摘 要：隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力需求也隨之增加，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電或系統(tǒng)瓦解時，如果能夠通過電廠“黑啟動”來恢復(fù)整個電網(wǎng)供電，就能夠顯著減少因停電所產(chǎn)生的影響和損失。上海地區(qū)的主力機(jī)組為火電機(jī)組，若將其作為黑啟動的電源點(diǎn)，則須配置柴油發(fā)電機(jī)帶動機(jī)組啟動，繼而恢復(fù)電網(wǎng)供電。當(dāng)失去外部電源時，利用柴油發(fā)電機(jī)供電，啟動某燃機(jī)電廠單臺機(jī)組的黑啟動能力，掌握某燃機(jī)電廠機(jī)組在市電缺失情況下的黑啟動狀況和時間。

關(guān)鍵詞：黑啟動；燃機(jī)；負(fù)載特性

中圖分類號：TM 61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，電網(wǎng)安全問題變得更為重要[1]，黑啟動是保證電力系統(tǒng)發(fā)生大面積停電之后快速恢復(fù)供電的有效措施[2]。上海電網(wǎng)本地發(fā)電機(jī)組主要以燃煤和燃?xì)鈾C(jī)組為主，為進(jìn)一步提升上海電網(wǎng)的冗災(zāi)能力，需要增強(qiáng)上海電網(wǎng)的黑啟動能力。某燃機(jī)電廠安裝了柴油發(fā)電機(jī)，具備黑啟動的條件。該電廠黑啟動主要工作原理是當(dāng)電網(wǎng)失電導(dǎo)致全廠停電時，啟動輔助柴油發(fā)電機(jī)向黑啟動柴油發(fā)電機(jī)的輔機(jī)供電，再啟動柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)柴發(fā)進(jìn)線向6kV備用I段供電，再由6kVI段備用電源開關(guān)和6kVI段備用開關(guān)向6kVI段母線供電，使其成為燃機(jī)輔機(jī)的電源，以此啟動燃機(jī)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，解決全廠停電、電網(wǎng)失電問題。因此驗(yàn)證電廠黑啟動能力是保障電網(wǎng)安全的必要措施，本試驗(yàn)通過柴油發(fā)電機(jī)帶負(fù)載能力試驗(yàn)來驗(yàn)證該電廠的黑啟動能力。

1 柴油發(fā)電機(jī)帶負(fù)載能力試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

本次試驗(yàn)旨在全面驗(yàn)證柴油發(fā)電機(jī)帶輔機(jī)負(fù)載的能力。包括掌握柴油發(fā)電機(jī)啟動時間和運(yùn)行時的負(fù)荷特性、柴油發(fā)電機(jī)帶廠用負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行能力以及在不同負(fù)載條件下的性能表現(xiàn)。為柴油發(fā)電機(jī)的優(yōu)化使用和可靠性評估提供準(zhǔn)確、詳實(shí)的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1.2 試驗(yàn)原理

為了驗(yàn)證柴油發(fā)電機(jī)帶電廠內(nèi)燃機(jī)輔機(jī)的能力，需要對柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載特性進(jìn)行測量和分析。由于柴油發(fā)電機(jī)從啟動開始到燃機(jī)并網(wǎng)前的過程是非線性變化的，因此在電廠黑啟動過程中的負(fù)載絕大多數(shù)為異步馬達(dá)，異步馬達(dá)在啟動過程中對電源的啟動容量、穩(wěn)態(tài)容量、短路容量都有一定的技術(shù)要求，否則，在馬達(dá)啟動過程中，特別是大容量馬達(dá)啟動時，母線電壓過低會影響其他正常運(yùn)行馬達(dá)的工作，或?qū)е埋R達(dá)不能正常啟動，出現(xiàn)啟動失敗，甚至設(shè)備損壞的問題[3]。而該電廠燃機(jī)是由GE公司生產(chǎn)的PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)，該機(jī)組的燃機(jī)啟動馬達(dá)是電壓等級為6kV、額定功率為1000kW的異步電機(jī)，也是所有輔機(jī)設(shè)備中功率最大的，對電源側(cè)的柴油發(fā)電機(jī)的影響最大。因此可以將試驗(yàn)分為以下3個部分。1）柴油發(fā)電機(jī)自身啟動過程。2）柴油發(fā)電機(jī)在燃機(jī)發(fā)出盤車命令，燃機(jī)啟動馬達(dá)啟動的過程。3）柴油發(fā)電機(jī)在燃機(jī)啟動沖轉(zhuǎn)，燃機(jī)啟動馬達(dá)介入的過程。

