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柴油发电机组的黑启动原理 |
所谓黑启动，是指在重大系统故障或全系统范围停电的情况下，在没有电网支持的情况下重启无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复。简单来讲黑启动的目的就是以最快速度启动更多发电电源，从而恢复更多的发电能力。业内部分人士将“黑启动”形象的比喻为电网的“打火机”。
一、保安电源
发电厂按使用能源划分有下述基本类型：火力发电厂（火电厂）、水力发电厂以（水电站）及核能发电厂（核电站）等等。火力发电厂的发电机组按照原动机的形式，又可分成燃煤的汽轮发电机组、燃气轮机发电机组，两者优点的高效率的燃气轮机-汽轮机联合循环发电机组。由于600MW级及1000MW级的超临界燃煤汽轮发电机组的国产化技术成熟，效率明显高于300MW级及以下的小功率发电机组，相应排放也优于小功率发电机组，国家出台了燃煤火力发电厂“上大压小”的政策，按照该政策，除非是分布式能源配套项目、热电联产发电机组或者钢铁厂等用电大户的自备电厂等项目，新建的燃煤火力发电厂只核建600MW级及以上汽轮发电机组。
另外，随着环境压力的日益严峻，新建的燃煤火力发电厂需要同步配套建设脱硫、脱硝以及除尘等环保设施，国家电厂上网电价政策中，也考虑到了电厂的环保成本并进行相应补贴。我国煤炭资源丰富，因此火力发电厂占有发电市场绝大部分份额，近年来随着太阳能板价格的下降带来发电成本的下降，新能源发电竞争力的提高，以及国家对节能减排和环保问题的重视，将大力发展清洁能源和可再生能源，燃煤火力发电厂的份额持续下降，而燃气火力发电厂，水力发电厂，核能发电厂以及其他可再生能源类型的发电厂，包括地热发电厂、潮汐发电厂和太阳能发电厂等占有的发电市场份额在不断提高。其中，火力发电厂，水力发电厂，核能发电厂由于事关人身安全和设备安全的设备众多，相关规范和标准一直都有配套后备保安柴油发电机组的要求，特别是2011年日本大地震引发海啸导致的福岛第一核电站事故，对电厂保安柴油发电机组的重要性敲响了警钟，各国对保安柴油发电机组的重视程度空前提高，在国内核电站的安全应对措施中有一个PF项目（Post Fukushima nuclear power plant accident），其中很重要的一项就包括对核电站配套的后备柴油发电机组的结构形式、冗余备份程度、机动能力和容量进行重新评估，在原来已经配置的机房安装的固定式后备柴油发电机组和大容量储能蓄电池的基础上，增加移动式后备柴油发电机组以及集中存放，具备直升机投放、快速机动能力的移动式后备柴油发电机组。
现阶段火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂针对保安柴油发电机组分别出台了相关规范及标准，包括适用于火力发电厂的《GB 50660-2011大中型火力发电厂设计规范》、《DL／T5153-2014火力发电厂厂用电设计技术规程》，适用于水力发电厂的《NB／T 35044-2014水力发电厂厂用电设计规程》和适用于核能发电厂的《EJ／T625-2004核电厂备用电源用柴油发电机组准则》、《GB／T 12788-2000核电厂安全级电力系统准则》以及《EJ／T639-1992核电厂安全级电力系统及设备保护准则》，对不同类型发电厂的保安柴油发电机组的技术指标、控制功能、容量和选型都提出了具体的要求。
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保安电源柴油发电机组系统图 |
二、黑启动的定义
除配置前述的保安柴油发电机组外，在一些电网调度指定的个别需要具备黑启动功能的发电厂，还需要配置黑启动柴油发电机组，当然也可以通过优化电气主接线，将上述保安柴油发电机组和黑启动柴油发电机组合二为一，统一考虑容量及选型，合并设置一台具备黑启动能力的保安柴油发电机组。
所谓黑启动，是指大面积停电后的系统自恢复，整个系统因故障停运后，系统全部停电（不排除孤立小电网仍维持运行），处于全“黑”状态，不依赖别的网络帮助，通过系统中具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复。由于燃煤发电厂启动工艺流程复杂，辅助设备功率较大，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，因此常采用柴油发电机组作为燃煤发电厂的黑启动电源。发电机组具有黑启动功能不仅是电站在全厂失电情况下安全生产自救的必要措施，也是电网发展的需要。
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黑启动柴油发电机组技术 |
柴油发电机组黑启动监控系统 |
三、黑启动发电机组设计选型
1、 发电机组类型
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、建议采用并机模式
发电机的稳定稳定可靠经济性好。
3、发电机组动力源可靠性
选择发电机组厂家，有做过发电机组黑启动的作为首先推荐。因为黑启动电源一般都是高压发电机组。必须经过高压测试。而当前发电机组制造商水平层次不齐。
四、黑启动机组配置类型
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、多发电机组并行
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发电机组并联的方式。而且，小发电机组的启动成功率远大于大发电机组。缺点是要考虑小发电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（建议采用永磁机发电机组），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。
五、电厂使用黑启动的原因
1、为什么大规模停电要持续很久不能修复呢？很久是多久，24小时恢复60%算不算久呢?
因为这些火电发电机组其实是要边发电边用电的，尤其是发电机组一旦停转，启动过程可从几十分钟到几个小时不等，这个过程中无法供应电量。
（1）一旦大停电事故，系统会开始分割并形成小的电力孤岛；
（2）然后各类黑启动服务商：发电机组开始发力，使各个电力孤岛开始内部运转，让区域内更多的负载亮起来；
（3）以及非黑启动发电机组通过从孤岛电网获得电力并重启系统频率回到稳定区间；
（4）更多的分布式发电机组也开始发力多个孤岛系统开启连接，最后回到大电网稳定运行的状态。
2、黑启动发电机组案例
在电网大面积停电后，采取电网黑启动措施，将大大减少电网停电时间，尽快恢复电网的正常运行。
（1）案例一
某电厂由两台30MW汽轮发电机组成，以供热、供气、发电综合运行。在电厂建设初期，用外部电网临时将辅机带起来，当电厂建成后，汽轮发电机由柴油发电机来启动，整个电厂形成一个完全独立的自备电站。
柴油发电机组主要负载为高压给水泵，高压循环水泵、高压引风机，高压送风机，高压负载根据工艺要求顺序启动，因1000kW高压给水泵启动容量较大，在柴油发电机已带部分负载情况下，启动高压给水泵会导致柴油发电机组较大的电压跌落，因此对高压给水泵采用变频器的启动方式，不采用软起动器来启动是因为软起动器仍需较大起动容量，而且启动力矩受限，存在谐波等问题，采用变频器启动容量小，启动力矩大，启动完成后，还可通过改变变频器频率进行节能运行。
（2）案例二
2005年9月26日，受第18号台风“达维”的影响，海南省发生了罕见的全省范围大面积停电，当时负责运营处于孤岛运行的海南电网的广东电网公司子公司海南电网公司立即实施了黑启动方案，这是国内当时第一次实战的“黑启动”。在正式下达“黑启动”命令后仅1h25min，就有电厂宣告“黑启动”成功，系统开始逐步恢复供电。
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