富春江水电厂黑启动试验分析

罗银兵

（国网新源富春江水电厂，浙江省桐庐县 311504）

富春江水电厂黑启动试验分析

罗银兵

（国网新源富春江水电厂，浙江省桐庐县 311504）

本文介绍了富春江水电厂黑启动试验过程，分析了调速系统、厂用电系统等对黑启动试验的影响，同时提出了需要改进的建议。

富春江水电厂；黑启动

1 引言

随着特高压、大容量机组及众多新技术、新设备的蓬勃发展，以及气候环境逐渐恶化等不可抗力的增多，电力系统不可预测的事故随时可能发生，大面积停电的风险正在上升。如何在电力系统发生重大停电事故时及时可靠恢复供电，成为重点关注的问题。2005年9月26日，受第18号台风“达维”的影响，海南省电网全面瓦解，发生了罕见的全省范围大面积停电事故。海南电网公司立即实施黑启动方案，这是国内第一次执行的黑启动，在正式下达命令的85min后南丰水电厂即汇报黑启动成功，随后逐步成功恢复海南电网的供电。事实证明,黑启动方案是解决重大停电事故的有效途径。由于水电厂机组一般都具有自启动能力,而且启动迅速、并网便捷，所以电网黑启动首先会选择水电厂作为启动电源。

2 富春江水电厂简介

富春江水电厂位于浙江省桐庐县境内，是20世纪50年代后期开始由我国自行设计和建设的低水头河床式电站，共装有6台单机容量为60MW的轴流转浆式水轮发电机组，担负华东电网调峰、调频及事故备用任务。

富春江水电厂从1998年开始对全厂设备进行大范围更新改造，目前已完成了一次主接线、厂用电系统、直流系统、调速系统、水轮发电机组、计算机监控系统等主设备的更新改造，已初步具备黑启动试验条件。富春江水电厂一次主接线示意图如图1所示。

3 黑启动试验目的及原则

富春江水电厂黑启动的试验目的是对黑启动试验过程中的部分关键电气量进行记录，用于分析试验过程和结果，掌握富春江水电厂柴油发电机组带负荷能力，掌握富春江水电厂单台机组的黑启动性能，掌握富春江水电厂多台机组间的协调运行特性，从而验证富春江水电厂提供电网黑启动条件的能力。

黑启动试验是一项极富挑战性的工作，从最初的电源启动→机组运转→恢复电网→拾取负荷→子系统并列，这些在“无穷大”系统看似简单的过程，要在单机下以“滚雪球”方式实施系统恢复，所涉及的调频、调压、负荷、保护、系统稳定性等问题，必将与正常情况相距甚远。本着保护水电厂设备和电网运行安全为第一的原则，试验采取循序渐进的策略，在每个步骤成功的基础上再开展下一步试验。

图1 富春江水电厂一次主接线示意图

图2 柴油发电机组带厂用Ⅲ段母线继而启动5号机组1号压油泵

4 黑启动试验

4.1 柴油发电机组带负荷试验能力

厂用Ⅲ段母线停运，由柴油发电机组通过厂用Ⅲ段母线对5号机组厂用电进行供电，先后启动5号机组1号压油泵及5号机组空冷水泵。5号机组1号压油泵启动时对柴油发电机组的影响见图2，由图2可知，5号机组1号压油泵启动时对柴油发电机组有较大影响。5号机组空冷水泵启动时对柴油发电机组的影响见图3，由图3可知，空冷水泵启动时对柴油发电机影响相对较小。柴油发电机组带负荷试验时，柴油发电机组能够保持输出电压平稳，这说明柴油发电机组能够为黑启动机组提供充足的厂用负荷能力。

