沈春和，唐戢群，高曉光，任衛(wèi)衛(wèi)

(1.貴州電力試驗研究院，貴陽 550002；2.貴州創(chuàng)星電力科學研究院有限責任公司，貴陽 550002)

水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)考慮黑啟動及孤網(wǎng)運行控制策略

沈春和1，唐戢群1，高曉光1，任衛(wèi)衛(wèi)2

(1.貴州電力試驗研究院，貴陽 550002；2.貴州創(chuàng)星電力科學研究院有限責任公司，貴陽 550002)

對電廠側調(diào)節(jié)系統(tǒng)黑啟動及孤網(wǎng)運行的控制策略進行詳細研究有著重大的意義，以確保電網(wǎng)事故時，發(fā)揮作用，在最大可能情況下起到抑制電網(wǎng)全黑的發(fā)生，即使解裂為孤網(wǎng)，也能夠迅速恢復負荷。針對試驗過程中和黑啟動、孤網(wǎng)運行中可能出現(xiàn)一系列問題結合現(xiàn)場實際進行了分析研究，提出了水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)考慮黑啟動及孤網(wǎng)運行控制策略，從調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行方式、運行模式、運行參數(shù)、頻率控制等方面進行詳細分析及論述，為減少事故損失，合理配置黑啟動中的控制，快速恢復系統(tǒng)供電，提供一些理論及實踐依據(jù)。

水電機組；黑啟動；孤網(wǎng)運行；調(diào)節(jié)系統(tǒng)；控制策略

0 前言

黑啟動是指電力系統(tǒng)大面積停電后，在無外界電源支持的情況下，由具備自啟動能力機組啟動并恢復系統(tǒng)的供電。孤網(wǎng) [孤立] [孤島]運行是指電網(wǎng)中只有一臺或本臺機組容量占當前電網(wǎng)容量比重相當大的運行方式[1]。

水力發(fā)電廠 (包括抽水蓄能電廠)的水輪發(fā)電機組是黑啟動的首選電源。水電機組一般具有自啟動能力，結構簡單，輔機少，廠用電少，啟動快，無功吸收能力強，是理想的黑啟動電源，所以區(qū)域電力系統(tǒng)往往選擇水電機組作為黑啟動電源，但電網(wǎng)黑啟動及孤網(wǎng)運行過程中的網(wǎng)架結構薄弱，頻率、電壓都處于極不穩(wěn)定的快速變化過程中，穩(wěn)定性存在著很大的復雜性和不確定性[2]。水電廠的黑啟動及孤網(wǎng)運行作為特殊情況下的特殊運行方式，要滿足一定的條件。如果事先沒有一套行之有效的黑啟動預案、操作程序及控制策略，很難在短時間內(nèi)恢復發(fā)電。

目前，國內(nèi)外很多電網(wǎng)及研究機構都開展了黑啟動及恢復的試驗和仿真研究[3-13]，為進一步深入探討積累了豐富的經(jīng)驗。從相關的研究論文來看，多是針對電網(wǎng)側黑啟動策略的研究，以及電廠側黑啟動帶廠用電，尚缺乏電廠側孤網(wǎng)運行策略的深入研究，尚未發(fā)現(xiàn)有相關文章對黑啟動及孤網(wǎng)運行調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制策略進行詳細的報道。且各調(diào)節(jié)系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的孤網(wǎng)模式設置各不相同，很多運行中的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中沒有孤網(wǎng)模式或即使有孤網(wǎng)模式，也尚不能實際運行。水電廠一般以帶廠用電為目的，即開機空載帶廠用電，加之孤網(wǎng)模式在大網(wǎng)常規(guī)運行中，很少用到，很少有條件進行實際孤網(wǎng)試驗及調(diào)試，致使對孤網(wǎng)運行模式重視不夠，目前對電廠側調(diào)節(jié)系統(tǒng)孤網(wǎng)運行的管理及研究尚處于薄弱環(huán)節(jié)，必須加以研究，值得重視，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定有著重要的意義。所以有必要對孤網(wǎng)運行模式的控制策略進行詳細的研究，以確保電網(wǎng)事故時，能夠發(fā)揮作用。在最大可能情況下起到抑制電網(wǎng)全黑的發(fā)生，即使解裂為孤網(wǎng)，也能夠迅速恢復負荷。本文以東風和烏江渡電廠帶線路黑啟動試驗及貴州電網(wǎng)公司黑啟動及孤網(wǎng)運行穩(wěn)定性研究與優(yōu)化研究項目為基礎，針對試驗過程中和黑啟動孤網(wǎng)運行中可能出現(xiàn)的頻率擾動、并網(wǎng)控制等問題結合現(xiàn)場實際進行了分析研究，提出了水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)考慮黑啟動及孤網(wǎng)運行控制策略，為減少事故損失、合理配置黑啟動中的控制，快速恢復系統(tǒng)供電，提供一些理論及實踐依據(jù)。

