燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組黑啟動方案探討

余旭翔1 , Denicourt Franck2

（1.通用電氣中國有限公司全球項目部,上海,201203; 2.通用電氣有限公司全球項目部,貝爾福,法國）

摘要:不同電廠的黑啟動方案由于機(jī)型和系統(tǒng)接線的差異而千差萬別。但黑啟動過程設(shè)計中的關(guān)鍵因素如黑啟動負(fù)荷加載順序、黑啟動柴油發(fā)電機(jī)組選型、死母線合閘、孤島運行控制等卻有著原理一致性和可歸納性。基于9E機(jī)組的黑啟動成功案例，闡述燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)電廠黑啟動必須考慮的重要負(fù)荷順序以及黑啟動柴油機(jī)的選型計算過程。對死母線合閘、孤島運行控制等黑啟動方案中關(guān)鍵步驟進(jìn)行原理描述和經(jīng)驗總結(jié)，并介紹了優(yōu)化方法和現(xiàn)場經(jīng)驗，提醒需要注意的特殊環(huán)節(jié)，為今后黑啟動方案設(shè)計提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī);黑啟動;柴油發(fā)電機(jī)組;死母線合閘;孤島運行

中圖分類號 ： TM611.24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ： B 文章編號：1009-2889（2012）01-0000-00

Discussions on Black Start of Gas Turbine Generator Unit

YU Xu-xiang1, Denicourt Franck2

(1.Global Project Organization ,General Electric China co.LTD, Shanghai 201203，China; 2.Global Project Organization ,General Electric co.LTD,Belfort,France )

Abstract: The Black Start schemes are various depending on different machine types and electrical configurations. However, the key considerations like black start load profile, black start diesel generator sizing, dead bus closure and island operation are commonly applicable with similar philosophy for different projects. Basing on a successful black start case of 9E project, the paper introduces the key load sequence and an example of black start diesel generator sizing process. It also illustrates the philosophy of dead bus closure, island operation control, and other studies relevant to black start procedure. It also shares the valuable optimization practice and site experience, as well as highlights special aspects in order to provide reference for future black start scheme design.

Key words：gas turbine; black start; diesel generator unit; dead bus closure; island operation

黑啟動是在黑網(wǎng)或丟失外部電力的情況下以恢復(fù)電站供電的過程。其作為緊急方案來給區(qū)域電網(wǎng)恢復(fù)供電。電網(wǎng)的大面積黑電事故使電網(wǎng)對電廠的黑啟動能力日益重視。由于電網(wǎng)在黑啟動機(jī)組的啟動時間、加載限制和輔助系統(tǒng)上的額外要求,不是所有的機(jī)型都適合黑啟動。

燃?xì)廨啓C(jī)能夠快速啟動、寬幅加載和靈敏響應(yīng)，電站設(shè)計上稍加改進(jìn)就可以成為合格的黑啟動電站。在緊急情況下，可由就地的黑啟動柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電來提供必要廠用電源以實現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)啟動。

由于燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)型眾多，同一機(jī)型也有單軸多軸等不同配置，同時系統(tǒng)接線方式也不相同，所以不同電廠的黑啟動方案間千差萬別而缺少系統(tǒng)性總結(jié)和歸納。但黑啟動方案中的關(guān)鍵因素如負(fù)荷清單和加載順序、黑啟動柴油機(jī)的選型和計算、死母線合閘、孤島運行控制等卻有著原理一致性和可歸納性。以下逐一闡述幾個方面。

1 電廠黑啟動負(fù)荷

一般的燃?xì)廨啓C(jī)電廠都需要黑啟動柴油發(fā)電機(jī)在外部黑網(wǎng)時來提供電力給輔助電氣設(shè)備以保證燃?xì)廨啓C(jī)的順利啟動。考慮到柴油發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，不可能所有負(fù)荷都聯(lián)接到黑啟動電源上。往往要進(jìn)行篩選而只留下關(guān)鍵負(fù)荷即黑啟動負(fù)荷，例如必要的燃料供給和冷卻系統(tǒng)等。

由于機(jī)型和系統(tǒng)配置以及廠用電接線的差異，不同電廠的黑啟動負(fù)荷差別很大。例如，有些使用電動機(jī)驅(qū)動燃?xì)鈮嚎s機(jī)的電站,該電動機(jī)就占了很大負(fù)荷比重；對于需要氮清吹和置換的低熱值燃?xì)鈾C(jī)組,需要考慮氮氣系統(tǒng)負(fù)荷；對于單軸的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，還要考慮汽輪機(jī)啟動時的冷卻蒸汽系統(tǒng)負(fù)荷等等。