4.2 5号机组带03单元主变压器零起升压试验（柴油发电机组提供5号机组厂用电）

图3 柴油发电机带厂用Ⅲ段母线继而启动5号机组空冷水泵

图4 5号机组带03单元主变压器零起升压试验（柴油发电机组提供5号机组厂用电）

柴油发电机组通过厂用Ⅲ段母线对5号机组厂用电进行供电，03单元主变压器断路器改为冷备用，5号机组开机对03单元主变压器零起升压。5号机组机端各电气量的暂态记录波形如图4所示。由图4可知，5号机组带03单元主变压器零起升压过程中，5号机组机端电压和电流以及5号机组机端有功和无功输出均是稳步增大，这说明5号机组具备足够的起励容量。如图4所示的5号机组机端电压频率波形显示，5号机组调速系统在零起升压过程中的调节行为呈现频率为0.08Hz的稳定低频波动，相应地，机端电压频率表现为在49.73～50.25Hz之间的小幅正弦振荡，这种现象与当前水头、流量以及机组调速系统在当前工况下的性能有关，而且当5号机组零起升压后保持运行一段时间后，这种波动的频率将会逐渐减小到0.01Hz左右，试验结果表明，5号机组调速系统的这种特性不会影响黑启动机组的稳定运行，5号机组具备带03单元两台主变压器进行零起升压的能力。

4.3 柴油发电机组电源与5号机组所带厂用电电源切换试验

03单元主变压器零起升压正常后，通过3号厂用变压器高压断路器对3号厂用变压器空充。5号机组带03单元两台主变压器空负荷零起升压后空充3号厂用变压器的试验记录波形如图5所示。由图5可知，空充3号厂用变压器在5号机组机端U相电流中产生较大的励磁涌流，5号机组机端有功和无功都在短时间内产生明显的变化，但是5号机组机端电压和频率均无明显变化，这说明5号机组能够承受空充厂用变压器产生的励磁涌流的冲击，空充厂用变压器不会影响后续的厂用电电源切换操作。

图5 5号机组带03单元主变压器空负荷零起升压后空充3号厂用变压器

厂用Ⅲ段母线在柴油发电机组电源与5号机组所带厂用电电源之间切换的试验结果如图6所示。由图6可见，厂用Ⅲ段母线电压在柴油发电机组电源与5号机组所带厂用电电源之间切换的过程中相当平稳，无过电压产生。

4.4 5号机组和6号机组并列运行试验

5号机组带03单元主变压器零起升压正常后，6号机组开机与5号机组并列，两机组并列过程由5号机组机端电气量的暂态记录波形体现，试验记录波形如图7所示。由图7可见，在同期最初阶段，5号机组机端有功向负向变化，同时5号机组机端频率短时增大，这说明同期瞬间6号机组频率高于5号机组，而且6号机组机端电压相位超前于5号机组，此时6号机组作为发电机，而5号机组作为电动机被拖动；同期之后，5号机组和6号机组经历4s左右相互间的功率振荡之后即进入稳定运行状态，由于6号机组调速系统被设定为跟踪5号机组的频率，6号机组机端电压的相位在同期后落后于5号机组，因此，5号机组在同期后就开始从电动机状态摆脱出来，转而进入发电机状态，输出0.8MW左右的有功功率；6号机组则相反，从发电机状态转换到电动机状态。图7中5号机组稳定时输出2.8Mvar左右的无功，5号机组和6号机组并列小系统的无功—电压特性比较灵敏，需要较多的无功支撑，要求并列小系统中提供无功的机组具备一定的励磁容量。图7中在此之后的电流、电压以及有功、无功的变化都是由现场试验人员对试验机组励磁系统设定值的操作引起的。图7所示5号机组和6号机组并列运行试验结果表明，富春江水电厂同一单元的两台机组能够在黑启动过程中协调运行。

4.5 5号机组带02、03单元主变压器零起升压试验

图6 厂用Ⅲ段母线在柴油发电机组电源与5号机组所带厂用电电源之间切换

图7 5号机组和6号机组并列运行试验

柴油发电机组通过厂用Ⅲ段母线对5号机组厂用电进行供电，220kV母联断路器改冷备用空出220kV正母线，02、03单元主变压器断路器改为正母运行，5号机组自动开机对02、03单元主变压器零起升压。5号机组带3、4、5、6号主变压器零起升压试验结果如图7所示。图8所示的5号机组带3、4、5、6号主变压器零起升压过程中，5号机组机端电压和电流以及5号机组机端有功和无功输出均是稳步增大，这说明5号机组具备起励容量，足以保证5号机组带02和03两个单元的4台主变压器空负荷零起升压的能力。图8中5号机组机端电压频率波形表明，5号机组调速系统在零起升压过程中的调节行为呈现出频率为0.077Hz的稳定低频波动，相应的机端电压频率表现为在49.69～50.27Hz之间的小幅正弦振荡，结合前述试验项目的结果，这种现象是5号机组带单元升压变压器空负荷零起升压过程中的特征表象，而且5号机组零起升压结束后保持运行一段时间，这种波动的频率就会逐渐减小到0.01Hz左右，试验结果表明，5号机组调速系统的这种特性不会影响黑启动机组的稳定运行，5号机组具备带02和03两个单元的4台主变压器进行零起升压的能力。

