邢華棟，原 帥，陶 軍，焦曉峰，張 謙，賈 斌，朱生華

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特010020）

0 引言

2004年內(nèi)蒙古電網(wǎng)首次實(shí)施電網(wǎng)黑啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，用萬(wàn)家寨水電機(jī)組作為黑啟動(dòng)電源成功啟動(dòng)準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)火電機(jī)組，但時(shí)過(guò)多年，準(zhǔn)格爾電廠(chǎng)機(jī)組已退役，薛家灣電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，因此原黑啟動(dòng)方案對(duì)電網(wǎng)已不具有指導(dǎo)意義[1]。2011—2014年，雖然重新制訂了內(nèi)蒙古電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案并通過(guò)仿真方法驗(yàn)證了其可行性，但沒(méi)有進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，因此，內(nèi)蒙古電網(wǎng)亟需制訂新的黑啟動(dòng)方案并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[2-3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)逐漸將電網(wǎng)是否具有黑啟動(dòng)能力作為電網(wǎng)安全的重要考核指標(biāo)[4]。內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司加大了對(duì)電網(wǎng)黑啟動(dòng)的研究工作，2016—2020年再次設(shè)計(jì)了內(nèi)蒙古電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案，包括利用常規(guī)水電機(jī)組、抽水蓄能機(jī)組和具備甩負(fù)荷（Fast Cut Back，F(xiàn)CB）功能的火電機(jī)組進(jìn)行電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案，結(jié)合內(nèi)蒙古電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況和可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，建立了理論上切實(shí)可行的常規(guī)水電黑啟動(dòng)方案，并準(zhǔn)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[5]。為了保證黑啟動(dòng)試驗(yàn)的順利實(shí)施，需提前對(duì)黑啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，本文重點(diǎn)研究單機(jī)空充線(xiàn)路、長(zhǎng)線(xiàn)路空充主變壓器、啟動(dòng)火電機(jī)組輔機(jī)、火電機(jī)組并網(wǎng)等操作對(duì)黑啟動(dòng)系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定性的影響，為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供指導(dǎo)。

1 黑啟動(dòng)試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

內(nèi)蒙古電網(wǎng)利用常規(guī)水電機(jī)組進(jìn)行電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)，元件主要包括萬(wàn)家寨水電站3號(hào)發(fā)變組和220 kV B號(hào)母線(xiàn)、220 kV萬(wàn)松Ⅰ線(xiàn)、松樹(shù)灣220 kV 1號(hào)母線(xiàn)、松寧線(xiàn)、寧格爾變電站220 kV 2號(hào)和4號(hào)母線(xiàn)、大寧Ⅰ線(xiàn)、內(nèi)蒙古能源發(fā)電準(zhǔn)大發(fā)電有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)準(zhǔn)大電廠(chǎng)）220 kV 1號(hào)母線(xiàn)和1號(hào)啟備變壓器及1號(hào)發(fā)變組、寧薛Ⅰ線(xiàn)、薛家灣220 kV 1號(hào)母線(xiàn)和1號(hào)主變壓器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 黑啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of black start test system

1.2 試驗(yàn)流程

（1）萬(wàn)家寨水電站3號(hào)機(jī)組自啟動(dòng)。

（2）3號(hào)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行后，經(jīng)萬(wàn)家寨水電站220 kV B號(hào)母線(xiàn)、220 kV萬(wàn)松Ⅰ線(xiàn)、松樹(shù)灣220 kV 1號(hào)母線(xiàn)、松寧線(xiàn)、寧格爾變電站220 kV 2號(hào)和4號(hào)母線(xiàn)、220 kV寧薛Ⅰ線(xiàn)充電至薛家灣220 kV 1號(hào)母線(xiàn)，同時(shí)經(jīng)220 kV大寧Ⅰ線(xiàn)充電至準(zhǔn)大電廠(chǎng)220 kV 1號(hào)母線(xiàn)。

