0 引言

随着社会经济的发展，当今社会对电力供应的依赖性越来越大，一旦发生大面积停电，将会造成巨大的社会影响和经济损失，甚至危及国家安全。电网发生大面积停电事故后，恢复系统供电复杂且困难，因此对电网黑启动问题的研究十分必要^[1]。电力系统恢复的总目标是在系统全黑或部分停电的情况下安全、快速恢复电网供电，最大限度减小电网大面积停电的影响。电力系统的恢复过程分为黑启动、网架重构和负荷恢复3个阶段^[2]。黑启动电源自启动并向发电厂供电，形成子系统，之后各子系统并列，通过区域内重要变电站及输电线路逐步恢复系统主干网架，最后进行大规模的负荷投入，恢复电网正常供电。

电网黑启动最重要的1步就是黑启动电源的自启动，作为蒙西电网唯一1座抽水蓄能电站，内蒙古呼和浩特抽水蓄能电站（以下简称呼蓄电站）具备黑启动功能对于蒙西电网具有重要意义。呼蓄电站位于呼和浩特东北部的大青山区，总装机容量1200 MW（装机4台，单机容量300 MW）因呼蓄电站自投产以来一直未完善纯直流黑启动的系统流程，无顺控流程可执行。本文以呼蓄电站4号机组为例进行纯直流黑启动试验，对黑启动流程进行梳理和完善。

1 水电站纯直流黑启动简介

水电站的纯直流黑启动是指在无厂用交流电的情况下，仅利用电厂储存的2种能量，即直流系统蓄电池储存的电能量和液压系统储存的液压能量，完成机组自启动，对内恢复厂用电，再利用厂用电恢复机组技术供水、推导轴承、水导轴承及主变压器冷却器等机组辅助设备电源，确保机组达到发电稳态，再对外配合电网调度恢复电网运行^[3]。对于抽水蓄能电站来说还有第3种能量，即上水库水的势能。能够顺利调用这3种能量是完成停机转发电过程的重要保障。

2 纯直流黑启动试验 2.1 试验具备的条件及技术准备

为了满足电网关于黑启动的要求，保证设备和人身安全，2019年呼蓄电站对纯直流黑启动试验进行了技术准备。

2.1.1 上水库水的势能转换

上水库的水由势能转换为动能的前提是主进水阀能够正常开启。呼蓄电站主进水阀与尾水事故闸门在回路上具有相互闭锁关系，尾水事故闸门在关闭状态，主进水阀不允许开启；主进水阀在开启状态，尾水事故闸门不允许关闭。尾水事故闸门采用纯交流供电，当系统发生大停电事故时，下水库闸门开启信号消失，继电器失磁，闭锁主进水阀开启，即使计算机监控系统发开启令，主进水阀也无法打开。为顺利开启主进水阀，手动强制控制柜内K61继电器解除相应闭锁来开启主进水阀，电磁阀方可正常励磁。

2.1.2 液压系统储存的液压能量释放

机组由停机转发电工况过程中必须使用的液压系统有主进水阀系统和调速器液压系统。正常开机时分别由功率为75 kW和55 kW的三相交流油泵建压，帮助开启主管路上的隔离阀，导通连接主管路与压力为6.3 MPa的液压存储罐，为主进水阀系统和调速器油压系统的进油腔注油，保障主进水阀和调速器顺利开启。在交流失电的情况下，2大液压系统失去压力源，主管路侧无法通过油泵建压（压力为零），与液压存储罐侧存在较大压差，内部程序闭锁远方开启隔离阀，因此计算机监控系统无法执行主进水阀和调速器隔离阀开启命令，对此现地手动开启隔离阀。

2.1.3 直流系统蓄电池容量储备

在全站交流失电过程中，为保障直流电源能供给事故照明、UPS及各控制系统持续的直流电压，蓄电池组的容量必须满足设计容量要求。阀控蓄电池投运后每2~3 a进行1次全核对性充放电试验，运行6 a以上每年进行1次^[4]。呼蓄电站地下厂房共2组蓄电池组，每组容量为1250 Ah，即单组蓄电池以125 A电流持续放电，可放电10 h且单体电池电压不低于1.85 V。通过每年1次的100%容量核对性充放电试验，能够确保单组蓄电池容量达到1200 Ah以上，可充分保障黑启动时负荷对直流系统稳定性、持续性的需求。

2.1.4 励磁系统起励方式更改

呼蓄电站励磁系统在正常运行时励磁电源由主变压器低压侧供给，属于他励励磁系统。自动电压调节器直流稳压电源由2路独立的电源供电，其中1路取自厂用直流系统^[5]。当系统发生大停电事故时，励磁交流电源消失，发电机励磁系统只能通过直流220 V起励接触器回路导通，帮助机组建压。因此在试验时需将励磁系统参数由他励模式改为自并励模式，即在现地控制屏上修改CH1/CH2双通道参数，将Control IT_IN_SM_StateMachine_Ex⁃ cSysSupplyMode由False改为Ture。

参数修改完毕后还需提前建立励磁系统自并励回路的电气连接，即将换向隔离开关发电方向合闸，发电机出口断路器合闸。在机组黑启动过程中励磁系统检测到励磁变压器低压侧无压时会自动合闸起励接触器，将220 V直流电压输入转子正负极，使机组初步建立较低电压。当机端电压建立10%左右时，起励接触器分闸，直流电源退出运行。此时励磁变压器低压侧能感应出65 V交流电压，晶闸管能正常整流导通，通过之前建立的电气连接系统循环建压，直至机端电压维持在18 kV。发变组18 kV设备电气连接图见图 1。

