2019, Vol. 37 
电力系统中，黑启动是指整个电网因事故停电以后，在无法依靠其他电网送电恢复供电的情况下，通过启动电网内部具有自启动能力的机组，带动无自启动能力的机组，进而逐步扩大电力恢复范围，最终实现整个电力系统的恢复。作为启停灵活、响应快速的抽水蓄能机组，黑启动功能是其应具备的基本功能之一。对于诸如海南电网这样相对孤立运行的海岛电网，存在严重的“大机小网”问题，电网架构较为薄弱，近年来多次发生因台风肆虐导致的电网停电事故[1]。在此背景下，在海岛建设的抽水蓄能电站黑启动控制功能设计是否可靠、合理就显得尤为重要。本文针对机组黑启动过程各阶段的关键要素进行分析，探讨抽水蓄能电站机组黑启动控制功能设计思路。
1 黑启动过程及关键要素分析 1.1 黑启动过程相关子系统在外部电网失电的情况下，抽水蓄能机组普遍采用柴油发电机作为厂用电源实现黑启动。与黑启动过程密切相关的子系统有：柴油机系统、厂用电系统、蓄电池直流/UPS系统、机组控制单元、机组辅助设备和发电机本体[2]。
（1）柴油机系统：在外部电网失电的情况下，自动或远程启动发电并接入电站厂用电系统，为黑启动机组提供必要的启动电源。
（2）厂用电系统：在外部电网失电、柴油机正常启动的情况下，自动将厂用电系统负荷切换至柴油机供电。待机组黑启动成功，再自动切换至机组自带厂用电系统。
（3）蓄电池直流/UPS系统：在外部电网失电之初，为机组控制单元（包括柴油机和厂用电控制设备）提供控制电源。
（4）机组控制单元：包括计算机监控系统上位机、机组现地控制单元、柴油机系统控制设备和厂用电控制设备，负责机组黑启动的全过程控制。
（5）机组辅助设备：包括励磁、调速器及各种开关、阀门、循环油泵、冷却水泵等机组配套设施，保证发电机在相对良好的环境下启动。
（6）发电机本体：在机组启动成功后自带厂用电系统运行并逐步对外供电。
1.2 机组黑启动阶段关键要素机组黑启动大致分3个阶段。
1.2.1 第1阶段：厂用电恢复阶段黑启动第1阶段各子系统联系图见图 1所示。此阶段，整个电网停电，电厂没有外部交流供电，一直处于备用的蓄电池是唯一能够依赖的电源，它的主要作用是给机组控制单元供电，以保证其能够正常工作，机组控制单元控制柴油机系统启动，给厂用电系统供电。
|
图 1 黑启动第1阶段各子系统联系框图 |
在本阶段，黑启动过程关键要素有：
（1）机组控制单元能够自动启动柴油机系统，或者由运行值班员远程启动柴油机系统；
（2）柴油机系统启动后，在机组控制单元的控制下通过厂用电切入厂用电系统，使得机组用电由柴油机供给。
1.2.2 第2阶段：机组黑启动阶段此阶段，柴油机通过厂用电系统给机组控制单元和机组辅助设备供电，机组控制单元按照黑启动流程控制发电机启动（如图 2所示）。
|
图 2 黑启动第2阶段各子系统联系框图 |
在本阶段，黑启动过程关键要素有：
（1）对机组黑启动过程的设备状态进行分析，设计安全可靠、切实可行的黑启动流程；
（2）机组励磁装置直流启励或剩磁启励功能应能可靠工作（需作为试验项目进行功能测试）。
1.2.3 第3阶段：机组启动成功自带厂用电及对外送电阶段发电机启动成功后，厂用电系统自动切换到发电机自供电，柴油机系统从厂用电系统脱离并空载运行。在厂用电系统供电稳定后，根据电网的需要逐步给外部电网供电（如图 3所示）。
|
图 3 黑启动第3阶段各子系统联系框图 |
在本阶段，黑启动过程关键要素有：
（1）厂用电切换至机组自供电过程中，机组不会因为辅助设备短暂停运而跳闸；
（2）厂用电切换过程机组辅助设备应具备复电自启动功能。
2 黑启动控制功能设计要点根据上述黑启动过程及关键要素分析，进行机组黑启动功能设计须重点关注下列功能[3]。
2.1 柴油发电机自动启动和远程启停当电站所有外部电源失电时，电站厂用电丢失，此时需要柴油发电机第一时间启动并接管厂用电负荷，有必要设计柴油发电机自动启动功能。