1.3 試驗(yàn)接線與測量點(diǎn)

某燃機(jī)電廠的電氣主接線圖和試驗(yàn)接線點(diǎn)如圖1所示。

本次試驗(yàn)共有2組測量點(diǎn)，電壓測量點(diǎn)為線電壓，電流測量點(diǎn)為線電流。1）柴油發(fā)電機(jī)—測量柴油發(fā)電機(jī)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(jī)啟動馬達(dá)—測量啟動馬達(dá)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(yàn)過程

將黑啟動柴發(fā)作為電源側(cè)向該電廠#1燃機(jī)機(jī)組輔機(jī)供電，直至啟動燃機(jī)沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速即具備并網(wǎng)能力。

在啟動輔助柴油發(fā)電機(jī)后，啟動黑啟動柴油發(fā)電機(jī)，待黑啟動柴油發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，依次啟動#11燃機(jī)機(jī)組的輔機(jī)設(shè)備。

啟動燃機(jī)啟動馬達(dá)，帶動#11燃機(jī)沖轉(zhuǎn)至3000r/min。

試驗(yàn)結(jié)束后#11燃機(jī)停機(jī)。

1.5 初始電源參數(shù)

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

2 柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載特性分析

2.1 柴油發(fā)電機(jī)的啟動特性

柴油發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)開始建立電壓，在5.9s后，電壓相角達(dá)到穩(wěn)定，此時輸出電壓為446V。建壓19s后，電壓達(dá)到穩(wěn)定，電壓為6.30kV，其額定電壓為6.30kV。

根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)的啟動特性錄波曲線可以得出結(jié)論，柴油發(fā)電機(jī)的建壓時間為19.0s。

2.2 柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性（啟動馬達(dá)驅(qū)動燃機(jī)盤車）

柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性錄波曲線如圖3所示，由圖中電壓波形可以看出，當(dāng)輔機(jī)設(shè)備啟動時，柴油發(fā)電機(jī)電壓會出現(xiàn)瞬時降低或抖動，且受到負(fù)載設(shè)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(jī)啟動馬達(dá)所致。

由圖4的錄波曲線可以看出，在相關(guān)輔機(jī)啟動前，柴油發(fā)電機(jī)處于空載狀態(tài)。相關(guān)輔機(jī)設(shè)備完成既定任務(wù)后停止運(yùn)行，因此柴油發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后的有功功率和無功功率仍接近零。柴油發(fā)電機(jī)能夠帶動此類輔機(jī)啟動并穩(wěn)定運(yùn)行。第一次電壓暫降時柴油發(fā)電機(jī)各電氣量特性見表1。

在輔機(jī)啟動過程中，柴油發(fā)電機(jī)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(tǒng)受到?jīng)_擊后，650ms后柴油發(fā)電機(jī)的輸出電壓恢復(fù)穩(wěn)定（變化在柴油發(fā)電機(jī)額定電壓的±5%）。

由圖5的錄波曲線可以看出，在輔機(jī)啟動前，柴油發(fā)電機(jī)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(jī)啟動后，柴油發(fā)電機(jī)穩(wěn)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(fā)電機(jī)能夠帶動此類輔機(jī)啟動并穩(wěn)定運(yùn)行。第二次電壓暫降時柴油發(fā)電機(jī)各電氣量特性見表2。