4.6 5、4、3、6号机组并列运行试验

5号机组对02、03单元零起升压正常后，4、3、6号机组先后开机并入5号机组建立的并列小系统。

4.6.1 4号机组开机与5号机组并列

图8 5号机组带3、4、5、6号主变压器零起升压试验

5号机组带02和03两个单元4台主变压器零起升压后，将4号机组开机和5号机组并列，两机并列过程由4号和5号机组机端电气量的暂态记录波形体现，试验记录波形如图9和图10所示。由图9和图10可见，在同期最初阶段，5号机组机端有功向负向变化，同时5号机组机端频率短时减小，而4号机组机端有功向正向变化，同时4号机组机端频率短时增大，这说明同期瞬间5号机组频率高于4号机组，但是4号机组机端电压相位超前于5号机组，此时4号机组作为发电机，而5号机组作为电动机被拖动；同期之后，5号机组和4号机组经历4s左右相互间的功率振荡之后即进入稳定运行状态，由于4号机组调速系统被设定为跟踪5号机组的频率，4号机组机端电压的相位在同期后落后于5号机组，因此，5号机组在同期后就开始脱离电动机状态，转而进入发电机状态，输出1.8MW左右的有功功率；4号机组则相反，从发电机状态转换到电动机状态。图9中5号机组稳定时输出9.9Mvar左右的无功，5号机组和4号机组并列小系统的无功—电压特性比较灵敏，需要较多的无功支撑，要求并列小系统中提供无功的机组具备一定的励磁容量。图9和图10中5号机组和4号机组及在此之后的电流、电压以及有功、无功的变化都是由现场试验人员对试验机组励磁系统设定值的操作引起的。4号机组和5号机组并列运行试验结果表明，富春江水电厂不同单元的两台机组能够在黑启动过程中协调运行。

4.6.2 3号机组开机与4、5号机组并列

3号机组开机并入由4、5号机组建立的并列小系统，3台机组并列过程由4号和5号机组机端电气量的暂态记录波形体现，试验记录波形如图11和图12所示。由图11和图12可见，在同期最初阶段，4、5号机组机端有功均向正向变化，同时4、5号机组机端频率均短时增大，这说明同期瞬间4、5号机组的频率小于3号机组，而且4、5号机组机端电压相位超前于3号机组，此时5号机组作为发电机，而3号机组作为电动机被拖动；同期之后4、5号机组和3号机组经历4s左右相互间的功率振荡之后即进入稳定运行状态，由于3号机组调速系统被设定为跟踪5号机组的频率，3号机组机端电压的相位在同期后落后于5号机组，因此，5号机组在同期后仍旧保持发电机状态，输出1.6MW左右的有功功率；3号机组则保持电动机状态运行。图11中5号机组稳定时输出4.8Mvar左右的无功，3、4、5号机组并列小系统的无功—电压特性比较灵敏，需要较多的无功支撑，要求并列小系统中提供无功的机组具备一定的励磁容量。图11和图12中5、4号机组在此之后的电流、电压以及有功、无功的变化都是由现场试验人员对试验机组励磁系统设定值的操作引起的。3号机组与4、5号机组并列运行试验结果表明，富春江水电厂不同单元的3台机组能够在黑启动过程中协调运行。

