邢華棟，慕 騰，景志濱，齊 軍，張紅光，姜希偉，劉新軍

（1.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.內蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點實驗室，呼和浩特 010020；3.內蒙古電力調度控制中心，呼和浩特 010010；4.黃河萬家寨水利樞紐有限公司，山西 忻州 036412）

0 引言

電網(wǎng)黑啟動能力是考核電網(wǎng)是否安全的重要指標[1-2]。近年來，國內各大電網(wǎng)公司都不同程度地實施了以水電機組為啟動電源的黑啟動試驗[3-9]，為我國黑啟動事業(yè)積累了成功經驗，但也暴露出了一些問題，如2005-12-04某電網(wǎng)公司實施黑啟動試驗時，由于機組采用手動調頻模式，試驗系統(tǒng)頻率偏低且波動很大，導致機組欠勵限制器動作，嚴重限制了機組進相深度，使系統(tǒng)充電功率無法平衡，最終造成線路過電壓保護動作跳閘[3]。2012-11-20某電網(wǎng)以抽水蓄能機組空充500 kV長線路時，由于合閘操作過電壓激發(fā)了系統(tǒng)自振頻率上的線性諧振，導致合閘2 s后發(fā)電機勵磁保護跳閘[4]。

某區(qū)域電網(wǎng)黑啟動試驗吸取前述經驗教訓，水電機組全程自動調頻[10]。同時為了避免火電機組并網(wǎng)后負荷過低不能穩(wěn)定運行，要求在啟動火電機組之前啟動一定量的公用變電站負荷，在黑啟動試驗籌備階段，對黑啟動孤網(wǎng)小系統(tǒng)進行了建模和仿真，對機組自勵磁、系統(tǒng)過電壓、系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性等問題進行了全方位論證[11-14]，為黑啟動試驗的實施提供了重要參考；為了確保水電機組的孤網(wǎng)調頻能力能夠滿足黑啟動試驗的要求，對水輪機調速系統(tǒng)孤網(wǎng)模式控制參數(shù)進行了仿真優(yōu)化，并利用機組甩負荷試驗驗證了優(yōu)化參數(shù)的適用性[15-18]。在準備充足的前提下，2021-03-29，該區(qū)域電網(wǎng)實施了以水電廠為啟動電源的電網(wǎng)黑啟動試驗，本文論述了試驗過程，并對試驗進行了總結。

1 黑啟動試驗概況

1.1 試驗目的

（1）驗證W水電廠發(fā)電機組的自啟動能力；

（2）測試黑啟動過程中發(fā)電機組自勵磁、變壓器勵磁涌流及試驗系統(tǒng)過電壓、鐵磁諧振等數(shù)據(jù)；

（3）驗證黑啟動試驗系統(tǒng)電網(wǎng)繼電保護、電廠涉網(wǎng)保護配合是否合理；

（4）驗證黑啟動試驗系統(tǒng)負荷啟動與穩(wěn)定運行能力；

（5）驗證Z火電廠發(fā)電機組熱態(tài)啟動與并網(wǎng)能力；

（6）驗證黑啟動試驗系統(tǒng)的頻率控制和電壓調節(jié)能力；

（7）驗證黑啟動電源系統(tǒng)準同期并網(wǎng)能力。

1.2 系統(tǒng)構成

電網(wǎng)黑啟動試驗的系統(tǒng)包括：W水電廠3號機組和220 kV B母、WSⅠ線、S變電站220 kV 1號母線、SN線、N變電站220 kV 2號和4號母線、ZNⅠ線、Z火電廠220 kV 1號母線和1號啟備變壓器及1號機組、NXⅠ線、X變電站220 kV 1號母線和1號主變壓器，系統(tǒng)結構示意圖見圖1。

1.3 試驗流程

（1）W水電廠3號機組自啟動；

（2）3號機組穩(wěn)定運行后，經W水電廠220kVB母、220kV WSⅠ線、S變電站220kV1號母線、SN線、N變電站220 kV 2號和4號母線、220 kV NXⅠ線充電至X變電站220 kV 1號母線，同時經220 kV ZNⅠ線充電至Z火電廠220 kV 1號母線；

（3）X變電站1號主變壓器充電，并逐步帶負荷25 MW；

（4）Z火電廠1號啟備變壓器充電，為1號機組提供廠用電，逐一啟動輔機；

（5）Z火電廠1號機組啟動，穩(wěn)定運行后經201斷路器同期并入黑啟動試驗系統(tǒng)，逐步增加出力至30 MW；

（6）黑啟動試驗系統(tǒng)持續(xù)運行20 min；

（7）黑啟動試驗系統(tǒng)在W水電廠同期并網(wǎng)。

2 試驗準備

2.1 發(fā)電機組運行方式

W水電廠三機運行，其中3號機組用于黑啟動試驗系統(tǒng)，另兩臺機組用于正常運行系統(tǒng)；Z火電廠雙機運行，1號機組用于黑啟動試驗系統(tǒng)，2號機組用于正常運行系統(tǒng)。

