微型燃气轮机发电系统在城市电网黑启动中的运用.docx
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微型燃气轮机发电系统在城市电网黑启动中的运用
微型燃气轮机发电系统在城市电网黑启动中的运用
第37卷第10期
2009年5月16日
电力系统保护与控制
PowerSystemProtectionandControl
Vbl-37NO.10
May16,2009
微型燃气轮机发电系统在城市电网黑启动中的运用
廖旭明,童家鹏,余涛
（1.广东电网公司东莞供电局,广东东莞511700;2.华南理工大学电力学院,广东广州510640）
摘要:
分布式发电不仅能提高供电的可靠性,同时也为用户及电网带来额外的益处.微型燃气轮机发电系统以其优越的性能
被称为最佳的分布式发电,将其引入电网的最后一道防线,重点分析微型燃气轮机在城市电网黑启动中的运用,研究微型燃
气轮机在黑启动过程中作为备用电源的特点,对微型燃气轮机空冲变压器所产生的励磁涌流及异步电动机负荷扰动进行仿真
研究,结果表明微型燃气轮机在城市电网黑启动中将扮演举足轻重的角色.
关键词:
微型燃气轮机;黑启动;励磁涌流;负荷冲击;仿真研究
Useofmicroturbinegenerationsystemforpowersystemblack-start
LIAOXu—ming,TONGJia.peng,YUTao
（1.DongguanPowerSupplyBureau,ChinaSouthernPowerGridCo.Ltd,Dongguan511700,China）
（2.CollegeofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China）
Abstract:
GridconnecteddistributedgenerationfDG）cannotonlyincreasereliability,butalSOprovideadditiona1benefitsfor
consumersaswellasutilities.Microturbine（MT）generationsystemisregardedasthebestwayofdistributedgenerationforits
excellentperformance.ThepaperintroducesMTaSaback—uppowersupplyduringpowersystemblack—start.Itemphasizeson
analyzingthecharacteristicsoftheMTasaback—uDpowersupplyandsimulatestheinrushcurrentofthetransformerandtheload
disturbarleeofasynchronousmotor.TheresultsindicatethatMTwillplayanimportantroleinblack—start.
ThisprojectiSsupportedbvNationalNaturalScienceFundationofChina（No.50807016）andNationalNatura1Science
FundationofGuangdongProvince（No.060300091）.
Kevwords:
microturbine:
black.start:
inrushcurrent;loaddisturbance:
simulation
中图分类号:
TM712文献标识码:
A文章编号:
1674.3415（2009）10.0083—06
0引言
随着电网规模的扩大,电力系统可靠性问题更
为突出,近年来大规模停电事故频频发生.2004年
/EEEPES年度学术会议上,与会专家针对大停电的
原因及防御对策进行专题讨论,普遍的结论认为,
由于大停电发生的原因错综复杂,即使使用现代化
技术也不可能完全防止,仅能运用一些有效的措施
来缩小事故范围和加快恢复时间【1】.几乎所有关于
大停电事故的文献都强调作为电网最后一道防线的
恢复控制的重要性【1】,因此,在重大事故导致系统
发生大停电之前制定黑启动（Black.start）方案显得
极其重要.
由于珠江三角洲这类负荷密度大的城市电网缺
基金项目:
国家自然科学基金项目（50807016）;广东省自
然科学基金项目（06300091）
乏水电机组,均以燃油电厂和燃气电厂作为地方发
电的主力电厂,当电网发生大规模停电时,燃油电
厂是这里唯一可靠的黑启动电源【4J.根据国家发改
委规定及广东电网”十一五规划”J:
效率低,环境
污染大的小火电机组将在未来五年中逐步退出运
行,将重点发展高效,大容量的核电,超临界燃煤
机组和燃气一蒸气联合循环机组.但这些新建机组
由于单机容量庞大（300MW以上）,一般电厂所配
应急柴油发电机由于缺乏足够的功率,仅能提供电
厂内的事故照明用电,启动时需依赖外部电网,无
法实现机组的黑启动.上述的城市大电网将面临黑
启动电源缺失的尴尬境地.
仔细分析”8.14美加大停电”可以发现,美国最
大的储备和输送天然气的公司Dominion
Transmission却独善其身,在大停电后该公司旗下
的几条输送管道能够持续运行一天以上,因为这几
条输电管道均采用微型燃气轮机作为备用电源【oj.
