摘要:不同电厂的黑启动方案由于机型和系统接线的差异而千差万别。但黑启动过程设计中的关键因素如黑启动负荷加载顺序、黑启动柴油发电机组选型、死母线合闸、孤岛运行控制等却有着原理一致性和可归纳性。基于9E机组的黑启动成功案例，阐述燃气轮机发电机电厂黑启动必须考虑的重要负荷顺序以及黑启动柴油机的选型计算过程。对死母线合闸、孤岛运行控制等黑启动方案中关键步骤进行原理描述和经验总结，并介绍了优化方法和现场经验，提醒需要注意的特殊环节，为今后黑启动方案设计提供参考和借鉴。
摘要:不同电厂的黑启动方案由于机型和系统接线的差异而千差万别。但黑启动过程设计中的关键因素如黑启动负荷加载顺序、黑启动柴油发电机组选型、死母线合闸、孤岛运行控制等却有着原理一致性和可归纳性。基于9E机组的黑启动成功案例，阐述燃气轮机发电机电厂黑启动必须考虑的重要负荷顺序以及黑启动柴油机的选型计算过程。对死母线合闸、孤岛运行控制等黑启动方案中关键步骤进行原理描述和经验总结，并介绍了优化方法和现场经验，提醒需要注意的特殊环节，为今后黑启动方案设计提供参考和借鉴。
黑启动是在黑网或丢失外部电力的情况下以恢复电站供电的过程。其作为紧急方案来给区域电网恢复供电。电网的大面积黑电事故使电网对电厂的黑启动能力日益重视。由于电网在黑启动机组的启动时间、加载限制和辅助系统上的额外要求,不是所有的机型都适合黑启动。
燃气轮机能够快速启动、宽幅加载和灵敏响应，电站设计上稍加改进就可以成为合格的黑启动电站。在紧急情况下，可由就地的黑启动柴油发电机发电来提供必要厂用电源以实现燃气轮机启动。
由于燃气轮机机型众多，同一机型也有单轴多轴等不同配置，同时系统接线方式也不相同，所以不同电厂的黑启动方案间千差万别而缺少系统性总结和归纳。但黑启动方案中的关键因素如负荷清单和加载顺序、黑启动柴油机的选型和计算、死母线合闸、孤岛运行控制等却有着原理一致性和可归纳性。以下逐一阐述几个方面。
1 电厂黑启动负荷
一般的燃气轮机电厂都需要黑启动柴油发电机在外部黑网时来提供电力给辅助电气设备以保证燃气轮机的顺利启动。考虑到柴油发电机组的经济性，不可能所有负荷都联接到黑启动电源上。往往要进行筛选而只留下关键负荷即黑启动负荷，例如必要的燃料供给和冷却系统等。
由于机型和系统配置以及厂用电接线的差异，不同电厂的黑启动负荷差别很大。例如，有些使用电动机驱动燃气压缩机的电站,该电动机就占了很大负荷比重;对于需要氮清吹和置换的低热值燃气机组,需要考虑氮气系统负荷;对于单轴的燃气-蒸汽联合循环机组，还要考虑汽轮机启动时的冷却蒸汽系统负荷等等。
简而言之，黑启动负荷的选择必须因厂而异，其核心标准是必须满足燃气轮机启机时的工艺和控制要求。
1.1 无需黑启动柴油发电机的6B系列燃气轮机
需要特别指出,由于6B系列燃气轮机可配备柴油机作为起动装置，而且配有蓄电池供电的直流盘车棘轮泵、直流润滑油泵、及黑启动逆变器以提供点火器电源;因此，即使在不配备柴油发电机的情况下，6B 燃气轮机仍然可以独自实现从低速盘车到高速盘车一直到点火加速的一系列黑启动过程。
由于配有蓄电池供电的直流盘车棘轮泵，6B 燃气轮机可以在黑网情况下保持低速盘车并随时启机。但在黑启动情况下，必须通过调节直流润滑油泵的可调励磁电阻来提高油压，使之高于压力开关63QT (润滑油压力低跳闸)。同时启动程序也必须进行相应修改，使燃气轮机黑启动依托于应急直流润滑油泵，而不是正常的辅助交流润滑油泵。
配备柴油机作为起动装置的6B系列燃气轮机由于不需要黑启动柴油机，而使黑启动方案更加经济和方便。在必要时该型燃气轮机也可作为黑启动电厂的黑启动电源，以替代大容量的黑启动柴油发电机。
1.2 黑启动柴油发电机