簡而言之，黑啟動負(fù)荷的選擇必須因廠而異，其核心標(biāo)準(zhǔn)是必須滿足燃?xì)廨啓C(jī)啟機(jī)時的工藝和控制要求。

1．1 無需黑啟動柴油發(fā)電機(jī)的6B系列燃?xì)廨啓C(jī)

需要特別指出,由于6B系列燃?xì)廨啓C(jī)可配備柴油機(jī)作為起動裝置，而且配有蓄電池供電的直流盤車棘輪泵、直流潤滑油泵、及黑啟動逆變器以提供點火器電源；因此，即使在不配備柴油發(fā)電機(jī)的情況下，6B 燃?xì)廨啓C(jī)仍然可以獨自實現(xiàn)從低速盤車到高速盤車一直到點火加速的一系列黑啟動過程。

由于配有蓄電池供電的直流盤車棘輪泵，6B 燃?xì)廨啓C(jī)可以在黑網(wǎng)情況下保持低速盤車并隨時啟機(jī)。但在黑啟動情況下，必須通過調(diào)節(jié)直流潤滑油泵的可調(diào)勵磁電阻來提高油壓，使之高于壓力開關(guān)63QT (潤滑油壓力低跳閘)。同時啟動程序也必須進(jìn)行相應(yīng)修改，使燃?xì)廨啓C(jī)黑啟動依托于應(yīng)急直流潤滑油泵，而不是正常的輔助交流潤滑油泵。

配備柴油機(jī)作為起動裝置的6B系列燃?xì)廨啓C(jī)由于不需要黑啟動柴油機(jī)，而使黑啟動方案更加經(jīng)濟(jì)和方便。在必要時該型燃?xì)廨啓C(jī)也可作為黑啟動電廠的黑啟動電源，以替代大容量的黑啟動柴油發(fā)電機(jī)。

1．2 黑啟動柴油發(fā)電機(jī)

除了上文提及的使用柴油機(jī)作為起動裝置的6B系列燃?xì)廨啓C(jī)外，其他類型燃?xì)廨啓C(jī)都需要黑啟動柴油發(fā)電機(jī)來提供電力給中壓啟動裝置和重要的低壓負(fù)荷如潤滑油、密封油及必要的風(fēng)機(jī)等實現(xiàn)黑啟動。由于費用原因，黑啟動柴油發(fā)電機(jī)不宜設(shè)計過大，但必須滿足重要輔助設(shè)備運行要求。

客戶往往希望燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)能限制某些不必要的燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷如風(fēng)機(jī)等在黑啟動過程運行來減少黑啟動柴油發(fā)電機(jī)的耗電,從而能使用經(jīng)濟(jì)節(jié)省的柴油發(fā)電機(jī)。但燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)不會為此而另外設(shè)計整個燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的啟動程序。不過，我們可以人為地或利用DCS來操控某些負(fù)荷使之成為不同的時間序列，以避免啟動電流的疊加，由此來減少柴油發(fā)電機(jī)的尖峰負(fù)荷。

1．2．1 負(fù)荷順序表

以下為整個電廠的負(fù)荷順序表：

　順序 0: 已在線的不受控負(fù)荷，和母線同時帶電 ；

順序1: 母線帶電后10s內(nèi)投入；

順序2: 母線帶電后10s到1min內(nèi)投入；

順序3: 燃?xì)廨啓C(jī)馬達(dá)控制中心已存在的負(fù)荷，和母線同時帶電；

順序4: 輪控盤控制的負(fù)荷，啟動令時立即啟動；

順序5: 輪控盤控制的負(fù)荷，點火時立即啟動；

順序6: 輪控盤控制的負(fù)荷，轉(zhuǎn)速達(dá)到14HS （95% 滿轉(zhuǎn)速）時立即啟動。

1．2．2黑啟動必要的電站負(fù)荷

在燃?xì)廨啓C(jī)所帶的輔助負(fù)荷之外，黑啟動還必須考慮必要的電廠輔助負(fù)荷。表1為典型9E多軸聯(lián)合循環(huán)電站的黑啟動負(fù)荷（低壓）清單。注意：燃?xì)廨啓C(jī)馬達(dá)控制中心（MCC）提供的負(fù)荷為燃?xì)廨啓C(jī)所帶的輔助負(fù)荷。在該方案中，電廠的必要設(shè)備在燃?xì)廨啓C(jī)MCC受電前先受電。