..
84..电力系统保护与控制
微型燃气轮机（Microturbine）是一种新型的热能动
力系统,它具有寿命长,可靠性高,燃料适应性好,
环境污染小和便于灵活控制等优点f7】,因此被称为
最佳的分布式发电方式,典型的微型燃气轮机发电
系统如图1.上述DominionTransmission的例子是
微型燃气轮机作为备用电源的一个典范,减少停电
带来损失.本文将MT引入电网恢复控制,将其作
为黑启动过程中的备用电源,分析MT的结构,容
量及对黑启动方案的改进,重点研究MT空冲变压
器所产生的励磁涌流（InrushCurrent）和异步电动
机负荷冲击.仿真结果表明,电压型逆变器VSI
（VoltageSourceInverter）接口的MT系统能够将励
磁涌流限制在较低的水平,并能够很好地控制负荷
波动对MT影响,MT能够在黑启动这一特殊的过
程中扮演重要角色.
图l微型燃气轮机发电系统示意图
Fig.1Microturbinegene确的,
在其他情况下会存在小于5%的误差,排气温度方
程相对来说不是那么精确,但由于温度控制只在温
度参考值附近起作用,因此可以忽略其带来的影
响】.MT发电系统电气部分的模型详见文献[101,
文献【l1]对MT采用自抗扰控制,结果表明该控制
器能够很好地提高MT的稳定性及鲁棒性.
图2微型燃气轮机模型
Fig.2Microturbinemodel
1MT结构,模型及控制2MT的黑启动能力
MT有两种设计:
一种是将压缩机和气轮机安
装在同一轴上,得到一种高速的MT;另一种是裂
轴型设计,通过一个变速箱将3000rpm的汽轮机
与常规的发电机相连I8】,本文的研究对象是前者.
MT做功直接驱动高速永磁同步发电机（转速在
50000～120000r/min之间）发电,高频交流电流
经过整流器和逆变器,即”AC.DC.AC”变换转化为工
频交流电输送到交流电网.假定微型燃气轮机工作在
额定转速附近,且不考虑开机与停机的慢动态过程
在此基础上建立的微型燃气轮机模型如图2.
微型燃气轮机的控制包括转速控制（Speed
contro1）及加速度控制（Acceleratecontro1）,温度
控制（Temperaturecontro1）和燃料控制（Fuelflow
contro1）.转速控制在负荷变化时起主要作用,能够
适应黑启动过程快速变化的负荷;温度控制则起到
限制MT排气温度的作用,使其不受外界环境温度
和燃料特性的影响,同时补偿由测量系统时间常数
2.1MT备用能力
MT结构比较简单,将燃气轮机和发电机设计
成一体,转子和发电机同轴,因此整个系统只有一
个转动部件,几乎不需要维护,通常能够连续运行
8000h以上.快速自启动和极高的运行可靠性都是
传统电源无法比拟的.
MT系统的逆变器采用VSI（电压型逆变器）,
能够实现无源逆变,这使得它不仅可以并网运行,
而且可以孤立运行,两种状态之间转换只需要不到
10S的时间.这使得它在正常情况下作为分布式发
电向系统中送电,而在紧急事故下可以通过系统的
控制实现孤立运行,不仅为电厂提供保安用电,实
现电厂的黑启动,也能够为医院和国防等关键的部
门提供紧急用电;而传统的备用电源如柴油发电机
在正常情况下仅作为闲置的资产.30kW的MT通
常重量仅为几百千克,尺寸也仅比家用冰箱略大一
些,同时它既能以液态的煤油和柴油发电,也能使
廖旭明,等微型燃气轮机发电系统在城市电网黑启动中的运用-85-
用丙烷和天然气发电nz-,这使得它能够在诸如大冰
灾和地震这类紧急的情况下,方便地解决燃料供给
问题.
