CN111934349A - 一种基于孤立电网黑启动的柴油机容量优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于孤立电网黑启动的柴油机容量优化方法，属于电网黑启动柴油机容量优化领域，通过建立黑启动电厂的电路模型，通过简化电路模型，计算得出单台最大辅机设备对于黑启动过程电压的影响，从而优化黑启动柴油机的容量，同时根据已有的黑启动柴油机容量计算方法，根据现场黑启动辅机的启动方式，不仅仅计算单台最大功率辅机设备对系统的影响，同时考虑其启动方式，验算非变频启动方式下最大单台辅机功率对于系统的影响，同时考虑实际工程中柴油发电机的功率和容量之间可能存在着较大的差别，考虑整个黑启动过程中的有功需求与总容量之间的关系，得出一套完善的适用于孤立电网黑启动柴油机容量优化方案。

Description

一种基于孤立电网黑启动的柴油机容量优化方法

技术领域

本发明属于电网黑启动柴油机容量优化领域，更具体地，涉及一种针对孤立电网黑启动惯量小的场景下的黑启动柴油机容量优化方法。

背景技术

黑启动是指整个电网系统故障后或者机组首次投运时，系统处于全‘黑’状态，通过系统中具有自启动能力机组的启动，带动无自启动能力机组，逐步扩大供电范围，实现该电力系统的恢复过程。

孤立电网的黑启动不同于大网黑启动，孤立电网由于系统小，系统惯量小，单台辅机设备功率对于黑启动过程影响更大，系统抗干扰能力差，目前黑启动的研究多为大电网的研究，涉及孤网或者是微电网的黑启动主要采用其它分布式电源，而黑启动的关键问题在于如何选择黑启动电源，目前我国具备黑启动能力的电源有水轮机发电厂和燃煤发电厂。其中水轮机组作为水力电厂的黑启动电源，具有辅助设备简易，启动速度快等其它优点，被广泛采用。燃煤发电机组启动工艺流程相对较复杂，辅机设备的功率较大，需要的厂用电量较大，对具有自启动能力的发电机组要求非常高。而依靠电池启动的柴油发电机组启动迅速，具有快速的带载能力，一步加载能力强，系统简单可靠等特点。

因此通常选用柴油发电机组作为燃煤发电厂的黑启动电源。在火电厂中，系统黑启动的工艺流程较为复杂，辅机类型和数量较多，并且全部为异步电动机类型，异步电动机启动时，启动电流大启动转矩小，启动时转差率为1，异步电动机属于“堵转”运行，将对整个电力系统产生较大的冲击，造成厂用段母线电压的降落，甚至可能造成其它辅机设备的跳闸，厂用段电压大幅度降落的原因是大容量的异步电动机启动时吸收了大量的无功，而黑启动时依赖柴油发电机提供的电源容量非常有限，此时容易造成大功率异步电动机启动时厂用段母线电压的大幅度降低，可能造成辅机设备的启动失败，情况严重还有可能造成火电厂黑启动失败，而孤立电网由单台大功率辅机设备所造成的冲击对系统影响更加显著，虽然柴油发电机作为黑启动的电源已经有相关的应用，但对于孤立电网完全以柴油机作为黑启动电源的案例并不多，对于其容量选择并不明确。

因此，如何结合设计规程中对于保安负荷起作用的备用柴油机发电机组容量计算公式，总结出一套完善的适用于孤立电网黑启动柴油机容量优化方案是目前亟需解决的技术难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于孤立电网黑启动的柴油机容量优化方法，由此解决现有孤立电网以柴油机作为黑启动电源存在一定局限性的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于孤立电网黑启动的柴油机容量优化方法，包括：

