黃思林，王忠寶

（1.國(guó)家能源集團(tuán)廣東電力有限公司，廣州 510000；2.國(guó)能粵電臺(tái)山發(fā)電有限公司，廣東 江門 529299）

電網(wǎng)黑啟動(dòng)是整個(gè)電網(wǎng)在遭受極端破壞、整個(gè)電網(wǎng)停電以后，通過(guò)啟動(dòng)電網(wǎng)內(nèi)部具有自啟動(dòng)能力的機(jī)組，帶動(dòng)無(wú)自啟動(dòng)能力的機(jī)組，進(jìn)而逐步擴(kuò)大電力供應(yīng)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力系統(tǒng)恢復(fù)供電的過(guò)程[1-3]。電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)問(wèn)題最初在20世紀(jì)80年代由美國(guó)學(xué)者提出[4]，1998年國(guó)家科技部將電力系統(tǒng)恢復(fù)方案作為科研項(xiàng)目的子課題之一，標(biāo)志著我國(guó)黑啟動(dòng)研究的開(kāi)始[5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)逐漸將電網(wǎng)是否具有黑啟動(dòng)能力作為考核電網(wǎng)是否安全的重要指標(biāo)。各區(qū)域、省公司都加大了對(duì)電網(wǎng)黑啟動(dòng)研究工作的投入，制定了與地區(qū)電網(wǎng)實(shí)際情況相適應(yīng)的黑啟動(dòng)方案，相繼進(jìn)行了黑啟動(dòng)試驗(yàn)并獲得成功。然而，黑啟動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)自勵(lì)磁、操作過(guò)電壓等問(wèn)題，可能導(dǎo)致黑啟動(dòng)失敗。因此，對(duì)黑啟動(dòng)方案進(jìn)行可行性研究，對(duì)于黑啟動(dòng)成功、對(duì)維持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行都具有重大意義。建立發(fā)電機(jī)組黑啟動(dòng)模型，可用于仿真分析黑啟動(dòng)過(guò)程可能出現(xiàn)的自勵(lì)磁、操作過(guò)電壓等問(wèn)題[6]，驗(yàn)證黑啟動(dòng)方案的可行性，以期為后續(xù)的深入研究提供借鑒和參考。

1 黑啟動(dòng)過(guò)程

黑啟動(dòng)一般分為黑啟動(dòng)、電網(wǎng)重構(gòu)和負(fù)荷恢復(fù)3個(gè)過(guò)程[7-10]。具體過(guò)程為電網(wǎng)停電后，具備黑啟動(dòng)能力的電廠啟動(dòng)廠內(nèi)柴油發(fā)電機(jī)/蓄電池等黑啟動(dòng)電源，恢復(fù)廠用電后重啟廠內(nèi)發(fā)電機(jī)組；發(fā)電機(jī)組成功啟動(dòng)后，通過(guò)特定的路徑，對(duì)線路進(jìn)行空充，之后向電網(wǎng)輸送電量，帶動(dòng)電網(wǎng)中其他無(wú)自啟動(dòng)能力機(jī)組，進(jìn)而逐步擴(kuò)大電力供應(yīng)范圍，逐步恢復(fù)供電。

2 黑啟動(dòng)建模

2.1 仿真工具

模擬主要采用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC進(jìn)行黑啟動(dòng)仿真分析，該軟件是世界上廣泛使用的電磁暫態(tài)仿真軟件，EMTDC是其仿真計(jì)算核心，PSCAD為EMTDC提供圖形操作界面。

2.2 模型建立

PSCAD里面提供豐富的元件庫(kù)，從簡(jiǎn)單的無(wú)源元件到復(fù)雜的控制模塊，電機(jī)、FACTS裝置和電纜線路等模型都有涵蓋[11-13]。研究采用PSCAD現(xiàn)有元件搭建黑啟動(dòng)模型。建模時(shí)，發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)、調(diào)速器和原動(dòng)機(jī)模型參數(shù)參照電廠及廠家提供數(shù)據(jù)，線路模型采用單組π型集中參數(shù)等效模型，廠用電按電廠提供的黑啟動(dòng)所需的最小負(fù)荷建模。

3 可行性分析判據(jù)

3.1 自勵(lì)磁分析

根據(jù)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程，對(duì)于發(fā)電機(jī)帶空載長(zhǎng)線時(shí)，不發(fā)生自勵(lì)磁的理論判據(jù)是[14]：