除了上文提及的使用柴油机作为起动装置的6B系列燃气轮机外，其他类型燃气轮机都需要黑启动柴油发电机来提供电力给中压启动装置和重要的低压负荷如润滑油、密封油及必要的风机等实现黑启动。由于费用原因，黑启动柴油发电机不宜设计过大，但必须满足重要辅助设备运行要求。
客户往往希望燃气轮机控制系统能限制某些不必要的燃气轮机负荷如风机等在黑启动过程运行来减少黑启动柴油发电机的耗电,从而能使用经济节省的柴油发电机。但燃气轮机控制系统不会为此而另外设计整个燃气轮机发电机组的启动程序。不过，我们可以人为地或利用DCS来操控某些负荷使之成为不同的时间序列，以避免启动电流的叠加，由此来减少柴油发电机的尖峰负荷。
1.2.1 负荷顺序表
以下为整个电厂的负荷顺序表：
顺序 0: 已在线的不受控负荷，和母线同时带电 ;
顺序1: 母线带电后10s内投入;
顺序2: 母线带电后10s到1min内投入;
顺序3: 燃气轮机马达控制中心已存在的负荷，和母线同时带电;
顺序4: 轮控盘控制的负荷，启动令时立即启动;
顺序5: 轮控盘控制的负荷，点火时立即启动;
顺序6: 轮控盘控制的负荷，转速达到14HS (95% 满转速)时立即启动。
1.2.2黑启动必要的电站负荷
在燃气轮机所带的辅助负荷之外，黑启动还必须考虑必要的电厂辅助负荷。表1为典型9E多轴联合循环电站的黑启动负荷(低压)清单。注意：燃气轮机马达控制中心(MCC)提供的负荷为燃气轮机所带的辅助负荷。在该方案中，电厂的必要设备在燃气轮机MCC受电前先受电。
表1 典型9E多轴联合循环电厂黑启动负荷清单
注：* 对于30kW以上负荷须标明功率因数和启动电流倍数(PF和 Is/In)
表中未含中压(6kV)启动电机88CR负荷。
1.3 燃气轮机的启动装置类型
一般来说 ,6FA、 7FA 、 9E、9FA/B 系列燃气轮机都配备变频启动器或中压启动电机来辅助燃气轮机在脱扣前能高速盘车，6B系列燃气轮机一般配置中压启动电机或柴油机作为启动装置。
具体配备取决于燃气轮机的转动惯量和系统的扭矩要求，见表2。
表2 各种机型启动装置配置表
注：表中“√”为该机型所配置的起动装置。
燃气轮机的启动装置负荷是电站的主要的，往往也是最大的电负荷，是黑启动柴油机的考虑重点和选型计算关键。
1.3.1 中压启动电机88CR
启动电机88CR 普遍应用于 6B 和 9E 型(无轴驱动的燃气压缩机)。
下面以9E燃气轮机为例说明启动电机88CR的工作过程：在启动电机88CR和燃气轮机主轴间设有液力变扭器，通过调节液压油的压力及液力变扭器叶轮导角来调节传送的力矩，变扭器叶轮导角初始位置在扭矩最大状态。在88CR带电两秒后(延时目的是使电机无载启动)，液力变扭器电磁阀20TU–1带电使油注入液力变扭器，同时扭力传送到燃气轮机转子开始拖动。当达到清吹转速14HM(10%全转速)时，通过调节变扭器叶轮导角，使燃气轮机转速提高并维持在清吹转速来排出热通道的可燃烟气。清吹后20TU失电排去部分传动油。当转速跌至14HM以下时20TU再次带电然后机组开始升速，速度超过14HM时开始注油和点火。点火成功后，液力变扭器导叶打开至合适角度使燃气轮机加速至自持转速(大约为燃气轮机额定转速的60%)，此时，20TU失电液力变扭器泄油使燃气轮机和起动系统脱扣，启动电机退出工作。其余顺序不在此详述，我们主要关心启动电机88CR从带电到脱扣阶段的负荷特性，作为黑启动柴油发电机选型的重要依据。图1为典型的燃气轮机启动特性曲线图。
图1 燃气轮机启动特性曲线图
当启动电机88CR作为启动装置时，其在启动阶段最高有6.8倍启动电流，功率因数大约为0.3，3s内电机达到全转速。由于启动期间的冲击电流需要电源提供足够的kVA容量，以维持电压降不低于额定的80%，否则过低的电压将导致扭力不足而无法启动，并会致使电机过热，所以88CR启动时电压降是重要考虑因素之一。同时,在燃气轮机点火成功暖机结束后的加速阶段, 启动电机88CR会达到峰值负荷1450kW。这对柴油机也是个不小的考验。
