董家華，陳亞鵬，練小斌

(國家電投集團珠海橫琴熱電有限公司，廣東珠海 519000)

0 引言

黑啟動是指電網(wǎng)因故停止電力供應(yīng)的情況下，發(fā)電機組不依靠外部電源實現(xiàn)機組自啟動并逐步恢復(fù)電網(wǎng)供電范圍，最終實現(xiàn)整個電網(wǎng)供電恢復(fù)。近年來，受全球氣候變化影響，極端天氣對我國影響愈加嚴重，先后引發(fā)了南方冰災(zāi)、海南電網(wǎng)停電、珠澳電網(wǎng)停電等區(qū)域性停電事故[1-2]，給當?shù)厣a(chǎn)生活帶來了巨大的影響。

根據(jù)停電事故對社會的影響程度，國內(nèi)各地電網(wǎng)因地制宜制定了具體的黑啟動預(yù)案并進行了模擬演練，如北京和上海地區(qū)，分別選擇十三陵抽水蓄能電站、閘北燃機電站作為黑啟動機組[3-4]。

珠三角地區(qū)是我國經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一，也是我國南方區(qū)域的電力負荷中心。當?shù)仉娏σ曰痣姍C組為主，電力供給對外依存度高。在電網(wǎng)停電事故時，研究依靠當?shù)匕l(fā)電機組快速恢復(fù)局部電力供應(yīng)，顯得尤其重要[5]。

燃機電站具有啟動速度快、輔機設(shè)備少、靠近負荷中心等優(yōu)點，是除水電機組外最佳的黑啟動電源。目前已知具備黑啟動功能的燃機均為6B、9E級中小型燃機，對啟動電源容量要求不高，采用蓄電池組或柴油機等即可滿足[6]。相對而言，大型燃機電站，往往不具備單循環(huán)功能，機組啟動負荷還需考慮余熱鍋爐及汽輪機輔助設(shè)備用電，啟動電源容量高得多。采用多套柴油發(fā)電機組提供啟動電源，也能滿足機組黑啟動需求[7]，但存在并網(wǎng)協(xié)同性差、設(shè)備利用率低、經(jīng)濟效益差等缺點。

隨著儲能技術(shù)發(fā)展，儲能電站在國內(nèi)投運業(yè)績越來越多。國內(nèi)亦有針對北方風資源豐富區(qū)域開展儲能型風電場作為局域電網(wǎng)黑啟動電源的相關(guān)研究[8]。從技術(shù)方面，本文論述了采用電池儲能技術(shù)實現(xiàn)大型燃機黑啟動的可行性。

1 電廠概述

該電廠目前建有2×390 MW燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，采用一拖一多軸布置方式，每套機組含一臺GE 9F系列低NOx燃氣發(fā)電機組、一臺余熱鍋爐與汽輪發(fā)電機組。

每套機組采用發(fā)電機-變壓器組聯(lián)合單元接線，經(jīng)兩回220 kV線路接入電網(wǎng)。其中，兩回變壓器組-線路單元間內(nèi)橋接線，燃機發(fā)電機、汽機發(fā)電機出口分別裝有發(fā)電機出口斷路器GCB。每套機組6 kV廠用電，經(jīng)高壓廠變?nèi)∽詸C組燃機主變。電廠主接線見圖1。

2 機組正常啟動廠用電負荷分析

電廠燃機不具備單循環(huán)功能，燃機啟動前需啟動余熱鍋爐和汽輪機輔助系統(tǒng)。具備啟動條件后，由燃機控制系統(tǒng)控制LCI變頻啟動裝置和燃機勵磁輸出相應(yīng)的電壓電流至發(fā)電機定轉(zhuǎn)子回路，使燃機發(fā)電機工作在同步電動機工況，拖動燃氣輪機至相應(yīng)轉(zhuǎn)速，程序執(zhí)行清吹、點火、暖機、升速等工作。燃氣輪機轉(zhuǎn)速升至90%全轉(zhuǎn)速時后，LCI變頻啟動裝置和燃機勵磁退出工作。至全轉(zhuǎn)速后，燃機通過檢同期方式并網(wǎng)，并網(wǎng)點為燃機發(fā)電機出口斷路器。