(1)列出孤立电网黑启动辅机启动顺序方案表，并获取孤立电网黑启动柴油机相关出厂数据，其中，所述辅机启动顺序方案表用于表示孤立电网黑启动负荷顺序及启动容量表；

(2)依据孤立电网黑启动全部负载依次投入计算孤立电网黑启动柴油机机组容量；

(3)依据发电机短时过负载能力计算孤立电网柴油机机组容量，根据所述辅机启动顺序方案表中各辅机不同的启动方式应用不同的计算方案；

(4)基于黑启动电厂等效电路模型，根据最大负载加载时允许的电压降计算柴油机机组容量，同时根据实际中黑启动过程中辅机启动方式主要采取直接全压启动和变频启动两类，忽略变频启动的异步电动机冲击过程，考虑全压启动时单台最大功率的辅机对于系统压降的影响；

(5)校验孤立电网黑启动柴油机机组有功功率平衡，考虑现场机组的持续带负荷能力，同时考虑黑启动过程中峰值功率对于柴油机容量的约束。

优选地，所述辅机启动顺序方案表中包括各个辅机的启动顺序、启动功率、额定功率、电压等级、计算功率、启动方式及全厂辅机的平均功率因素；所述孤立电网黑启动柴油机相关出厂数据包括暂态电抗、额定功率、短时过负载能力及功率曲线。

优选地，步骤(2)包括：

由

依据孤立电网黑启动全部负载依次投入计算孤立电网黑启动柴油机机组容量，其中，Se₁为满足全部负载依次投入下的柴油机组容量，P_d为单台发电机的功率，λ为发电机组的功率因素，cosΦ_a为全部负载的功率因素，n为所需柴油机的台数，P_i表示黑启动第i个辅机负荷的有功功率。

优选地，步骤(3)包括：

由max{Se₂ Se'₂}依据发电机短时过负载能力计算孤立电网柴油机机组容量，其中，Se₂表示最大一台辅机设备采用直接全压启动方式时，对柴油机容量短时过负载能力的校验，Se'₂表示考虑非变频启动辅机设备后的柴油机组所需容量。

优选地，步骤(4)包括：

由

根据最大负载加载时允许的电压降计算柴油机机组容量Se₃，其中，U_m表示电动机正常启动时厂用母线电压，P_m表示最大负荷启动负荷容量，K_q表示最大负载启动时的启动电流倍数，X'_d表示柴油机的暂态电抗标幺值，ΣS_a表示最大单台辅机启动前，欲接负载总容量，cosΦ_b表示最大负载的功率因素。

优选地，步骤(5)包括：

由

确定柴油发电机的修正系数α，P_r为柴油发电机的实际输出功率，P_N为柴油机的额定功率；

由

校验柴油机的有功功率，P_T为柴油发电机总的有功出力，

为黑启动辅机负荷总的有功功率，cosΦ_N为柴油发电机的额定功率因素，校验时考虑的环境因素需要满足：

Se表示柴油发电机组的总容量；

在黑启动过程中，由已运行的异步电动机总功率和将要启动的异步电动机的最大启动功率之和确定黑启动负荷的峰值功率；

由Se_end＝max{Se₁ Se₂ Se₃ Se'₂ Se}选择最大计算容量，根据实际工程选择是否需要备用柴油机组，如果需要备用或停机检修，则增加柴油发电机数量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：根据孤立电网黑启动过程中辅机的启动方式，同时考虑变频启动和非变频启动方式下的最大单台辅机设备对于系统冲击的影响。据实际的黑启动电厂的电路等效模型计算辅机设备对于黑启动母线电压的影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种孤立电网黑启动电厂电路拓扑；

图2是本发明实施例提供的一种孤立电网黑启动电厂接辅机后等效电路图；

图3是本发明实施例提供的一种孤立电网黑启动柴油机容量优化流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

针对实际的孤立电网黑启动工程中利用柴油发电机进行黑启动中存在的电压跌落所造成的辅机设备启动失败，以及黑启动过程中冲击负荷对于整个系统的影响，可以通过建立黑启动电厂的电路模型，通过简化电路模型，计算得出单台最大辅机设备对于黑启动过程电压的影响，从而优化黑启动柴油机的容量，同时根据已有的黑启动柴油机容量计算方法，根据现场黑启动辅机的启动方式，不仅仅计算单台最大功率辅机设备对系统的影响，同时考虑其启动方式，验算非变频启动方式下最大单台辅机功率对于系统的影响，同时考虑实际工程中柴油发电机的功率和容量之间可能存在着较大的差别，考虑整个黑启动过程中的有功需求与总容量之间的关系。

