電廠黑啟動能力驗證試驗

摘 要：隨著國民經濟快速發展，電力需求也隨之增加，當電網出現大面積停電或系統瓦解時，如果能夠通過電廠“黑啟動”來恢復整個電網供電，就能夠顯著減少因停電所產生的影響和損失。上海地區的主力機組為火電機組，若將其作為黑啟動的電源點，則須配置柴油發電機帶動機組啟動，繼而恢復電網供電。當失去外部電源時，利用柴油發電機供電，啟動某燃機電廠單臺機組的黑啟動能力，掌握某燃機電廠機組在市電缺失情況下的黑啟動狀況和時間。

關鍵詞：黑啟動；燃機；負載特性

中圖分類號：TM 61 文獻標志碼：A

隨著電力系統不斷發展，電網安全問題變得更為重要[1]，黑啟動是保證電力系統發生大面積停電之后快速恢復供電的有效措施[2]。上海電網本地發電機組主要以燃煤和燃氣機組為主，為進一步提升上海電網的冗災能力，需要增強上海電網的黑啟動能力。某燃機電廠安裝了柴油發電機，具備黑啟動的條件。該電廠黑啟動主要工作原理是當電網失電導致全廠停電時，啟動輔助柴油發電機向黑啟動柴油發電機的輔機供電，再啟動柴油發電機發電，經柴發進線向6kV備用I段供電，再由6kVI段備用電源開關和6kVI段備用開關向6kVI段母線供電，使其成為燃機輔機的電源，以此啟動燃機實現并網，解決全廠停電、電網失電問題。因此驗證電廠黑啟動能力是保障電網安全的必要措施，本試驗通過柴油發電機帶負載能力試驗來驗證該電廠的黑啟動能力。

1 柴油發電機帶負載能力試驗

1.1 試驗目的

本次試驗旨在全面驗證柴油發電機帶輔機負載的能力。包括掌握柴油發電機啟動時間和運行時的負荷特性、柴油發電機帶廠用負載的穩定運行能力以及在不同負載條件下的性能表現。為柴油發電機的優化使用和可靠性評估提供準確、詳實的數據支撐和理論依據。

1.2 試驗原理

為了驗證柴油發電機帶電廠內燃機輔機的能力，需要對柴油發電機負載特性進行測量和分析。由于柴油發電機從啟動開始到燃機并網前的過程是非線性變化的，因此在電廠黑啟動過程中的負載絕大多數為異步馬達，異步馬達在啟動過程中對電源的啟動容量、穩態容量、短路容量都有一定的技術要求，否則，在馬達啟動過程中，特別是大容量馬達啟動時，母線電壓過低會影響其他正常運行馬達的工作，或導致馬達不能正常啟動，出現啟動失敗，甚至設備損壞的問題[3]。而該電廠燃機是由GE公司生產的PG9171E型燃氣輪機，該機組的燃機啟動馬達是電壓等級為6kV、額定功率為1000kW的異步電機，也是所有輔機設備中功率最大的，對電源側的柴油發電機的影響最大。因此可以將試驗分為以下3個部分。1）柴油發電機自身啟動過程。2）柴油發電機在燃機發出盤車命令，燃機啟動馬達啟動的過程。3）柴油發電機在燃機啟動沖轉，燃機啟動馬達介入的過程。

1.3 試驗接線與測量點

某燃機電廠的電氣主接線圖和試驗接線點如圖1所示。

本次試驗共有2組測量點，電壓測量點為線電壓，電流測量點為線電流。1）柴油發電機—測量柴油發電機輸出的電壓（U）、電流（I）、有功功率（P）、無功功率（Q）。測量儀器為TK4024便攜式電量（波形）記錄分析儀。2）燃機啟動馬達—測量啟動馬達的電壓（U）、電流（I）、有功功率（P）、無功功率（Q）。測量儀器為TK2024便攜式電量（波形）記錄分析儀。

1.4 試驗過程

將黑啟動柴發作為電源側向該電廠#1燃機機組輔機供電，直至啟動燃機沖轉至額定轉速即具備并網能力。

在啟動輔助柴油發電機后，啟動黑啟動柴油發電機，待黑啟動柴油發電機穩定運行后，依次啟動#11燃機機組的輔機設備。

啟動燃機啟動馬達，帶動#11燃機沖轉至3000r/min。

試驗結束后#11燃機停機。

1.5 初始電源參數

黑啟動初始電源采用DIG156型柴油發電機。柴油發電機的主要參數：發電機容量為5475kVA，額定電壓為6300V，額定電流為502A，額定轉速為750r/min，功率因素為0.75，頻率為50Hz。