在一些情况下，为减小88CR启动时所需的kVA容量，会使用软启动装置来限定启动电流倍数为3～4。然而，启动电流的减小会降低电机启动力矩，88CR无法在3s内达到全速，而需要更长时间(一般为5s)。在燃气轮机启动顺序无任何修改的情况下，20TU的按时投入会使启动电机在未达全转速时带载燃气轮机轴负荷，从而导致启动电机无法提供额定出力而使启动失败。
解决该问题的方法有两种：一是延后20TU带电使变扭器稍迟一些注油(2s延为5s)，从而使电机有足够时间自起动;二是通过88TM手动调节变扭器叶轮导角，减小88CR自加速阶段的阻力来帮助其自起动。
此外，6B系列燃气轮机只通过20TU而不设液力变扭器叶轮导叶调节，而使用变频器启动的6F/7F/9F机型由于本身为变频启动而不设液力变扭器系统。
1.3.2 变频启动装置
使用可控硅进行整流和逆变，变频启动装置(LCI或SFC)能把固定频率的交流电变为各种所需频率。通过该装置给发电机倒送电，能把发电机当作电动机使用从而拖动燃气轮机启动。
燃气轮机速度曲线和图1一致，所不同的是LCI在90%全转速时才脱扣，而且LCI尖峰负荷发生在40%全转速时，大约持续4min时间。
和88CR启动装置相比，LCI 本身为变频启动不需液力变扭器系统，从而节省了费用和维修空间。且没有大的启动电流和kVA要求，因此电压降不是主要因素，此时LCI尖峰负荷是设计主要依据。但是，LCI是非线性负荷会给系统电源带来谐波污染，谐波污染会导致电机和变压器等过热，所以在黑启动柴油机设计中谐波污染应当适当考虑。
特别指出的是，因为LCI只在燃气轮机启动的30min内使用，所以根据谐波污染的规范IEEE 519，谐波畸变率可超出允许值的50%。在此限定下，部分厂家的高脉冲LCI能满足IEEE 519的限定要求。不能满足的也不意味着在启动过程中会出现故障，这是因为大部分控制仪器都由直流或不间断电源UPS供电，而这些与受到谐波污染的厂用电是相对隔离的。但与厂用电直接相连的设备，如充电机和电机等,要确保在谐波畸变率20%内短时不至于损坏。
2 电厂黑启动柴油机设计
2.1黑启动柴油机设计选型
1) 柴油机类型
黑启动柴油机应为四冲程，其优势在于简单可靠的润滑油系统。
2) 持续负荷
发电机的稳定出力应高于所供电的持续连接负荷。
3) 最大电机或电机组启动时的电压降要求
黑启动柴油发电机要保证其电压必须高于负荷要求的电压限制值。电机的起动扭矩与电压的百分比的平方成正比例关系。例如，电压降到80%时，其启动转矩只有64%。
2.2 经济性考虑
由于黑启动柴油发电机组价格比较昂贵，所以设计中尽可能地减小容量和优化配置以节约费用，主要途径有：
1)发电机kVA容量尽量大于柴油机容量
由于柴油机容量在费用上的影响大于发电机，而且，在选型中往往柴油机容量能满足启动和持续有功功率要求而发电机不能满足电压降的kVA要求，我们可以发电机kVA容量尽量大于柴油机容量，而不是标准的配套配置。
2)多机组并行
黑启动柴油发电机组的费用不随容量的变大呈正比例增长，而是越大时增长越快。所以可以采用小容量多机组并联的方式。而且，小机组的启动成功率远大于大机组。缺点是要考虑小机组并行的同期系统和负荷分配。
3)过载能力和强励
由于交流发电机可以短时过载运行，也能承受短时高温，可以采用其过负荷能力尽量减小柴油发电机组的容量。一般柴油机在冷机状况下有120% 运行1h的过负荷能力。如果增加柴油机排气冷却器，可以在费用增加不多的情况下提高出力50%，也是一个不错的选择方案。
另外，使用快速可靠响应的励磁控制系统，在电压降落时快速反应进行强励，从而改善电压降和减小发电机需要容量，也是很好的经济型方案。该方案需要软件模拟以确认其暂态调节能力。
2.3 黑启动柴油发电机组设计案例