以下结合实施例对本发明进行详细说明。

如图3所示是本发明实施例提供的一种孤立电网黑启动柴油机容量优化流程示意图，包括：

(1)列出孤立电网黑启动辅机启动顺序方案表；

孤立电网火电厂黑启动辅机设备繁多，工艺流程复杂，各个辅机设备功率大小不一，电压等级不一，因此有必要根据现场的黑启动方案整理出一套与现场契合的黑启动顺序方案表，如表1所示，表示孤立电网黑启动负荷顺序及启动容量表，所列出的辅机是黑启动方案中必要的大型辅机，数据包括各个辅机的额定功率、启动功率、电压等级、计算功率及启动方式，大功率辅机设备的启动方式对于孤立电网黑启动过程影响大，需要标明大功率的启动方式；

表1

同时计算出最大单台辅机设备接入前系统总接入的负荷容量∑S_a，同时计算出最大负载的启动功率因素cosΦ₁，最大负载正常运行时的功率因素cosΦ_b，考虑线路压降后的厂用电母线所能允许的最大电压降落，分析最大负载启动时的启动电流倍数K_q，以及工程中所有辅机负荷的平均功率因素。如表2所示为火电机组启动过程中负荷参数；

表2

对于柴油机的相关参数需要知道柴油机的暂态电抗X'_d，用于计算辅机设备对电厂压降的影响，同时需要计算最大柴油机受环境因素的影响下能够持续带负载的能力，以及柴油发电机的短时带负载能力，如表3所示表示孤立电网黑启动柴油机参数；

表3

前面参数的明确是保证后面的计算约束能够适用于现场的前提。

(2)依据孤立电网黑启动全部负载依次投入计算孤立电网黑启动柴油机机组容量；

孤立电网黑启动柴油发电机组的负荷计算原则与电厂厂用变负荷计算原则相同，只考虑机组启动过程中需要运行的辅机设备，其容量不能小于实际投入运行负荷累计值，不能直接采用换算系数法来计算黑启动的总负荷，柴油发电机容量的计算式如下：

Se₁为满足全部负载依次投入下的柴油机组容量，P_d为单台发电机的功率，λ为发电机组的功率因素，cosΦ_a为全部负载的功率因素，n为所需柴油机的台数，P_i表示黑启动第i个辅机负荷的有功功率，上面的公式主要考虑柴油发电机组带全部负载时的容量约束，然而由于柴油发电机组现场的运行环境与额定概况相差甚大，因此需要同时考虑柴油机的有功平衡约束。

(3)依据发电机短时过负荷能力计算孤立电网柴油机容量，根据辅机启动顺序方案表中各辅机不同的启动方式应用不同的计算方案，非变频启动的辅机电流冲击影响较大，选取电流倍数时较大，同时启动时间较短，对于柴油机的短时过载能力要求较高，而变频启动的辅机电流冲击倍数较小，启动时间相对较长，辅机启动方式影响在电流倍数的选取和短时过负载能力倍数的选取；

按照黑启动柴油机带负荷启动一台最大容量电动机短时过负载能力进行校验，发电机在热状态下，能承受150％的额定容量，时间为30s《火力发电厂厂用电设计技术规程》(DL/T 5153-2014)附录D规定发电机容量校验如下所示:

其中，K_q表示最大负载启动时的启动电流倍数，K表示平均换算系数，P_m表示最大负荷启动负荷容量。

如果最大一台辅机设备采用直接全压启动方式，电机的实际启动时间小于10这种情况下，黑启动柴油发电机组允许过负荷能力至少为250％，因此：

由于现场的给水泵为汽动给水泵，因此最大一台辅机选择的是引风机，一般情况给水泵的功率为因此需要黑启动过程中为最大功率的辅机设备，因此需要验证除给水泵外最大单台辅机设备对柴油机短时过负载能力的校验。

