并能迅速恢复正常。辅机设备启动瞬间，随着辅机负载容量增加，电压下降幅度越大，恢复至额定电压所需时间越长，但柴油发电机均能恢复厂用电系统稳定运行。

柴油发电机在轻载的情况下，能带动燃机启动马达启动完成盘车任务；能够在带约900kW其他辅机负荷的情况下，带动燃机启动马达启动完成冲转任务。在上述燃机马达启动过程中，柴油发电机能够在小系统受到扰动的过程中，恢复系统稳定并迅速将电压恢复至正常水平，表明该柴油发电机能够承受较大功率交换带来的电压冲击。

综上所述，柴油发电机具备正常带启动马达等单台燃机辅机设备的能力，并能按黑启动的要求，在保证系统的稳定的情况下，驱动燃机转子盘车，并能顺利完成燃机冲转。

3 结论

通过本次黑启动能力验证试验可得到以下结论。1）燃机启动马达在启动瞬间对系统的冲击较大，有功冲击约为2.30MW，无功冲击约为3.40MVar，冲击造成系统电压瞬间大幅下降。2）柴油发电机作为小系统中的唯一电源，具备带动包括燃机启动马达等单台机组辅机设备的能力。即使系统出现扰动时，柴油发电机仍具备保持厂用电系统稳定运行的能力。3）#11燃机能依靠柴油发电机完成辅机设备启动，并在厂用电系统稳定的情况下，依次完成盘车和冲转过程，具备正常启机的条件。

综上所述，电厂将AvKDIG156型柴油发电机作为黑启动的电源点（发电机容量为5475kVA，额定功率为4106kW，功率因数为0.75）能够带动#11燃机的辅机设备正常运行，并能在保证厂用电系统稳定的情况下，启动燃机启动马达，驱动燃机转子旋转并完成冲转，使#11燃机在无其他电源协助情况下，达到额定转速（3000r/min）。本试验为柴油发电机带动单台燃机启动试验。电厂运行人员在能够熟练掌握本试验全过程细节后，可在此试验内容的基础上进行拓展。进一步验证单台燃机孤网运行时的稳定性和可靠性，并带动另一台同类型机组的能力、考验单机空充线路并带空载主变运行的能力和电网解列转为孤网运行的能力。该电厂除4台9E燃机机组外还有2台9F燃机机组，可以验证黑启动带单台9F燃机机组的能力。

参考文献

[1]庞富宽.电力系统黑启动方案研究及应用[D].北京：华北电力大学，2013.

[2]苏德生，顾雪平，赵书强，等.河北南网黑启动决策支持系统的研究开发[J].电力系统自动化，2004（12）：45-50.

[3]王伟红，刘蓓，祝瑞金，等.燃机启动电源配置方案的研究[J].华东电力，2007（5）：44-48.