萬(wàn)雄彪，陳晶，吳水軍

（云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司，昆明 650217）

0 前言

電網(wǎng)黑啟動(dòng)是指整個(gè)大區(qū)電網(wǎng)（或局部電網(wǎng)）系統(tǒng)崩潰瓦解后，不依賴(lài)外部電網(wǎng)協(xié)助，通過(guò)自身電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)具有自啟動(dòng)能力發(fā)電機(jī)組的自啟動(dòng)，帶動(dòng)外部無(wú)自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組，逐漸擴(kuò)大電網(wǎng)恢復(fù)供電范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)供電的恢復(fù)[1-3]。

水電站發(fā)電機(jī)組黑啟動(dòng)是指廠用電消失的情況下，利用水電站機(jī)組自身特點(diǎn)完成機(jī)組自啟動(dòng)和水電站事故備用電源（如柴油發(fā)電機(jī)等）開(kāi)機(jī)恢復(fù)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)組的廠用交流電，繼而完成機(jī)組的啟動(dòng)建壓、恢復(fù)廠用交流電并對(duì)外配合調(diào)度恢復(fù)電網(wǎng)送電過(guò)程。

利用電網(wǎng)內(nèi)大型水電機(jī)組自啟動(dòng)能力可以加快系統(tǒng)恢復(fù)響應(yīng)速度，此時(shí)黑啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中需帶高壓送出線路,強(qiáng)調(diào)通過(guò)廠內(nèi)機(jī)組黑啟動(dòng)恢復(fù)電網(wǎng)供電能力。一方面考慮線路容升效應(yīng)以防止黑啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組自勵(lì)磁損壞設(shè)備造成黑啟動(dòng)試驗(yàn)失敗，另外也需對(duì)黑啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中過(guò)電壓狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算防止設(shè)備絕緣破壞，通過(guò)黑啟動(dòng)過(guò)電壓計(jì)算為現(xiàn)場(chǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)方案制定提供依據(jù)，確保現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)安全可靠開(kāi)展[4]。

常規(guī)黑啟動(dòng)試驗(yàn)一般僅需機(jī)組啟動(dòng)恢復(fù)至空載狀態(tài)表明黑啟動(dòng)試驗(yàn)完成，但對(duì)大型水電機(jī)組，特別是直流送端大型水電機(jī)組而言，需帶長(zhǎng)線路黑啟動(dòng)，一方面需確保電廠發(fā)電機(jī)組黑啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中均穩(wěn)定可靠運(yùn)行，同時(shí)防范高壓輸電線路容身效應(yīng)帶來(lái)的各種危害，倘若黑啟動(dòng)過(guò)程中暫態(tài)電壓及穩(wěn)態(tài)電壓偏高會(huì)危及設(shè)備正常耐壓能力，偏低則會(huì)導(dǎo)致外部各種用電負(fù)荷達(dá)不到正常工作電壓使得黑啟動(dòng)失去意義[5-6]。

本文針對(duì)水電廠黑啟動(dòng)實(shí)施方案關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究，分析黑啟動(dòng)過(guò)程中電壓控制措施，保持黑啟動(dòng)過(guò)程中電壓處于合理水平，防止黑啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)自勵(lì)磁以及空充線路過(guò)程中無(wú)功波動(dòng)所造成的勵(lì)磁限制動(dòng)作進(jìn)而引起的發(fā)電機(jī)組過(guò)勵(lì)保護(hù)與失磁保護(hù)等動(dòng)作[7-9]，造成機(jī)組停機(jī)使得黑啟動(dòng)試驗(yàn)失敗，尋求水電廠黑啟動(dòng)最佳實(shí)施方案。

1 過(guò)電壓計(jì)算

1.1 計(jì)算工具與模型

利用PSCADEMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件搭建里底電站發(fā)電機(jī)組（包括勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)）、主變、線路以及電抗器等詳細(xì)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算研究不同黑啟動(dòng)方式下過(guò)電壓水平，包括空載升壓帶廠用負(fù)荷以及帶線路合閘等情況下過(guò)電壓水平，為現(xiàn)場(chǎng)黑啟動(dòng)方案制定提供理論計(jì)算依據(jù)。