1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行方式

考慮黑啟動及孤網(wǎng)運行的機組應具備手動和自動兩種運行方式，在開機和帶負荷調(diào)節(jié)過程中，兩種方式可以無擾動切換，且調(diào)節(jié)曲線連續(xù)、光滑。機組黑啟動時具體采用何種方式主要是看運行人員的要求以及黑啟動時電廠的實際情況。如果計算機監(jiān)控系統(tǒng)或自動回路失靈時可用手動方式開機，優(yōu)勢是可靠，缺點是步驟較為繁瑣，速度慢。自動方式開機機組升速控制穩(wěn)定，操作簡單。由于黑啟動或孤網(wǎng)運行時，與機組正常開機及運行時環(huán)境有所不同，如黑啟動時，沒有網(wǎng)頻等。為滿足黑啟動要求，調(diào)速系統(tǒng)可以從監(jiān)控系統(tǒng)接收一個 “孤網(wǎng)運行”命令，此時監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)等可以安裝預先設定好的黑啟動開機條件進行開機，以保證機組能夠在特殊條件下，順利自動開機。例如：某電廠黑啟動試驗中，由于LCU設置問題，在沒有網(wǎng)頻的情況下，LCU自動閉鎖，不能自動開機，只能手動，延長了黑啟動時間，此種情況應在在LCU設備檢修期間增加考慮機組黑啟動的特殊情況，以提高黑啟動速度。

在孤網(wǎng)運行時，在電網(wǎng)負荷出現(xiàn)大幅波動的情況下，很有可能導致機組的出力、頻率及導水機構產(chǎn)生小幅快速振蕩的情況，如機組導水機構不能快速擺脫振蕩，就會面臨低油壓緊急停機事故的發(fā)生。此時應立即將調(diào)速系統(tǒng)切為手動運行，通過人工調(diào)節(jié)負荷，消除振蕩，對電網(wǎng)的快速恢復至關重要。2008年年初由于冰災引起貴州電網(wǎng)多次出現(xiàn)大面積停電事故，大花水水電站孤網(wǎng)運行，帶福泉、貴定、麻江、甕安等縣市生活用電時，曾多次出現(xiàn)振蕩問題，通過切手動運行，人工調(diào)節(jié)負荷，消除振蕩后投入自動[14]，保證了電網(wǎng)的迅速恢復。

2 調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行模式

水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)應能對空載運行頻率調(diào)節(jié)模式、并網(wǎng)運行開度調(diào)節(jié)模式、功率調(diào)節(jié)模式、孤立運行頻率調(diào)節(jié)模式以及一次調(diào)頻模式分別設置相應的調(diào)節(jié)參數(shù)，調(diào)節(jié)模式切換時調(diào)節(jié)參數(shù)能自動切換。要求具備孤網(wǎng)運行能力的機組要具備完整的空載頻率模式，一次調(diào)頻模式、開度模式及孤網(wǎng)頻率模式。

