（1.海南蓄能发电有限公司 海口 570100；2.中南电力设计院有限公司 武汉 430071）
摘要：黑启动作为电力系统故障后迅速恢复的重要手段之一，可减少大停电带来的损失，提升系统的可靠性。本文论证了海蓄电站黑启动的必要性，并从电源容量选择、自励磁及谐振过电压风险角度验证了海蓄电站黑启动的可行性，海蓄电站可作为海南电网第一批黑启动电源。
关键词：黑启动；海蓄电站；柴油发电机；谐振；自励磁
Feasibility Study on Black Start of Hainan Pumped Storage Power Station
（1.Hainan Energy Storage Power Generation Co.，Ltd，Haikou 570100，China；
2.Central Southern China Electric Power Design Institute Co，.Ltd. Whuhan 430071，China）
引言
海南琼中抽水蓄能电站（以下简称“海蓄”）位于海南省中部的琼中县黎母山镇大丰农场，站址毗邻核电送出通道及海南北部、东部负荷中心，地理位置优越。电站总装机容量600MW，单机容量200MW，出4回220kV线路直接送至海南电网主网[1]。在海南电网承担系统的调频、调相、紧急事故备用等任务。研究海蓄电站黑启动能力有助于提高海南电网安全稳定运行水平及对外供电可靠性，对提高海南电网素质将是一个有力的支持。
1 海蓄黑启动的必要性
1.1 海南电网黑启动的需求
2019年联网二回投运后，海南电网与南方电网主网联系虽然进一步加强，但海南极端气候及琼州海峡不确定性因素使海南电网仍存在孤网运行的可能性，海南电网省内黑启动策略显得尤为重要。
系统全停后能否顺利恢复的关键在于启动电源，通过它才能启动其它机组，完成网架重构。海南电网具备多套黑启动方案，实现分片恢复，逐步恢复整个电网的供电，在最短的时间内使系统恢复负荷。海蓄电站作为海南电网内唯一一个抽水蓄能电站，以其启动速度快、调节能力强的特点，定将在海南电网大面积停电或系统瓦解后的恢复中发挥重要的作用。
1.2 海蓄电站自身的需求
海蓄电站地下洞室群包括了主厂房、主变洞、母线洞、高压电缆洞、排风洞、进厂交通洞、通风兼安全洞、排水廊道、自流排水洞等洞室[2]。当海蓄电站与系统和外来电源失去联系时，电站地下厂房设有自流排水洞，可将厂房系统渗漏水从自流排水洞排出，不会对厂房系统安全产生重大影响，但长时间停电仍可能造成地下洞群积水风险，危害主要设备安全。上、下水库大坝在汛期可能需要开启闸门，在母线失电的情况下，需要保安电源供电。且若停电时间过长，电站事故照明系统及火灾自动报警系统将无法维持，一旦发生火灾将无法自动报警，这将导致电站机组无法启动。根据《水力发电厂机电设计规范》，海蓄电站设计之初已在站内配置了1台10kV，1000kW快速自启动柴油发电机组作为电站事故保安电源[3]。
2 海蓄黑启动的可行性
2.1 海蓄黑启动优势分析
电网大量的黑启动试验事实证明抽水蓄能电站是系统理想的黑启动电源。海蓄电站作为海南电网黑启动电源的优势主要有以下几点：
（1）机组具有工况转换灵活、厂用电率低、启动时间短、爬坡速度快和进相运行能力强等优点，在需要进行黑启动时，可利用储存的能量，迅速转变为电能，恢复发电。
（2）上下水库库容相对稳定，没有丰水期和枯水期，不受天然来水和季节影响，上游水库会预留不动水作为事故备用，以确保在电网发生故障时以最快的速度发电，实现厂用电自救以及向电网供电，尽快恢复电网运行。
（3）小孤岛能力强，在小导叶开度情况下，单台机组可长时间（大于24小时）处于空载（小功率）发电工况，随时向电网充电，发电工况受库存水位影响较小。
（4）电气位置优越，处于海南电网黑启动琼西北分区和琼东分区之间，出4回220kV线路直接送至海南电网主网架，省去了不同电压等级间的变换。
2.1 黑启动方式选择
常见的黑启动方式主要有半黑启动方式和全黑启动方式两种。
半黑启动方式是指机组启动所需的励磁电源由直流系统蓄电池提供，控制系统电源由厂房直流系统和UPS系统供电，机组的交流动力电源包括：交流注油泵、轴承油泵、调速器油泵、机组冷却供水泵等由专用发电机组供电，专用发电机组在系统瓦解时能可靠启动供电。
全黑启动是指机组启动所需的励磁和控制系统电源均由直流系统蓄电池提供，控制系统UPS交流电源由蓄电池经逆变后提供，机组的交流动力电源完全没有。这种启动方式机组轴承的循环油泵和机组的冷却水泵无法运行，对机组是很大的考验。
全黑启动不需要设启动电源，但对机组本体、发电机电压设备、调速器、励磁系统等主要设备都有特殊要求，实施难度比较大。半黑启动对设备的特殊要求较少，较容易实现，海蓄机组主要采取半黑启动方式。
2.2 黑启动电源方案
2.2.1 黑启动电源选择
参照国内外抽水蓄能电站的情况，站内黑启动电源可选择柴油发电机和临近小水电或电站范围内小水电站作为备用电源。海蓄电站近区及站内没有合适的水电站作为黑启动电源，建议采取站内已配置的1台10kV，1000kW柴油发电机组作为黑启动电源[4]。
2.2.2 黑启动电源容量计算
（1）黑启动负荷统计
