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。

参考文献：

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[2]IEEE STD 446:1995 Recommended Practice for Emergency and Standby Power Systems for Industrial and Commercial Applications.

[3]IEEE STD 519:1992 Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electrical System.

[4]Ivan V.W. Hunt. DIESEL ENGINE GENERATORS FOR BLACK START AND SUPPLY EMERGENCIES[J]. Electrical Engineers Association Annual Conference, Auckland, ,2000,6:16- 17.

[5]IEEE 399-1997, Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems Analysis chapter 9 Motor-starting studies.

作者简介：余旭翔