胡遠婷，崔佳鵬，穆興華，董爾佳

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

當電網(wǎng)出現(xiàn)大面積停電時，將給國民經(jīng)濟造成巨大損失，甚至會威脅到人民的生命安全，其主要誘因為自然災(zāi)害、設(shè)備故障、電網(wǎng)管理模式和網(wǎng)絡(luò)攻擊四個方面[1]。如果在大停電之后能夠在短時間內(nèi)迅速恢復(fù)電網(wǎng)的正常供電，將大大降低大停電事故帶來的損失。電網(wǎng)黑啟動是指系統(tǒng)全部停電，即處于全“黑”狀態(tài)下，不依賴別的電網(wǎng)幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動功能的發(fā)電機組啟動，使整個系統(tǒng)重新恢復(fù)供電的過程[2-3]。開展黑啟動試驗，研究和制定黑啟動方案,對快速恢復(fù)電網(wǎng)供電具有重要意義。黑啟動過程中的關(guān)鍵是電源點的啟動，水電廠依靠其輔助設(shè)備簡單、廠用電少、啟動速度快等優(yōu)點是黑啟動電源的首選[4-5]。

黑龍江省220 kV電壓等級的水電廠有鏡泊湖水電廠、蓮花水電廠、尼爾基水電廠。鏡泊湖水電廠可作為牡丹江地區(qū)電網(wǎng)、雞西地區(qū)電網(wǎng)的啟動電源，鏡泊湖廠啟動后送電至牡二廠啟動負荷再逐漸恢復(fù)牡丹江地區(qū)電網(wǎng)和雞西地區(qū)電網(wǎng)[6]。蓮花水電廠可作為佳木斯地區(qū)電網(wǎng)、七臺河地區(qū)電網(wǎng)啟動電源，蓮花廠啟動后可送電至雙廠、七臺河廠逐漸恢復(fù)佳木斯地區(qū)電網(wǎng)和鶴崗地區(qū)電網(wǎng)。尼爾基水電廠由于位于大興安嶺單回線、長線路大環(huán)網(wǎng)中，且附近沒有大容量火電機組，因此不具備作為黑啟動電源的條件。

由于黑啟動試驗前需要區(qū)域大面積斷電，因此并不適合進行現(xiàn)場試驗，多以仿真方式進行黑啟動方案的確定[7-8]，該文通過仿真分析結(jié)果和鏡泊湖水電廠零起升壓現(xiàn)場試驗結(jié)果的對比分析，驗證在進行黑啟動方案制訂時，仿真分析的準確性和有效性，證明鏡泊湖廠具有快速黑啟動條件。

1 黑啟動過程中的系統(tǒng)仿真分析

1.1 仿真軟件

仿真計算程序采用電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP7.6版和全數(shù)字實時仿真分析軟件ADPSS2.4版。

PSASP可進行電網(wǎng)的潮流計算、暫態(tài)穩(wěn)定計算、短路電流計算、小干擾穩(wěn)定分析計算，是一套廣泛應(yīng)用于全國的電力系統(tǒng)分析軟件。該文采用PSASP對220 kV鏡海線線路零起升壓過程中，對發(fā)電機帶空載線路的穩(wěn)定狀態(tài)進行仿真，以確定鏡海線的充電功率以及充電線路始末端電壓水平是否滿足運行要求。

ADPSS全數(shù)字實時仿真軟件可以進行大規(guī)模機電-電磁混合仿真，集中了機電暫態(tài)仿真和電磁暫態(tài)仿真各自的優(yōu)點，在對局部電網(wǎng)進行研究時，無需對相關(guān)網(wǎng)絡(luò)進行等值簡化工作，準確度高。該文采用ADPSS軟件對黑啟動過程中啟動線路兩側(cè)母線的暫態(tài)過電壓情況進行分析，以確定在黑啟動過程中是否會產(chǎn)生過電壓危害。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模型建立

牡丹江鏡泊湖電廠裝機容量96 MW，為4臺15 MW 和2臺18 MW水電機組，通過220 kV鏡海線由林海變并網(wǎng)。鏡海線線路型號為LGJ-240、LGJ-400，線路長度77.55 km。通過鏡海線對鏡新水電廠1臺水電機組進行零起升壓仿真分析，將空充線路對側(cè)母線的電壓穩(wěn)態(tài)值做為研究對象。