2 柴油發電機負載特性分析

2.1 柴油發電機的啟動特性

柴油發電機的啟動過程錄波曲線如圖2所示，由圖中電壓波形可以看出，在32.0s附近，柴油發電機開始建立電壓，在5.9s后，電壓相角達到穩定，此時輸出電壓為446V。建壓19s后，電壓達到穩定，電壓為6.30kV，其額定電壓為6.30kV。

根據柴油發電機的啟動特性錄波曲線可以得出結論，柴油發電機的建壓時間為19.0s。

2.2 柴油發電機的負載特性（啟動馬達驅動燃機盤車）

柴油發電機的負載特性錄波曲線如圖3所示，由圖中電壓波形可以看出，當輔機設備啟動時，柴油發電機電壓會出現瞬時降低或抖動，且受到負載設備容量的影響。在整個錄波過程中，共存在3次明顯的電壓暫降，其中，第三次電壓暫降主要由燃機啟動馬達所致。

由圖4的錄波曲線可以看出，在相關輔機啟動前，柴油發電機處于空載狀態。相關輔機設備完成既定任務后停止運行，因此柴油發電機穩定運行后的有功功率和無功功率仍接近零。柴油發電機能夠帶動此類輔機啟動并穩定運行。第一次電壓暫降時柴油發電機各電氣量特性見表1。

在輔機啟動過程中，柴油發電機的輸出電壓最低值為4.98kV，為額定輸出電壓的79.0%，最大值為6.40kV，為額定輸出電壓的101.6%。在系統受到沖擊后，650ms后柴油發電機的輸出電壓恢復穩定（變化在柴油發電機額定電壓的±5%）。

由圖5的錄波曲線可以看出，在輔機啟動前，柴油發電機輸出電壓為6.29kV，輸出電流為6.79A，有功功率為0.06MW，無功功率為0.01MVar。在輔機啟動后，柴油發電機穩定時的輸出電壓為6.29kV，輸出電流為6.31A，有功功率為0.07MW，無功功率為0.02MVar。柴油發電機能夠帶動此類輔機啟動并穩定運行。第二次電壓暫降時柴油發電機各電氣量特性見表2。

在輔機啟動過程中，柴油發電機的輸出電壓最低值為5.72kV，為額定輸出電壓的90.8%，最大值為6.67kV，為額定輸出電壓的105.9%。系統受到沖擊后，1.3s后柴油發電機的輸出電壓恢復穩定（變化在柴油發電機額定電壓的±5%）。

由圖6的錄波曲線可以看出，在燃機啟動馬達啟動前，柴油發電機輸出電壓為6.26kV，輸出電流為19.8A，有功功率為0.18MW，無功功率為0.11MVar。當燃機啟動馬達達到穩態時，柴油發電機輸出電壓為6.29kV，輸出電流為142A，有功功率為1.40MW，無功功率為0.64MVar。在完成燃機盤車后，啟動馬達停止運行，此時柴油發電機輸出電壓為6.29kV，輸出電流為14.3A，有功功率為0.14MW，無功功率為0.06MVar。柴油發電機能夠帶動馬達啟動并穩定運行。燃機馬達啟動時柴油發電機各電氣量特性見表3。

從錄波曲線可以看出，啟動馬達在694.0s時刻啟動，6s后達到穩定（柴油發電機輸出電壓在額定電壓的±5%）。柴油發電機的輸出電壓最低值為4.22kV，為額定輸出電壓的67.0%，最大值為7.09kV，為額定輸出電壓的112.5%。

在燃機啟動馬達啟動瞬間（0.3s內），對柴油發電機的沖擊最大，此時電壓最低值為4.22kV。啟動馬達啟動1.175s時，柴油發電機的視在功率達到最大，視在功率為8.18MVA，其中有功功率為1.68MW，無功功率為8.01MVar。

根據錄波數據可以得出，柴油發電機能在保持小系統相對穩定的情況下，帶動啟動馬達啟動并完成燃機盤車任務。

2.3 柴油發電機的負載特性（啟動馬達驅動燃機沖轉）

柴油發電機的負載特性錄波曲線如圖7所示，由圖中電壓波形可以看出，輔機設備啟動時，柴油發電機電壓會出現瞬時降低或抖動，且受到負載設備容量的影響。在整個錄波過程中，共有2次明顯的電壓暫降情況，其中，燃機馬達啟動會導致第二次電壓暫降。

由圖8的錄波曲線可以看出，在循環水泵啟動前，柴油發電機輸出電壓為6.30kV，輸出電流為16.8A，有功功率為0.16MW，無功功率為0.08MVar。在循環水泵啟動完成后，柴油發電機穩定時輸出電壓為6.31kV，輸出電流為78.0A，有功功率為0.71MW，無功功率為0.46MVar。柴油發電機能夠帶動循環水泵啟動并穩定運行。第一次電壓暫降時柴油發電機各電氣量特性（燃機沖轉）見表4。

