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分布式能源站黑启动浅析及应用

 

  分布式电源具有启动速度快、结构简单、反应灵活等特点,在电网安全运行中发挥着重要作用。本文介绍了某分布式能源站黑启动系统的设计要求,对黑启动过程中孤岛运行、线路过电压和主变励磁涌流等问题进行深入分析。

  大面积停电后的系统自恢复通俗地称为黑启动。所谓黑启动,是指整个系统因故障停运后,系统全部停电(不排除孤立小电网仍维持运行),处于全“黑”状态,不依赖别的网络帮助,通过系统中具有自启动能力的发电机组启动,带动无自启动能力的发电机组,逐渐扩大系统恢复范围,最终实现整个系统的恢复[1]。

  随着电网互联程度的提高,电网结构日益复杂化,再加上采用大量远距离输电,冲击负荷增加等因素的影响,大面积停电的风险增加。由于大停电发生的原因错综复杂,即使使用现代化技术也不可能完全防止,仅能运用一些有效的措施来缩小事故范围和加快恢复时间[2]。近年来,随着分布式发电技术的迅速发展,具有启动速度快,结构简单、反应灵活等特点的分布式发电机组作为黑启动电源点是比较理想的选择。

  分布式能源站装机容量为2×78MW,燃机采用普惠动力系统公司的FT8-3SwiftPac双联燃气轮发电机组,由两台燃机和一台发电机组成,两台燃机通过联轴器直接连接一台双端驱动发电机(额定出力60MW)。发电机为英国BRUSH公司生产的型号为BDAX72-340ER的涡轮发电机组,发电机励磁方式为无刷励磁。

  分布式能源站电气一次系统采用典型的发变组单元接线,接线方式简单,操作方便,利于进行黑启动倒闸操作。

  针对FT8-3型燃机的启动特点,通过分析燃机启动时需提供的重要低压负荷,如油泵、二次风机、启动机、真空泵等的启动负荷,选择容量合适的柴油发电机。负荷均挂在燃机MCC母线上,所有需要考虑的负荷启动功率为200.77kW(如表1-1)。根据对柴油发电机的功率计算,可以选择容量为500kW的柴油发电机。

  分布式能源站电厂FT8-3机组必要辅机负荷分配表2.2柴油发电机启动方式及保护

  起动装置,当电网及全厂停电后,燃机MCC工作电源也失电。在得到电网调度中心进行黑启动的调令后,运行人员在集控室操作员站启动柴油发电机,当其正常运行后,柴油发电机控制装置自动合上柴油发电机出口开关,此时柴油发电机母线V电压。燃机MCC上的自动切换装置检测到备用电源侧有电压立即切换至备用电源供电。柴油发电机设置以下几个

  保护:柴油发电机速断保护;柴油发电机定时限过流保护;分支过流保护;单相接地保护。2.3快速无扰双电源自动切换装置

  燃机在启动过程中包含两次厂用电倒换过程,这个过程会有短暂的交流电失电状态出现。为了保证燃机在启动过程中能够不受厂用电切换的影响,必须选用具有快速无扰自动切换功能的双电源切换装置。分布式能源站根据实际情况,选用美国阿斯卡

  系列不停电闭合双电源转换装置,这装置是一种电气瞬间单线圈激磁操作、机械互锁型双投切换开关,这种开关切换速度快,一般切换负载实际断电时间少于30ms。该开关配有智能控制器,可依据两路电源的情况 进行开路式自动转换(先断后接)或闭路式自动转换(先接后断)。2.4黑启动系统控制部分设计

  :在全厂没有外来电源的情况下,能远程启动柴油发电机,提供燃机的重要负荷供电,以保证燃机能顺利启动。在控制室以及就地可以监测到柴油发电机运行的相关实时数据,实现柴油发电机的远程启、停机控制。2.5 FT8-3航改型燃机MICRONET

  控制系统改造为了满足燃机死母线并网与孤岛运行模式的需要,FT8-3航改型燃机的生产厂家美国普惠公司对燃机

  控制系统的相关代码及参数进行修改,增加了“黑启动”模式,使燃机可以在线路没有电压的情况下通过死母线并网对主变充电并恢复厂用电,从而替换下柴油发电机。另外通过修改相关参数使燃机能够在微小负荷的“孤岛运行”方式下稳定运行。3黑启动成功后的孤岛运行

  发电机的孤岛运行控制发电机出口开关合闸后,厂用电带电与柴油发电机同期切换,燃机独自带着厂用电运行,这时候发电机既不连电网也不连接其他发电机组,运行在孤岛方式

  。和记娱乐若厂用电数值在燃机额定负荷的10%~90%,其控制方式为无差控制方式,以维持机组运行在限定的运行转速上而不是电网的频率,该控制方式使得燃机能够从电网分开并能承担小幅变化的负荷。在该方式下,无差控制能自动调节燃机出力以确保燃机运行在设定转速,当燃机转速低于设定值时,表明出力低于负荷而需要提高预选负荷设定值,反之若燃机转速高于设定值时,表明出力高于负荷而需要降低预选负荷设定值。若厂用电数值在燃机额定负荷的10%以内,其控制方式为厂用电负荷控制方式。其和无差调节的主要区别在于用设定好的负荷点燃料值来稳定和维持高压开关打开后的孤岛转速,而不是无差调节的转速跟踪。由于该状态下厂用电负荷较小,燃机有足够转动惯量和调节能力使其孤岛转速维持在不大的波动范围内。燃机控制系统一旦接受到该启动信号,便自动切换到孤岛运行控制方式,根据转速来匹配负荷出力,而一旦远方开关合上,启动信号消失,燃机