表1 典型9E多軸聯(lián)合循環(huán)電廠黑啟動負(fù)荷清單

 

順序	設(shè)備描述	配備數(shù)量/運行數(shù)量	供電方/控制方	功率/kW  *
0	DCS（分布式控制系統(tǒng)） 電源以及電池充電機(jī)	1	電站配電盤/不受控	60/0.8/20
0	余熱鍋爐閥的配電	1	電站配電盤/DCS控制	15
0	照明	17	電站配電盤/不受控	15
0	控制室空調(diào)	2	電站配電盤/不受控	5
1	開式循環(huán)冷卻水泵和風(fēng)機(jī)	2/1	電站配電盤/DCS控制	500/0.8/6
1	閉式循環(huán)冷卻水泵和風(fēng)機(jī)	2/1	電站配電盤/DCS控制	100/0.8/6.8
2	燃料為天燃?xì)獾膲嚎s機(jī)	1	電站配電盤/DCS控制	950/0.8/3.5 （天燃?xì)鈮嚎s機(jī)帶軟啟動器 ）
2	擋板門冷卻風(fēng)機(jī)	2/1	電站配電盤/DCS控制	22
2	儀表氣	1	電站配電盤/DCS控制	28
2	消防泵	1	電站配電盤/DCS控制	3
2	防凍伴熱	1	電站配電盤/DCS控制	5
3	燃?xì)廨啓C(jī)400/230VAC 配電變壓器	1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/不受控	40/0.8/15
3	二氧化碳裝置	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/不受控	2.4
3	必要的加熱器 滑油加熱器23QT, 輔機(jī)間加熱器23HAs, 發(fā)電機(jī)加熱器23HGs 以及管道伴熱	多個	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/不受控	110
3	就地燃?xì)廨啓C(jī)控制室空調(diào)	2/1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/不受控	10
3	燃?xì)廨啓C(jī)蓄電池充電機(jī)	2/1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/不受控	15
4	88QA 輔助潤滑油泵電動機(jī)	1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤控制	90/0.92/7.9
4	88HQ 輔助液壓油泵電動機(jī)	1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤控制	15/0.92/6.5
4	88TG 盤車電動機(jī) (4% 全轉(zhuǎn)速前運行)	1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤控制	30/0.8/6.5
4	88TM 液力變扭器調(diào)節(jié)電動機(jī)	1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤控制	1.5
4	88QV 油氣分離器電動機(jī)	1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤控制	18.5
4	88QB 發(fā)電機(jī)頂軸油泵電動機(jī)	2/1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤控制	18.5
4	88VL 燃?xì)饽K通風(fēng)機(jī)電動機(jī)	2/1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤控制	4
4	88BT 輪間冷卻風(fēng)機(jī)電動機(jī)(14HR 0.31% 全轉(zhuǎn)速后運行)	2/1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤控制	37/0.87/6.5
5	88VG 齒輪間冷卻風(fēng)機(jī)電動機(jī)	2/1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤控制	18.5
6	88TK 燃?xì)廨啓C(jī)框架冷卻風(fēng)機(jī)電動機(jī)	2/2	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤控制	45+45(2號風(fēng)機(jī)啟動延后幾秒)/0.92 /6.6
6	勵磁變壓器 (當(dāng)死母線合閘時去電)	1	燃機(jī)馬達(dá)控制中心/輪控盤控制	5

注：* 對于30kW以上負(fù)荷須標(biāo)明功率因數(shù)和啟動電流倍數(shù)(PF和 Is/In)
表中未含中壓（6kV）啟動電機(jī)88CR負(fù)荷。

1.3 燃?xì)廨啓C(jī)的啟動裝置類型
一般來說 ,6FA、 7FA 、 9E、9FA/B 系列燃?xì)廨啓C(jī)都配備變頻啟動器或中壓啟動電機(jī)來輔助燃?xì)廨啓C(jī)在脫扣前能高速盤車，6B系列燃?xì)廨啓C(jī)一般配置中壓啟動電機(jī)或柴油機(jī)作為啟動裝置。
具體配備取決于燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)動慣量和系統(tǒng)的扭矩要求，見表2。

表2 各種機(jī)型啟動裝置配置表

 

