9F級大型燃機儲能黑啟動技術探討

董家華，陳亞鵬，練小斌

(國家電投集團珠海橫琴熱電有限公司，廣東珠海 519000)

0 引言

黑啟動是指電網因故停止電力供應的情況下，發電機組不依靠外部電源實現機組自啟動并逐步恢復電網供電范圍，最終實現整個電網供電恢復。近年來，受全球氣候變化影響，極端天氣對我國影響愈加嚴重，先后引發了南方冰災、海南電網停電、珠澳電網停電等區域性停電事故[1-2]，給當地生產生活帶來了巨大的影響。

根據停電事故對社會的影響程度，國內各地電網因地制宜制定了具體的黑啟動預案并進行了模擬演練，如北京和上海地區，分別選擇十三陵抽水蓄能電站、閘北燃機電站作為黑啟動機組[3-4]。

珠三角地區是我國經濟最發達的地區之一，也是我國南方區域的電力負荷中心。當地電力以火電機組為主，電力供給對外依存度高。在電網停電事故時，研究依靠當地發電機組快速恢復局部電力供應，顯得尤其重要[5]。

燃機電站具有啟動速度快、輔機設備少、靠近負荷中心等優點，是除水電機組外最佳的黑啟動電源。目前已知具備黑啟動功能的燃機均為6B、9E級中小型燃機，對啟動電源容量要求不高，采用蓄電池組或柴油機等即可滿足[6]。相對而言，大型燃機電站，往往不具備單循環功能，機組啟動負荷還需考慮余熱鍋爐及汽輪機輔助設備用電，啟動電源容量高得多。采用多套柴油發電機組提供啟動電源，也能滿足機組黑啟動需求[7]，但存在并網協同性差、設備利用率低、經濟效益差等缺點。

隨著儲能技術發展，儲能電站在國內投運業績越來越多。國內亦有針對北方風資源豐富區域開展儲能型風電場作為局域電網黑啟動電源的相關研究[8]。從技術方面，本文論述了采用電池儲能技術實現大型燃機黑啟動的可行性。

1 電廠概述

該電廠目前建有2×390 MW燃氣-蒸汽聯合循環機組，采用一拖一多軸布置方式，每套機組含一臺GE 9F系列低NOx燃氣發電機組、一臺余熱鍋爐與汽輪發電機組。

每套機組采用發電機-變壓器組聯合單元接線，經兩回220 kV線路接入電網。其中，兩回變壓器組-線路單元間內橋接線，燃機發電機、汽機發電機出口分別裝有發電機出口斷路器GCB。每套機組6 kV廠用電，經高壓廠變取自機組燃機主變。電廠主接線見圖1。

2 機組正常啟動廠用電負荷分析

電廠燃機不具備單循環功能，燃機啟動前需啟動余熱鍋爐和汽輪機輔助系統。具備啟動條件后，由燃機控制系統控制LCI變頻啟動裝置和燃機勵磁輸出相應的電壓電流至發電機定轉子回路，使燃機發電機工作在同步電動機工況，拖動燃氣輪機至相應轉速，程序執行清吹、點火、暖機、升速等工作。燃氣輪機轉速升至90%全轉速時后，LCI變頻啟動裝置和燃機勵磁退出工作。至全轉速后，燃機通過檢同期方式并網，并網點為燃機發電機出口斷路器。

圖1 某電廠電氣主接線示意圖

機組啟動期間需啟動的主要廠用電輔助設備，如表1所示。

圖2為電廠2018年11月21日啟動時DCS記錄的廠高變高側有功、電流曲線。查DCS知，主要輔助設備啟動順序如下：12時40分啟動凝結水泵；13時55分，啟動循環水泵；14時27分，變頻啟動高壓給水泵；15時04分，LCI啟動帶燃氣輪機沖轉，15時53分燃機并網。還可看出，在凝結水泵啟動前，廠用電負荷約1.43 MW、67.7 A；啟動期間廠用電最大負荷出現在LCI拖動燃氣輪機沖轉期間，約11.56 MW、488 A；燃機并網后廠用電負荷降至2.71 MW、145 A。

表1 機組啟動期間需啟動6 kV輔助設備明細

圖2 2號機組啟動期間DCS曲線

儲能系統用作機組的啟動電源時，同樣應滿足機組啟動負荷特性需求。具體為：

(1)儲能系統放電電量，應滿足機組啟動期間電量需求，并留有一定裕度。

(2)儲能系統放電容量，除應滿足機組啟動期間最大負荷需求外，還應滿足最大容量電機的工頻啟動需求，并留有一定裕度。

機組正常方式啟動時，廠用電均由機組廠高變經燃機主變從電網倒送電方式獲取。機組啟動期間的廠用電量可從燃機主變電度表凍結的反向電量查詢。去年6月24日07∶00至8月24日00∶00期間，電廠#2機組共10次啟動記錄，對應#3燃機主變電度表凍結的反向電量見表2，可知機組啟動平均用電量約8.95 MW·h。