1.2 線路合閘點(diǎn)選擇

大型水電機(jī)組一般均采用單元接線方式，帶線路黑啟動(dòng)過(guò)程中采用機(jī)端斷路器與采用主變高壓側(cè)斷路器作為合閘點(diǎn)對(duì)線路末端過(guò)電壓影響較大，區(qū)別在于主變電抗對(duì)空充過(guò)程中過(guò)電壓具有抑制作用，計(jì)算不同合閘位置過(guò)電壓，計(jì)算結(jié)果如表1所示：

表1 不同合閘點(diǎn)過(guò)電壓計(jì)算

計(jì)算結(jié)果表明，與采用機(jī)端GCB合閘比較，通過(guò)主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)合閘線路最大暫態(tài)過(guò)電壓相對(duì)偏高，且過(guò)電壓最大值出現(xiàn)時(shí)刻延遲90°，穩(wěn)態(tài)情況下線路電壓相同。主要原因是經(jīng)過(guò)主變高壓側(cè)投線路時(shí)主變電抗投入引起最大暫態(tài)過(guò)電壓滯后90°，同時(shí)空充線路過(guò)程中過(guò)電壓主要由線路容性感應(yīng)所引起，如主變與線路一起投入能有效抑制合閘過(guò)程中所引起暫態(tài)過(guò)電壓水平。此外，考慮到在現(xiàn)場(chǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，由于開(kāi)關(guān)操作由工作人員現(xiàn)地操作，合閘角度呈現(xiàn)隨機(jī)性，從仿真計(jì)算結(jié)果來(lái)看，機(jī)端GCB作為合閘點(diǎn)0°合閘暫態(tài)過(guò)電壓最高，而主變高壓側(cè)在90°合閘時(shí)暫態(tài)過(guò)電壓最高，因此本文均以過(guò)電壓最嚴(yán)重情況進(jìn)行計(jì)算分析。

1.3 電抗器投退方式

從1.2分析可知主變對(duì)線路空充過(guò)程中暫態(tài)過(guò)電壓水平有較大影響，顯而易見(jiàn)線路高抗對(duì)合閘瞬間過(guò)電壓也有較大作用，分別在電抗器投入與退出情況下，以主變高壓側(cè)作為空充線路合閘點(diǎn)。

表2 高抗投退下過(guò)電壓計(jì)算

在兩側(cè)均不投入電抗器情況下空投線路，線路暫態(tài)過(guò)電壓倍數(shù)最大為2.59倍，試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)較大，設(shè)備外絕緣存在被擊穿可能。而當(dāng)兩側(cè)均投入單相容量為70 MVar電抗器后，由于線路電容效應(yīng)所產(chǎn)生的無(wú)功僅為110 MVar左右，使得線路暫態(tài)電壓波動(dòng)最大僅為額定電壓0.993，穩(wěn)態(tài)電壓僅為0.78，不存在暫態(tài)過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)，但穩(wěn)態(tài)電壓低于0.9 pu可能會(huì)造成外部電網(wǎng)廠用電、站用電等用電負(fù)荷不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使得黑啟動(dòng)帶線路不能為外部系統(tǒng)可靠供電。如僅投入電站側(cè)電抗器，線路暫態(tài)過(guò)電壓倍數(shù)最大為1.4891，線路穩(wěn)態(tài)電壓為0.92，在兼顧抑制暫態(tài)過(guò)電壓基礎(chǔ)上線路穩(wěn)態(tài)電壓能夠滿足可靠給外部負(fù)荷供電，現(xiàn)場(chǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，高抗投退方式還受到勵(lì)磁限制等條件約束，仍需進(jìn)一步計(jì)算分析。

2 自勵(lì)磁計(jì)算

圖1為黑啟動(dòng)過(guò)程系統(tǒng)接線圖，同步發(fā)電機(jī)定子回路流過(guò)容性電流時(shí)，例如空投線路時(shí)，有可能因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)的助磁作用而產(chǎn)生定子電流、電壓幅值自發(fā)增大的現(xiàn)象，此即自勵(lì)磁[10-11]。

圖1 系統(tǒng)接線圖

自勵(lì)磁是一種不穩(wěn)定現(xiàn)象，按《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》要求，當(dāng)發(fā)電廠單機(jī)單邊帶空載長(zhǎng)線時(shí)，必須核算發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁過(guò)電壓?jiǎn)栴}，不發(fā)生自勵(lì)磁的判據(jù)為：