  便切换到与电网并联时使用的有差调节方式。3.2孤岛时的燃机发电机励磁控制

  在孤岛运行时,发电机的负荷特性取决于厂用电负荷本身,所以不能使用功率因数控制方式,而应使用电压调节方式,根据实测电压与设定电压的偏差动态调整励磁,使电压水平维持在设定范围内。

  在黑启动过程中所面对的主要问题是空充主变时产生的励磁涌流、发电机带长线路而引发的自励磁和空载线路合闸导致的系统内部过电压。励磁涌流一般经历几个周波就几乎完全衰减;一旦自励磁产生的条件得到满足时,发电机端电压也在很短时间增大到较高的数值;系统过电压是从一种状态经过振荡转变为另一种稳定工作状态过程中所产生的暂态性质的过电压

  线路接入广州电网,因此不存在发电机自励磁问题,主要问题是空载线路合闸时产生的过电压问题。考虑分布参数线路模型进行线路末端过电压计算,复频域的均匀线路方程为:

  Ga、La、Ca分别为单位长度的电阻、电导、电感和电容;s为拉普拉斯算子;x为距线路始端距离。计算结果如表2-1所示。经过计算校核分析,各母线电压均未超过标准要求[4]。同时,为确保电压不超标,可控制能源站发电机母线。线路名称

  主变压器高压侧带线kV迎宾变电站主变压器空载合闸瞬间,该主变压器励磁涌流理论上为额定电流的6~8 倍,该电流的大小还与合闸角和发电机的剩磁有关,涌流中的高次谐波分量和直流分量衰减的时间取决于回路中电阻和电抗。从实际运行数据分析,励磁涌流一般为额定电流的3~5倍。基于主变压器的保护及其运行能

  1.3;暂态电抗Xd′标么值为0.3587;能源站升压变压器电抗XT标么值为1.25;线路电抗

  ;迎宾变电站主变压器电抗XY标么值为0.4554,忽略输电线路的电阻。基准容量、基准电压、基准电流分别为SB=110 MVA、UB=110 kV、

  IB=0.525 kA。励磁涌流计算值为:Ir=Eq′/(Xd′+XT /8+XL+XY/8)=2.227,也即Ir=1.169 kA,是迎宾变电站110 kV侧额定电流的0.97倍;折算到能源站低压侧为12.25 kA,是发电机额定电流的3倍。根据厂家提供的发电机过载能力,可得发电机电流为额定电流的3倍时,最大过载时间是4.17 s。同理,可计算南部电网黑启动时,能源站发电机的过载电流为11.88kA,是发电机额定电流的2.92倍,最大过载时间为4.398s。以上计算为最大电流,若按照实际运行数据,迎宾变电站励磁涌流为5倍的额定电流考虑,则能源站主变压器由于励磁涌流将会更小,符合要求[5]。4.3分析结果根据上述计算结果以及发电机、变压器的过载能力可知:能源站电厂在黑启动的过程中励磁涌流和过电压均满足设备要求。但为确保恢复供电,黑启动过程中应采取如下措施:(1)在对线路及主变压器充电之前,将能源站电厂燃机发电机机端电压标么值调整在0.9附近,能有效降低系统电压,同时降低励磁涌流的影响。(2)提高能源站电厂发电机厂用负荷。鉴于励磁涌流及系统三相运行的要求,通过控制合闸角来降低励磁涌流不可行,在黑启动过程中应提高发电机厂用电,借此降低励磁涌流的影响。5结论

  1)通过本次试验,应急柴油机的各项指标基本达到技术协议的要求,完全满足燃机启动所需负荷的要求。(2

  (3)在燃机启动成功以后,快速无扰自动切换系统在进行厂用负荷切换过程中,燃机辅助设备均无因厂用电切换而出现失电跳闸的情况,燃机在切换过程中运行稳定。(4)

  燃机自带厂用小岛运行期间,其电压和频率比较稳定,波动很小。证明燃机的励磁系统和调速系统性能稳定,能满足带小负荷系统正常运行。国内分布式能源站项目的建设和运营方兴未艾,

  分布式能源站的设计、建设及运营有借鉴和示范意义。建议新建分布式能源站,在项目设计时就要考虑布置应急柴油发电机及相应的黑启动系统,那么

  .电力全网停电后的恢复—黑启动综述 电力系统及其自动化学报,1999[2]傅书逷.IEEE PES 2004会议 电网安全问题综述及防止大面积停电事故建议[J].电力系统自动化,2005[3]廖旭明,童家鹏,余涛 微型燃气轮机发电系统在城市电网黑启动中的运用,2009[4]张毅超,吴晓宇 广州大学城能源站黑启动试验报告,2012

  和融雪域高原中国核能行业协会信息化专委会举办第三届核能行业网络与信息安全技术交流会