在輔機(jī)啟動過程中，柴油發(fā)電機(jī)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(tǒng)受到?jīng)_擊后，1.3s后柴油發(fā)電機(jī)的輸出電壓恢復(fù)穩(wěn)定（變化在柴油發(fā)電機(jī)額定電壓的±5%）。

由圖6的錄波曲線可以看出，在燃機(jī)啟動馬達(dá)啟動前，柴油發(fā)電機(jī)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(dāng)燃機(jī)啟動馬達(dá)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，柴油發(fā)電機(jī)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(jī)盤車后，啟動馬達(dá)停止運(yùn)行，此時柴油發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)能夠帶動馬達(dá)啟動并穩(wěn)定運(yùn)行。燃機(jī)馬達(dá)啟動時柴油發(fā)電機(jī)各電氣量特性見表3。

從錄波曲線可以看出，啟動馬達(dá)在694.0s時刻啟動，6s后達(dá)到穩(wěn)定（柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓在額定電壓的±5%）。柴油發(fā)電機(jī)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(jī)啟動馬達(dá)啟動瞬間（0.3s內(nèi)），對柴油發(fā)電機(jī)的沖擊最大，此時電壓最低值為4.22kV。啟動馬達(dá)啟動1.175s時，柴油發(fā)電機(jī)的視在功率達(dá)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(jù)錄波數(shù)據(jù)可以得出，柴油發(fā)電機(jī)能在保持小系統(tǒng)相對穩(wěn)定的情況下，帶動啟動馬達(dá)啟動并完成燃機(jī)盤車任務(wù)。

2.3 柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性（啟動馬達(dá)驅(qū)動燃機(jī)沖轉(zhuǎn)）

柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)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(jī)設(shè)備啟動時，柴油發(fā)電機(jī)電壓會出現(xiàn)瞬時降低或抖動，且受到負(fù)載設(shè)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(jī)馬達(dá)啟動會導(dǎo)致第二次電壓暫降。

由圖8的錄波曲線可以看出，在循環(huán)水泵啟動前，柴油發(fā)電機(jī)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(huán)水泵啟動完成后，柴油發(fā)電機(jī)穩(wěn)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(fā)電機(jī)能夠帶動循環(huán)水泵啟動并穩(wěn)定運(yùn)行。第一次電壓暫降時柴油發(fā)電機(jī)各電氣量特性（燃機(jī)沖轉(zhuǎn)）見表4。

在輔機(jī)啟動過程中，柴油發(fā)電機(jī)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(tǒng)受到?jīng)_擊后，3.4s后柴油發(fā)電機(jī)的輸出電壓恢復(fù)穩(wěn)定（變化在柴油發(fā)電機(jī)額定電壓的±5%）。

由圖9的錄波曲線可以看出，在燃機(jī)啟動馬達(dá)啟動前，柴油發(fā)電機(jī)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(dāng)燃機(jī)啟動馬達(dá)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，柴油發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)能夠帶動燃機(jī)啟動馬達(dá)完成沖轉(zhuǎn)并穩(wěn)定運(yùn)行。燃機(jī)啟動馬達(dá)啟動時柴油發(fā)電機(jī)各電氣量特性（燃機(jī)沖轉(zhuǎn)）見表5。

從錄波曲線可以看出， 405.0 s 時，馬達(dá)啟動，在410s附近達(dá)到穩(wěn)態(tài)。柴油發(fā)電機(jī)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(jī)啟動馬達(dá)啟動瞬間（0.3s內(nèi)），對柴油發(fā)電機(jī)的沖擊最大，此時電壓最低值為6.28kV。啟動馬達(dá)啟動1.261s時，柴油發(fā)電機(jī)的視在功率達(dá)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(jù)錄波數(shù)據(jù)可以得知，柴油發(fā)電機(jī)能在保持廠用電系統(tǒng)相對穩(wěn)定的情況下，帶較大容量輔機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，并帶動啟動馬達(dá)啟動完成驅(qū)動燃機(jī)沖轉(zhuǎn)任務(wù)。