2.2 電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制

黑啟動試驗期間，該區(qū)域電網(wǎng)500 kV、220 kV系統(tǒng)不安排輸變電設備檢修；電網(wǎng)控制極限按黑啟動試驗期間臨時控制極限執(zhí)行。

2.3 黑啟動試驗要求

（1）將黑啟動試驗系統(tǒng)所屬線路保護定值修改為黑啟動試驗期間臨時定值，重合閘退出運行，防止重合于故障對黑啟動電源造成沖擊。

（2）W水電廠水電站3號機組、Z火電廠1號機組修改發(fā)變組相關保護定值，確保在（50±0.5）Hz內機組能夠穩(wěn)定運行，發(fā)變組保護在保障設備安全的前提下，盡可能提升保護定值適應性，避免試驗期間頻率、電壓波動引起機組跳閘。

（3）黑啟動試驗前，W水電廠210開關同期試驗已完成且同期功能正常。試驗期間，W水電廠3號機組、Z火電廠1號機組的AGC、AVC功能退出運行，Z火電廠高周切機裝置退出運行。

（4）當黑啟動試驗系統(tǒng)或正常運行系統(tǒng)發(fā)生故障、振蕩、過電壓等異常情況時，應立即暫停黑啟動試驗，同時向調控中心匯報。若能夠明確異常原因并及時解決，則繼續(xù)進行黑啟動試驗，否則停止試驗。

3 黑啟動試驗過程

3.1 系統(tǒng)形成過程

Z火電廠形成黑啟動試驗系統(tǒng)過程如下：1號機組解列停機，啟備變轉冷備用，隔離1號機組廠用系統(tǒng)，退出廠用備自投，退出高周切機裝置，退出1號機組AVC、AGC功能，黑啟動元件隔離倒閘操作（黑啟動試驗系統(tǒng)中的線路和母線為聯(lián)通狀態(tài)），修改1號發(fā)變組、啟備變保護定值等。

W水電廠形成黑啟動試驗系統(tǒng)過程如下：隔離3號機組廠用系統(tǒng)，退出廠用備自投，退出3號機組AVC、AGC功能，3號機組停機備用，黑啟動元件隔離倒閘操作，修改3號發(fā)變組保護定值，3號機組自啟動并帶廠用電（203開關保持冷備用狀態(tài)）等操作。

N變電站、S變電站、X變電站形成黑啟動試驗系統(tǒng)過程如下：黑啟動元件隔離倒閘操作（黑啟動試驗系統(tǒng)中的線路和母線為聯(lián)通狀態(tài)），修改線路保護定值等。

3.2 系統(tǒng)線路充電

W水電廠3號機組機端電壓升至15.09 kV后，合203斷路器給B母充電。W水電廠合252斷路器，經220 kV B母給WSⅠ線、S變電站220 kV 1號母線、SN線、N變電站220 kV 2號和4號母線、NXⅠ線、X變電站220 kV 1號母線、ZNⅠ線、Z火電廠220 kV 1號母線充電。W水電廠3號機組電壓有效值、電流有效值、勵磁電壓、勵磁電流、有功、無功和頻率在空充后1 s內實測數(shù)據(jù)如圖2所示，機端電壓從15.4 kV經0.022 s升高至15.98 kV后開始降低；無功功率從1.04 Mvar經0.075 s降至-19.56 Mvar進相狀態(tài)，最終穩(wěn)定在-18.38 Mvar進相狀態(tài)，機組勵磁系統(tǒng)調節(jié)正常。

圖2 空充聯(lián)通線路時W水電廠3號機組實測曲線Fig.2 Measured curve of No.3 unit in W hydraulic power plant as charging the connecting idle?load lines

空充聯(lián)通線路過程中，X變電站母線電壓最高，其相地工頻過電壓為145.63 kV（1.001（p.u.）），相地操作過電壓為525.94 kV（2.556（p.u.）），滿足規(guī)程要求[19]。前期仿真階段，該工況下X變電站工頻過電壓為0.993（p.u.），操作過電壓為2.675（p.u.），仿真結果與實測結果基本一致。

3.3 X變電站1號主變壓器充電

X變電站合201斷路器，空充1號主變壓器，1號主變壓器三相電壓、三相電流以及零序電流1 s內實測波形如圖3所示。

圖3 空充X變電站1號主變壓器實測曲線Fig.3 Measured curve of main transformer 1 in X substation as a charging up made in