式中：Wh為發(fā)電機(jī)額定容量，單位為MVA；Qc為考慮高抗或低抗補(bǔ)償后的線路剩余充電功率，單位為Mvar；Xd為發(fā)電機(jī)等值同步電抗（包括升壓變漏抗，以發(fā)電機(jī)為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值）；α為不發(fā)生自勵(lì)磁的裕度（%）。

3.2 空充長(zhǎng)線路工頻過(guò)電壓和操作過(guò)電壓分析

黑啟動(dòng)電源經(jīng)升壓變空充長(zhǎng)線路過(guò)程中，因電容效應(yīng)會(huì)引起工頻電壓升高。空充長(zhǎng)線路過(guò)程中，合閘后0.1 s內(nèi)出現(xiàn)的電壓升高為操作過(guò)電壓，0.1～1.0 s內(nèi)的工頻電壓升高為暫態(tài)工頻電壓升高，2～3 s之后的工頻電壓升高為穩(wěn)態(tài)工頻電壓升高。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》有關(guān)規(guī)定，110 kV工頻過(guò)電壓和系統(tǒng)操作過(guò)電壓倍數(shù)不超過(guò)3.0倍。

3.3 合空變操作及諧振過(guò)電壓分析

合空變后，其過(guò)電壓可以分為2個(gè)階段。

（1）合空變操作過(guò)電壓。該電壓受避雷器的限制，因此不會(huì)對(duì)變壓器絕緣造成影響。

（2）合空變暫時(shí)過(guò)電壓。合空變可能產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、電壓幅值較高的諧波或諧振過(guò)電壓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成避雷器過(guò)載。

判斷時(shí)結(jié)合以往的工程研究經(jīng)驗(yàn)，取合閘后0.1 s內(nèi)的過(guò)電壓幅值作為操作暫態(tài)過(guò)電壓，取合閘0.3 s以后的過(guò)電壓作為可能出現(xiàn)的諧波或諧振過(guò)電壓，并根據(jù)合閘1.0 s以后的電壓幅值來(lái)考察過(guò)電壓衰減情況，空充變壓器過(guò)程中過(guò)電壓不應(yīng)超過(guò)1.05 p.u.。

4 數(shù)值模擬

選擇廣東省某電廠（下文記為A廠）為例，進(jìn)行實(shí)例分析。該電廠的黑啟動(dòng)主方案為：在外界電源失去的情況下，開(kāi)啟柴油發(fā)電機(jī)，以啟動(dòng)B#機(jī)組，然后用B#機(jī)組自帶廠用電，自適應(yīng)向外界送電。模型中使用的發(fā)電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)電機(jī)參數(shù)

4.1 原始數(shù)據(jù)

4.1.1 廠內(nèi)主變參數(shù)

本研究所選取的西安西電變壓器有限責(zé)任公司SF10-80000/110型變壓器，其額定電壓為（121±2×2.5%）/10.5 kV，容量為80 MVA，接線組別為YNd11型，短路阻抗為10.4%。

4.1.2 勵(lì)磁參數(shù)

A廠B#機(jī)組采用三機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁，永磁通過(guò)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）整流后給勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁電流，傳遞函數(shù)如圖1所示。

圖1 勵(lì)磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

圖中VR為氣隙線中勵(lì)磁電壓，取7.1 V；電壓調(diào)節(jié)器輸入電壓為225 V，勵(lì)磁器輸出電壓EFD取64.9 V；勵(lì)磁器時(shí)間常數(shù)TE取1.3 s；勵(lì)磁器常數(shù)KE取1.0；SE為勵(lì)磁器飽和函數(shù)值，75%峰值電壓時(shí)取0.16；峰值電壓時(shí)取1.65；去磁因子KD取0.68；整流器負(fù)載因子KC取0.55；滿負(fù)載轉(zhuǎn)子電壓VFE取243 V；滿負(fù)載轉(zhuǎn)子電流1049 A。線路參數(shù)見(jiàn)表2，同時(shí)圖中部分參數(shù)計(jì)算公式如下

表2 線路參數(shù)

式中：RF勵(lì)磁線圈電阻取6.8 Ω；VAmax為調(diào)節(jié)器最大內(nèi)部電壓，p.u.；KIR為微分系數(shù)；KADDITIONAL為勵(lì)磁輸出頂值倍數(shù)；VTMAX為調(diào)節(jié)器輸出頂值電壓；KP為放大系數(shù)；VT為機(jī)端電壓。