水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)應具有孤網(wǎng)自動識別能力，帶孤立負荷能穩(wěn)定運行。當機組與大電網(wǎng)解列或部分線路跳開 (但發(fā)電機出口斷路器依然閉合)或帶孤立負荷運行時，水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)應能自行判斷并切至孤立運行模式。即當頻差超過設置門檻值時應自動切入孤網(wǎng)頻率模式。電網(wǎng)出現(xiàn)問題后，往往是先由大網(wǎng)解裂為小網(wǎng)，此時如調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠自動識別孤網(wǎng)，將會有效抑制電網(wǎng)的癱瘓，快速恢復供電范圍，對減少電網(wǎng)事故的擴大及迅速恢復電網(wǎng)的供電有著極其重要的意義。

門檻值的設置要根據(jù)當?shù)乜赡軙霈F(xiàn)的孤網(wǎng)負荷情況及其機組的特點進行設置，關于門檻值的設置，目前沒有統(tǒng)一的規(guī)定，水電廠一般設置為0.2 Hz至0.5 Hz。在GB/15945—2008電能質(zhì)量.電力系統(tǒng)頻率偏差中規(guī)定：電力系統(tǒng)正常運行條件下，頻率偏差限值為±0.2 Hz，當系統(tǒng)容量較小時，偏差限值可以放寬到±0.5 Hz。根據(jù)DL/ T1040—2007電網(wǎng)運行準則要求，汽輪機應在48.5 Hz～50.5 Hz范圍內(nèi)能夠連續(xù)運行，所以在± 0.5 Hz內(nèi)帶動汽輪發(fā)電機組啟動并網(wǎng)是沒有問題的。另外根據(jù)IEEE446—1995〈工業(yè)和商業(yè)用的應急和備用電力系統(tǒng)〉和BS EN50160：1999《公共配電系統(tǒng)的電壓特性》，0.5 Hz是許多最終用戶設備頻率波動的最大容限[15]。所以，在系統(tǒng)容量較小的孤網(wǎng)運行模式下，門檻值設置為0.5 Hz以下是能夠基本能夠滿足要求的，但一般不宜大于0.5 Hz，極端情況下除外。另外，門檻值應能在人機界面上直接設定或更改，以便于黑啟動或孤網(wǎng)運行時根據(jù)實際情況及調(diào)度命令靈活調(diào)整。

水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)孤立運行模式的投入和退出，應允許人工切換，其狀態(tài)宜在人機界面上有明顯標識。

水輪發(fā)電機組在并入大網(wǎng)運行中，一次調(diào)頻基本處于投入狀態(tài)，但由于一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)參數(shù)一般較快，所以，水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在孤立調(diào)節(jié)過程中應閉鎖一次調(diào)頻控制參數(shù)，以避免頻率調(diào)節(jié)過程不穩(wěn)定或出現(xiàn)垮網(wǎng)事故。閉鎖后，孤網(wǎng)運行狀態(tài)下，為開度模式和孤網(wǎng)頻率模式，此時一次調(diào)頻運行要通過運行人員手動方可投入。

3 孤網(wǎng)運行參數(shù)

3.1 孤網(wǎng)運行參數(shù)的特點

孤網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性與水輪機調(diào)速器參數(shù)關系密切。由于空載時水流不穩(wěn)定造成壓力脈動、功率擺動等現(xiàn)象，故我國一般將空載作為穩(wěn)定性最不利的工況，然而，實際上水輪機還存在一種更為惡劣的工況，即單機帶負荷或并入小電網(wǎng)的情況。因為無負荷時，機組的機械慣性時間和自調(diào)節(jié)系統(tǒng)完全取決于機組本身；而當機組帶負荷孤網(wǎng)運行，負荷容量較小，又有較大比例的純電阻性負荷時，負荷的自調(diào)節(jié)系數(shù)較小，引水系統(tǒng)水流慣性時間常數(shù)較大，水錘效應影響大，因而調(diào)速器速度與機組慣性、水流慣性不同步，就會導致系統(tǒng)穩(wěn)定性很差。需要針對孤網(wǎng)的實際情況，整定適合孤網(wǎng)運行的調(diào)速器參數(shù)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[16]。