圖1 某電廠電氣主接線示意圖

機組啟動期間需啟動的主要廠用電輔助設(shè)備，如表1所示。

圖2為電廠2018年11月21日啟動時DCS記錄的廠高變高側(cè)有功、電流曲線。查DCS知，主要輔助設(shè)備啟動順序如下：12時40分啟動凝結(jié)水泵；13時55分，啟動循環(huán)水泵；14時27分，變頻啟動高壓給水泵；15時04分，LCI啟動帶燃氣輪機沖轉(zhuǎn)，15時53分燃機并網(wǎng)。還可看出，在凝結(jié)水泵啟動前，廠用電負荷約1.43 MW、67.7 A；啟動期間廠用電最大負荷出現(xiàn)在LCI拖動燃氣輪機沖轉(zhuǎn)期間，約11.56 MW、488 A；燃機并網(wǎng)后廠用電負荷降至2.71 MW、145 A。

表1 機組啟動期間需啟動6 kV輔助設(shè)備明細

圖2 2號機組啟動期間DCS曲線

儲能系統(tǒng)用作機組的啟動電源時，同樣應(yīng)滿足機組啟動負荷特性需求。具體為：

(1)儲能系統(tǒng)放電電量，應(yīng)滿足機組啟動期間電量需求，并留有一定裕度。

(2)儲能系統(tǒng)放電容量，除應(yīng)滿足機組啟動期間最大負荷需求外，還應(yīng)滿足最大容量電機的工頻啟動需求，并留有一定裕度。

機組正常方式啟動時，廠用電均由機組廠高變經(jīng)燃機主變從電網(wǎng)倒送電方式獲取。機組啟動期間的廠用電量可從燃機主變電度表凍結(jié)的反向電量查詢。去年6月24日07∶00至8月24日00∶00期間，電廠#2機組共10次啟動記錄，對應(yīng)#3燃機主變電度表凍結(jié)的反向電量見表2，可知機組啟動平均用電量約8.95 MW·h。

表2 3號燃機主變電度表反向電量數(shù)據(jù)

*表計倍率2 200×1 000。

根據(jù)圖2核算該次機組啟動期間的用電量。

取凝結(jié)水泵啟動前1 h(11時40分)作為機組啟動開始時間，至燃機并網(wǎng)時消耗的廠用電約9.49 MW·h，即燃機順利啟動的用電量。考慮燃機首次沖轉(zhuǎn)或并網(wǎng)存在失敗可能，再次啟動時廠用電量；若取LCI啟動時(15時04分)作為再次啟動開始時刻，至燃機并網(wǎng)時消耗的廠用電約3.36 MW·h；合計為12.85 MW·h。

為應(yīng)對臺風可預(yù)知性災(zāi)害時可能出現(xiàn)的黑啟動需求，在電廠當?shù)爻霈F(xiàn)臺風預(yù)警時，可提前將儲能系統(tǒng)充電至較高電量水平。儲能系統(tǒng)放電效率取85%，可釋放電量取80%，根據(jù)圖2的核算結(jié)果，儲能系統(tǒng)電量應(yīng)不小于18.89 MW·h。

校核最大容量電機工頻啟動時所需的容量。由圖1知，高壓給水泵啟動前廠用電負荷約2.75 MW、123 A，工頻自啟動系數(shù)取6.5時，對應(yīng)的儲能系統(tǒng)容量為17.65 MVA，大于機組啟動期間最大負荷。

綜上可知，儲能系統(tǒng)按20 MW/20 MW·h規(guī)模配置時，能滿足機組黑啟動需求。

3 接入系統(tǒng)分析

機組滿負荷時，廠高變負荷約7 MVA，表3為電廠2號機組滿負荷時6 kV廠用電負荷明細。由表3可知，6 kV A段負荷電流在180～560 A范圍時，對應(yīng)的6 kV B段負荷電流在438～56 A范圍。電廠廠高變?nèi)萘?0 MVA，具備接入20 MW儲能系統(tǒng)的條件。下面校核6 kV母線接入儲能的最大能力。

表3 機組滿負荷運行時6kV廠用電負荷

機組6 kV母線電源開關(guān)額定電流、6 kV母線額定電流均為1 600 A。單段6 kV母線可接入儲能容量最大值分別為：6 kV A段，11.34 MW、6 kV B段12.67 MW；即具備接入10 MW/10 MW·h的條件。