由于仿真軟件中模型的限制，勵磁系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)采用仿真軟件中的典型模型參數(shù)。分別為4型勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)和1型調(diào)速器。采用ADPSS電磁暫態(tài)計算程序進行建模，進行零起升壓過程中暫態(tài)過電壓水平分析，仿真模型如圖1所示，其中線路參數(shù)采用三相分布參數(shù)線路模型。采用PSASP電力系統(tǒng)綜合穩(wěn)定程序建模，對鏡泊湖廠零起升壓過程中線路的充電無功及穩(wěn)態(tài)電壓水平進行分析，仿真模型如圖2所示。

圖1 采用ADPSS對鏡泊湖水廠零起升壓仿真建模Fig.1 Simulation modeling of raising voltage from zero of Jingpo lake water plant by ADPSS

圖2 采用PSASP對鏡泊湖廠黑啟動過程建模模型Fig.2 The model of black start process of Jingpo lake plant by PSASP

1.3 仿真結(jié)果分析

設(shè)置發(fā)電機出口母線開關(guān)初始狀態(tài)為斷開，在2 s時開關(guān)閉合，仿真空充220 kV鏡海線的過程，由圖2可以看出，鏡海線上的充電無功為11.394 Mvar。線路首末端穩(wěn)態(tài)電壓如表1所示，鏡海線零起升壓進行線路空充時，線路末端穩(wěn)態(tài)電壓壓升在0.8～0.9 kV之間。

表1 鏡海線線路空充時首末端母線電壓Table 1 Bus voltage at the head and end of Jinghai line when the line is empty charging

對發(fā)電機啟動過程進行過電壓分析，設(shè)置發(fā)電機出口母線開關(guān)初始狀態(tài)為斷開，在2 s時開關(guān)閉合，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示，為零起升壓過程中鏡泊湖廠220 kV母線和林海變220 kV母線電壓的暫態(tài)過程，結(jié)果顯示在啟動過程中母線電壓未超過2(p.u.)，滿足規(guī)定要求，不會產(chǎn)生操作過電壓。

圖3 鏡泊湖廠220 kV母線暫態(tài)過電壓水平Fig.3 The transient overvoltage level of 220 kV bus in Jingpo lake plant

圖4 林海220 kV母線暫態(tài)過電壓水平Fig.4 The transient overvoltage level of 220 kV bus in Linhai

2 鏡泊湖廠黑啟動現(xiàn)場試驗測試結(jié)果

2.1 試驗方案

鏡泊湖水電廠是通過鏡海線并網(wǎng)至500 kV林海變，此次試驗黑啟鏡泊湖廠4號發(fā)電機，然后空充220 kV鏡海線至林海變220 kV母線，試驗過程中勵磁調(diào)節(jié)處共測取了8個測量信號，分別是：發(fā)電機定子三相線電壓、發(fā)電機定子三相電流、發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓、發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流；220 kV故障錄波器處測取了6個測量信號，分別是：鏡泊湖廠220 kV一段母線三相電壓，鏡海線三相電流。同時監(jiān)測林海變220 kV母線電壓，確定在空充線路過程中，線路末端瞬時過電壓和工頻過電壓倍數(shù)是否在允許范圍以內(nèi)。鏡泊湖廠黑啟動試驗示意圖如圖5所示。

圖5 220 kV鏡泊湖廠黑啟動試驗示意圖Fig.5 Schematic diagram of black start test of 220 kV Jingpo lake Plant

1.2 黑啟動試驗錄波結(jié)果

第1次錄波為鏡泊湖水電廠合上4號發(fā)電機出口開關(guān)S1，帶2號主變零起升壓過程，具體數(shù)據(jù)見表1，錄波圖如圖6所示。錄波啟動39.21 s后，鏡泊湖廠4號發(fā)電機電壓趨于穩(wěn)定。發(fā)電機勵磁電壓、電流能夠在規(guī)定時間內(nèi)穩(wěn)定，說明發(fā)電機可帶主變啟動，具備黑啟動條件。

圖6 鏡泊湖廠4號發(fā)電機帶2號主變零起升壓錄波圖Fig.6 Raising voltage oscillogram from zero of No.4 generator with No.2 main transformer in Jingpo lake plant

表1 鏡泊湖廠4號發(fā)電機帶2號主變零起升壓數(shù)據(jù)Table 1 Raising voltage data from zero of No.4 generator with No. 2 main transformer in Jingpo lake plant