變頻啟動裝置SFC(LCI)	啟動電機(jī)
普通6B 系列燃?xì)廨啓C(jī)	√
6FA系列燃?xì)廨啓C(jī)	√
7FA系列燃?xì)廨啓C(jī)	√
9E 系列燃?xì)廨啓C(jī)	√
9E 帶軸驅(qū)動的燃?xì)鈮嚎s機(jī)	√
9FA/B系列燃?xì)廨啓C(jī)	√

注：表中“√”為該機(jī)型所配置的起動裝置。

燃?xì)廨啓C(jī)的啟動裝置負(fù)荷是電站的主要的，往往也是最大的電負(fù)荷，是黑啟動柴油機(jī)的考慮重點和選型計算關(guān)鍵。

1．3．1 中壓啟動電機(jī)88CR

啟動電機(jī)88CR 普遍應(yīng)用于 6B 和 9E 型（無軸驅(qū)動的燃?xì)鈮嚎s機(jī)）。

下面以9E燃?xì)廨啓C(jī)為例說明啟動電機(jī)88CR的工作過程：在啟動電機(jī)88CR和燃?xì)廨啓C(jī)主軸間設(shè)有液力變扭器，通過調(diào)節(jié)液壓油的壓力及液力變扭器葉輪導(dǎo)角來調(diào)節(jié)傳送的力矩，變扭器葉輪導(dǎo)角初始位置在扭矩最大狀態(tài)。在88CR帶電兩秒后（延時目的是使電機(jī)無載啟動），液力變扭器電磁閥20TU–1帶電使油注入液力變扭器，同時扭力傳送到燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子開始拖動。當(dāng)達(dá)到清吹轉(zhuǎn)速14HM（10%全轉(zhuǎn)速）時，通過調(diào)節(jié)變扭器葉輪導(dǎo)角，使燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速提高并維持在清吹轉(zhuǎn)速來排出熱通道的可燃煙氣。清吹后20TU失電排去部分傳動油。當(dāng)轉(zhuǎn)速跌至14HM以下時20TU再次帶電然后機(jī)組開始升速，速度超過14HM時開始注油和點火。點火成功后，液力變扭器導(dǎo)葉打開至合適角度使燃?xì)廨啓C(jī)加速至自持轉(zhuǎn)速（大約為燃?xì)廨啓C(jī)額定轉(zhuǎn)速的60%），此時，20TU失電液力變扭器泄油使燃?xì)廨啓C(jī)和起動系統(tǒng)脫扣，啟動電機(jī)退出工作。其余順序不在此詳述，我們主要關(guān)心啟動電機(jī)88CR從帶電到脫扣階段的負(fù)荷特性，作為黑啟動柴油發(fā)電機(jī)選型的重要依據(jù)。圖１為典型的燃?xì)廨啓C(jī)啟動特性曲線圖。

 圖1 燃?xì)廨啓C(jī)啟動特性曲線圖

當(dāng)啟動電機(jī)88CR作為啟動裝置時，其在啟動階段最高有6.8倍啟動電流，功率因數(shù)大約為0.3，3s內(nèi)電機(jī)達(dá)到全轉(zhuǎn)速。由于啟動期間的沖擊電流需要電源提供足夠的kVA容量，以維持電壓降不低于額定的80%，否則過低的電壓將導(dǎo)致扭力不足而無法啟動，并會致使電機(jī)過熱，所以88CR啟動時電壓降是重要考慮因素之一。同時,在燃?xì)廨啓C(jī)點火成功暖機(jī)結(jié)束后的加速階段, 啟動電機(jī)88CR會達(dá)到峰值負(fù)荷1450kW。這對柴油機(jī)也是個不小的考驗。

在一些情況下，為減小88CR啟動時所需的kVA容量，會使用軟啟動裝置來限定啟動電流倍數(shù)為3～4。然而，啟動電流的減小會降低電機(jī)啟動力矩，88CR無法在3s內(nèi)達(dá)到全速，而需要更長時間（一般為5s）。在燃?xì)廨啓C(jī)啟動順序無任何修改的情況下，20TU的按時投入會使啟動電機(jī)在未達(dá)全轉(zhuǎn)速時帶載燃?xì)廨啓C(jī)軸負(fù)荷，從而導(dǎo)致啟動電機(jī)無法提供額定出力而使啟動失敗。