如果现场最大单台辅机采用的是变频启动的方式，由于变频启动能够有效降低启动电流倍数，因此需要同时计算出除变频启动外最大单台辅机设备对于发电机短时过负载能力的校验。现场非变频启动方式外最大单台辅机设备为送风机，因此需要计算非变频启动方式下的容量；

Se'₂为考虑非变频启动辅机设备后的柴油机组所需容量，K'_q为非变频启动最大单台辅机设备的启动电流倍数。

因此依据发电机短时过负荷能力计算柴油机容量：

max{Se₂ Se'₂} (6)

(4)根据最大负载加载时允许的电压降计算柴油机组容量；

电机启动时，会引起厂用段母线电压低于额定值，为避免影响母线上其它运行电动机，《火力发电厂厂用电设计技术规程》(DL/T 5153-2014)中规定最大容量电动机正常启动时，厂用母线不应低于80％，同时各个辅机设备的正常运行时也有电压范围，本发明实施例考虑到柴油机黑启动母线到厂用电母线有大约两公里的线路，因此会产生一定的压降，故在计算中厂用母线电压按不低于额定值的85％考虑。

结合图1和图2，将公用A段和公用B段负荷等值到厂用A段和厂用B段，发电机和异步电动机等值后，以电抗值代替阻抗值，得到了图2所示的等效电路图。

影响电压跌幅原因很多，例如电动机的启动电流、作为启动电源的柴油发电机容量和调节特性等等，电动机正常启动时厂用母线电压按照下式(7)简化计算，假定最大负荷出现在公用母线A段或者厂用A段，各个元件的电抗值近似等于阻抗值，因此：

其中，U₀为A段母线空载电压，，对于算例黑启动柴油发电机来说，出口电压比用电设备额定电压高5％，故可取U₀为1.05。S₁(A)表示最大容量电机启动前，厂用A段母线上已有负荷的标幺值，S_q(A)为最大负荷启动容量的标幺值；Se₃为根据最大负载加载时允许的电压降计算柴油机组容量。

S₁(A)＝∑S_a/Se (8)

S_q(A)＝K_q*P_m/Se*cosΦ_b (9)

Se表示柴油发电机组的总容量，黑启动厂用负荷中最大单台辅机设备为变频启动的引风机K_q＝1.5，由于辅机负荷在A段母线和B段母线基本相似分布，大辅机设备在A段只有循环水泵，因此可以计算得出Se₃。

如果孤立电网黑启动过程中大辅机设备为变频启动，因此需要同时计算出非变频启动的最大单台辅机对于整个系统的影响，变频启动方式下的最大单台辅机由于变频启动电流大大降低，对于整个母线电压影响不大，因此有必要计算非变频启动方式下的母线电压降落。

(5)校验孤立电网黑启动柴油机机组容量；

柴油发电机的输出功率受环境的影响，当实际使用地点的环境条件异于标准使用条件时，对柴油机的输出功率应该进行校正，现场由于施工环境恶劣，柴油发电机的平均输出功率远远达不到额定功率。因此需要对柴油发电机的输出功率进行校正，柴油机数据为柴油机额定功率为1800kW，长时间工作运行最大功率为1200kW；因此柴油发电机的修正系数采用1200KW，修正系数α为：

其中，P_r为柴油发电机的实际输出功率，P_N为柴油机的额定功率，由于采用修正系数以后柴油发电机的容量和有功之间出现较大的差值，因此除了校验柴油机容量之外，还有必要校验柴油机的有功功率是否满足，否则会导致柴油机制动，因此必须满足：

P_T＝αcosΦ_NSe (13)

其中，P_T为柴油发电机总的有功出力，

为黑启动辅机负荷总的有功功率，α为修正系数，cosΦ_N为柴油发电机的额定功率因素，因此校验时考虑环境因素需要满足：

黑启动过程中一定会出现峰值功率，因此要求柴油发电机组具有抗冲击负荷的能力即黑启动柴油发电机的柴油机制动功率一般按照发电机的主功率1.1倍配置，在黑启动过程中，黑启动负荷的峰值功率由已运行的电机功率和正在启动的电动机的最大启动功率构成，因此其计算式为：