表2 3號燃機主變電度表反向電量數據

*表計倍率2 200×1 000。

根據圖2核算該次機組啟動期間的用電量。

取凝結水泵啟動前1 h(11時40分)作為機組啟動開始時間，至燃機并網時消耗的廠用電約9.49 MW·h，即燃機順利啟動的用電量。考慮燃機首次沖轉或并網存在失敗可能，再次啟動時廠用電量；若取LCI啟動時(15時04分)作為再次啟動開始時刻，至燃機并網時消耗的廠用電約3.36 MW·h；合計為12.85 MW·h。

為應對臺風可預知性災害時可能出現的黑啟動需求，在電廠當地出現臺風預警時，可提前將儲能系統充電至較高電量水平。儲能系統放電效率取85%，可釋放電量取80%，根據圖2的核算結果，儲能系統電量應不小于18.89 MW·h。

校核最大容量電機工頻啟動時所需的容量。由圖1知，高壓給水泵啟動前廠用電負荷約2.75 MW、123 A，工頻自啟動系數取6.5時，對應的儲能系統容量為17.65 MVA，大于機組啟動期間最大負荷。

綜上可知，儲能系統按20 MW/20 MW·h規模配置時，能滿足機組黑啟動需求。

3 接入系統分析

機組滿負荷時，廠高變負荷約7 MVA，表3為電廠2號機組滿負荷時6 kV廠用電負荷明細。由表3可知，6 kV A段負荷電流在180～560 A范圍時，對應的6 kV B段負荷電流在438～56 A范圍。電廠廠高變容量30 MVA，具備接入20 MW儲能系統的條件。下面校核6 kV母線接入儲能的最大能力。

表3 機組滿負荷運行時6kV廠用電負荷

機組6 kV母線電源開關額定電流、6 kV母線額定電流均為1 600 A。單段6 kV母線可接入儲能容量最大值分別為：6 kV A段，11.34 MW、6 kV B段12.67 MW；即具備接入10 MW/10 MW·h的條件。

綜上可知，20 MW/20 MW·h儲能系統，可分為2個10 MW/10 MW·h子系統方式接入機組6 kV母線。

4 儲能系統配置介紹

參考國內外已投運項目，儲能系統采用戶外集裝箱方式布置，分為電池集裝箱、功率集裝箱、電氣集裝箱、控制集裝箱。

電池集裝箱由多組鋰電芯組合的電池簇和電池模塊、BMS及消防系統、通風制冷系統、直流匯流柜組成。結合目前技術，單個電池集裝箱規模最大可配置為1.5 MW/1.5 MW·h。

功率集裝箱由雙向變流器、升壓變壓器組成，為交直流電能轉換的關鍵環節。結合目前技術，單個功率集裝箱規模最大可配置為3 MVA左右。

電氣集裝箱由6 kV開關柜及低壓輔助屏柜組成，向上向下連接功率集裝箱與6 kV母線。

控制集裝箱是整個儲能系統的核心，由EMS能量管理系統組成，檢測電池儲能設備的狀態及電量信息，控制儲能系統充放電功率。

5 儲能黑啟動方案介紹

該電廠接入電網故障時，燃機主變、汽機主變全停且廠用電中斷。此時，儲能系統提供機組啟動所需的電源，采用零起升壓方式恢復所啟動機組的廠用電，根據廠用電恢復范圍的不同，有如下兩種黑啟動方式。

方式1：廠用電恢復范圍為所啟動機組6 kV及380 V廠用電。廠用電恢復后，機組按正常方式啟動，LCI將燃機拖至全轉速后，選擇死母線方式合燃機發電機出口斷路器GCB。燃機勵磁對“燃機發電機-燃機主變-汽機主變-燃機廠高變”整體進行零起升壓，升至額定電壓后，儲能系統帶廠用電并列至燃機廠高變，并網點為6 kV母線工作電源開關。

方式2：與方式1不同的是，廠用電恢復范圍除啟動機組6 kV及380 V廠用電外，還包括啟動機組“燃機主變-汽機主變-燃機廠高變”。廠用電恢復后，機組按正常方式啟動，LCI將燃機拖至全轉速后，采用檢同期方式合GCB，并網點為燃機發電機出口斷路器。

可以看出，無論采用哪一種啟動方式，儲能用作機組黑啟動電源時，應具備如下基本功能：

(1)具備工頻零起升壓恢復廠用電功能。相對而言，方式2廠用電恢復范圍廣，要求儲能系統具備較強的初始工頻零起升壓能力。

(2)儲能系統應適應機組啟動及并網過程中負荷沖擊的能力。除能承受機組啟動期間6kV電機工頻啟動沖擊負荷外，還能承受儲能帶廠用電與燃機發電機并列過程中的沖擊，不出現廠用電負荷中斷的現象。

6 結語

本文從分析燃機正常啟動時負荷特性入手，提出了儲能系統用作機組黑啟動電源時容量和電量要求，論述了儲能系統的接入方案。在此基礎上，進一步探討了儲能系統作為機組黑啟動電源時的啟動方式，并對機組黑啟動用儲能系統提出了性能要求。

需進一步說明的是，燃機電站全停時，儲能系統同樣存在外部電源丟失的問題，應重視儲能系統自身工作電源的冗余設計，確保極端情況下儲能系統工作的可靠性。

同時，大型燃機不具備單循環功能，存在大容量高壓電機工頻啟動和LCI運行期間回饋高次諧波至6 kV廠用電的現象，應進一步研究二者對儲能系統的影響，綜合評選最優的黑啟動方式。