X變電站220 kV母線操作過電壓236.624 kV（1.15（p.u.）），滿足規(guī)程要求[19]。前期仿真階段，該工況下X變電站母線操作過電壓為1.17（p.u.），仿真結果與實測結果基本一致。

X變電站主變壓器容量為120 MVA，主變勵磁涌流情況如表1所示，勵磁涌流衰減過程中未發(fā)生突增現(xiàn)象，充電過程中未發(fā)生變壓器鐵心飽和引起的鐵磁諧振。

表1 空充X變電站1號主變壓器時勵磁涌流及衰減情況Tab.1 Magnetizing inrush current and attenuation of main transformer 1 in X substation as a charging up made in

3.4 X變電站帶負荷

根據(jù)仿真計算結果，為防止啟動負荷過程中系統(tǒng)頻率偏差超出±0.5 Hz，X變電站每次啟動負荷不大于4 MW。X變電站逐步啟動25 MW負荷耗時約1 h，W水電廠3號機組導葉開度指令、導葉開度、有功功率和頻率實測曲線如圖4所示，頻率波動范圍49.554~50.287 Hz，滿足頻率波動范圍要求，調速器根據(jù)系統(tǒng)頻率偏差自動調整開度指令，導葉開度跟隨開度指令動作，調速系統(tǒng)調節(jié)正常。

圖4 X變電站啟動負荷過程中W水電廠3號機組實測曲線Fig.4 Measured curve of unit 3 in W hydraulic power plant during starting load of X substation

3.5 Z火電廠啟動輔機

Z火電廠空充1號啟備變壓器過程中，由于啟備變壓器容量（50 MVA）較小，且系統(tǒng)已接帶負荷25 MW，因此對W水電廠發(fā)電機組沖擊不大，暫態(tài)過程時間也較短。

Z火電廠啟備變壓器帶電后，啟動1號機組輔機。較大容量的輔機有給水泵（5400 kW）、引風機（4000 kW）和一次風機（1800 kW）等。啟動過程中，引風機對系統(tǒng)的頻率和電壓沖擊最大，頻率最低降至49.36 Hz，6 kV母線電壓最低降至5.31 kV，系統(tǒng)各元件運行正常；其他輔機啟動引起的頻率偏差均不超過0.5 Hz。

試驗前仿真階段，建立了給水泵異步電動機模型，并對其啟動過程進行了仿真分析，但實際運行中給水泵啟動過程對系統(tǒng)的沖擊遠不及引風機，見表2，引風機啟動引起的系統(tǒng)頻率偏差為-0.64 Hz，導致6 kV段電壓跌落1.01 kV；給水泵啟動引起的系統(tǒng)頻率偏差為-0.33Hz，導致6kV段電壓跌落1.05kV。

表2 Z火電廠引風機、給水泵啟動對系統(tǒng)的影響比較Tab.2 Comparison of influence of induced draft fan start?up and feed pump on the system in Z power plant

引風機與給水泵啟動過程中有功功率和頻率實測曲線如圖5所示。由圖5（a）可以看出，輔機啟動過程有功功率呈現(xiàn)出階躍上升—緩慢上升—階躍下降的特點。異步電機啟動過程中的有功功率主要用于轉子加速，在異步電動機通電后，由于轉子堵轉導致電流很大，有功功率階躍上升，隨著轉速的增大，有功功率緩慢上升以維持轉子的加速狀態(tài)，當轉子達到額定轉速或目標轉速后停止加速，此時有功功率階躍式下降。由圖5（b）可以看出，由于系統(tǒng)頻率偏差不大，因此水輪機調速系統(tǒng)調節(jié)速度比較緩慢，輔機啟動過程中系統(tǒng)頻率一直呈現(xiàn)下降趨勢，直至輔機啟動完成頻率才得以上升。引風機啟動過程中有功功率為4~7 MW，給水泵啟動過程中有功功率為4~6 MW，兩者數(shù)值相差不大，但由于引風機啟動時間明顯比給水泵更長，這就造成系統(tǒng)頻率下降時間更長，頻率下降幅度更大。

圖5 引風機與給水泵啟動過程實測曲線Fig.5 Measured curves during startup of induced draft fan and feed pump

雖然給水泵額定容量大于引風機額定容量，但引風機啟動對系統(tǒng)頻率沖擊更大，結合試驗現(xiàn)場工況分析原因如下：

（1）引風機為軸流風機，靜葉與動葉間存在沖角，通流間隙較大，啟動過程需聯(lián)動開起出口閥，引風機通流斷面大，煙風閥門嚴密性較汽水閥門差，使得啟動時扭矩偏大，因此引風機啟動過程屬于帶負載啟動，因此啟動功率較大且時間較長。