表3 電抗參數(shù)標(biāo)幺值

依據(jù)公式（1）、（2） 可知，在考慮充分的裕度情況下上述兩式均不成立，因此可以判斷空載帶線路運(yùn)行時(shí)不會(huì)發(fā)生自勵(lì)磁現(xiàn)象。

3 勵(lì)磁過(guò)勵(lì)限制影響分析

由1.3分析可知，僅在電源單側(cè)投入高抗，暫態(tài)過(guò)電壓與穩(wěn)態(tài)電壓均較為理想，開(kāi)展單側(cè)投入電抗器情況下利用主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)作為合閘點(diǎn)空充線路分析計(jì)算，計(jì)算空投線路過(guò)程中機(jī)組無(wú)功量，以評(píng)估其是否達(dá)到過(guò)勵(lì)限制動(dòng)作值，空投線路過(guò)程中機(jī)組無(wú)功曲線如下圖所示：

圖2 單側(cè)投入電抗器時(shí)機(jī)組無(wú)功曲線（過(guò)勵(lì)限制退出）

計(jì)算可知，空充瞬間機(jī)端遲相無(wú)功最大為112.24 MVar，穩(wěn)態(tài)情況下機(jī)組發(fā)出無(wú)功為95 MVar，此時(shí)勵(lì)磁電流為1.55 If，遠(yuǎn)超過(guò)勵(lì)限制定值1.1 If，因此在過(guò)勵(lì)限制投入后電壓將會(huì)進(jìn)一步降低。在仿真模型中添加過(guò)勵(lì)限制功能模塊，計(jì)算里底電站單側(cè)投入電抗器時(shí)利用主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)作為合閘點(diǎn)，空充線路下線路電壓水平如下：

圖3 單側(cè)投入電抗器時(shí)機(jī)組無(wú)功曲線（過(guò)勵(lì)限制投入）

仿真計(jì)算分析可知，空充瞬間機(jī)端遲相無(wú)功最大為95.37 MVar，穩(wěn)態(tài)情況下發(fā)電機(jī)組發(fā)出無(wú)功為61.31 MVar，比過(guò)勵(lì)限制退出情況下均偏小，暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)電壓如表4所示。

表4 無(wú)功遲相深度

可見(jiàn)，在單側(cè)投入并聯(lián)電抗器情況下過(guò)勵(lì)限制投入后會(huì)嚴(yán)重拉低線路穩(wěn)態(tài)電壓，不能滿足黑啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中給外部電網(wǎng)供電電壓質(zhì)量需求，但倘若不投入過(guò)勵(lì)限制，由于此時(shí)轉(zhuǎn)子電流為1.55 If會(huì)造成轉(zhuǎn)子嚴(yán)重過(guò)熱甚至燒毀，因此單側(cè)投入并聯(lián)電抗器方案并不可行。

4 勵(lì)磁欠勵(lì)限制影響分析

兩側(cè)高抗全部投入與電源單側(cè)電抗投入方案均不可行，同時(shí)兩側(cè)高抗全部退出時(shí)再額定電壓下空充線路暫態(tài)過(guò)電壓較高，試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)較大，因此一種可行方案是將電壓降低至0.9 pu下合閘空充線路，一方面可降低合閘過(guò)程中暫態(tài)過(guò)電壓水平，同時(shí)穩(wěn)態(tài)電壓也可滿足電廠自身及外部用電設(shè)備用電質(zhì)量要求。

在兩側(cè)電抗器全部退出，0.9 pu機(jī)端電壓下合閘空充線路，計(jì)算空充線路過(guò)程中發(fā)電機(jī)機(jī)端進(jìn)相無(wú)功曲線，以評(píng)估其是否達(dá)到欠勵(lì)限制動(dòng)作曲線范圍之內(nèi)，在欠勵(lì)限制功能退出情況下空投線路過(guò)程中機(jī)組無(wú)功曲線如下圖所示：

