广州协鑫蓝天燃气热电有限公司 李学冠

某电厂两套9E燃气-蒸汽联合循环供热机组，黑启动电源由2×520kW柴油发电机及输出功率为2.52MW、容量为2.82MWh的储能蓄电池系统构成，黑启动电源接入厂用400V母线段为机组启动提供电源。为保证电厂黑启动过程中有功、无功充足，需对黑启动过程中所需负荷进行核算，对无功进行计算，通过数据分析，检验电厂电源无功容量是否满足黑启动要求。

1 黑启动设备参数、系统配置及运行方式

1.1 黑启动设备参数

1号、2号柴油发电机参数分别为：额定容量520kW、额定电流936A、功率因数0.8cos∮、额定定子电压400V、额定频率50Hz、相数3、绝缘水平F；储能蓄电池参数：成组方式12S2P、标称电压38.4V、初始容量340Ah、总数量216个、每台PCS 54个、每组电池18个、并联组数3、品牌为天津力神、总容量2.83MVA；PCS参数：品牌为深瑞、额定容量630kVA、最大效率0.988、过载能力110%/10分钟、额定电压0.4kV、直流满载电压900V、产品型号PRS-7563-400/630；燃机启动马达变频器（VFPS-06-630）、闭式水泵变频器（22C-D260A103）、柱塞泵变频器（ACS550-01-72A-4）参数分别为：额定容量630/130/37kVA、额定电流62/260/72A、额定电压6/0.38/0.38、额定频率50Hz、相数3。

1A低压升变压器、储能隔离变压器、1C公用变压器额定电压分别为6/0.38kV、0.4/0.4 kV、6/0.38kV，其余参数分别为：额定容量2000/2500/1600kVA、空载电流1.34/40/1.38A、短路阻抗10.28/2.50/8.01、无功功率160.86/100.00/22.08kVar、接线组别Dyn11，1A低压升变压器、1C公用变压器空载/负载损耗分别为3.06/14.45kW、2.45/11.73kW。

表1 启动负荷清单

1.2 黑启动系统配置

某电厂两套9E燃气-蒸汽联合循环供热机组，黑启动电源由2×520kW柴油发电机以及输出功率为2.52MW、容量为2.82MWh的储能蓄电池系统构成，黑启动电源接入厂用400V母线段为机组启动提供电源，黑启动系统配置图如下：

图1 黑启动系统配置图

1.3 设计特点

电厂黑启动系统设计仅是为了满足在电网失电情况下，储能系统为机组启动提供启动电源，配置相应的储能容量，并没有考虑储能系统参与一次调频，机组启动一次需要675kWh容量，系统配置2.82MWh的容量，可以满足机组黑启动4～5次。

零起升压节省容量。黑启动系统采取柴油发电机接入400V系统，采取零启升压的方式给6kV母线充电，储能系统再同期并入，储能系统通过此措施可避开变压器的励磁涌流，系统容量按满足机组启动的容量配置即可；燃机启动电机采取软启动节省容量。燃机启动电机功率为1000kW,启动电流为6～8倍额定电流，正常启动需要的容量太大，采取变频软启动装置可降低储能系统的容量。

储能系统自带冷却空调系统。储能系统空调第一路取自400V加药MCC段，第二路取自储能系统输出交流侧。正常情况储能系统空调电源由第一路供电，当全厂失电、储能系统启动后，空调动力电源由自动切换装置切至第二路供电，当厂用电恢复后空调电源再切至第一路供电；黑启动系统控制电源。储能系统控制电源第一路取自自动切换开关切换后交流电源，第二路取自储能系统自身UPS，当自动切换开关交流电压失压后，储能控制电源由自身UPS实行不间断供电，储能系统启动后由自动切换开关切至第一路交流电源供电。

图2 储能系统空调及控制电源接线图

1.4 运行方式

系统失电保安电源恢复。当保安段失电情况下，保安段备自投动作自动启动储能系统，备自投检测保安段带电后自动合上1BA3（2BA3）给保安段供电，启动储能系统对400V保安段供电，恢复燃机和汽机盘车运行，整个过程大致需要5分钟。

燃机厂用电恢复及黑启动后孤网运行。合上400V厂用PCA段低厂变高低压侧开关，合上其他低厂变高压开关，断开其他低厂变低压侧开关，合上柴油发电机出口靠PCA段开关，柴油发电机带着400V厂用PCA段通过低厂变对6kV工作段启动建压，柴油发电机电压升致额定电压后，采用同期装置同期合上储能输出开关（1A711/2A711）将储能系统并入柴油发电机运行，然后启动燃机运行并建压，采用同期装置同期合上6kV工作段进线开关将燃机并入6kV厂用系统，合上保安段进线开关（1BA1/2BA1），退出柴油发电机和储能系统运行，燃机进入孤网运行，整个过程大致需要30分钟。