（2）給水泵啟動過程中，泵出口閥處于關閉狀態(tài)，僅再循環(huán)調節(jié)閥全開，但流量較小，因此啟動負載非常小，近乎空載啟動；由于給水泵額定功率比引風機大，因此啟動功率與引風機相當，但啟動時間明顯縮短，僅為3 s。

3.6 火電機組并網(wǎng)帶負荷

3.6.1 機組并網(wǎng)

Z火電廠1號機組輔機全部啟動后，1號機組點火電啟動，達到額定轉速后，實施自動準同期并網(wǎng)，1號機組并網(wǎng)時的有功、無功功率和系統(tǒng)頻率如圖6所示。機組并網(wǎng)瞬間初負荷最高升至12.19 MW，系統(tǒng)頻率最高上升至51 Hz，之后系統(tǒng)頻率振蕩衰減，約60 s后頻率偏差恢復至±0.5 Hz，機組有功功率穩(wěn)定在9 MW左右。并網(wǎng)后，火電機組和水電機組均能維持電壓、頻率穩(wěn)定，由于是同期并列，系統(tǒng)電壓和無功受到的沖擊很小，未因調速系統(tǒng)特性的差異而發(fā)生振蕩。

圖6 Z火電廠1號機組并網(wǎng)實測曲線Fig.6 Measured curve of grid connection of unit 1 in Z power plant

根據(jù)試驗前仿真結果，建議將初負荷設為0或2 MW，Z火電廠折中將初負荷設定值由10 MW修改為3 MW。但在并網(wǎng)瞬間，雖然高調門開度增量很小，由于中壓調門開度流量特性不良，瞬間由中間位置直接全開，導致瞬間負荷增量達到12.19 MW，系統(tǒng)頻率最高升至51 Hz。建議黑啟動時機組取消初負荷，減小并網(wǎng)瞬間對系統(tǒng)頻率的沖擊；停機后進行DEH混合仿真，確定初負荷取消后并網(wǎng)瞬間閥位低限不影響運行人員手動操作。

3.6.2 機組升負荷

Z火電廠1號機組負荷調整速率為5 MW/min，在機組升負荷過程中，機組頻率波動范圍49.727~50.252 Hz，機組振動、汽輪機軸瓦溫度等重要參數(shù)均在正常范圍內，機組運行穩(wěn)定。

3.7 黑啟動試驗系統(tǒng)運行

Z火電廠升負荷至30 MW后，黑啟動試驗系統(tǒng)連續(xù)運行20 min。運行過程中W水電廠3號機組、Z火電廠1號機組運行穩(wěn)定，系統(tǒng)頻率波動范圍49.692~50.287 Hz，在允許范圍內。

3.8 黑啟動試驗系統(tǒng)并入主網(wǎng)

W水電廠3號機組調速器保持孤網(wǎng)自動狀態(tài)，手動調整3號機組勵磁使B母與A母電壓相等，W水電廠210斷路器采用自動準同期并網(wǎng)。并網(wǎng)瞬間，頻率和電壓沒有明顯沖擊，系統(tǒng)狀態(tài)過渡平穩(wěn)，W水電廠各系統(tǒng)設備運行正常，Z火電廠1號機組并網(wǎng)后仍采用閥位手動控制方式，并網(wǎng)期間1號機組運行正常。

4 結論

本文論述了某區(qū)域電網(wǎng)利用常規(guī)水電機組實施電網(wǎng)黑啟動的試驗過程，對啟動過程中的實測數(shù)據(jù)進行了分析，得出如下結論。

（1）W水電廠和Z火電廠設備在黑啟動試驗時無系統(tǒng)外電源，通過W水電廠3號機組啟動并充電至電網(wǎng)，為Z火電廠1號機組提供啟動電源，1號機組成功點火、沖車、并網(wǎng)、帶負荷，黑啟動系統(tǒng)穩(wěn)定運行20 min，證明該試驗方案切實可行。

（2）本次黑啟動試驗采用W水電廠3號機組調速系統(tǒng)在孤網(wǎng)模式下調整電網(wǎng)頻率的控制方式，試驗期間全過程自動調節(jié)，Z火電廠1號機組采用手動閥位控制，不參與系統(tǒng)調頻。這種頻率控制方式不論在帶負荷階段，還是Z火電廠啟動大功率輔機、鍋爐點火、升溫升壓、汽機沖車、發(fā)電機并網(wǎng)、帶負荷、黑啟動試驗系統(tǒng)并入大網(wǎng)過程，系統(tǒng)頻率始終控制在平穩(wěn)狀態(tài)，頻率波動在較小范圍內，證明該方案切實可行。

（3）黑啟動試驗過程中電壓和頻率波動與前期仿真結論一致，驗證了仿真模型的正確性。