考虑机组启动所必须的供水、通风等I类负荷，确定启动海南抽水蓄能电站一台机组并完成向系统充电所需的厂用电负荷如表1所示：
（2）黑启动电源装机容量的确定
以表1中黑启动必须I类负荷为基础，计算负荷为：
2.3.1 机组至变压器带电风险计算
（1）发电机至主变之间总容抗XC的计算
1/XC=1/XC1+1/XC2+1/XC3+1/XC4+1/XC5=0.002645Ω，XC=378Ω。具体计算如下：
1）发电机容抗的计算（XC1）
发电机电容量C1=0.843×3=2.53µF（三相），发电机容抗XC1=1/2πfC1=1258.78Ω）
2）主变容抗的计算（XC2）
主变电容量C2=2.4971µF（低压），主变容抗XC2=1/2πfC2=1275.374Ω
3）励磁变容抗的计算（XC3）
励磁变电容量C3=1.8744µF（高压），励磁变容抗XC3=1/2πfC3=1699.057Ω
4）两组电抗器电抗的计算（XC4）
两组电抗器电容量C4=0.537µF，电抗器容抗XC4=1/2πfC4=5930.565Ω
5）厂用变电抗器电抗的计算（XC5）
电抗器电容量C5=0.986µF，厂用变容抗XC5=1/2πfC5=3229.932Ω
（2）发电机至主变之间总感抗XL的计算
1/XL=1/XL1+1/XL2+1/XL3+1/XL4+1/XL5 =0.01336381mΩ，XL=0.07Ω。具体计算如下：
1）发电机感抗的计算（XL1）
Xd=0.9719，U=13800V，I=9297A。感抗XL1=Xd×（U/I）×1000=1442.64mΩ。
2）主变感抗的计算（XL2）
Uk=14.4%，U1=13.8kV，S=240MVA，R1=1.4309 mΩ
阻抗Z=[Uk×（U1²/S）]×1000=114.264 mΩ；低压侧电阻R1=1.4309 mΩ；感抗XL2=√Z²-R²=114.255 mΩ。
3）厂高变感抗的计算（XL3）
Uk=7.77%，U1=13.8kV，S=5MVA，R1=260.5 mΩ
阻抗Z=[Uk×（U1²/S）]×1000=2959.4376 mΩ；低压侧电阻R1=260.5 mΩ；感抗XL3=√Z²-R²=2947.950247 mΩ。
4）励磁变感抗的计算（XL4）
Uk=8.23%，U1=13.8kV，S=1.35MVA，R1=1219mΩ。
阻抗Z=[Uk×（U1²/S）]×1000=11609.78667 mΩ；低压侧电阻R1=1219 mΩ；感抗XL4=√Z²-R²=11545.61326mΩ。
5）厂高变电抗器感抗XL5=1081 mΩ和SFC电抗器感抗XL6=389.5 mΩ。
（3）谐振校核
由以上计算结果可知，XC=378Ω，XL=0.07Ω。XC>1.2XL，K=5400。容抗远大于感抗满足要求，在发电机至主变之间不存在谐振的风险。
2.3.2 线路充电风险计算
（1）成蓄I/II线计算
由线路实测报告知，线路电容量C2=0.7573µF，线路容抗XC2=1/2πfC2=4205.4Ω，线路感抗XL2=17.771Ω；发电机至主变之间容抗XC1=378Ω，感抗XL1=0.07Ω。
机组至大成开关站总容抗XC=1/（1/XC1+1/XC2）=346.82Ω，机组至大成开关站总感抗XL=XL1+XL2=17.841Ω，XC>1.2XL，K=XC/XL=19.4。机组至对侧站间容抗远大于感抗，不存在谐振风险。
线路容抗XC2>1.2XC1（发电机、变压器等），由自励磁阻抗比较法可知，海蓄电站空充成蓄线时不存在自励磁风险。
（2）塔蓄I/II线计算
由线路实测报告知，线路电容量C3=1.2385µF，线路容抗XC3=1/2πfC3=2571.4Ω，线路感抗XL3=26.98Ω；发电机至主变之间容抗XC1=378Ω，感抗XL1=0.07Ω。
机组至塔洋开关站总容抗XC’=1/（1/XC1+1/XC3）=329.55Ω，机组至塔洋开关站总感抗XL’=XL1+XL3=27.050Ω，XC’>1.2XL’，K=XC’/XL’=12.18。容抗远大于感抗，不存在谐振风险。
线路容抗XC3>1.2XC1（发电机、变压器等），由自励磁阻抗比较法可知，海蓄电站空充塔蓄线路时不存在自励磁风险。
3 结论
根据海南电网要求及海蓄电站自身现有条件的综合分析，论证了海蓄电站作为海南电网黑启动电源的必要性。经过对从电源容量选择、自励磁及谐振过电压风险计算，验证了海蓄电站黑启动的可行性。本文可为其他已建成电站实现黑启动功能提供参考，具有一定的指导意义。
参考文献：
[1]海南琼中抽水蓄能电站接入系统报告[Z]，2011
[2]海南琼中抽水蓄能电站可行性研究报告[Z]，2011
[3]NB/T35044-2014 水力发电厂厂用电设计规程[S]
[4]海南琼中抽水蓄能电站机组招标文件[Z]
[5]海蓄电站水轮机及其附属设备试验报告[Z]，2018
论文作者:陈伟1,张田2,贾波2,潘月2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/24
标签：感抗论文; 电站论文; 海南论文; 电网论文; 机组论文; 电源论文; 发电机论文; 《电力设备》2019年第12期论文;