（3）薛家灣1號(hào)主變壓器充電。薛家灣1號(hào)變壓器逐步帶25MW負(fù)荷，然后準(zhǔn)大電廠(chǎng)1號(hào)啟備變壓器啟動(dòng)給準(zhǔn)大電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組提供廠(chǎng)用電。

（4）準(zhǔn)大電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組啟動(dòng)，穩(wěn)定運(yùn)行后經(jīng)201開(kāi)關(guān)同期并入黑啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，準(zhǔn)大電廠(chǎng)增加出力，萬(wàn)家寨水電站3號(hào)機(jī)組自動(dòng)調(diào)頻，保持準(zhǔn)大電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組運(yùn)行工況穩(wěn)定。

（5）準(zhǔn)大電廠(chǎng)出力達(dá)到30MW后，黑啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行15min，黑啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束。

1.3 調(diào)頻調(diào)壓方式

萬(wàn)家寨水電站3號(hào)機(jī)組負(fù)責(zé)黑啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)頻，萬(wàn)家寨水電站3號(hào)機(jī)組和準(zhǔn)大電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組分別調(diào)壓，使各自的220 kV母線(xiàn)電壓控制在230 kV，準(zhǔn)大電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組不參與一次調(diào)頻。

1.4 穩(wěn)定校核指標(biāo)

根據(jù)電力系統(tǒng)相關(guān)規(guī)程[6-8]和各網(wǎng)省公司黑啟動(dòng)試驗(yàn)相關(guān)文獻(xiàn)[9-12]，對(duì)黑啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)電壓和頻率做如下規(guī)定。

（1）黑啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)頻率允許偏差-0.5～0.5Hz。

（2）發(fā)電廠(chǎng)的220 kV及以上高壓母線(xiàn)和變電站的220 kV及以上中壓母線(xiàn)，母線(xiàn)電壓允許偏差為額定電壓的-5%～10%。

（3）發(fā)電廠(chǎng)35～110 kV高壓母線(xiàn)和變電站35～110 kV中壓母線(xiàn)，母線(xiàn)電壓允許偏差為額定電壓的-10%～10%。

（4）工頻過(guò)電壓基準(zhǔn)值1.0（p.u.）（即145.49 kV），相地工頻過(guò)電壓最大值均不超過(guò)1.3（p.u.），操作過(guò)電壓基準(zhǔn)值為1.0（p.u.）（即205.76 kV），相地最大操作過(guò)電壓不超過(guò)3.0（p.u.）。

2 系統(tǒng)建模

為了能夠精確模擬黑啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)潮流、機(jī)電暫態(tài)過(guò)程和電磁暫態(tài)過(guò)程，黑啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)建模應(yīng)盡量做到精細(xì)化。電力系統(tǒng)分析軟件程序BPA只能進(jìn)行穩(wěn)態(tài)潮流仿真和機(jī)電暫態(tài)仿真，無(wú)法進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真，因此不宜作為仿真軟件使用，但BPA中的電氣設(shè)備和控制系統(tǒng)模型的參數(shù)都是實(shí)測(cè)參數(shù)，因此，BPA可為本項(xiàng)目的建模提供設(shè)備參數(shù)和模型參考[13-15]。

使用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD建立黑啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)模型，系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)、輸電線(xiàn)路、變壓器等一次設(shè)備參數(shù)取自BPA計(jì)算文件數(shù)據(jù)，其中變壓器模型除了填寫(xiě)B(tài)PA提供的參數(shù)外還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況填寫(xiě)飽和特性參數(shù)。薛家灣地區(qū)負(fù)荷用恒阻抗模型模擬，準(zhǔn)大電廠(chǎng)輔機(jī)用異步電動(dòng)機(jī)模型模擬，電動(dòng)機(jī)參數(shù)根據(jù)實(shí)際異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)填寫(xiě)。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)按照BPA相應(yīng)的模型進(jìn)行自定義建模。其中，萬(wàn)家寨水電站3號(hào)機(jī)組控制系統(tǒng)模型包括勵(lì)磁系統(tǒng)FV模型、調(diào)速器GN模型、執(zhí)行機(jī)構(gòu)GA模型和水輪機(jī)TV模型，準(zhǔn)大電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組控制系統(tǒng)包括勵(lì)磁系統(tǒng)FV模型、調(diào)速器GJ模型、執(zhí)行機(jī)構(gòu)GA模型和汽輪機(jī)TB模型。