使用1.2.1节的负荷顺序表来验证9E燃气轮机发电机组使用两台1800kW/2250kVA(对应柴油机/发电机)的黑启动柴油发电机组能否满足燃气轮机发电机组的启动要求。黑启动柴油发电机组的参数如下：X’d直轴瞬态电抗标么值为0.20,功率因数PF=0.80 滞后，过载能力20s内200%，1h内110%。突加负荷限制值为60%。
2.3.1稳定负荷
PG1=a×(P1/η1+ P2/η2+….+ Pn/ηn )/cos øg= a×Wl/Cos øg (1)
式中，Cos øg-柴油发电机功率因数;Wl-所需负荷的累加值 ，kW;α-考虑的同时系数 (为1.0);P -电动机轴功率，kW;η-效率。
当88CR 在尖峰负荷1450kW 时发生在暖机后加速期间, 考虑其余在线负荷(顺序0至顺序5负荷，注意加热器启机前退出，而且88TG在加速期间已退出)累计为 1973.4kW, 所以PG1=4279kVA(说明：柴油发电机的功率因数为0.80)
结论：2台1800kW/2250kVA满足要求。
2.3.2电压降:
由于电压调节系统的差异，所以无法精确计算发生的电压降。然而可根据通用的计算方法如下:
PG2=[(1- ΔE)/ΔE]×X’d× QL (2)
式中，ΔE-发电机端允许的电压降 ，%;X’d -直轴瞬态电抗标么值;QL-启动最大电动机时所需容量，kVA。
88CR启动瞬间,QL=4.4×1000/0.89=4944kVA，使用 20% 允许电压降,根据起动电机启动特性曲线,20%电压降时启动电流倍数为4.4倍,PG2=3955kVA。
结论：2台1800kW/2250kVA满足要求。
由于大型电机带电瞬间的过程比较复杂,带电瞬间电机电抗为直轴超瞬态电抗(X”d),然后转变为直轴瞬态电抗(X’d),最后为稳定的直轴电抗(Xd),单纯用直轴瞬态电抗(X’d)来计算其瞬态电压降相对保守。在柴油发电机厂家同意情况下，可以使用(X’d+ X”d)/2来替代X’d来进行校验计算，这样对柴油发电机容量要求可以适当降低。
2.3.3最大负载:
PG3=(ΣW0+QLmaxcos øℓ)/(Kcos øg)(3)
式中，ΣW0-最大电动机外的其他负载总和,kW;cos øℓ- 最大电动机起动时的功率因数，此处为88CR取0.3;cos øg -柴油发电机功率因数，此处为0.80;K-过负荷系数 (1.1);QLmax-最大电动机的启动容量 ,kVA。
最大负载88CR 加载发生在启动令发出时, 考虑其余在线负荷(顺序0至顺序4负荷，注意加热器启机前退出，而且88TG在88CR启动后退出)。
QLmax Cosøℓ= 1000/0.89×4.4×0.3=1483kW, ΣW0=1955kW(从顺序0至4累计为1955kW)，故PG3=3907kVA
结论：2台1800kW/2250kVA满足要求。
3黑启动过程中燃气轮机的死母线合闸
3.1 死母线合闸目的
当燃气轮机在黑启动柴油机的供电情况下启机并到全速空载时，由于母线侧依然没电所以不能进行正常同期操作。在此时就需要死母线合闸给主变送电并恢复厂用电，从而替换下黑启动柴油发电机。
由于主变低压侧阻抗小，而且在初充时由于电磁还未建立，所以会导致巨大的冲击电流而导致电气保护动作引起黑启动失败。
3.2 死母线合闸原理
解决方案是在合发电机出口开关(52G)时去掉发电机励磁使之不带电压或只带剩余电压合闸，合闸成功后再缓慢建立发电机电压及主变电压至额定值。
死母线合闸前运行人员要确保母线为不带电状态，并且接地刀和隔离刀在正确位置。建议接地刀和隔离刀的位置信号接入DCS后送至燃气轮机控制系统作为允许“死母线合闸”的闭锁信号。