綜合柴油發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性錄波曲線可以得到，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)帶動小負(fù)載輔機(jī)設(shè)備時，電壓會暫時下降，并能迅速恢復(fù)正常。輔機(jī)設(shè)備啟動瞬間，隨著輔機(jī)負(fù)載容量增加，電壓下降幅度越大，恢復(fù)至額定電壓所需時間越長，但柴油發(fā)電機(jī)均能恢復(fù)廠用電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

柴油發(fā)電機(jī)在輕載的情況下，能帶動燃機(jī)啟動馬達(dá)啟動完成盤車任務(wù)；能夠在帶約900kW其他輔機(jī)負(fù)荷的情況下，帶動燃機(jī)啟動馬達(dá)啟動完成沖轉(zhuǎn)任務(wù)。在上述燃機(jī)馬達(dá)啟動過程中，柴油發(fā)電機(jī)能夠在小系統(tǒng)受到擾動的過程中，恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定并迅速將電壓恢復(fù)至正常水平，表明該柴油發(fā)電機(jī)能夠承受較大功率交換帶來的電壓沖擊。

綜上所述，柴油發(fā)電機(jī)具備正常帶啟動馬達(dá)等單臺燃機(jī)輔機(jī)設(shè)備的能力，并能按黑啟動的要求，在保證系統(tǒng)的穩(wěn)定的情況下，驅(qū)動燃機(jī)轉(zhuǎn)子盤車，并能順利完成燃機(jī)沖轉(zhuǎn)。

3 結(jié)論

通過本次黑啟動能力驗(yàn)證試驗(yàn)可得到以下結(jié)論。1）燃機(jī)啟動馬達(dá)在啟動瞬間對系統(tǒng)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(tǒng)電壓瞬間大幅下降。2）柴油發(fā)電機(jī)作為小系統(tǒng)中的唯一電源，具備帶動包括燃機(jī)啟動馬達(dá)等單臺機(jī)組輔機(jī)設(shè)備的能力。即使系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，柴油發(fā)電機(jī)仍具備保持廠用電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。3）#11燃機(jī)能依靠柴油發(fā)電機(jī)完成輔機(jī)設(shè)備啟動，并在廠用電系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，依次完成盤車和沖轉(zhuǎn)過程，具備正常啟機(jī)的條件。

綜上所述，電廠將AvKDIG156型柴油發(fā)電機(jī)作為黑啟動的電源點(diǎn)（發(fā)電機(jī)容量為5475kVA，額定功率為4106kW，功率因數(shù)為0.75）能夠帶動#11燃機(jī)的輔機(jī)設(shè)備正常運(yùn)行，并能在保證廠用電系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，啟動燃機(jī)啟動馬達(dá)，驅(qū)動燃機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并完成沖轉(zhuǎn)，使#11燃機(jī)在無其他電源協(xié)助情況下，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速（3000r/min）。本試驗(yàn)為柴油發(fā)電機(jī)帶動單臺燃機(jī)啟動試驗(yàn)。電廠運(yùn)行人員在能夠熟練掌握本試驗(yàn)全過程細(xì)節(jié)后，可在此試驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展。進(jìn)一步驗(yàn)證單臺燃機(jī)孤網(wǎng)運(yùn)行時的穩(wěn)定性和可靠性，并帶動另一臺同類型機(jī)組的能力、考驗(yàn)單機(jī)空充線路并帶空載主變運(yùn)行的能力和電網(wǎng)解列轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)運(yùn)行的能力。該電廠除4臺9E燃機(jī)機(jī)組外還有2臺9F燃機(jī)機(jī)組，可以驗(yàn)證黑啟動帶單臺9F燃機(jī)機(jī)組的能力。

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