仿真之前，需要證明PSCAD中搭建的各種模型的正確性。對(duì)于發(fā)電機(jī)、線(xiàn)路、變壓器和負(fù)荷模型，PSCAD元件庫(kù)中有相應(yīng)模型，不需要驗(yàn)證[16]。對(duì)于FV模型、GN模型、GJ模型、GA模型、TV模型和TB模型，需要自定義建模并進(jìn)行驗(yàn)證。在BPA中對(duì)機(jī)組出口做負(fù)荷投切仿真，使機(jī)組控制系統(tǒng)產(chǎn)生較明顯的擾動(dòng)，從BPA機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果中導(dǎo)出各模型輸入和輸出信號(hào)，將BPA模型輸入信號(hào)輸入PSCAD相應(yīng)模型并進(jìn)行仿真，對(duì)比PSCAD模型輸出信號(hào)與BPA模型輸出信號(hào)是否一致，如果一致，則證明PSCAD搭建的模型是正確的。

GN模型驗(yàn)證曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。圖2（a）中d為BPA仿真結(jié)果中GN模型的轉(zhuǎn)速偏差輸入信號(hào)，同時(shí)，d作為轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)輸入PSCAD自定義搭建的GN模型；圖2（b）中P2為BPA仿真結(jié)果中GN模型的開(kāi)度輸出信號(hào)，P1為PSCAD仿真結(jié)果中GN模型的開(kāi)度輸出信號(hào)。兩種軟件的GN模型在相同輸入的情況下輸出信號(hào)完全一致，從而證明了PSCAD搭建的GN模型的正確性。經(jīng)驗(yàn)證，PSCAD中搭建的FV模型、GJ模型、GA模型、TV模型和TB模型也是正確的。

圖2 PSCAD與BPA的GN模型仿真結(jié)果對(duì)比Fig.2 GN model simulation result comparison between PSCAD and BPA

將控制系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、變壓器等模型組合起來(lái)，搭建發(fā)電機(jī)組模型。由于PSCAD發(fā)電機(jī)模型的基準(zhǔn)功率為發(fā)電機(jī)額定容量200MVA，而調(diào)速系統(tǒng)模型的基準(zhǔn)功率為發(fā)電機(jī)額定功率180MW；所以，發(fā)電機(jī)與調(diào)速系統(tǒng)之間的信號(hào)傳輸需要進(jìn)行標(biāo)幺值折算，發(fā)電機(jī)電磁功率輸入調(diào)速系統(tǒng)時(shí)應(yīng)除以0.9或乘以1.111，調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械功率輸入發(fā)電機(jī)時(shí)應(yīng)乘以0.9。最后，將發(fā)電機(jī)組、電網(wǎng)元件以及負(fù)荷組合起來(lái)，構(gòu)建內(nèi)蒙古電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)模型。

3 調(diào)速器控制參數(shù)優(yōu)化

黑啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，頻率、電壓都處于極不穩(wěn)定的快速變化過(guò)程中，為維持孤網(wǎng)小系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，水電機(jī)組應(yīng)具有孤網(wǎng)運(yùn)行模式和合適的控制參數(shù)[17]。萬(wàn)家寨水電站水輪機(jī)調(diào)速器允許修改的PID（比例積分微分控制器）參數(shù)有3個(gè)，即微分時(shí)間常數(shù)Td、比例增益Kp和積分時(shí)間常數(shù)Ti。