4.2 仿真模型

模型中發(fā)電機(jī)、變壓器、線路等元件，按照A廠的電氣主接線圖和黑啟動(dòng)方案中的路徑，搭建黑啟動(dòng)模型，如圖2所示。

圖2 PSCAD模型

4.3 可行性分析

4.3.1 自勵(lì)磁分析

A廠黑啟動(dòng)機(jī)組帶空載長(zhǎng)線時(shí)，仿真結(jié)果如下：升壓變漏抗Xd為0.104 p.u.，發(fā)電機(jī)等值同步電抗為2.97 p.u.，線路充電功率Qc為3.7 Mvar。

按公式（1）和（2）計(jì)算，得出黑啟動(dòng)自勵(lì)磁計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明，110 kV C線Qc×Xd為2.85 Mvar，低于額定容量的81.125 MVA。因此，不會(huì)發(fā)生自勵(lì)磁現(xiàn)象。同時(shí)不發(fā)生自勵(lì)磁的裕度α較高，為86.5%，系統(tǒng)相對(duì)安全。通過(guò)仿真，機(jī)組充電至110 kV C線此時(shí)機(jī)組進(jìn)相達(dá)到最大，為-1.6 Mvar。機(jī)組進(jìn)相能力滿足安全要求。

4.3.2 空充長(zhǎng)線路工頻過(guò)電壓和操作過(guò)電壓分析

A廠B#機(jī)空充長(zhǎng)線路過(guò)程中工頻過(guò)電壓和操作過(guò)電壓計(jì)算結(jié)果如下。

機(jī)組勵(lì)磁電壓給定值為0.95 p.u.時(shí)（1 p.u.=，系統(tǒng)最高工作電壓Um為126 kV），發(fā)電機(jī)機(jī)端與線路首端的合閘前工頻電壓分別為9.94、114.5 kV，發(fā)電機(jī)機(jī)端、線路首端及線路末端的合閘后工頻電壓分別為9.94、116.6、116.6 kV，空充線路操作過(guò)電壓為1.55 p.u.。

機(jī)組勵(lì)磁電壓給定值為1 p.u.時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)端與線路首端的合閘前工頻電壓分別為10.5、120.6 kV，發(fā)電機(jī)機(jī)端、線路首端及線路末端的合閘后工頻電壓分別為10.5、121.9、121.9kV，空充線路操作過(guò)電壓為1.63p.u.。

由結(jié)果可知，A廠B#機(jī)采用自動(dòng)勵(lì)磁方式，當(dāng)機(jī)組給定電壓在0.95～1.0 p.u.時(shí)，110 kV C線線路末端電壓不超過(guò)126 kV；空充線路期間操作過(guò)電壓不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3.0倍。

4.3.3 合空變操作及諧振過(guò)電壓

合空變操作及諧振過(guò)電壓結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 合空變操作及諧振過(guò)電壓結(jié)果

由表3可知，A廠B#機(jī)采用三機(jī)勵(lì)磁方式，當(dāng)機(jī)組給定電壓在0.95～1.0 p.u.時(shí)，空充變壓器過(guò)程中過(guò)電壓不超過(guò)1.05 p.u.，滿足安全要求，且不存在諧振過(guò)電壓。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)A廠B#機(jī)黑啟動(dòng)過(guò)程的仿真校核，具體結(jié)論如下。

（1）A廠B#機(jī)組黑啟動(dòng)過(guò)程中不會(huì)引起自勵(lì)磁，并且有較大裕度；通過(guò)仿真，機(jī)組充電至110 kV C線，此時(shí)機(jī)組進(jìn)相-1.6 Mvar，達(dá)到最大，機(jī)組進(jìn)相能力滿足安全要求；

（2）為保證空充線路過(guò)程中線路工頻電壓不超過(guò)126 kV，建議A廠B#機(jī)采用自動(dòng)勵(lì)磁方式，機(jī)組給定電壓在0.95～1.0 p.u.之間；

（3）A廠B#機(jī)黑啟動(dòng)過(guò)程中，空合變壓器時(shí)不存在操作過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓?jiǎn)栴}；

（4）A廠B#機(jī)黑啟動(dòng)方案可行。