微型燃气轮机的容量一般在25～500kW之间,
6001000kW更大容量的MT已经进入生产和生活
中.MT在CERTS组织对微网（Microgrid）的研究
中发挥了重要的作用,该研究机构对两台微型燃气
轮机并联的性能进行试验【I引,一个天然气罐储存的
燃料能够提供两台MT满负荷运行长达7h以上,
而这些罐装天然气很容易从当地供应商中获得.显
然单台MT无法提供足够的备用能力,但Capstone
公司生产的PowerServerCPS100服务器能够将多达
100台微型燃气轮机整合为一体综合控制,这不仅
提高了发电效率,同时也得到了一个几百kW至几
Mw的微型燃气轮机群【l.因此微型燃气轮机不仅
能为几百kW的小型燃油机组提供黑启动服务,也
能协助启动更大容量的燃煤机组.东莞电网某电厂
有8台容量为6Mw至30MW的燃煤发电机组,
通过一台1350kW的柴油发电机即能实现自启
H]
因此上述的微型燃气轮机群完全能够满足黑
启动的容量要求.
由于水电机组的主要动力设备结构简单,启动
过程简单迅速,辅机容量要求小,易于实现自动化,
因此水电机组是黑启动电源的首选;小型的燃油机
组（每台发电机容量为10~20MW左右）,辅机
启动容量比较小（几百到一千千瓦）,控制系统相
对简单,启动时间较短（约为30min以内）,因此,
在这些电厂可以配备1～2台柴油机,启动发电机组
的辅机,进而启动一台发电机,这在很多没有水电
的地方电网都是可行的.但水电机组由于调速系统
较慢的反应速率限制了其调节性能,并且水电厂通
常在距离城市电网较远的边远地区;同时小容量燃
油电厂由于效率低,环境污染大而逐步退出运行.
也有文献将重型燃气轮机作为黑启动电源Ll,但其
启动功率和启动需要的辅助蒸汽量均过大.
所有这些机组包括超临界燃煤机组和燃气一蒸
气联合循环机组均需要辅机提供启动功率才能实现
自启动,提供如此之大的备用容量是不经济的,尤
其是备用柴油机.考虑到黑启动设备在电网正常运
行时通常是不经济的,电网公司通常与相关电厂签
订与黑启动相应的商业协议.MT能够很好地改善
这种状况,它既能作为分布式发电在正常情况下并
网或孤立运行,也能在黑启动这类紧急状况下提供
备用.并且单台MT的效率通常在25%～35%之间,
冷热电联合循环的MT通常能获得80%以上的效
率,且氮氧化合物排放量能够控制在较低的水平.
2.2黑启动策略
黑启动策略的选择受网内主要发电机组电源和
黑启动电源分布影响很大【1.黑启动分区展开在电
网恢复速度上有明显的优势,电网发生大面积停电
后,应当先将电网分割为多个子系统,同时启动各
子系统中具有黑启动能力的机组,建立稳定的各个
子系统,并实现同步并列,这是恢复电网运行的最
有效的方法,因此在黑启动方案中应考虑多个黑启
动电源引.
正如背景中所述,由于某些原本具备自启动能
力的电厂将备用柴油机卖出而失去自启动能力,导
致黑启动电源不足,第一个策略将不适合负荷密度
大的城市电网黑启动,这很大程度上增加了系统恢
复供电的时间,使用户因停电而导致的损失增加.
在某些情况下黑启动路径较长,沿途没有发电机支
撑,长距离送电末端电压难以得到有力支撑;更为
严重的是某些线路由于改造等各种原因被移除,切
断了区域之间原有的联系,第二个策略根本无法实
现.利用MT作为某些电厂新型的备用电源,这不
仅改善了备用柴油机不经济的缺点,同时也使电厂
具备自启动能力,这样获得更多的黑启动电源,两
种策略均容易实现.
2.3MT运用在黑启动中的关键问题
在黑启动过程中所面对的主要问题是空冲主变
时产生的励磁涌流,发电机带长线而引发的自励磁,
空载线路合闸导致的系统内部过电压.励磁涌流一
般经历几个周波就几乎完全衰减;一旦自励磁产生
的条件得到满足时,发电机端电压也在很短的时间
内增大到较高的一个数值;系统过电压是从一种状
态经过振荡转变为另一种稳定工作状态过程中所产
生的暂态性质的过电压.由于MT在黑启动中所扮
演的角色不是大型黑启动电源,不需要进行空冲主
变操作,也不需要进行合闸空载线路,更不会出现
MT带长线运行的情况.但MT输出的电压较低,
为了给某些电压较高的产用设备供电,需要进行空
冲变压器操作,必须确保所产生励磁涌流不会对
MT产生很大的冲击;另外,在黑启动初期需要启
动某些电厂内的单机容量较大的异步电动机,MT
必须耐受异步电动机启动时冲击电流的影响.