對(duì)黑啟動(dòng)試驗(yàn)方案中啟動(dòng)火電廠(chǎng)輔機(jī)、公用變電站啟動(dòng)負(fù)荷、被啟動(dòng)火電機(jī)組并網(wǎng)等多種工況進(jìn)行仿真，校核Td、Kp和Ti的不同組合，最終選出一組能夠適應(yīng)所有工況的優(yōu)化參數(shù)（Td=3.5、Kp=1、Ti=8.2）。為了展示優(yōu)化效果，分別基于孤網(wǎng)模式原始參數(shù)（Td=1、Kp=2、Ti=12）和優(yōu)化參數(shù)，對(duì)薛家灣變電站啟動(dòng)3MW恒阻抗負(fù)荷進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果見(jiàn)圖3。基于原始參數(shù)的系統(tǒng)頻率曲線(xiàn)呈現(xiàn)振蕩收斂趨勢(shì)，約50 s恢復(fù)到50 Hz附近；基于優(yōu)化參數(shù)的頻率曲線(xiàn)沒(méi)有振蕩，30 s即可恢復(fù)到50Hz附近。

圖3 參數(shù)優(yōu)化前后仿真結(jié)果對(duì)比Fig.3 Parameters comparison of simulation results before and after optimization

2020-11-06 ，為了驗(yàn)證優(yōu)化參數(shù)的適用性，對(duì)萬(wàn)家寨3號(hào)機(jī)組進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)。機(jī)組并入電網(wǎng)運(yùn)行，帶23.3MW負(fù)荷，手動(dòng)將調(diào)速系統(tǒng)切換為孤網(wǎng)模式，確認(rèn)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，手動(dòng)跳開(kāi)主變壓器高壓側(cè)斷路器，使機(jī)組脫網(wǎng)，驗(yàn)證調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中是否正常穩(wěn)定。甩負(fù)荷試驗(yàn)機(jī)端頻率錄波圖見(jiàn)圖4?？梢钥闯?，甩負(fù)荷后，機(jī)組頻率升至52 Hz，150 s后頻率穩(wěn)定在50 Hz，沒(méi)有發(fā)生振蕩，證明了優(yōu)化后的孤網(wǎng)模式參數(shù)可以維持孤網(wǎng)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 甩負(fù)荷試驗(yàn)機(jī)端頻率錄波圖Fig.4 Frequency oscillogram of load rejection test

4 仿真分析

4.1 潮流仿真

根據(jù)黑啟動(dòng)試驗(yàn)流程，黑啟動(dòng)試驗(yàn)方案中有4個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)會(huì)造成系統(tǒng)較大的潮流變化，需進(jìn)行仿真分析，穩(wěn)態(tài)潮流仿真結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 黑啟動(dòng)試驗(yàn)穩(wěn)態(tài)潮流仿真結(jié)果Tab.1 Power flow simulation results of black start test

節(jié)點(diǎn)1：空充聯(lián)通線(xiàn)路。仿真結(jié)果為空充線(xiàn)路后，萬(wàn)家寨3號(hào)機(jī)組調(diào)壓使220 kV母線(xiàn)電壓控制到230 kV時(shí)的潮流狀態(tài)。

節(jié)點(diǎn)2：薛家灣變電站帶負(fù)荷。仿真結(jié)果為薛家灣變電站帶負(fù)荷（25+j22）MVA且萬(wàn)家寨3號(hào)機(jī)組調(diào)壓后的潮流狀態(tài)。

節(jié)點(diǎn)3：準(zhǔn)大電廠(chǎng)啟動(dòng)廠(chǎng)用負(fù)荷。仿真結(jié)果為準(zhǔn)大電廠(chǎng)啟備變壓器帶負(fù)荷（10.0+j6.9）MVA且萬(wàn)家寨3號(hào)機(jī)組調(diào)壓后的潮流狀態(tài)。

節(jié)點(diǎn)4：準(zhǔn)大電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷。仿真結(jié)果為準(zhǔn)大電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組帶負(fù)荷30MW且萬(wàn)家寨3號(hào)機(jī)組和準(zhǔn)大電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組分別調(diào)壓后的潮流狀態(tài)。