綜上可知，20 MW/20 MW·h儲能系統(tǒng)，可分為2個10 MW/10 MW·h子系統(tǒng)方式接入機組6 kV母線。

4 儲能系統(tǒng)配置介紹

參考國內(nèi)外已投運項目，儲能系統(tǒng)采用戶外集裝箱方式布置，分為電池集裝箱、功率集裝箱、電氣集裝箱、控制集裝箱。

電池集裝箱由多組鋰電芯組合的電池簇和電池模塊、BMS及消防系統(tǒng)、通風制冷系統(tǒng)、直流匯流柜組成。結(jié)合目前技術(shù)，單個電池集裝箱規(guī)模最大可配置為1.5 MW/1.5 MW·h。

功率集裝箱由雙向變流器、升壓變壓器組成，為交直流電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。結(jié)合目前技術(shù)，單個功率集裝箱規(guī)模最大可配置為3 MVA左右。

電氣集裝箱由6 kV開關(guān)柜及低壓輔助屏柜組成，向上向下連接功率集裝箱與6 kV母線。

控制集裝箱是整個儲能系統(tǒng)的核心，由EMS能量管理系統(tǒng)組成，檢測電池儲能設(shè)備的狀態(tài)及電量信息，控制儲能系統(tǒng)充放電功率。

5 儲能黑啟動方案介紹

該電廠接入電網(wǎng)故障時，燃機主變、汽機主變?nèi)Ｇ覐S用電中斷。此時，儲能系統(tǒng)提供機組啟動所需的電源，采用零起升壓方式恢復(fù)所啟動機組的廠用電，根據(jù)廠用電恢復(fù)范圍的不同，有如下兩種黑啟動方式。

方式1：廠用電恢復(fù)范圍為所啟動機組6 kV及380 V廠用電。廠用電恢復(fù)后，機組按正常方式啟動，LCI將燃機拖至全轉(zhuǎn)速后，選擇死母線方式合燃機發(fā)電機出口斷路器GCB。燃機勵磁對“燃機發(fā)電機-燃機主變-汽機主變-燃機廠高變”整體進行零起升壓，升至額定電壓后，儲能系統(tǒng)帶廠用電并列至燃機廠高變，并網(wǎng)點為6 kV母線工作電源開關(guān)。

方式2：與方式1不同的是，廠用電恢復(fù)范圍除啟動機組6 kV及380 V廠用電外，還包括啟動機組“燃機主變-汽機主變-燃機廠高變”。廠用電恢復(fù)后，機組按正常方式啟動，LCI將燃機拖至全轉(zhuǎn)速后，采用檢同期方式合GCB，并網(wǎng)點為燃機發(fā)電機出口斷路器。

可以看出，無論采用哪一種啟動方式，儲能用作機組黑啟動電源時，應(yīng)具備如下基本功能：

(1)具備工頻零起升壓恢復(fù)廠用電功能。相對而言，方式2廠用電恢復(fù)范圍廣，要求儲能系統(tǒng)具備較強的初始工頻零起升壓能力。

(2)儲能系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)機組啟動及并網(wǎng)過程中負荷沖擊的能力。除能承受機組啟動期間6kV電機工頻啟動沖擊負荷外，還能承受儲能帶廠用電與燃機發(fā)電機并列過程中的沖擊，不出現(xiàn)廠用電負荷中斷的現(xiàn)象。

6 結(jié)語

本文從分析燃機正常啟動時負荷特性入手，提出了儲能系統(tǒng)用作機組黑啟動電源時容量和電量要求，論述了儲能系統(tǒng)的接入方案。在此基礎(chǔ)上，進一步探討了儲能系統(tǒng)作為機組黑啟動電源時的啟動方式，并對機組黑啟動用儲能系統(tǒng)提出了性能要求。

需進一步說明的是，燃機電站全停時，儲能系統(tǒng)同樣存在外部電源丟失的問題，應(yīng)重視儲能系統(tǒng)自身工作電源的冗余設(shè)計，確保極端情況下儲能系統(tǒng)工作的可靠性。

同時，大型燃機不具備單循環(huán)功能，存在大容量高壓電機工頻啟動和LCI運行期間回饋高次諧波至6 kV廠用電的現(xiàn)象，應(yīng)進一步研究二者對儲能系統(tǒng)的影響，綜合評選最優(yōu)的黑啟動方式。