3.2 孤網(wǎng)運行參數(shù)的基本要求

孤立運行模式下，水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)宜采用PID調(diào)節(jié)，PID調(diào)節(jié)參數(shù)、人工頻率/轉(zhuǎn)速死區(qū)、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)等參數(shù)應結合電網(wǎng)實際情況通過試驗優(yōu)化選擇，且投入微分參數(shù)，微分對大波動的作用不大，但是對系統(tǒng)的穩(wěn)定將起到較大作用。

水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)應能保證機組在單機帶負荷、孤立運行工況下的穩(wěn)定運行，不出現(xiàn)大范圍的波動，頻率變化衰減度 (與起始偏差符號相同的第二個轉(zhuǎn)速偏差峰值與起始偏差峰值之比)應不大于25%。

3.3 孤網(wǎng)運行參數(shù)的初步整定方法

孤網(wǎng)帶負荷是水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)最惡劣的工況，特別是對于水錘效應較大的引水系統(tǒng)。此時為了保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要整定穩(wěn)定性較大的調(diào)速器參數(shù)。針對這種外送通道故障而形成水電機組帶地區(qū)負荷的情況，國內(nèi)專家根據(jù)仿真及水電站試驗經(jīng)驗，推薦值如下[16]：

但是以上整定原則都是根據(jù)特定的數(shù)學模型、特定的水輪機傳遞函數(shù)和特定的品質(zhì)指標提出的參數(shù)整定推薦值，因而具有一定的局限性，可以作為初始參數(shù)的參考值，也可將空載參數(shù)作為孤網(wǎng)運行的初始參數(shù)，一般情況下，孤立電網(wǎng)運行工況下調(diào)速器的比例增益和積分增益要顯著大于機組空載運行工況[17]，而實際上的運行參數(shù)要通過現(xiàn)場試驗來確定。

3.4 孤網(wǎng)運行參數(shù)的試驗方法

調(diào)速器處于真實發(fā)電運行狀態(tài)或模擬的孤立運行狀態(tài)，調(diào)整孤立發(fā)電的相關調(diào)節(jié)參數(shù)，通過較大幅度的負荷/頻率擾動，記錄頻率、開度/有功等信號的變化過程，選擇一組穩(wěn)定性好、頻率變化衰減度小的調(diào)節(jié)參數(shù)，以供孤立調(diào)節(jié)使用。

也可以進行實際孤立調(diào)節(jié)試驗，即機組并網(wǎng)運行，帶不少于25%的額定負荷，待負荷穩(wěn)定后，通過線路開關的操作，使機組突然切入孤網(wǎng)，觀測并記錄頻率、接力器位移/有功等信號在大網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)過程中的變化，及其隨后的孤立運行中的調(diào)節(jié)過程，驗證調(diào)節(jié)過程是否正常穩(wěn)定，并進一步調(diào)整、優(yōu)化調(diào)節(jié)參數(shù)。

在孤網(wǎng)運行過程中，也可以通過突然開啟大功率用電器，如深井泵等，進行負荷擾動，一般負荷量不宜超過發(fā)電機組額定容量的5%，調(diào)整和優(yōu)化孤網(wǎng)參數(shù)。

3.5 孤網(wǎng)運行中的永態(tài)差值系數(shù)

永態(tài)差值系數(shù)是水輪機控制系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜S態(tài)特性的重要參數(shù)。與頻率永態(tài)差值系數(shù)bp相類似的是功率永態(tài)差值系數(shù)ep，在實際孤網(wǎng)運行程序中一般只引入bp概念，對于水輪機微機調(diào)速器的頻率調(diào)節(jié)模式和開度調(diào)節(jié)模式，其靜態(tài)特性是機組頻率與接力器行程之間的特性。實際上bp的大小，決定了機組孤網(wǎng)調(diào)頻能力，其值越小，調(diào)節(jié)速度越快，值為0時為無差調(diào)節(jié)，大于零時為有差調(diào)節(jié)。孤網(wǎng)模式下，一般情況下bp值取0%。