黑啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中，各環(huán)節(jié)操作后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)潮流分布合理，節(jié)點(diǎn)電壓均在合格范圍內(nèi)。其中，萬(wàn)家寨水電站3號(hào)機(jī)組最大進(jìn)相無(wú)功功率17Mvar，發(fā)生在萬(wàn)家寨空充至薛家灣和準(zhǔn)大電廠(chǎng)母線(xiàn)后，準(zhǔn)大1號(hào)機(jī)組不存在進(jìn)相運(yùn)行情況。

4.2 空充線(xiàn)路

充電前，萬(wàn)松Ⅰ線(xiàn)、松寧線(xiàn)、寧薛Ⅰ線(xiàn)和大寧Ⅰ線(xiàn)已經(jīng)處于聯(lián)通狀態(tài)，線(xiàn)路總長(zhǎng)度88.7 km。對(duì)空充聯(lián)通狀態(tài)的輸電線(xiàn)路過(guò)程進(jìn)行自勵(lì)磁和過(guò)電壓仿真校核。

4.2.1 自勵(lì)磁

發(fā)電機(jī)的自勵(lì)磁是一種諧振現(xiàn)象，根據(jù)GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]（下文簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)程），發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁可用式（1）進(jìn)行判斷：

式中：WN為發(fā)電機(jī)額定容量，MVA；QC為線(xiàn)路充電功率，Mvar；Xd*為發(fā)電機(jī)等值同步電抗標(biāo)幺值（包括升壓變壓器，以發(fā)電機(jī)容量為基準(zhǔn)）。

校核計(jì)算萬(wàn)家寨3號(hào)機(jī)組空充聯(lián)通線(xiàn)路自勵(lì)磁情況。發(fā)電機(jī)額定容量WN=200MVA，線(xiàn)路充電功率QC=17Mvar，對(duì)發(fā)電機(jī)和外部輸電系統(tǒng)參數(shù)折算后可知，發(fā)電機(jī)同步電抗=1.0575變壓器電抗=0.1244，發(fā)電機(jī)等值同步電抗標(biāo)幺值=1.182，因此=20.09

空充聯(lián)通線(xiàn)路時(shí)薛家灣變電站220 kV母線(xiàn)三相電壓仿真波形見(jiàn)圖5，空充線(xiàn)路后母線(xiàn)電壓在0.5 s內(nèi)達(dá)到正常值，發(fā)電機(jī)沒(méi)有發(fā)生自勵(lì)磁現(xiàn)象。因此，說(shuō)明空充聯(lián)通線(xiàn)路時(shí)萬(wàn)家寨3號(hào)機(jī)組不會(huì)發(fā)生自勵(lì)磁。

圖5 空充線(xiàn)路時(shí)薛家灣220 kV母線(xiàn)三相電壓仿真波形Fig.5 Three-phase voltage simulation waveform of Xuejiawan 220 kV bus during charging line

4.2.2 工頻過(guò)電壓

計(jì)算空充線(xiàn)路空載長(zhǎng)線(xiàn)容升效應(yīng)（K0）和線(xiàn)路末端單相短路（K1）兩種情況下的工頻過(guò)電壓，仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 工頻過(guò)電壓仿真結(jié)果Tab.2 Power frequency overvoltage simulation results

線(xiàn)路相地工頻過(guò)電壓最大值為1.1699（p.u.），依據(jù)規(guī)程，系統(tǒng)的工頻過(guò)電壓水平在線(xiàn)路斷路器的變電所側(cè)一般不宜超過(guò)1.3（p.u.）；線(xiàn)路斷路器的線(xiàn)路側(cè)不宜超過(guò)1.4（p.u.），仿真結(jié)果中工頻過(guò)電壓均小于1.3（p.u.），滿(mǎn)足規(guī)程要求。

4.2.3 操作過(guò)電壓

鑒于三相開(kāi)關(guān)動(dòng)作的不同期性（開(kāi)關(guān)的不同期時(shí)間大約為5ms），在仿真計(jì)算中考慮開(kāi)關(guān)預(yù)期合閘時(shí)間在一個(gè)周波內(nèi)服從隨機(jī)均勻分布，開(kāi)關(guān)三相不同期性在[-2.5，2.5]（單位為ms）內(nèi)服從正態(tài)分布。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行120次空充合閘仿真，根據(jù)正態(tài)分布的3σ規(guī)則和絕緣配合中使用的統(tǒng)計(jì)過(guò)電壓U2，操作過(guò)電壓仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。合空線(xiàn)操作過(guò)電壓相地最大值為2.6748（p.u.），滿(mǎn)足規(guī)程中相地操作過(guò)電壓不大于3.0（p.u.）的要求。

