基于直流孤島運行方式的水電廠 黑啟動電源系統優化

舒安穩

（云南華電金沙江中游水電開發有限公司梨園發電分公司，云南省麗江市 674100）

0 引言

直流孤島運行方式是指送端電廠僅與直流系統相連的電力系統運行方式［1］。黑啟動電源是指電網系統或電廠因故障全部停電時，通過自啟動恢復電廠機組發電及電網供電的電源［2］。隨著云南電網的異步聯網運行［3］，區域內直流線路及配套電廠的孤島運行已成為系統必備的運行方式。孤島運行時，受系統穩定邊界條件的影響，直流孤島配套運行機組不能停運，同時，電廠還必須做好孤島運行時直流發生雙極閉鎖的保廠用電準備，確保所有風險均能得到有效防控［4］。黑啟動電源系統作為水電廠廠用電的最后一道保證，其運行的安全、可靠及靈活性直接決定電廠廠用電的保障措施是否可靠，也決定直流孤島的運行風險是否絕對可控。因此，研究優化基于直流孤島運行方式的水電廠黑啟動電源系統，對新形勢下保證特高壓直流輸電系統的安全穩定運行意義重大。

1 梨園水電廠黑啟動電源系統

梨園水電廠2014年12月投產發電，裝機容量為2400MW（4×600MW），電廠配套直流送出系統為南方電網金中直流輸電系統［5］。梨園電廠廠用電源由主網系統倒送電或機組自發電為主用，電廠外來廠用電源為備用，黑啟動電源（柴油發電機）為最后一道防線。電廠投產時，由于直流送出工程未建成，其黑啟動電源系統僅考慮電廠自身的黑啟動，且系統涉及的設備操作較多，倒閘供電程序十分復雜，嚴重影響緊急情況下的電廠黑啟動響應速度，更不能及時可靠地為直流系統孤島運行保駕護航。

由圖1可見，梨園電廠原有機組黑啟動電源系統的接線方式為：廠房柴油發電機（#1CF）接至400V保安負荷，再由400V保安負荷通過升壓變壓器倒送電至10kV廠用電Ⅰ段和Ⅲ段，然后再通過10kV廠用電分段或聯絡運行給400V機組自用電、公用電、照明用電等用電設備供電。此系統接線方式，廠用電正常運行時，10kV系統向400V保安負荷系統供電，機組黑啟動時，需由400V保安負荷向10kV系統和400V系統相關設備倒送電，且在黑啟動操作前，還需臨時修改相應400V、10kV斷路器保護定值及閉鎖邏輯，工作過程十分煩瑣，各步驟風險點較多，不滿足黑啟動電源系統安全、快速、可靠、靈活的要求。

2 基于孤島運行方式的黑啟動電源系統

金中直流送出工程投運后，送出系統網架結構的變化對配套電廠的設備及系統提出了新的要求［6］，必須對電廠黑啟動電源系統做進一步研究與優化。

2.1 梨園電廠機組設備對廠用電的要求

金中直流投運后，要求電廠的開機并網機組臺數較僅有交流送出時更多，且對機組的可靠性要求也更高，電廠配套直流運行的機組不能停運。梨園電廠機組運行時，需不間斷進行供電的設備有開停機過程的高壓油頂起裝置、各導軸承及推力軸承冷卻系統、調速器及筒閥油壓裝置供油系統等，如果這些設備或系統停運，將直接觸發機組停機或造成更大的設備事故。因此，若電廠正常運行的廠用電消失，黑啟動電源系統必須在最短的時間內啟動并切換倒送至機組用電設備，以確保機組正常運行或安全停機。

圖1 梨園電廠原黑啟動電源系統示意圖（省略部分400V廠用電圖）Figure 1 Schematic diagram of the original Black start power system of Liyuan Power Plant （omit some 400V plant power map）

2.2 直流孤島運行對配套電廠廠用電的要求

金中直流孤島運行時，要求電廠廠用電與主網系統相對獨立，且正常運行時由電廠外來廠用電源與1號機組分廠運行的自發電對廠用電進行分段供電，黑啟動電源作為熱備用電源。這就要求孤島運行期間，不論是電廠外來廠用電源還是自發電的機組停運，黑啟動電源都必須快速的啟動并切換代替停運電源［7］，以確保孤島系統的正常運行。