4 孤網(wǎng)運行頻率控制

機組在黑啟動和孤網(wǎng)運行過程中，機組處在一個很小的系統(tǒng)運行，機組出力和負荷的微小變化會引起頻率大幅波動。調(diào)速器要具備完善的孤網(wǎng)運行模式功能，合適的控制參數(shù)，較高的測頻精度，以保證機組調(diào)速器具有良好的響應來保證頻率穩(wěn)定。測頻精度是調(diào)速器的調(diào)節(jié)品質(zhì)的基礎，一般要求測頻分辨率不大于0.002 Hz。同時也要考慮恢復負荷的能力及速度。通常首先恢復小的直配負荷，而后逐步帶較大的直配負荷和電網(wǎng)負荷。應當按照負荷的重要等級，并考慮電網(wǎng)的穩(wěn)定及恢復速度有序恢復，每次投入的負荷應控制在機組發(fā)電容量的2%～5%。站內(nèi)有多臺機組時可根據(jù)所帶負荷情況將其他機組開啟與黑啟動機組并列運行。當站內(nèi)有兩臺以上機組并入孤網(wǎng)時，可根據(jù)實際情況對調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行分別設置，以防止機組間相互搶負荷出現(xiàn)振蕩，如采取其中一臺手動運行，另一臺自動運行進行頻率調(diào)節(jié)的方式。多臺機組自動運行時，可采取以下方式避免大的波動，一是設置不同的頻率調(diào)節(jié)門檻值，二是通過對調(diào)節(jié)參數(shù)進行微調(diào)，使得各機組間的頻率調(diào)節(jié)速率存在差別。必要時，通過手動運行的方式消除大范圍波動。增加負荷的速度必須兼顧考慮加快恢復時間和保證機組頻率穩(wěn)定。允許接入的最大負荷量，不應使系統(tǒng)頻率較接入前下降0.5 Hz[18]，國外的經(jīng)驗為每一次增加的負荷不應超過發(fā)電容量的5%，以保證運行頻率在合理的允許范圍內(nèi)，維持有功平衡。

負荷恢復過程中，系統(tǒng)應留有一定的旋轉(zhuǎn)備用容量，旋轉(zhuǎn)備用容量一般不低于系統(tǒng)發(fā)電負荷的30%，黑啟動的同時可恢復的負荷要根據(jù)機組的容量及運行要求，密切配合調(diào)度人員和電廠運行人員逐步恢復，不能操之過急。每一步操作都要監(jiān)控頻率和重要節(jié)點電壓水平，否則容易導致黑啟動失敗。

5 結束語

本文針對水電機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提出考慮黑啟動及孤網(wǎng)運行的控制策略，從調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行方式、運行參數(shù)、運行模式、頻率控制等方面進行了詳細論述，為水電廠黑啟動機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設置及快速恢復系統(tǒng)供電，提供了理論依據(jù)。

[1] DL/T1245-2013.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術導則[S].

[2] 劉強，石立寶，周明，等.現(xiàn)代電力系統(tǒng)恢復控制研究綜述 [J].電力自動化設備，2007，27(11)：104-110，114.

[3] 王鳳霞，陳實，潘本琦，等.安徽電網(wǎng)首次黑啟動試驗研究 [J].安徽電力，2006，23(2)：5-8.

[4] 周世平.湖北電網(wǎng)黑啟動試驗的實施與思考 [J].高電壓技術，2007，33(12)：115-117.

[5] 阮前途，王偉，黃玉，等.上海大容量火電機組黑啟動系列實驗 [J].上海電力，2007(3)：232-235.

[6] 王小海，王春生，萬江，等.內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)黑啟動試驗[J].內(nèi)蒙古電力技術，2005(1)：1-4，8.

[7] DELFINO B，DENEGRI G B，INVERNIZZI M，et al.Blackstart and restoration of a part of the Italian HV network：modeling and simulation of a field test[J].IEEE Transactions on Power Systems，1996，11(3)：1371-1379.