黑启动完成对外供电。燃机启动自带厂用电稳定运行后，具备对外供电条件，合上主变变高开关对220kV母线进行充电，合上220kV线路开关对对侧站220kV母线进行充电。

2 黑启动电源容量及负荷计算

在实际黑启动试验中，协鑫电厂只启动一台柴油发电机，因此黑启动电源容量计算均以一台柴油发电机和储能电池为分析对象。在黑启动前期阶段（保安电源恢复阶段），仅由储能系统供电，后续由柴油发电机和储能系统同时供电，此阶段柴油发电机以额定有功、无功恒功率运行，其余负荷由储能系统提供，因此无功容量计算也按此划分为两个阶段。

2.1 有功容量

保安电源恢复阶段：黑启动电源有功容量取储能电池最大输出功率Ps∑=Pb.max，式中Ps∑为黑启动电源有功容量，Pb.max为储能电池最大输出功率，计算得Ps∑=2500kW。

柴油发电机和储能系统同时供电阶段：黑启动电源有功容量取柴油发电机额定有功、储能电池最大输出功率之和Ps∑=Pgn+Pb.max，式中Ps∑为黑启动电源有功容量，Pgn为柴油发电机额定有功，Pb.max为储能电池最大输出功率，计算得Ps∑=520+2500kW。

2.2 无功容量

电厂储能PCS额定容量为630kVA，共配置了4套PCS，因此储能电池实际容量按PCS的额定容量计算，取2.5MVA。

保安电源恢复阶段：黑启动电源无功容量取储能电池最大无功功率Qs∑=Qbn，式中Qs∑为黑启动电源无功容量，Qbn为储能电池额定无功，计算得Qs∑=2489.90kVar。

柴油发电机和储能系统同时供电阶段：黑启动电源无功容量取柴油发电机额定有功、储能电池最大无功功率之和Qs∑=Qgn+Qb.max，式中Qs∑为黑启动电源无功容量，Qgn为柴油发电机额定无功，Qb.max为储能电池最大输出无功，计算得Qs∑=2737.28kVar。

2.3 黑启动有功负荷计算

启动负荷清单中列出了电厂黑启动厂用负荷情况，有功负荷计算中，取各负荷的额定有功和变压器所耗的有功之和。

柴油发电机和储能系统同时供电阶段：计算得PL∑=1380.4kW，对比柴油发电机和储能系统同时供电阶段黑启动电源有功容量3020kW，有PS∑＞PL∑。因此黑启动电源有功容量满足要求。

2.4 黑启动无功负荷计算

电机启动方式、运行状态不同，所需无功也大不相同：电机工频启动过程中，启动电流是额定电流的6～8倍（按8倍取值），此时电流基本是无功电流；在变频启动时，启动电流是额定电流的2～3倍（按3倍取值），此时电流也基本是无功电流；稳态运行时，所需的最大无功功率为额定无功。因此在计算黑启动无功负荷时，需将稳态运行和启动过程分开，分别计算。此外还需考虑到变压器励磁涌流的影响。而协鑫电厂黑启动柴油发电机采用零起升压的模式启动，不存在励磁涌流的问题，因此在计算无功负荷时不考虑变压器励磁涌流的影响。

稳态运行时，各厂用负荷（电机）的无功按额定无功功率计算，同时计入黑启动变压器所需的无功。

表2 柴油发电机和储能系统同时供电阶段

表2中各阶段所对应的负荷名称表示该阶段正在启动的电机/负荷，计算时，根据启动方式取8倍或3倍额定无功计入QL∑；在该阶段之前的负荷处于稳定运行状态，取其额定无功计入QL∑。由表2数据可看出，在黑启动各个阶段无功负荷大少各不相同。在保安电源恢复阶段最大无功负荷为448.9kVar，小于2488.90kVar的黑启动电源无功容量；在同时供电阶段最大无功负荷为1745.24kVar，小于2737.28kVar的黑启动电源无功容量。因此，在整个启动过程中黑启动电源无功容量满足要求。

由该电厂的改造情况论证，当全厂发生停电事故时，可确保9E燃机黑启动系统正常运行。相对于只设置保安电源的9E燃机机组，经改造后的燃机柴油发电机+储能结合供电方式安全系数更高，因而具有较好的推广价值。