表3 操作過(guò)電壓仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Simulation value of operation overvoltage results

4.3 空充主變壓器

變壓器為帶有鐵心的感性設(shè)備，其正常運(yùn)行時(shí)的電感值很大。而在變壓器合閘過(guò)程中，由于變壓器鐵心飽和，其等值電感降低，可能與變壓器合閘回路中的電容共同作用發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象。影響變壓器鐵磁諧振的因素主要包括變壓器的伏安特性、線(xiàn)路參數(shù)、系統(tǒng)條件、開(kāi)關(guān)操作的分散性等。

薛家灣變電站220 kV 1號(hào)母線(xiàn)空充主變壓器時(shí)的操作過(guò)電壓水平及衰減情況見(jiàn)表4，仿真波形見(jiàn)圖6?？梢钥闯?，薛家灣變電站在合空主變壓器時(shí)無(wú)顯著的諧振過(guò)電壓產(chǎn)生，操作過(guò)電壓及暫時(shí)過(guò)電壓水平均在規(guī)程規(guī)定的限值范圍內(nèi)，也在變壓器過(guò)勵(lì)磁承受范圍內(nèi)。

圖6 合空載主變壓器仿真曲線(xiàn)Fig.6 Simulation waveform of charging transformer

表4 諧振過(guò)電壓水平及衰減情況Tab.4 Resonance overvoltage and attenuation

4.4 薛家灣變電站啟動(dòng)負(fù)荷

薛家灣變電站負(fù)荷用恒阻抗模型模擬，當(dāng)薛家灣主變壓器110 kV側(cè)投入4MW負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)最大頻率偏差0.5Hz，見(jiàn)圖7。因此，為了保證現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)頻率偏差≤0.5Hz，薛家灣每輪次投入的負(fù)荷量應(yīng)≤4MW。

圖7 薛家灣投入4MW恒阻抗負(fù)荷引起的系統(tǒng)頻率偏差仿真曲線(xiàn)Fig.7 Simulation curve of frequency deviation caused by 4MW constant impedance load input by Xuejiawan

4.5 啟動(dòng)廠(chǎng)用輔機(jī)

準(zhǔn)大電廠(chǎng)最大功率輔機(jī)為給水泵，其額定功率為5.4MW，啟動(dòng)給水泵過(guò)程仿真結(jié)果見(jiàn)圖8，啟動(dòng)最大電流約3.005 kA，6 kV母線(xiàn)電壓由6.05 kV跌落至5.07 kV，電壓最大降低16.3%。系統(tǒng)最大頻率偏差-0.57Hz，2.5 s后頻率偏差恢復(fù)至±0.5Hz以?xún)?nèi)，給水泵全程啟動(dòng)時(shí)間為3.7 s。

圖8 準(zhǔn)大電廠(chǎng)給水泵啟動(dòng)仿真曲線(xiàn)Fig.8 Frequency oscillogram of feed pumb start?up in Zhunda Power Plant

準(zhǔn)大電廠(chǎng)所有變頻輔機(jī)變頻器低電壓保護(hù)定值見(jiàn)表5。從表5可知，準(zhǔn)大電廠(chǎng)380 V輔機(jī)變頻器低壓保護(hù)定值較高為0.84（p.u.），即電壓跌落16%時(shí)變頻器低電壓保護(hù)啟動(dòng)，延時(shí)5 s后跳閘，啟動(dòng)給水泵電機(jī)時(shí)雖然會(huì)引起變頻器低電壓保護(hù)啟動(dòng)，但未到5 s即可恢復(fù)，不會(huì)引起保護(hù)動(dòng)作，建議現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)啟備變壓器分接頭，提高6 kV和380 V母線(xiàn)電壓。給水泵啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)最大頻率偏差-0.57Hz，但超出-0.5Hz的時(shí)間僅為2.5 s，不會(huì)引起機(jī)組保護(hù)裝置動(dòng)作。