[8] 楊艷，趙書強，顧雪平，等.黑啟動方案中啟動廠用負荷時電壓與頻率的仿真校驗 [J].繼電器，2004，32(8)：22-25.

[9] FINK L H，LIOU Kanlee，LIU Chenching.From generic restoration actions to specific restoration strategies[J].IEEE Trans on Power Systems，1995，10(2)：745-752.

[10] 王洪濤，劉玉田，邱夕兆.基于分層案例推理的黑啟動決策支持系統(tǒng) [J].電力系統(tǒng)自動化，2004，28(11)：49 -52.

[11] 寧遠鴻.區(qū)域電力系統(tǒng)黑啟動及其策略研究 [D].廣西大學，2007.

[12] 李芝榮，唐林權，李如琦，等.基于灰關聯(lián)矢量投影法的黑啟動方案優(yōu)選 [J].南方電網(wǎng)技術，2014，8(4)：72 -76.

[13] 蔡漢生，陳喜鵬，胡玉峰，等.黑啟動過程中空載變壓器合閘過電壓及其限制措施 [J].南方電網(wǎng)技術，2012，6 (1)：13-18.

[14] 唐戢群，毛成，水電機組孤網(wǎng)運行問題的研究與探討 [J] .貴州電力技術.2008，增刊 (1)：70-72.

[15] 高翔，等編著.現(xiàn)代電網(wǎng)頻率控制技術 [M].北京：中國電力出版社，2010，9[16] 王平，主編.電力系統(tǒng)機網(wǎng)協(xié)調(diào)理論與管理 [M].成都：四川大學出版社，2011，1.

[17] 魏守平，著.水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真 [M].武漢：華中科技大學出版社，2011，9.

[18] 諶軍，曾勇剛，楊晉柏，等.南方電網(wǎng)黑啟動方案 [J].電力系統(tǒng)自動化，2006，30(9)：80-83，87.

Research on the Control Strategy of Hydro Turbine Regulating System Considering Black Start and Isolated Operation

SHEN Chunhe1，TANG Jiqun1，GAO Xiaoguang1，REN Weiwei2
(1.Guizhou Electric Power Testing and Research Institute，Guiyang 550002，China；2.Guizhou Chuangxing Electric Power Research Institute Co.，Ltd.，Guiyang 550002，China)

A detailed study of control strategy for power plant side of the regulating system about black start and isolated operation is of great significance，in order to ensure the power grid accident when，play a role，to suppress the occurrence of power grid black at the maximum possible，even split into isolated network，can quickly restore load.In this paper，a series of problems that may arise in the process of test，black start and isolated operation combined with the actual scene is analyzed.put forward the control strategy of hydro turbine regulating system considering black start and isolated operation，are analyzed and expounded from the aspects of operation mode of regulating system，operation model，operation parameter，frequency control，in order to reduce the accident loss，rapid restoration of power supply，provide some theoretical and practical basis.

Hydro turbine and generator units；black start；isolated operation；regulating system；control strategy

TM73

B

1006-7345(2015)05-0057-04

2015-04-14

沈春和 (1982)，男，碩士，工程師，貴州電力試驗研究院，從事水電機組機網(wǎng)協(xié)調(diào)及調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)調(diào)試及研究工作 (email)shenchunhe＠126.com。

唐戢群 (1964)，男，高級工程師，貴州電力試驗研究院，從事水輪發(fā)電機組及其調(diào)速系統(tǒng)的性能試驗與研究工作 (email)tang.jiqun＠163.com。

高曉光 (1981)，男，碩士，工程師，貴州電力試驗研究院，從事水電機組機網(wǎng)協(xié)調(diào)及調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)調(diào)試及研究工作 (email)3279788＠qq.com。

貴州電網(wǎng)有限責任公司科技項目--黑啟動機組孤網(wǎng)運行穩(wěn)定性研究與優(yōu)化 (K-GZ2012-138)。