9F级大型燃机储能黑启动技术探讨

董家华，陈亚鹏，练小斌

(国家电投集团珠海横琴热电有限公司，广东珠海 519000)

0 引言

黑启动是指电网因故停止电力供应的情况下，发电机组不依靠外部电源实现机组自启动并逐步恢复电网供电范围，最终实现整个电网供电恢复。近年来，受全球气候变化影响，极端天气对我国影响愈加严重，先后引发了南方冰灾、海南电网停电、珠澳电网停电等区域性停电事故[1-2]，给当地生产生活带来了巨大的影响。

根据停电事故对社会的影响程度，国内各地电网因地制宜制定了具体的黑启动预案并进行了模拟演练，如北京和上海地区，分别选择十三陵抽水蓄能电站、闸北燃机电站作为黑启动机组[3-4]。

珠三角地区是我国经济最发达的地区之一，也是我国南方区域的电力负荷中心。当地电力以火电机组为主，电力供给对外依存度高。在电网停电事故时，研究依靠当地发电机组快速恢复局部电力供应，显得尤其重要[5]。

燃机电站具有启动速度快、辅机设备少、靠近负荷中心等优点，是除水电机组外最佳的黑启动电源。目前已知具备黑启动功能的燃机均为6B、9E级中小型燃机，对启动电源容量要求不高，采用蓄电池组或柴油机等即可满足[6]。相对而言，大型燃机电站，往往不具备单循环功能，机组启动负荷还需考虑余热锅炉及汽轮机辅助设备用电，启动电源容量高得多。采用多套柴油发电机组提供启动电源，也能满足机组黑启动需求[7]，但存在并网协同性差、设备利用率低、经济效益差等缺点。

随着储能技术发展，储能电站在国内投运业绩越来越多。国内亦有针对北方风资源丰富区域开展储能型风电场作为局域电网黑启动电源的相关研究[8]。从技术方面，本文论述了采用电池储能技术实现大型燃机黑启动的可行性。

1 电厂概述

该电厂目前建有2×390 MW燃气-蒸汽联合循环机组，采用一拖一多轴布置方式，每套机组含一台GE 9F系列低NOx燃气发电机组、一台余热锅炉与汽轮发电机组。

每套机组采用发电机-变压器组联合单元接线，经两回220 kV线路接入电网。其中，两回变压器组-线路单元间内桥接线，燃机发电机、汽机发电机出口分别装有发电机出口断路器GCB。每套机组6 kV厂用电，经高压厂变取自机组燃机主变。电厂主接线见图1。

2 机组正常启动厂用电负荷分析

电厂燃机不具备单循环功能，燃机启动前需启动余热锅炉和汽轮机辅助系统。具备启动条件后，由燃机控制系统控制LCI变频启动装置和燃机励磁输出相应的电压电流至发电机定转子回路，使燃机发电机工作在同步电动机工况，拖动燃气轮机至相应转速，程序执行清吹、点火、暖机、升速等工作。燃气轮机转速升至90%全转速时后，LCI变频启动装置和燃机励磁退出工作。至全转速后，燃机通过检同期方式并网，并网点为燃机发电机出口断路器。

图1 某电厂电气主接线示意图

机组启动期间需启动的主要厂用电辅助设备，如表1所示。

图2为电厂2018年11月21日启动时DCS记录的厂高变高侧有功、电流曲线。查DCS知，主要辅助设备启动顺序如下：12时40分启动凝结水泵；13时55分，启动循环水泵；14时27分，变频启动高压给水泵；15时04分，LCI启动带燃气轮机冲转，15时53分燃机并网。还可看出，在凝结水泵启动前，厂用电负荷约1.43 MW、67.7 A；启动期间厂用电最大负荷出现在LCI拖动燃气轮机冲转期间，约11.56 MW、488 A；燃机并网后厂用电负荷降至2.71 MW、145 A。

表1 机组启动期间需启动6 kV辅助设备明细

图2 2号机组启动期间DCS曲线

储能系统用作机组的启动电源时，同样应满足机组启动负荷特性需求。具体为：

(1)储能系统放电电量，应满足机组启动期间电量需求，并留有一定裕度。

(2)储能系统放电容量，除应满足机组启动期间最大负荷需求外，还应满足最大容量电机的工频启动需求，并留有一定裕度。

机组正常方式启动时，厂用电均由机组厂高变经燃机主变从电网倒送电方式获取。机组启动期间的厂用电量可从燃机主变电度表冻结的反向电量查询。去年6月24日07∶00至8月24日00∶00期间，电厂#2机组共10次启动记录，对应#3燃机主变电度表冻结的反向电量见表2，可知机组启动平均用电量约8.95 MW·h。