要实现柴油发电机自动启动，首先需要判断电站厂用电系统是否处于失电状态，设计触发柴油发电机启动的“电站处于全黑状态”变量。
要置位得到“电站处于全黑状态”变量，一般需要判断以下条件同时满足：所有机组主变压器均失压；所有厂用电变压器出线开关均在断开位置；所有地区电源进线开关均在断开位置；所有厂用电分段母线均失压。
要复位“电站处于全黑状态”变量，只需满足下列条件之一，即：地区电源进线开关中任一开关合闸，或运行值班员在监控系统上位机上点击黑启动状态复归按钮。
另外，柴油发电机有功容量可能无法满足所有机组辅机均运行时的负荷要求，因此需要在柴油发电机启动前先判断各台机组辅助设备启动情况，在柴油机自动启动逻辑中增加对机组辅助设备运行数量的限制，只有当机组辅助设备运行数量少于设定值时，柴油发电机才被允许自动启动。
综上所述，柴油机自动启动需满足以下条件：收到“电站处于全黑状态”变量；至少n台机组辅机在停运状态（具体数量应通过柴油发电机带负载试验确定）；柴油机系统可用。
从安全角度考虑，在机组黑启动过程中柴油发电机应一直处于运行状态，因此柴油发电机不设置自动停止功能，但需设置柴油发电机远程手动启停功能，在柴油发电机完成接带厂用电任务后，由运行值班人员远程手动停运柴油发电机。
2.2 黑启动状态下厂用电系统自动切换在电站处于黑启动状态后，柴油发电机立即自动启动，柴油发电机与厂用电母线之间的连接开关应自动合闸。厂用电母线带压后，厂用电系统自动进行开关切换，依次合上最关键的负荷开关，同时禁止部分非重要负荷开关合闸，以减小柴油发电机承担的负荷量。
为了实现上述控制目标，黑启动状态下厂用电系统自动切换功能应设计为：
（1）当电站处于黑启动状态后，柴油发电机经信号判断后自动启动升压，当电压达到一定值时，厂用电系统柴油发电机侧进线开关自动合闸，由柴油发电机为厂用电母线供电；
（2）柴油发电机给厂用电母线供电使开关自动切换时，应根据负荷的重要性，相隔一定时间依次自动合上各重要负荷开关，以避免柴油发电机受负荷突变冲击而跳闸；
（3）当电站处于黑启动状态且由柴油发电机为厂用电母线供电时，应禁止通风空调系统、办公楼及生活用电等无关机组启动的负荷开关合闸。
（4）当电站不处于黑启动状态时，即使柴油发电机启动升压，考虑厂用电系统安全，厂用电柴油发电机侧进线开关应禁止合闸，防止厂用电母线因不同电源非同期并列供电而跳闸。
2.3 机组黑启动流程 2.3.1 机组黑启动与正常发电启动过程的区别（1）机组正常发电启动时，与外部电网相连的高压线路开关在合闸状态。而在外部电网失电时，机组与外部电网相连的高压线路开关必须全部断开，待机组黑启动成功后再根据调度指令逐步闭合高压线路开关。
（2）机组正常发电启动时，励磁电源取自主变压器低压侧，励磁变压器一直带电，不需要启动启励装置。黑启动时，机组主变压器失压，励磁装置没有外部电力供给，需要投入直流启励装置或采用剩磁启励方式使机组升压，待机端电压升至一定值后再自动切换为他励方式。
（3）机组正常发电启动时，发电机出口开关经同期并网合闸。机组黑启动时，外部电网失电，此时发电机出口开关需在机组转动之前无压合闸，励磁装置启励后由机组带主变压器零启升压。
（4）机组正常发电启动时，调速器在并网前是速度控制，并网后切换为功率控制。黑启动时，调速器控制参数要选择孤网运行PID（执行调节控制）控制参数，并且在向电网供电时也必须保持在孤网运行方式[4-6]。
（5）机组正常发电启动时，其所需厂用电由外部电源供给，机组辅机一直带电。黑启动升压过程中，厂用电会从由柴油发电机供电切换为由机组自带厂用电，机组辅助设备存在短暂失电又复电启动的情况。
2.3.2 机组黑启动流程设计思路基于以上不同之处，机组黑启动流程设计思路如下。