圖4 0.9 pu機(jī)端電壓下空充線路電壓波形（欠勵(lì)限制退出）

空充瞬間機(jī)端進(jìn)相無(wú)功最大為178.405 MVar，穩(wěn)態(tài)情況下機(jī)組進(jìn)相無(wú)功為-84.75 MVar，由于機(jī)組進(jìn)相較深，因此需計(jì)算在此情況下機(jī)組欠勵(lì)限制以及失磁保護(hù)是否動(dòng)作。通過(guò)查閱發(fā)電機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)報(bào)告，欠勵(lì)限制設(shè)置在零有功出力條件下無(wú)功限制為-70.47 MVar（0.9 pu），可見(jiàn)，在對(duì)線路空充瞬間暫態(tài)過(guò)程及穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，機(jī)組無(wú)功進(jìn)相深度均大于欠勵(lì)限制曲線設(shè)置范圍，造成空充過(guò)程中欠勵(lì)限制工作。投入欠勵(lì)限制功能以后，在0.9 pu機(jī)端電壓情況下對(duì)線路合閘充電，此時(shí)機(jī)組無(wú)功曲線為：

圖5 0.9 pu機(jī)端電壓下空充線路電壓波形（欠勵(lì)限制投入）

由表5計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在投入欠勵(lì)限制以后，在合閘瞬間線路暫態(tài)過(guò)電壓其實(shí)是不變的，但穩(wěn)態(tài)下線路電壓值是上升的，并且此時(shí)機(jī)端進(jìn)相無(wú)功卻比欠勵(lì)限制退出時(shí)進(jìn)相無(wú)功更深，這主要由于合閘后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)欠勵(lì)限制動(dòng)作后抬升線路電壓，而線路充電功率與電壓平方成正比，由線路電壓抬升所引起的充電功率遠(yuǎn)比勵(lì)磁系統(tǒng)欠勵(lì)限制動(dòng)作后增磁提升機(jī)端電壓所發(fā)出的無(wú)功多的多，因此造成欠勵(lì)限制動(dòng)作后其進(jìn)相卻越來(lái)越深，在機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行時(shí)欠勵(lì)限制功能應(yīng)退出，或者加深機(jī)組零有功下的進(jìn)相深度（從設(shè)置值-70.47 MVar調(diào)整至-84.75 MVar以下），甚至臨時(shí)退出欠勵(lì)限制功能，同時(shí)空投線路暫態(tài)過(guò)程中，機(jī)組進(jìn)入深度進(jìn)相狀態(tài)，機(jī)端測(cè)量阻抗可能進(jìn)入失磁保護(hù)工作區(qū)，盡管有系統(tǒng)側(cè)電壓判據(jù)存在機(jī)組不至于失磁保護(hù)動(dòng)作，但安全起見(jiàn)建議臨時(shí)退出機(jī)組失磁保護(hù)。

表5 無(wú)功進(jìn)相深度

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)黑啟動(dòng)過(guò)程中各關(guān)鍵因素仿真計(jì)算分析，黑啟動(dòng)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注空充線路瞬間線路暫態(tài)過(guò)電壓，并合理利用主變、高抗等抑制合閘過(guò)程中出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓，同時(shí)還需考慮穩(wěn)態(tài)電壓水平，確保黑啟動(dòng)過(guò)程中線路末端穩(wěn)態(tài)電壓在設(shè)備正常允許工作范圍內(nèi)。同時(shí)應(yīng)對(duì)機(jī)組自勵(lì)磁進(jìn)行計(jì)算分析，以確保黑啟動(dòng)過(guò)程中機(jī)組不會(huì)發(fā)生自勵(lì)磁現(xiàn)象。分析計(jì)算中還應(yīng)考慮勵(lì)磁限制功能對(duì)黑啟動(dòng)過(guò)程影響，包括電抗器投入時(shí)過(guò)勵(lì)限制作用以及電抗器退出時(shí)欠勵(lì)限制作用對(duì)黑啟動(dòng)過(guò)程中線路穩(wěn)態(tài)電壓影響。黑啟動(dòng)試驗(yàn)空充線路給外部供電時(shí)，還應(yīng)結(jié)合500 kV線路電壓水平以及外部供電情況，如外部電源也恢復(fù)供電時(shí)應(yīng)投入高抗，抑制線路過(guò)電壓和防止機(jī)組進(jìn)相過(guò)深，提高黑啟動(dòng)后電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。