解決該問題的方法有兩種：一是延后20TU帶電使變扭器稍遲一些注油（2s延為5s），從而使電機(jī)有足夠時間自起動；二是通過88TM手動調(diào)節(jié)變扭器葉輪導(dǎo)角，減小88CR自加速階段的阻力來幫助其自起動。

此外，6B系列燃?xì)廨啓C(jī)只通過20TU而不設(shè)液力變扭器葉輪導(dǎo)葉調(diào)節(jié)，而使用變頻器啟動的6F/7F/9F機(jī)型由于本身為變頻啟動而不設(shè)液力變扭器系統(tǒng)。

1.3.2 變頻啟動裝置

使用可控硅進(jìn)行整流和逆變，變頻啟動裝置（LCI或SFC）能把固定頻率的交流電變?yōu)楦鞣N所需頻率。通過該裝置給發(fā)電機(jī)倒送電，能把發(fā)電機(jī)當(dāng)作電動機(jī)使用從而拖動燃?xì)廨啓C(jī)啟動。

燃?xì)廨啓C(jī)速度曲線和圖1一致，所不同的是LCI在90%全轉(zhuǎn)速時才脫扣，而且LCI尖峰負(fù)荷發(fā)生在40%全轉(zhuǎn)速時，大約持續(xù)4min時間。

和88CR啟動裝置相比，LCI 本身為變頻啟動不需液力變扭器系統(tǒng)，從而節(jié)省了費用和維修空間。且沒有大的啟動電流和kVA要求，因此電壓降不是主要因素，此時LCI尖峰負(fù)荷是設(shè)計主要依據(jù)。但是，LCI是非線性負(fù)荷會給系統(tǒng)電源帶來諧波污染，諧波污染會導(dǎo)致電機(jī)和變壓器等過熱，所以在黑啟動柴油機(jī)設(shè)計中諧波污染應(yīng)當(dāng)適當(dāng)考慮。

特別指出的是，因為LCI只在燃?xì)廨啓C(jī)啟動的30min內(nèi)使用，所以根據(jù)諧波污染的規(guī)范IEEE 519，諧波畸變率可超出允許值的50%。在此限定下，部分廠家的高脈沖LCI能滿足IEEE 519的限定要求。不能滿足的也不意味著在啟動過程中會出現(xiàn)故障，這是因為大部分控制儀器都由直流或不間斷電源UPS供電，而這些與受到諧波污染的廠用電是相對隔離的。但與廠用電直接相連的設(shè)備，如充電機(jī)和電機(jī)等,要確保在諧波畸變率20%內(nèi)短時不至于損壞。

2 電廠黑啟動柴油機(jī)設(shè)計

2.1黑啟動柴油機(jī)設(shè)計選型

1) 柴油機(jī)類型

黑啟動柴油機(jī)應(yīng)為四沖程，其優(yōu)勢在于簡單可靠的潤滑油系統(tǒng)。

2) 持續(xù)負(fù)荷

發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定出力應(yīng)高于所供電的持續(xù)連接負(fù)荷。

3) 最大電機(jī)或電機(jī)組啟動時的電壓降要求

黑啟動柴油發(fā)電機(jī)要保證其電壓必須高于負(fù)荷要求的電壓限制值。電機(jī)的起動扭矩與電壓的百分比的平方成正比例關(guān)系。例如，電壓降到80%時，其啟動轉(zhuǎn)矩只有64%。

2.2 經(jīng)濟(jì)性考慮

由于黑啟動柴油發(fā)電機(jī)組價格比較昂貴，所以設(shè)計中盡可能地減小容量和優(yōu)化配置以節(jié)約費用，主要途徑有：

1)發(fā)電機(jī)kVA容量盡量大于柴油機(jī)容量

由于柴油機(jī)容量在費用上的影響大于發(fā)電機(jī)，而且，在選型中往往柴油機(jī)容量能滿足啟動和持續(xù)有功功率要求而發(fā)電機(jī)不能滿足電壓降的kVA要求，我們可以發(fā)電機(jī)kVA容量盡量大于柴油機(jī)容量，而不是標(biāo)準(zhǔn)的配套配置。

2)多機(jī)組并行

黑啟動柴油發(fā)電機(jī)組的費用不隨容量的變大呈正比例增長，而是越大時增長越快。所以可以采用小容量多機(jī)組并聯(lián)的方式。而且，小機(jī)組的啟動成功率遠(yuǎn)大于大機(jī)組。缺點是要考慮小機(jī)組并行的同期系統(tǒng)和負(fù)荷分配。