一旦选择死母线合闸模式，励磁就处于关断状态，这时候发电机电压会逐渐下降，其速率和发电机时间常数相关。当发电机电压降至10%并维持5s时，控制盘给出报警“机组准备死母线合闸”，这时候运行员在操作台站人机界面(HMI)上按下“合闸”按钮，52G合闸并逐渐升压。如果在去磁28s内发电机电压未降至10%，该次死母线合闸将自动取消。
由于母线是否带电至关重要，所以三相都必须有电压继电器监测,其电压状态信号连接至轮控盘参与联锁。
4 燃气轮机黑启动成功后的孤岛运行
4.1 燃气轮机发电机的孤岛运行控制
发电机出口开关合闸后，厂用电带电与黑启动柴油机同期切换，燃气轮机独自带着厂用电运行。这时候发电机既不连电网也不连接其他发电机组运行在孤岛方式，若厂用电数值在燃气轮机额定负荷的10%～90%，其控制方式为无差控制方式，以维持机组运行在限定的运行转速上而不是电网的频率。该控制方式使得燃气轮机能够从电网分开并能承担小的无大幅变化的负荷。在该方式下，无差控制能自动调节燃气轮机出力以确保燃气轮机运行在设定转速。当燃气轮机转速低于设定时，表明出力低于负荷而需要提高预选负荷设定值，反之若燃气轮机转速高于设定时，表明出力高于负荷而需要降低预选负荷设定值。
若厂用电数值在燃气轮机额定负荷的10%以内，其控制方式为厂用电负荷控制方式。其和无差调节的主要区别在于用设定好的负荷点燃料值来稳定和维持高压开关打开后的孤岛转速，而不是无差调节的转速跟踪。由于该状态下厂用电负荷较小，燃气轮机有足够转动惯量和调节能力使其孤岛转速维持在不大的波动范围内。
以上两种控制方式由电厂的开关状态信号启动。由于各电厂电气单线图不一样，所以决定是否“孤岛”的开关也不相同。典型方案里，我们定义发电机中压出口开关闭合而主变高压侧出口开关打开为孤岛启动信号。
燃气轮机控制系统一旦接受到该启动信号，便自动切换到孤岛运行控制方式，根据转速来匹配负荷出力。而一旦远方开关合上，启动信号消失，燃气轮机便切换到与电网并联时使用的有差调节方式。
4.2 孤岛时的燃气轮机发电机励磁控制
在孤岛运行时，发电机的负荷特性取决于厂用电负荷本身，所以不能使用功率因数控制方式，而应使用电压调节方式，其根据实测电压与设定电压的偏差动态调整励磁，使电压水平维持在设定范围内。需要注意的是，如果电厂中联结有大的容性负荷可能会引起发电机自激磁而导致过电压，这时建议使用手动励磁控制并投入系统稳定器以防止自激振荡。
5.其他的一些注意事项
电厂设计黑启动方案时，必须有完善的实施程序，并且通过对黑启动柴油发电机、燃气轮机控制、发电机控制系统使用软件建模进行模拟验证该过程。黑启动电厂对系统充电的暂态和稳态过程分析，条件许可的情况下也应通过模拟验证。应包含如下内容：
- 电压的控制和仿真
- 送电线路容性电流带载分析
- 燃气轮机出力和负荷匹配
- 潮流分布研究
- 电网规范的确认
- 系统稳定器PSS仿真
当电厂往黑电的送电线路送电时，较大的容性负荷会起发电机自激磁而导致过电压和系统振荡，建议在开始时候投入感性电抗，使用手动励磁控制并投入系统稳定器。这些措施可有效帮助发电机迅速稳定从而成功地给系统送电。
在操作流程方面,在黑启动中启动燃气轮机前要确认燃气轮机所配蓄电池是否已充电完毕。在未完全充电的情况下，若启动失败或燃气轮机跳闸，直流系统将无法满足安全停机要求而造成燃气轮机损害。
6 结语
电厂的黑启动能力日益受到重视,而燃气轮机由于其有利的启动加载和控制特性上的优势,尤其是丰富的黑启动经验和可靠性,成为黑启动电厂的主力机型。
文中主要工作为电厂的黑启动系统包括柴油发电机设计计算、死母线合闸及孤岛运行机制，阐述和解释相关问题。由于现代仿真的日益进步，很多步骤可使用仿真软件进行验证及计算。具体的仿真过程不在此详述，仿真所采用的正确模型为无差控制而非有差控制，电压调节而非功率因数调节，PSS模型也需要考虑等等。
电厂孤岛运行后向电网充电的“系统黑启动”过程有待进一步研究与完善。