在黑启动过程中,必须严格根据黑启动方案中
所制定的规则及步骤来进行,文献【17】给出了黑启
动过程的基本框架,文献【18]描述了黑启动发电机
组的配置方法,采用分级黑启动的方法,用一台
250kw的备用柴油机启动一台38Mw的汽轮机,
继而启动两台容量分别为130MW和300Mw的大
型机组.用分布式发电的MT备用来代替上述的柴
.
86一电力系统保护与控制
油机,作为电厂黑启动所需要的备用辅机,相应的
操作步骤可以由如下三个阶段组成:
建立低压电网,
形成孤岛和孤岛同步,本文主要研究第一阶段.
考虑到最严重的情况,地区电网所有电力供应
均被切除,MT也处于停机阶段.首先,由MT内
部的永磁同步发电机在起机时作为启动电机来启动
MT,启动所需要的功率由MT配备的电池供应,从
面板初始化到满负荷,快的机型2min即能完成,
CapstoneMT启动后从空载到满负荷可能的最短时
间只需要10S,现有的MT机型并网运行时大约仅
需30S,而孤立运行时还能快10S左右Il圳.在负荷
波动时,MT配备的电池能够提供相应的功率来抑
制负荷波动的影响,从而获得更为优越的动态调节
性能.然后,用MT去启动几Mw至几十MW的
小型机组.最后,启动后的小型机组可以用来启动
整个电厂,也可以给附近的其他大型电厂送电,进
而实现电厂的逐步启动.在这个阶段,必须关注励
磁涌流,自励磁和过电压这三个关键的问题.随着
电厂的逐步启动,形成了若干个孤岛系统,如果在
各个孤岛内又有较多的MT运行,则对孤岛系统的
频率也有一定程度的支撑作用.当孤岛与孤岛之间
同步的条件满足时则进行孤岛同步,进而与上一级
系统实现同步.
3案例分析及仿真研究
3.1案例分析
在黑启动初期,由于过电压和自励磁,使得通
过长线路对远方变电站充电难以实现.以东莞为例,
随着小型燃油电厂的退出运行,缺乏足够的黑启动
电源,只有万江片的东糖甲电厂具备自启动能力,
启动时间需要2h以上;且东部和西部之间只能通
过110kV的寒排线联系,在西北的万江一板桥片黑
启动形成初始电网后,难以通过长距离的快速通道
启动东部地区容量较大的通明电厂和樟洋电厂;同
时随着电网改造的进行,某些路径被切断,使得部
分地区无法通过110kV线路实现黑启动,要等上级
电网黑启动后为这些地区提供黑启动电源,这增加
了电网恢复的时间【】制.为了在最短的时间内实现电
网恢复,需要更多的黑启动电源,可以用MT作为
备用电源来改造东莞中部和东部的某些电厂,使其
具备黑启动能力,这就能够将系统分割成若干个子
系统,使这些子系统同时进行黑启动,缩短恢复持
续的时间J.
2005年海南发生的大停电是由台风引起的,给
生产和生活带来极大的损失,因此,做好在极端天
气情况下导致的大停电恢复工作极为重要.作为主
力电厂的海口电厂没有配备事故备用电源,事故后
该电厂岌岌可危.海南电网公司在明知电压偏高的
情况下临时改变路径向海口电厂送电口].这有可能
导致故障的出现,使黑启动无法顺利进行,但如果
海口电厂有MT作为备用电源则有利于黑启动的顺
利进行.
针对上述两个案例,可以找到两种解决方案.
首先,发电厂自身可以引入MT,作为紧急情况的
备用电源,也可以在系统正常运行时为电厂的关键
负荷供电.其次,如果MT是作为DG分布在负荷
附近,则作为城市电网,负荷也靠近发电厂,可以
利用10kV线路将MT所发电力输送至电厂10kV
母线,如图3所示.这些MT有可能作为某些企业
的自备机组,电网公司可以与他们签订相关的黑启
动辅助服务协议.
图3利用MT启动电厂示意图
Fig.3UsingMTunitstostartaplan
3.2励磁涌流仿真
由于励磁涌流持续的时间很短,其对变压器等
设备无致命性的破坏,但在黑启动这类特殊的过程
中,必须确保整个过程的顺利进行.此部分对微型
燃气轮机空冲变压器所产生的励磁涌流进行仿真研
究.