表5 準(zhǔn)大電廠(chǎng)變頻器低電壓保護(hù)定值Tab.5 Setting value of low voltage protection of frequency converter in Zhunda power plant

4.6 火電機(jī)組并網(wǎng)

準(zhǔn)大電廠(chǎng)機(jī)組自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置并網(wǎng)條件為斷路器兩側(cè)電壓差定值≤0.04（p.u.）（即線(xiàn)電壓≤8.8 kV），頻率差值≤0.15Hz，導(dǎo)前時(shí)間0.08 s。火電機(jī)組在并網(wǎng)后為了防止機(jī)組逆功率運(yùn)行，常常設(shè)置一個(gè)最小開(kāi)度，使機(jī)組并網(wǎng)后立刻帶初負(fù)荷。由于黑啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)容量很小，火電機(jī)組并網(wǎng)后帶初負(fù)荷造成系統(tǒng)頻率較大波動(dòng)，分別對(duì)準(zhǔn)大電廠(chǎng)1號(hào)機(jī)組并網(wǎng)后不帶初負(fù)荷、帶10MW初負(fù)荷和帶20MW初負(fù)荷3種情況進(jìn)行仿真，見(jiàn)圖9。

圖9 準(zhǔn)大機(jī)組并網(wǎng)仿真曲線(xiàn)Fig.9 Grid connection simulation curve of Zhunda unit

從圖9可知，不帶初負(fù)荷時(shí)，并網(wǎng)后最大頻率偏差為-0.16Hz；帶10MW初負(fù)荷時(shí)，并網(wǎng)后最大頻率偏差為0.92 Hz，超出0.5 Hz時(shí)間約19 s；帶20 MW初負(fù)荷時(shí)，并網(wǎng)后最大頻率偏差為1.78 Hz，超出0.5 Hz時(shí)間約25 s。建議在黑啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，準(zhǔn)大電廠(chǎng)機(jī)組應(yīng)取消初負(fù)荷，減小并網(wǎng)瞬間對(duì)系統(tǒng)頻率的沖擊，同時(shí)適當(dāng)放大逆功率保護(hù)定值和時(shí)延，避免機(jī)組升負(fù)荷之前逆功率保護(hù)動(dòng)作。

5 結(jié)論

本文基于PSCAD搭建了內(nèi)蒙古電網(wǎng)常規(guī)水電黑啟動(dòng)試驗(yàn)小系統(tǒng)模型，并通過(guò)PSD-BPA驗(yàn)證了模型的正確性；基于萬(wàn)家寨3號(hào)機(jī)組孤網(wǎng)模式優(yōu)化參數(shù)，對(duì)黑啟動(dòng)試驗(yàn)方案進(jìn)行了潮流和動(dòng)態(tài)仿真，得出如下結(jié)論。

（1）萬(wàn)家寨水電站3號(hào)機(jī)組以孤網(wǎng)模式運(yùn)行，在低負(fù)荷工況下能夠維持試驗(yàn)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，并具有較強(qiáng)的進(jìn)相能力，可作為內(nèi)蒙古電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源。

（2）黑啟動(dòng)過(guò)程中機(jī)組未出現(xiàn)自勵(lì)磁現(xiàn)象，各廠(chǎng)站母線(xiàn)電壓未超過(guò)規(guī)定限值。

（3）為保證試驗(yàn)系統(tǒng)頻率偏差在±0.5Hz以?xún)?nèi)，薛家灣變電站每輪次投入的負(fù)荷量不應(yīng)超過(guò)4MW。

（4）為避免準(zhǔn)大機(jī)組并網(wǎng)后系統(tǒng)頻率產(chǎn)生較大波動(dòng)，機(jī)組應(yīng)取消并網(wǎng)初負(fù)荷。