1.1Pe≥P₀+P_q≥P₀+1.86P_m (15)

其中，Pe为柴油发电机组的额定功率，P_q为柴油发电机的启动功率，P₀为已投入运行的电动机功率。

计算完毕后选择，选择上述约束条件下的最大计算容量，根据实际工程需要选择是否需要备用柴油机组，如果需要备用或停机检修，则需要在来原来计算的基础上面增加一至两台柴油发电机组。

Se_end＝max{Se₁ Se₂ Se₃ Se'₂ Se} (16)

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于孤立电网黑启动的柴油机容量优化方法，其特征在于，包括：

(1)列出孤立电网黑启动辅机启动顺序方案表，并获取孤立电网黑启动柴油机相关出厂数据，其中，所述辅机启动顺序方案表用于表示孤立电网黑启动负荷顺序及启动容量表；

(2)依据孤立电网黑启动全部负载依次投入计算孤立电网黑启动柴油机机组容量；

(3)依据发电机短时过负载能力计算孤立电网柴油机机组容量，根据所述辅机启动顺序方案表中各辅机不同的启动方式应用不同的计算方案；

(4)基于黑启动电厂等效电路模型，根据最大负载加载时允许的电压降计算柴油机机组容量，同时根据实际中黑启动过程中辅机启动方式主要采取直接全压启动和变频启动两类，忽略变频启动的异步电动机冲击过程，考虑全压启动时单台最大功率的辅机对于系统压降的影响；

(5)校验孤立电网黑启动柴油机机组有功功率平衡，考虑现场机组的持续带负荷能力，同时考虑黑启动过程中峰值功率对于柴油机容量的约束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辅机启动顺序方案表中包括各个辅机的启动顺序、启动功率、额定功率、电压等级、计算功率、启动方式及全厂辅机的平均功率因素；所述孤立电网黑启动柴油机相关出厂数据包括暂态电抗、额定功率、短时过负载能力及功率曲线。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：由

依据孤立电网黑启动全部负载依次投入计算孤立电网黑启动柴油机机组容量，其中，Se₁为满足全部负载依次投入下的柴油机组容量，P_d为单台发电机的功率，λ为发电机组的功率因素，cosΦ_a为全部负载的功率因素，n为所需柴油机的台数，P_i表示黑启动第i个辅机负荷的有功功率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)包括：

由max{Se₂ Se'₂}依据发电机短时过负载能力计算孤立电网柴油机机组容量，其中，Se₂表示最大一台辅机设备采用直接全压启动方式时，对柴油机容量短时过负载能力的校验，Se'₂表示考虑非变频启动辅机设备后的柴油机组所需容量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)包括：

由

根据最大负载加载时允许的电压降计算柴油机机组容量Se₃，其中，U_m表示电动机正常启动时厂用母线电压，P_m表示最大负荷启动负荷容量，K_q表示最大负载启动时的启动电流倍数，X'_d表示柴油机的暂态电抗标幺值，ΣS_a表示最大单台辅机启动前，欲接负载总容量，cosΦ_b表示最大负载的功率因素。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(5)包括：

由

确定柴油发电机的修正系数α，P_r为柴油发电机的实际输出功率，P_N为柴油机的额定功率；

由

校验柴油机的有功功率，P_T为柴油发电机总的有功出力，

为黑启动辅机负荷总的有功功率，cosΦ_N为柴油发电机的额定功率因素，校验时考虑的环境因素需要满足：

Se表示柴油发电机组的总容量；

在黑启动过程中，由已运行的异步电动机总功率和即将启动的异步电动机的最大启动功率之和确定黑启动负荷的峰值功率；

由Se_end＝max{Se₁ Se₂ Se₃ Se'₂ Se}选择最大计算容量，根据实际工程选择是否需要备用柴油机组，如果需要备用或停机检修，则增加柴油发电机数量。

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