图9 4号机组和5号机组并列运行——5号机组机端暂态记录波形

4.6.3 6号机组与3、4、5号机组并列

6号机组并入由3、4、5号机组建立的并列小系统，4台机组并列过程由4号和5号机组机端电气量的暂态记录波形体现，试验记录波形如图13和图14所示。由图13和图14可见，在同期最初阶段，4、5号机组（还包括3号机组）机端有功均向负向变化，同时4、5号机组（还包括3号机组）机端频率均短时增大，这说明同期瞬间4、5号机组（还包括3号机组）的频率小于6号机组，而且4、5号机组（还包括3号机组）机端电压相位滞后于6号机组。此时6号机组作为发电机，而5号机组作为电动机被拖动；同期之后3、4、5号机组和6号机组经历4s左右相互间的功率振荡之后即进入稳定运行状态，由于6号机组调速系统被设定为跟踪5号机组的频率，3号机组机端电压的相位在同期后落后于5号机组，因此，5号机组在同期后开始摆脱电动机状态进入发电机状态，输出1.4MW左右的有功功率；而6号机组则从发电机状态进入电动机状态运行。图13中5号机组稳定时输出2.4Mvar左右的无功，3、4、5、6号机组并列小系统的无功—电压特性比较灵敏，需要较多的无功支撑，要求并列小系统中提供无功的机组具备一定的励磁容量。图13和图14中5、4号机组在此之后的电流、电压以及有功、无功的变化都是由现场试验人员对试验机组励磁系统设定值的操作引起的。6号机组与3、4、5号机组并列运行试验结果表明，富春江水电厂两个单元的4台机组能够在黑启动过程中协调运行。

图10 4号机组和5号机组并列运行——4号机组机端暂态记录波形

5 黑启动试验分析

（1）水电厂调速系统是水电厂黑启动成功的关键因素。水电厂调速系统主要由调速器及油压装置组成。当发生大面积停电事故后，厂用交流刚刚消失时，可以利用机组压油装置残存的油压，手动将发电机组开至空转，通过对主变压器零起升压，带厂用电运行。手动开机不仅可以有效减少机组压油装置的压力损耗，而且可以避免计算机监控系统对机组自动开机的闭锁。对于富春江水电厂这样有多台机组的电厂，黑启动时应综合考虑选择压油装置油位较高、操作简单、机组性能稳定、调速系统油耗较少的机组。富春江水电厂机组调速器采用武汉四创公司步进式双可编程微机调速器，在手动方式运行时，不需要借助于任何外部电源，仅依靠手动旋转调速器机柜上手轮即可将发电机组开至空转。按富春江水电厂电厂机组情况，一般只需3～5min就可完成手动开机操作。6台机机组压油泵电源取自厂用400V交流系统，厂用电消失时虽然压油泵无法启动，但是在正常的油压油面范围内仍能保证机组的正常启动运行。

图11 3号机组和5、4号机组并列运行——5号机组机端暂态记录波形

（2）水电厂黑启动成功的重点是快速、可靠地恢复厂用电系统供电。使用柴油发电机组对厂用电系统供电操作简单，不仅可以大大提升厂用电系统恢复速度而且更加安全，因此对柴油发电机组的维护保养工作必须高度重视，水电厂运行人员需定期对柴油发电机组进行启动试验，水电厂维护人员应定期对柴油发电机组进行保养，保证油料充足、蓄电池电压正常、电气控制完好。

（3）水电厂直流系统是水电厂黑启动成功的必要条件，它是水电厂继电保护、自动装置、信号回路、操作回路等负载的主要工作电源，是事故照明的备用电源，即使厂用电中断，也必须保证直流电的正常、可靠、连续供电。它不仅直接影响水电厂黑启动能力，还会给事故的指挥、事故处理、数据通信、操作的正确性及人员的安全带来危害。富春江水电厂设有两套相同的直流系统，正常时两套直流系统分列运行，两套直流系统之间设有联络开关，可以并列运行，事故时可以考虑切除部分事故照明负荷，延长直流系统供电时间。

（4）水电厂励磁系统基本功能是调节及控制机端电压，富春江水电厂机组励磁调节器采用南京电力自动化研究院研制的微机励磁调节器，励磁调节器性能完全能够满足黑启动的要求。励磁系统具备他励起励和残压起励两种方式，励磁调节器电源采用交直流双路电源供电，采用他励起励时起励电源也来自于直流系统，因此在全厂失电时，励磁系统仍能起励建压，不影响机组带主变压器零起升压。虽然励磁风机采用交流电源供电，无法启动，但在升压过程中转子电流较小，励磁功率柜温升较缓慢，而且升压正常后，机端厂用电恢复供电，励磁风机即可恢复启动。富春江水电厂机端电压从零升至额定电压只需数十秒时间，恢复机端厂用电供电也只需数分钟，因此可以不用考虑励磁功率柜温升情况。