在輔機啟動過程中，柴油發電機的輸出電壓最低值為4.67kV，為額定輸出電壓的74.1%，最大值為7.06kV，為額定輸出電壓的112.1%。系統受到沖擊后，3.4s后柴油發電機的輸出電壓恢復穩定（變化在柴油發電機額定電壓的±5%）。

由圖9的錄波曲線可以看出，在燃機啟動馬達啟動前，柴油發電機輸出電壓為6.26kV，輸出電流為99.3A，有功功率為0.89MW，無功功率為0.594MVar。當燃機啟動馬達達到穩態時，柴油發電機輸出電壓為6.24kV，輸出電流為232A，有功功率為2.18MW，無功功率為1.21MVar。柴油發電機能夠帶動燃機啟動馬達完成沖轉并穩定運行。燃機啟動馬達啟動時柴油發電機各電氣量特性（燃機沖轉）見表5。

從錄波曲線可以看出， 405.0 s 時，馬達啟動，在410s附近達到穩態。柴油發電機的輸出電壓最低值為4.34kV，為額定輸出電壓的68.9%，最大值為6.92kV，為額定輸出電壓的109.8%。

在燃機啟動馬達啟動瞬間（0.3s內），對柴油發電機的沖擊最大，此時電壓最低值為6.28kV。啟動馬達啟動1.261s時，柴油發電機的視在功率達到最大，此時視在功率為8.40MVA，其中，有功功率為2.56MW，無功功率為7.98MVar。

根據錄波數據可以得知，柴油發電機能在保持廠用電系統相對穩定的情況下，帶較大容量輔機穩定運行，并帶動啟動馬達啟動完成驅動燃機沖轉任務。

綜合柴油發電機的負載特性錄波曲線可以得到，當柴油發電機帶動小負載輔機設備時，電壓會暫時下降，并能迅速恢復正常。輔機設備啟動瞬間，隨著輔機負載容量增加，電壓下降幅度越大，恢復至額定電壓所需時間越長，但柴油發電機均能恢復廠用電系統穩定運行。

柴油發電機在輕載的情況下，能帶動燃機啟動馬達啟動完成盤車任務；能夠在帶約900kW其他輔機負荷的情況下，帶動燃機啟動馬達啟動完成沖轉任務。在上述燃機馬達啟動過程中，柴油發電機能夠在小系統受到擾動的過程中，恢復系統穩定并迅速將電壓恢復至正常水平，表明該柴油發電機能夠承受較大功率交換帶來的電壓沖擊。

綜上所述，柴油發電機具備正常帶啟動馬達等單臺燃機輔機設備的能力，并能按黑啟動的要求，在保證系統的穩定的情況下，驅動燃機轉子盤車，并能順利完成燃機沖轉。

3 結論

通過本次黑啟動能力驗證試驗可得到以下結論。1）燃機啟動馬達在啟動瞬間對系統的沖擊較大，有功沖擊約為2.30MW，無功沖擊約為3.40MVar，沖擊造成系統電壓瞬間大幅下降。2）柴油發電機作為小系統中的唯一電源，具備帶動包括燃機啟動馬達等單臺機組輔機設備的能力。即使系統出現擾動時，柴油發電機仍具備保持廠用電系統穩定運行的能力。3）#11燃機能依靠柴油發電機完成輔機設備啟動，并在廠用電系統穩定的情況下，依次完成盤車和沖轉過程，具備正常啟機的條件。

綜上所述，電廠將AvKDIG156型柴油發電機作為黑啟動的電源點（發電機容量為5475kVA，額定功率為4106kW，功率因數為0.75）能夠帶動#11燃機的輔機設備正常運行，并能在保證廠用電系統穩定的情況下，啟動燃機啟動馬達，驅動燃機轉子旋轉并完成沖轉，使#11燃機在無其他電源協助情況下，達到額定轉速（3000r/min）。本試驗為柴油發電機帶動單臺燃機啟動試驗。電廠運行人員在能夠熟練掌握本試驗全過程細節后，可在此試驗內容的基礎上進行拓展。進一步驗證單臺燃機孤網運行時的穩定性和可靠性，并帶動另一臺同類型機組的能力、考驗單機空充線路并帶空載主變運行的能力和電網解列轉為孤網運行的能力。該電廠除4臺9E燃機機組外還有2臺9F燃機機組，可以驗證黑啟動帶單臺9F燃機機組的能力。

參考文獻

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[2]蘇德生，顧雪平，趙書強，等.河北南網黑啟動決策支持系統的研究開發[J].電力系統自動化，2004（12）：45-50.

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