此部分仿真模拟一台容量为30kW的微型燃气
轮机对一台额定容量为50kW的变压器进行空冲试
验,首先微型燃气轮机带10kW的负荷进入稳态,
在第10S断路器合闸,仿真结果如图4.
对于不超过MT发电容量2倍的变压器进行充
电,励磁涌流不会导致逆变器连续换相失败,整流,
逆变器构成的直流输电系统可以很好隔绝励磁涌流
对发电机转速和微型燃气轮机动力系统的冲击,在
考虑剩磁影响比较严重的情况下,即=0.8P.u.,
I）=一0.8P.u.和.=0.8P.u.【4J,励磁涌流一般经
廖旭明,等微型燃气轮机发电系统在城市电网黑启动中的运用一87.
过15个周波即完全衰减.影响励磁涌流大小的一个
主要因素是送端电压,VSI能够采用较高的频率,
在一定程度上稳定了逆变器出口电压,同时减少波
动对发电机转速及MT动力系统的冲击.多个MT
不仅在一定程度上稳定电压,同时增大了转子系统
的转动惯量,使系统耐受电磁功率暂态变化的能力
更强,因此MT群比单台MT要具备更强抵御励磁
涌流冲击的能力.
t/
（a）三相励磁涌流
:
8910I1l2l31415
t/s
（b）A相电压有效值
t/s
（d）a’r机械转矩
图4MT空冲变压器输出波形
Fig.4Inrushcurrentsimulation
但研究也发现,一般较大容量的MT为几百
kW,即使多台MT构成MT群,也仅能空冲十几
Mw级的主变.因此,MT群具备空冲一般火电厂
10kV/380V厂用变压器的能力,但不具备空冲
10kV/110kV及以上电压等级变电站主变的能力.
因此若在电网规划建设中,将MT群安装在地方大
型火电厂附近,且可通过10kV线路进行互联,则
应可克服励磁涌流冲击这一技术障碍.
3.3黑启动负荷冲击仿真研究
MT群要成功启动不具备自启动能力的大型机
组,则必须首先去启动这些电厂的重要负荷,这些
负荷通常会伴随较大启动电流的电动机.这种动态
负荷冲击是MT群能否成功对电网进行黑启动的关
键之一.
t/s
（a）盯机械转矩
图5异步电动机负荷冲击实验
Fig.5Loaddisturbanceofasynchronousmotor
下面对单台30kW的微型燃气轮机能否承受较
?
88-电力系统保护与控砌
大容量的电动机负荷冲击进行仿真,首先微型燃气[3]
轮机带l0kw静态负荷进入稳态,在第15s接入
15kW的异步电动机负荷,仿真结果如图5.
通过我们研究发现,基于VSI的换流器能很好
地耐受异步电动机冲击,负荷暂态冲击电流使MT
转速发生较大波动,但不会导致MT转速失稳,这
首先得益于MT快速响应特性,并且实际的MT白141
身配备的电池能够提供负荷波动时必要的能量,这
进一步减缓了负荷波动的影响.由于异步电动机的
投入,使得负荷电压下降较为明显,但也维持在允
许范围内.
4结论『5]
本文通过对微型燃气轮机的结构和性能进行
分析,并进行相应的仿真验证,得出如下结论:
a）单台微型燃气轮机的容量较小,但可以通过
适当的组合配备,同时加以有效的控制,能够满足
黑启动的保安用电要求,也能够提供安全可靠的厂
用电.
b）采用VSI能够实现无源逆变,能够同时且独
立地控制有功功率和无功功率,调节性能优越,能
够应对黑启动过程中的各种扰动,特别是能够耐受
异步电动机的冲击,确保黑启动过程的顺利进行.
c）微型燃气轮机在空冲变压器时能够很好地
抑制变压器的励磁涌流,有效地控制交流侧的电压,
整流/逆变器构成的直流输电系统可以很好地隔绝
励磁涌流对发电机转速和微型燃气轮机动力系统的
冲击.
d）可以利用微型燃气轮机将无白启动能力的
电厂改造为具备自启动能力,不仅为黑启动提供更
多的黑启动电源,允许将黑启动电网划分为若干子
系统,加快黑启动进程.
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