受黑啟動電源系統接線方式的影響，梨園電廠原有黑啟動電源無法實現快速的與電廠外來廠用電源和分廠運行的機組自發電源進行切換，不滿足直流孤島運行時電廠需有穩定、可靠、靈活廠用電源的要求，須對黑啟動電源做進一步研究優化。

2.3 梨園電廠黑啟動電源系統優化措施

介于梨園電廠黑啟動電源系統存在的問題，結合直流孤島運行及電廠機組黑啟動實際需要，梨園電廠對黑啟動電源系統進行了以下研究和優化。一是在400V柴油發電機出口斷路器后增加一臺容量匹配的干式升壓變壓器，通過升壓變壓器直接將柴油發電機發出的電升壓至10kV；二是將升壓變壓器10kV側通過電纜分別連接至10kV廠用電Ⅴ段（外來廠用電源接入此段）和Ⅰ段（孤島運行時電廠1號機組帶此段分廠運行）備用斷路器，實現柴油發電機直接給10kV廠用電供電；三是根據新的黑啟動電源系統接線方式，重新核算與柴油發電機、升壓變壓器及相關斷路器匹配的保護定值，配置相應保護裝置；四是設計優化相關斷路器的閉鎖邏輯，并將斷路器的位置及控制信號、相關電壓電流信號及保護動作信號等引入電廠計算機監控系統，使柴油發電機、升壓變壓器、斷路器等全部實現遠方監視及遠方操作。新的黑啟動電源系統接線方式見圖2。

通過對電廠黑啟動電源系統進行優化，不僅完全避免了黑啟動操作前的臨時改接線，實現了操作流程更加順暢、快捷、簡單，更是徹底解決了直流孤島運行時黑啟動電源與其他廠用電源切換復雜、風險高的問題。

2.4 優化后的黑啟動電源系統運行方式

對于優化后的黑啟動電源系統，在電廠送出直流系統孤島運行期間，當電廠外來廠用電源發生故障停運時，可直接遠程啟動柴油發電機用黑啟動電源替代外來廠用電源運行，當分廠運行自發電的1號機組故障停運時，也可以快速直接的用黑啟動電源替代分廠運行機組為10kV廠用電Ⅰ段供電；在電廠送出系統處于其他運行方式、廠用電正常分段運行時，若外來廠用電源和送出系統故障全停，則可立即啟動柴油發電機用黑啟動電源恢復10kV廠用電Ⅴ段供電，并通過遠程操作和備自投自動切換功能快速恢復機組自用電，確保機組各設備供電不間斷，機組運行或停機正常。這樣，真正實現了電廠黑啟動電源系統安全、可靠、靈活的功能，切實發揮了黑啟動電源作為電廠廠用電最后一道保障的優勢。

2.5 黑啟動電源系統驗證及模擬試驗

黑啟動電源系統優化后，梨園電廠分別進行了四臺機組黑啟動試驗和模擬直流孤島運行時的黑啟動電源切換試驗。并根據電網系統運行方式安排，成功經歷了兩次直流孤島運行考驗。所有試驗及運行過程均采用遠程監視與控制，實現了一次操作試驗成功，且黑啟動時間僅為優化前的1/3。黑啟動電源系統的優化，無論在系統安全可靠及靈活性方面，還是在減少人力、降低風險等方面，都取得了顯著的成效。

圖2 梨園電廠優化后的黑啟動電源系統示意圖（省略400V廠用電圖）Figure 2 Schematic diagram of the Black start power system after optimization of the Liyuan Power Plant （Omit the 400V plant power map）

3 結束語

黑啟動電源系統是反應電廠及電網自恢復能力的關鍵系統，也是保證電力正常供應的重要系統。隨著網架結構的發展，電力系統新技術的不斷研究及應用，對送端電廠發電設備及廠用電的可靠性要求越來越高。黑啟動電源系統作為電廠廠用電的重要組成部分，必須適應電網系統網架結構的變化，不斷優化更新，以更好地為電力系統的發展和進步保駕護航。