3)過載能力和強(qiáng)勵

由于交流發(fā)電機(jī)可以短時過載運行，也能承受短時高溫，可以采用其過負(fù)荷能力盡量減小柴油發(fā)電機(jī)組的容量。一般柴油機(jī)在冷機(jī)狀況下有120% 運行1h的過負(fù)荷能力。如果增加柴油機(jī)排氣冷卻器，可以在費用增加不多的情況下提高出力50%，也是一個不錯的選擇方案。

另外，使用快速可靠響應(yīng)的勵磁控制系統(tǒng)，在電壓降落時快速反應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)勵，從而改善電壓降和減小發(fā)電機(jī)需要容量，也是很好的經(jīng)濟(jì)型方案。該方案需要軟件模擬以確認(rèn)其暫態(tài)調(diào)節(jié)能力。

2.3 黑啟動柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)計案例

使用1.2.1節(jié)的負(fù)荷順序表來驗證9E燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組使用兩臺1800kW/2250kVA（對應(yīng)柴油機(jī)/發(fā)電機(jī)）的黑啟動柴油發(fā)電機(jī)組能否滿足燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的啟動要求。黑啟動柴油發(fā)電機(jī)組的參數(shù)如下：X’d直軸瞬態(tài)電抗標(biāo)么值為0.20,功率因數(shù)PF=0.80 滯后，過載能力20s內(nèi)200%，1h內(nèi)110%。突加負(fù)荷限制值為60%。

2.3.1穩(wěn)定負(fù)荷

PG1=a×(P1/η1+ P2/η2+….+ Pn/ηn )/cos ?g= a×Wl/Cos ?g (1)

式中，Cos ?g-柴油發(fā)電機(jī)功率因數(shù)；Wl-所需負(fù)荷的累加值 ，kW；α-考慮的同時系數(shù) (為1.0)；P -電動機(jī)軸功率，kW；η-效率。

當(dāng)88CR 在尖峰負(fù)荷1450kW 時發(fā)生在暖機(jī)后加速期間, 考慮其余在線負(fù)荷（順序0至順序5負(fù)荷，注意加熱器啟機(jī)前退出，而且88TG在加速期間已退出）累計為 1973.4kW, 所以PG1=4279kVA（說明：柴油發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)為0.80）

結(jié)論：2臺1800kW/2250kVA滿足要求。

2.3.2電壓降:

由于電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的差異，所以無法精確計算發(fā)生的電壓降。然而可根據(jù)通用的計算方法如下:

PG2=[(1- ΔE)/ΔE]×X’d× QL (2)

式中，ΔE-發(fā)電機(jī)端允許的電壓降 ，%；X’d -直軸瞬態(tài)電抗標(biāo)么值；QL-啟動最大電動機(jī)時所需容量，kVA。

88CR啟動瞬間,QL=4.4×1000/0.89=4944　kVA，使用 20% 允許電壓降,根據(jù)起動電機(jī)啟動特性曲線,20%電壓降時啟動電流倍數(shù)為4.4倍,PG2=3955　kVA。

結(jié)論：2臺1800kW/2250kVA滿足要求。

由于大型電機(jī)帶電瞬間的過程比較復(fù)雜,帶電瞬間電機(jī)電抗為直軸超瞬態(tài)電抗(X”d),然后轉(zhuǎn)變?yōu)橹陛S瞬態(tài)電抗(X’d),最后為穩(wěn)定的直軸電抗(Xd),單純用直軸瞬態(tài)電抗(X’d)來計算其瞬態(tài)電壓降相對保守。在柴油發(fā)電機(jī)廠家同意情況下，可以使用(X’d+ X”d)/2來替代X’d來進(jìn)行校驗計算，這樣對柴油發(fā)電機(jī)容量要求可以適當(dāng)降低。

2.3.3最大負(fù)載:

PG3=(ΣW0+QLmaxcos ??)/(Kcos ?g)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)

式中，ΣW0-最大電動機(jī)外的其他負(fù)載總和,kW；cos ??- 最大電動機(jī)起動時的功率因數(shù)，此處為88CR取0.3；cos ?g -柴油發(fā)電機(jī)功率因數(shù)，此處為0.80；K-過負(fù)荷系數(shù) (1.1)；QLmax-最大電動機(jī)的啟動容量 ,kVA。

最大負(fù)載88CR 加載發(fā)生在啟動令發(fā)出時, 考慮其余在線負(fù)荷（順序0至順序4負(fù)荷，注意加熱器啟機(jī)前退出，而且88TG在88CR啟動后退出）。