第2次錄波為合上2號主變開關(guān)S2帶220 kV一段母線升壓運行過程，220 kV一段母線電壓運行錄波數(shù)據(jù)見表2，發(fā)電機出口處錄波圖如圖7所示。與第1次錄波結(jié)果一樣，發(fā)電機勵磁電壓、電流能夠在規(guī)定時間內(nèi)穩(wěn)定，說明發(fā)電機可帶主變和母線啟動，具備黑啟動條件。

表2 鏡泊湖廠帶220 kV一段母線零起升壓錄波數(shù)據(jù)Table 2 Raising voltage data from zero of 220 kV section I bus in Jingpo lake plant

圖7 鏡泊湖廠帶220 kV一段母線零起升壓發(fā)電機處錄波圖Fig.7 Generator oscillogram of raising voltage from zero with 220 kV section I bus in Jingpo lake plant

第3次錄波為發(fā)電機帶220 kV母線運行平穩(wěn)后，合上鏡海線鏡泊湖側(cè)開關(guān)S3，鏡泊湖廠帶主變、220 kV一段母線空充220 kV鏡海線運行過程，具體錄波數(shù)據(jù)見表3，發(fā)電機處錄波如圖8所示，線路開關(guān)處錄波如圖9所示。開關(guān)S3合閘后，220 kV母線電壓，鏡海線電流均有階躍式增加，母線線電壓UAB由4.726 kV增加至19.827 kV，鏡海線A相電流合閘后達到2.449 A，線路合閘后充電無功達到-0.07 Mvar。母線電壓階躍是瞬間合空線路，由線路上的充電無功造成的。電壓階躍后穩(wěn)定說明在合空線路不會產(chǎn)生自激振蕩，具備給線路送電條件。

圖8 鏡泊湖廠合鏡海線鏡泊湖側(cè)線路開關(guān)發(fā)電機處錄波圖Fig.8 Generator recording diagram of Jingpolake plant when switch on near the Jinghai line

圖9 鏡泊湖廠合鏡海線鏡泊湖側(cè)線路開關(guān)處錄波圖Fig.9 Line switch recording diagram of Jingpo lake plant when switch on near the Jinghai line

表3 鏡泊湖廠合鏡海線鏡泊湖側(cè)線路開關(guān)發(fā)電機處錄波數(shù)據(jù)Table 3 Generator recording data of Jingpo lake plant when switch on near the Jinghai line

第4次錄波為在S1、S2、S3開關(guān)處于合位狀態(tài)時進行發(fā)電機帶線路零起升壓，驗證鏡泊湖廠是否具備快速黑啟動的能力，監(jiān)測數(shù)據(jù)和第3次錄波相同，發(fā)電機處開關(guān)錄波數(shù)據(jù)見表4，線路開關(guān)處錄波如圖10所示。帶鏡海線零起升壓穩(wěn)定后，鏡泊湖220 kV母線電壓UAB為227.90 kV，UBC為227.84 kV，UCA為228.37 kV。鏡海線A相電流為27.651 A，B相電流為27.175 A，C相電流為27.441 A。鏡海線充電無功為10.722 Mvar，而仿真數(shù)據(jù)為11.394 Mvar，考慮到實測線路的誤差以及線路實際排列的復(fù)雜性和地勢地貌的等物理因素的影響，認為仿真結(jié)果和測試結(jié)果基本一致。通過錄波圖發(fā)現(xiàn)，鏡泊湖廠具有快速黑啟動條件，在全網(wǎng)大停電時，可省去前兩次零起升壓過程，通過發(fā)電機帶主變起勵后為母線充電，手動減磁至最低電壓后合線路開關(guān)為線路充電，能減少一定操作步驟和時間。

表4 鏡泊湖廠快速零起升壓過程發(fā)電機處錄波數(shù)據(jù)Table 4 Wave recording data at the generator during the fast zero start boost process of Jingpo lake power plant

圖10 鏡泊湖廠快速零起升壓過程線路開關(guān)處錄波數(shù)據(jù)Fig.10 Wave recording data at line switch during the fast zero start boost process of Jingpo lake power plant

3 結(jié) 語

該文通過鏡泊湖廠現(xiàn)場黑啟動試驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果對比，證明了采用仿真手段的準確性和有效性，證明了采用仿真手段制定黑啟動方案的可靠性。通過鏡泊湖水電廠現(xiàn)場試驗的4次錄波數(shù)據(jù)，可以確定鏡泊湖廠具有黑啟動條件，通過鏡泊湖廠進行黑啟動時，可以省略前兩步零起升壓過程，直接通過發(fā)電機對母線充電后，通過手動減勵合線路開關(guān)為線路充電，可提升電網(wǎng)供電恢復(fù)時間。