图12 3号机组和5、4号机组并列运行——4号机组机端暂态记录波形

（5）水电厂运行人员是黑启动试验能否成功的决定性因素。富春江水电厂设备经过多年的改造，设备各项性能指标已满足黑启动的要求。但是随着水电厂智能化程度越来越高，对运行人员的技能水平要求不是降低了而是更高了。黑启动时计算机监控系统必然会出现大量的报警信息，不仅会造成运行人员的误判，而且无法分清轻重缓急、不知从何下手；黑启动试验涉及的设备多，试验耗时长，而且由于自动控制流程的闭锁，一些设备的操作不能再使用常用的操作方法，需要运行人员手动帮助；如何正确隔离试验设备与运行设备，试验设备发生过速、过压、失控等事故如何处理，运行设备出现异常如何隔离、恢复，如何避免试验过程中出现误操作，这些都是运行人员必须面对的考验。黑启动对运行人员心理素质、身体素质也都是一个极大的考验。

6 黑启动试验结论

对黑启动试验数据的详细分析表明，富春江水电厂柴油发电机组组在整个黑启动试验期间都能够保证稳定的输出，其负荷能力能够满足黑启动机组厂用电负荷启动要求；富春江水电厂机组的励磁系统不仅能够提供足够的起励和励磁容量，而且调节性能也满足多台机组并列运行的协调要求，调速系统的性能也满足多台机组并列后协调运行的要求，不同单元中的多台机组能够在黑启动过程中协调运行。比较各项试验的暂态记录波形，结合试验观测结果，可以认定机组在并列状态下比单机运行更稳定，而且并列机组越多，运行越稳定。通过这次试验，可以确定富春江水电厂机组具备了电网所要求的黑启动能力。

图13 6号机组和5、4、3号机组并列运行——5号机组机端暂态记录波形

黑启动试验过程中也反映出一些问题，亟需进行改进：

1）机组励磁工控机采用单路交流电源供电，厂用电失电后无法开启，不便于运行人员观察励磁调节器状态，影响机组零升操作，建议励磁工控机采用单元UPS供电。

2）柴油机发电机组安装位置距离厂房太远，且只有手动启动方式，事故处理时延长了厂用电电源恢复时间，建议柴油机发电机组增设远方控制或自动启停功能。

3）机组温度巡检仪电源取自机旁动力盘，作为机组重要保护，电源可靠性偏低，建议改接至单元UPS电源系统供电，其中6号机组测温盘盘内负载多，其电源开关在试验过程中恢复送电时多次跳开，导致6号机组温度巡检仪失电，影响机组安全运行，6号机组温度巡检仪电源应与其他设备电源分开。

4）机组在无机端厂用电时，由于计算机监控系统流程闭锁，无法自动开机，需现地手动开机。建议在计算机监控系统设置黑启动模式，自动将机组励磁调节器设置为零升模式同时解除计算机监控系统对自动开机流程的闭锁。

5）本厂黑启动成功，220kV系统线路断路器对线路充电时对黑启动机组的影响情况还不明确：一是发电机的自励磁现象；二是合闸过电压问题；三是继电保护配合问题。

图14 6号机组和5、4、3号机组并列运行——4号机组机端暂态记录波形

7 结束语

2011年12月4日，富春江水电厂成功进行了机组黑启动试验，试验结果证明富春江水电厂具备黑启动能力，为确保电网安全稳定运行进一步夯实了基础。但是水电厂机组黑启动能否成功不仅受制于水电厂的调速系统、厂用电系统、励磁系统等，而且主要取决于运行人员的技能水平，因此必须制定切实可行的黑启动方案、拟定典型操作票，而且还要定期开展黑启动方案演练。

罗银兵（1973— ），男，本科，水电厂组长，主要从事运行值班工作。

Analysis of Black-start test in Fuchunjiang Hydropower Plant

LUO Yinbing
（State Grid Xinyuan Fuchunjiang Hydropower Plant，Tonglu 311504，China）

This text introduces the black-start test process of Fuchunjiang hydropower plant, analysis the effect of speed governor system and auxiliary power system on black-start test,and also puts forward opinions of improvements.

Fuchunjiang hydropower plant; black-start test