表2 3号燃机主变电度表反向电量数据

*表计倍率2 200×1 000。

根据图2核算该次机组启动期间的用电量。

取凝结水泵启动前1 h(11时40分)作为机组启动开始时间，至燃机并网时消耗的厂用电约9.49 MW·h，即燃机顺利启动的用电量。考虑燃机首次冲转或并网存在失败可能，再次启动时厂用电量；若取LCI启动时(15时04分)作为再次启动开始时刻，至燃机并网时消耗的厂用电约3.36 MW·h；合计为12.85 MW·h。

为应对台风可预知性灾害时可能出现的黑启动需求，在电厂当地出现台风预警时，可提前将储能系统充电至较高电量水平。储能系统放电效率取85%，可释放电量取80%，根据图2的核算结果，储能系统电量应不小于18.89 MW·h。

校核最大容量电机工频启动时所需的容量。由图1知，高压给水泵启动前厂用电负荷约2.75 MW、123 A，工频自启动系数取6.5时，对应的储能系统容量为17.65 MVA，大于机组启动期间最大负荷。

综上可知，储能系统按20 MW/20 MW·h规模配置时，能满足机组黑启动需求。

3 接入系统分析

机组满负荷时，厂高变负荷约7 MVA，表3为电厂2号机组满负荷时6 kV厂用电负荷明细。由表3可知，6 kV A段负荷电流在180～560 A范围时，对应的6 kV B段负荷电流在438～56 A范围。电厂厂高变容量30 MVA，具备接入20 MW储能系统的条件。下面校核6 kV母线接入储能的最大能力。

表3 机组满负荷运行时6kV厂用电负荷

机组6 kV母线电源开关额定电流、6 kV母线额定电流均为1 600 A。单段6 kV母线可接入储能容量最大值分别为：6 kV A段，11.34 MW、6 kV B段12.67 MW；即具备接入10 MW/10 MW·h的条件。

综上可知，20 MW/20 MW·h储能系统，可分为2个10 MW/10 MW·h子系统方式接入机组6 kV母线。

4 储能系统配置介绍

参考国内外已投运项目，储能系统采用户外集装箱方式布置，分为电池集装箱、功率集装箱、电气集装箱、控制集装箱。

电池集装箱由多组锂电芯组合的电池簇和电池模块、BMS及消防系统、通风制冷系统、直流汇流柜组成。结合目前技术，单个电池集装箱规模最大可配置为1.5 MW/1.5 MW·h。

功率集装箱由双向变流器、升压变压器组成，为交直流电能转换的关键环节。结合目前技术，单个功率集装箱规模最大可配置为3 MVA左右。

电气集装箱由6 kV开关柜及低压辅助屏柜组成，向上向下连接功率集装箱与6 kV母线。

控制集装箱是整个储能系统的核心，由EMS能量管理系统组成，检测电池储能设备的状态及电量信息，控制储能系统充放电功率。

5 储能黑启动方案介绍

该电厂接入电网故障时，燃机主变、汽机主变全停且厂用电中断。此时，储能系统提供机组启动所需的电源，采用零起升压方式恢复所启动机组的厂用电，根据厂用电恢复范围的不同，有如下两种黑启动方式。

方式1：厂用电恢复范围为所启动机组6 kV及380 V厂用电。厂用电恢复后，机组按正常方式启动，LCI将燃机拖至全转速后，选择死母线方式合燃机发电机出口断路器GCB。燃机励磁对“燃机发电机-燃机主变-汽机主变-燃机厂高变”整体进行零起升压，升至额定电压后，储能系统带厂用电并列至燃机厂高变，并网点为6 kV母线工作电源开关。

方式2：与方式1不同的是，厂用电恢复范围除启动机组6 kV及380 V厂用电外，还包括启动机组“燃机主变-汽机主变-燃机厂高变”。厂用电恢复后，机组按正常方式启动，LCI将燃机拖至全转速后，采用检同期方式合GCB，并网点为燃机发电机出口断路器。

可以看出，无论采用哪一种启动方式，储能用作机组黑启动电源时，应具备如下基本功能：

(1)具备工频零起升压恢复厂用电功能。相对而言，方式2厂用电恢复范围广，要求储能系统具备较强的初始工频零起升压能力。

(2)储能系统应适应机组启动及并网过程中负荷冲击的能力。除能承受机组启动期间6kV电机工频启动冲击负荷外，还能承受储能带厂用电与燃机发电机并列过程中的冲击，不出现厂用电负荷中断的现象。

6 结语

本文从分析燃机正常启动时负荷特性入手，提出了储能系统用作机组黑启动电源时容量和电量要求，论述了储能系统的接入方案。在此基础上，进一步探讨了储能系统作为机组黑启动电源时的启动方式，并对机组黑启动用储能系统提出了性能要求。

需进一步说明的是，燃机电站全停时，储能系统同样存在外部电源丢失的问题，应重视储能系统自身工作电源的冗余设计，确保极端情况下储能系统工作的可靠性。

同时，大型燃机不具备单循环功能，存在大容量高压电机工频启动和LCI运行期间回馈高次谐波至6 kV厂用电的现象，应进一步研究二者对储能系统的影响，综合评选最优的黑启动方式。