QLmax Cos??= 1000/0.89×4.4×0.3=1483kW, ΣW0=1955kW（從順序0至4累計為1955kW），故PG3=3907kVA

結(jié)論：2臺1800kW/2250kVA滿足要求。

3黑啟動過程中燃?xì)廨啓C(jī)的死母線合閘

3.1 死母線合閘目的

當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)在黑啟動柴油機(jī)的供電情況下啟機(jī)并到全速空載時，由于母線側(cè)依然沒電所以不能進(jìn)行正常同期操作。在此時就需要死母線合閘給主變送電并恢復(fù)廠用電，從而替換下黑啟動柴油發(fā)電機(jī)。

由于主變低壓側(cè)阻抗小，而且在初充時由于電磁還未建立，所以會導(dǎo)致巨大的沖擊電流而導(dǎo)致電氣保護(hù)動作引起黑啟動失敗。

3.2 死母線合閘原理

解決方案是在合發(fā)電機(jī)出口開關(guān)（52G）時去掉發(fā)電機(jī)勵磁使之不帶電壓或只帶剩余電壓合閘，合閘成功后再緩慢建立發(fā)電機(jī)電壓及主變電壓至額定值。

死母線合閘前運行人員要確保母線為不帶電狀態(tài)，并且接地刀和隔離刀在正確位置。建議接地刀和隔離刀的位置信號接入DCS后送至燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)作為允許“死母線合閘”的閉鎖信號。

一旦選擇死母線合閘模式，勵磁就處于關(guān)斷狀態(tài)，這時候發(fā)電機(jī)電壓會逐漸下降，其速率和發(fā)電機(jī)時間常數(shù)相關(guān)。當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓降至10%并維持5ｓ時，控制盤給出報警“機(jī)組準(zhǔn)備死母線合閘”，這時候運行員在操作臺站人機(jī)界面（HMI）上按下“合閘”按鈕，52G合閘并逐漸升壓。如果在去磁28ｓ內(nèi)發(fā)電機(jī)電壓未降至10%，該次死母線合閘將自動取消。

由于母線是否帶電至關(guān)重要，所以三相都必須有電壓繼電器監(jiān)測,其電壓狀態(tài)信號連接至輪控盤參與聯(lián)鎖。

4 燃?xì)廨啓C(jī)黑啟動成功后的孤島運行

4.1 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的孤島運行控制

發(fā)電機(jī)出口開關(guān)合閘后，廠用電帶電與黑啟動柴油機(jī)同期切換，燃?xì)廨啓C(jī)獨自帶著廠用電運行。這時候發(fā)電機(jī)既不連電網(wǎng)也不連接其他發(fā)電機(jī)組運行在孤島方式，若廠用電數(shù)值在燃?xì)廨啓C(jī)額定負(fù)荷的10%～90%，其控制方式為無差控制方式，以維持機(jī)組運行在限定的運行轉(zhuǎn)速上而不是電網(wǎng)的頻率。該控制方式使得燃?xì)廨啓C(jī)能夠從電網(wǎng)分開并能承擔(dān)小的無大幅變化的負(fù)荷。在該方式下，無差控制能自動調(diào)節(jié)燃?xì)廨啓C(jī)出力以確保燃?xì)廨啓C(jī)運行在設(shè)定轉(zhuǎn)速。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定時，表明出力低于負(fù)荷而需要提高預(yù)選負(fù)荷設(shè)定值，反之若燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速高于設(shè)定時，表明出力高于負(fù)荷而需要降低預(yù)選負(fù)荷設(shè)定值。

若廠用電數(shù)值在燃?xì)廨啓C(jī)額定負(fù)荷的10%以內(nèi)，其控制方式為廠用電負(fù)荷控制方式。其和無差調(diào)節(jié)的主要區(qū)別在于用設(shè)定好的負(fù)荷點燃料值來穩(wěn)定和維持高壓開關(guān)打開后的孤島轉(zhuǎn)速，而不是無差調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速跟蹤。由于該狀態(tài)下廠用電負(fù)荷較小，燃?xì)廨啓C(jī)有足夠轉(zhuǎn)動慣量和調(diào)節(jié)能力使其孤島轉(zhuǎn)速維持在不大的波動范圍內(nèi)。