2.2 试验期间注意事项

在纯直流黑启动试验期间应确保厂房渗漏集水井/拦沙坝渗漏集水井、拦河坝渗漏集水井水位在可控范围内，下水库水位在1367 m及以上时，拦河坝渗漏系统3.5 h启动1次，注意观测水位上升情况。黑启动试验人员需随身携带手电筒、电话或对讲机，确保安全。

2.3 黑启动试验过程 2.3.1 试验前参数修改

2019-08-21呼蓄电站对4号机组进行了黑启动试验探索。为真实模拟事故下的纯直流黑启动，将10 kV厂用电全部切除，厂内事故照明及UPS电源直接取自地下厂房直流系统。因无可执行的顺控流程，需分步开机对机组各系统进行操作。试验前对部分系统参数进行了修改。

（1）为防止机组带小负荷运行时频率保护动作，将4号机组发电机保护高频保护定值由50.5 Hz、延时0.2 s修改为53.5 Hz、延时0.2 s。

（2）为防止因参数问题导致系统振荡，根据仿真计算结果（内蒙古电力科学研究院提供）修改调速器频率模式下PID参数：永态转差系数（B_p）为1，比例系数（K_P）为2，积分系数（K_I）为0.15，微分系数（K_D）为1。

2.3.2 试验步骤

（1）将4号机组换相隔离开关发电方向手动合闸；

（2）将4号主变压器冷却器全停保护投退把手SAM2切至“停止”位置；

（3）将4号机组自用盘停电，调整厂用电使2号厂用高压变压器高压侧开关、4号机组自用盘Ⅰ段进线开关分闸，10 kV Ⅲ母进线开关、4号机组自用变压器高压侧开关、4号机组自用盘Ⅱ段进线开关、4号机组自用盘母联开关合闸，母线联络运行；

（4）将4号机组同期装置控制方式切至“手动”，无压释放把手切至“释放”，断路器合闸把手切至“合闸”，检查4号机组出口断路器合闸正常后，将4号机组同期装置控制方式切至“自动”；

（5）解除主进水阀与尾水闸门闭锁；

（6）检查4号机组主进水阀压油罐压力正常（＞6.0 MPa，为保证安全，建议手动补气至6.3 MPa），油位正常（＞1200 mm）；检查4号机组调速器压油罐压力正常（＞6.0 MPa，为保证安全，建议手动补气至6.3 MPa），油位正常（＞750 mm）；

（7）将4号机组主进水阀控制柜上隔离阀导阀控制方式把手切至“手动”，隔离阀导阀操作把手切至“开启”，检查4号机组主进水阀油压系统隔离阀开启正常；

（8）监控退出4号机组蠕动装置，远方投入4号机组高压油系统和调速器油压系统，退出4号机组调速器导叶锁锭及主进水阀自动锁锭，远方退出4号机组主进水阀工作密封，远方全开4号机组主进水阀；

（9）登录4号机组调速器电调柜“系统管理员”，将控制方式切至“现地”“电手动”，手动开启导叶至空载开度，检查机组转速达到500 r/min左右时，将调速器控制方式切至“自动”；

（10）登录4号机组励磁系统，将控制方式切至“现地”“自动”，手动合直流灭磁开关，投入励磁系统，开始起励，检查零起升压正常机端电压达到18 kV；

（11）检查4号机组各轴承瓦温、振摆正常，高压油投入正常；

（12）远方合2号厂用高压变压器高压侧开关824，检查4号机组自用盘联络运行正常；

（13）远方启动4号机组技术供水泵、推力/上导外循环油泵、水导外循环油泵和主变压器冷却系统空载加压泵。

至此，4号机组直流黑启动手动开机成功，经检查4号机组运行正常。

2.4 纯直流黑启动流程梳理及完善

根据此次纯直流黑启动试验，梳理并完善了呼蓄电站纯直流黑启动流程，具体如图 2所示。

纯直流黑启动时机组由停机态开始执行纯直流黑启动流程，手动将换向隔离开关合于发电方向，将机组同期装置控制方式切至“手动”，无压释放把手切至“释放”，断路器合闸把手切至“合闸”，检查机组出口断路器合闸正常后，将机组同期装置控制方式切至“自动”，完成后流程继续执行。在主进水阀下游密封退出后手动强制主进水阀闭锁开启继电器，开启主进水阀。在机端电压建立后再手动合隔离开关使厂用电恢复供电，手动合机组自用电开关后陆续恢复机组辅助设备，使机组工作于正常发电状态，黑启动流程结束。

2.5 纯直流黑启动流程验证

2019-08-30呼蓄电站按照梳理后的纯直流黑启动流程，对4号机组进行了黑启动试验。试验时一次设备状态为：500 kV第1单元开关运行，1、2号机组退备，500 kV第2单元开关由运行转冷备用，3号发电机及主变压器退备；4号主变压器转冷备用，4号机组处于试验状态。4号机组保护、主变压器励磁变压器保护正常投入，退出厂用电前4种备自投方式，10 kV Ⅲ母停电（负荷开关全部拉开）、10 kV Ⅱ母停电（负荷开关全部拉开），全厂事故照明正常供电，各220 V直流系统正常运行，蓄电池电压正常，UPS设备正常。

试验操作时，将计算机监控画面调至4号机组直流黑启动流程界面，将“自动/分步选择”按钮选至分步方式，选择“直流黑启动”目标工况，选择“流程启动”按钮，流程执行正常。4号机组纯直流黑启动试验数据如表 1所示。数据表明，4号机组直流黑启动成功，机组运行正常，验证了该纯直流黑启动流程的可行性和可靠性。

3 结束语

电网发生大面积停电事故时，黑启动电源自启动的快速响应对恢复整个电力系统供电具有重要意义。呼蓄电站纯直流黑启动试验的成功及其纯直流黑启动流程完善，可为下一步蒙西电网系统性黑启动试验提供借鉴。