（1）在机组黑启动开机条件中，与正常发电开机条件相比，需要删除“主变压器带电”的判断条件，另外需要增加“与外部电网相连的高压线路开关已全部断开”判断条件。
（2）若柴油发电机容量足够大，机组辅助设备可以与正常发电启动流程一样全部启动；若柴油发电机容量有限，可考虑禁止部分非关键设备如抽油雾装置、粉尘收集装置等设备的启动。
（3）机组启动前，需将励磁设置为黑启动控制模式，将调速器设置为孤网运行模式。
（4）机组启动前需无压闭合发电机出口开关。
（5）在进水阀打开、导叶打开升速至95%额定转速后，投入励磁装置直流启励或剩磁启励功能。
（6）在机组升压后厂用电切换过程中，机组辅助设备短暂失电停运应不影响黑启动流程的正常运行。
（7）当机组转速和电压均超过95%额定值时，程序应判断机组已达黑启动发电稳态工况，等待线路开关合闸向外部送电。
2.4 机组辅助设备复电自启动机组启动过程中，重要辅助设备（如推力注油泵、调速器油泵、导轴承循环油泵、技术供水泵等）必须启动，为机组提供顶起油膜、开关导叶、润滑、冷却等服务功能。
机组黑启动升压过程中，由于厂用电需要由柴油发电机切换为机组自供电，机组辅助设备存在短暂失电又复电的情况。为保证机组黑启动的成功率，进行控制功能设计时应考虑机组辅助设备复电自启动功能，且在辅助设备短暂失电自启动过程中应避免机组跳闸。
为实现上述目的，机组辅助设备控制功能设计应考虑以下几点原则：
（1）在进行相关辅助设备故障判断逻辑设计时应避免设备短暂失电导致设备运行故障；
（2）在设备短暂失电过程中，各辅助设备应具有启动命令及启动回路自保持功能，以便在动力电源恢复时能立即使辅助设备启动运行；
（3）各辅助设备的主、备用自动切换功能设计时应考虑主用设备从失电到复电有足够的重启运行时间，避免主用设备还未启动成功即切换为备用设备情况的发生；
（4）在设计与机组辅助设备运行相关的流量、压力、运行故障等跳闸信号时，须考虑必要的跳闸延时，以躲过设备短暂失电使相关运行参数丢失的持续时间。
3 黑启动控制系统典型设计抽水蓄能电站黑启动控制系统典型设计示意图如图 4所示。从图 4可以看出，抽水蓄能电站黑启动控制系统主要由监控系统上位机、机组LCU、开关站LCU和厂用电LCU组成，对柴油发电机和厂用电系统进行监控，进而控制机组黑启动全过程。
|
图 4 抽水蓄能电站黑启动控制系统典型设计示意图 |
抽水蓄能电站机组黑启动功能的实现，首先需要分析机组黑启动过程及其关键要素，并针对这些关键要素，从柴油发电机的快速响应、厂用电系统程序的可靠切换、机组控制程序的合理执行等多方面进行黑启动控制功能设计，最终构建形成安全可靠的黑启动控制系统。抽水蓄能电站黑启动系统的设计与应用，必将有力提升电网尤其是海岛电网事故应急响应能力，更好地保障电网的安全运行。
| [1] |
唐斯庆, 张弥, 李建设, 等. 海南电网"9.26"大面积停电事故的分析与总结[J]. 南方电网技术, 2006, 2(1): 13-18. |
| [2] |
彭煜民.大型抽水蓄能发电机组黑启动系统控制与通讯研究及设计[D].广州: 华南理工大学, 2010.
|
| [3] |
王新乐. 利用水力发电机组进行黑启动的试验研究[J]. 云南电力技术, 2015, 43(增刊): 7-10. |
| [4] |
叶生, 彭煜民. 广州蓄能水电厂黑启动系统研究与设计[J]. 水力发电, 2010, 36(10): 53-55. |
| [5] |
方嵩, 彭嵩, 赵晋泉, 等. 分布式电源辅助电网黑启动研究综述[J]. 广东电力, 2019, 32(1): 20-28. |
| [6] |
沈春和, 唐戢群, 高晓光, 等. 水电机组调节系统考虑黑启动及孤网运行控制策略[J]. 云南电力技术, 2015, 43(10): 57-60. |