以上兩種控制方式由電廠的開關(guān)狀態(tài)信號啟動。由于各電廠電氣單線圖不一樣，所以決定是否“孤島”的開關(guān)也不相同。典型方案里，我們定義發(fā)電機(jī)中壓出口開關(guān)閉合而主變高壓側(cè)出口開關(guān)打開為孤島啟動信號。

燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)一旦接受到該啟動信號，便自動切換到孤島運行控制方式，根據(jù)轉(zhuǎn)速來匹配負(fù)荷出力。而一旦遠(yuǎn)方開關(guān)合上，啟動信號消失，燃?xì)廨啓C(jī)便切換到與電網(wǎng)并聯(lián)時使用的有差調(diào)節(jié)方式。

4.2 孤島時的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)勵磁控制

在孤島運行時，發(fā)電機(jī)的負(fù)荷特性取決于廠用電負(fù)荷本身，所以不能使用功率因數(shù)控制方式，而應(yīng)使用電壓調(diào)節(jié)方式，其根據(jù)實測電壓與設(shè)定電壓的偏差動態(tài)調(diào)整勵磁，使電壓水平維持在設(shè)定范圍內(nèi)。需要注意的是，如果電廠中聯(lián)結(jié)有大的容性負(fù)荷可能會引起發(fā)電機(jī)自激磁而導(dǎo)致過電壓，這時建議使用手動勵磁控制并投入系統(tǒng)穩(wěn)定器以防止自激振蕩。

5.其他的一些注意事項

電廠設(shè)計黑啟動方案時，必須有完善的實施程序，并且通過對黑啟動柴油發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)控制、發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)使用軟件建模進(jìn)行模擬驗證該過程。黑啟動電廠對系統(tǒng)充電的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程分析，條件許可的情況下也應(yīng)通過模擬驗證。應(yīng)包含如下內(nèi)容：

- 電壓的控制和仿真

- 送電線路容性電流帶載分析

- 燃?xì)廨啓C(jī)出力和負(fù)荷匹配

- 潮流分布研究

- 電網(wǎng)規(guī)范的確認(rèn)

- 系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS仿真

當(dāng)電廠往黑電的送電線路送電時，較大的容性負(fù)荷會起發(fā)電機(jī)自激磁而導(dǎo)致過電壓和系統(tǒng)振蕩，建議在開始時候投入感性電抗，使用手動勵磁控制并投入系統(tǒng)穩(wěn)定器。這些措施可有效幫助發(fā)電機(jī)迅速穩(wěn)定從而成功地給系統(tǒng)送電。

在操作流程方面,在黑啟動中啟動燃?xì)廨啓C(jī)前要確認(rèn)燃?xì)廨啓C(jī)所配蓄電池是否已充電完畢。在未完全充電的情況下，若啟動失敗或燃?xì)廨啓C(jī)跳閘，直流系統(tǒng)將無法滿足安全停機(jī)要求而造成燃?xì)廨啓C(jī)損害。

6 結(jié)語

電廠的黑啟動能力日益受到重視,而燃?xì)廨啓C(jī)由于其有利的啟動加載和控制特性上的優(yōu)勢,尤其是豐富的黑啟動經(jīng)驗和可靠性,成為黑啟動電廠的主力機(jī)型。

文中主要工作為電廠的黑啟動系統(tǒng)包括柴油發(fā)電機(jī)設(shè)計計算、死母線合閘及孤島運行機(jī)制，闡述和解釋相關(guān)問題。由于現(xiàn)代仿真的日益進(jìn)步，很多步驟可使用仿真軟件進(jìn)行驗證及計算。具體的仿真過程不在此詳述，仿真所采用的正確模型為無差控制而非有差控制，電壓調(diào)節(jié)而非功率因數(shù)調(diào)節(jié)，PSS模型也需要考慮等等。

電廠孤島運行后向電網(wǎng)充電的“系統(tǒng)黑啟動”過程有待進(jìn)一步研究與完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]Payne, M.G. Motor Starting on Diesel Generators[J]. Electronics and Power, 1977,6.

[2]IEEE STD 446:1995 Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications.

[3]IEEE STD 519:1992 Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electrical System.

[4]Ivan V.W. Hunt. DIESEL ENGINE GENERATORS FOR BLACK START AND SUPPLY EMERGENCIES[J]. Electrical Engineers Association Annual Conference, Auckland, ,2000,6:16- 17.

[5]IEEE 399-1997, Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems Analysis chapter 9 Motor-starting studies.

全文下載：燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組黑啟動方案探討.doc

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