淺談電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)

黃志剛 鄭衛(wèi)洪 郭凌旭

國網(wǎng)天津市電力公司調(diào)度控制中心 天津 300010

0 引言

天津電網(wǎng)是典型的受端電網(wǎng)，從電網(wǎng)潮流分布看屬于華北電網(wǎng)橫向通道東部，西電東送的落點(diǎn)區(qū)域。天津電網(wǎng)內(nèi)，電源組成結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，火電為主要發(fā)電形式。水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電不僅總體的比例很低，且絕對(duì)容量較小。實(shí)際運(yùn)行中，天津電網(wǎng)的短路水平較高，部分220kV線路采取斷環(huán)備用方式，以限制短路水平。同時(shí)由于電力走廊的日益緊張，天津220kV以上輸電線路同桿（塔）并架、電纜利用同一通道的現(xiàn)象較多，在應(yīng)對(duì)極端天氣和應(yīng)對(duì)外力破壞方面基礎(chǔ)薄弱。

另一方面，天津電網(wǎng)承擔(dān)著為天津地區(qū)供電的重要任務(wù)。天津?qū)儆谖覈闹陛犑?，是環(huán)渤海及整個(gè)北方的重要經(jīng)濟(jì)、政治、文化、科技及軍事中心。電網(wǎng)負(fù)荷中不僅包括大量的居民、工商業(yè)用電負(fù)荷，而且包括許多黨政機(jī)關(guān)、軍事設(shè)施及危險(xiǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的用電負(fù)荷。2014年末天津電網(wǎng)的日均最大負(fù)荷在11GW以上，日供電量在2億kW·h以上。

長期以來，天津電網(wǎng)內(nèi)由于缺少適宜的黑啟動(dòng)電源，電網(wǎng)黑啟動(dòng)準(zhǔn)備工作進(jìn)展相對(duì)緩慢，應(yīng)對(duì)突發(fā)事件、嚴(yán)重災(zāi)害方面的能力較弱，一直是電網(wǎng)運(yùn)行及應(yīng)急工作中的軟肋。

1 天津電網(wǎng)黑啟動(dòng)主要技術(shù)環(huán)節(jié)

電網(wǎng)黑啟動(dòng)的主要技術(shù)難點(diǎn)在于電源及路徑選擇、方式安排、發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁控制、元件過電壓控制以及獨(dú)立供電區(qū)域的頻率控制。在查閱黑啟動(dòng)涉及電網(wǎng)元件特性的基礎(chǔ)上，搭建了數(shù)字化的仿真模型，并利用電磁仿真和機(jī)電仿真技術(shù)進(jìn)行了多次模擬推算，最終確定了天津電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源及路徑選擇、方式安排，同時(shí)采用負(fù)荷分批投入等方法有效克服了發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁、元件過電壓控制及獨(dú)立供電區(qū)域的頻率大幅波動(dòng)問題。

1.1 天津電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源及路徑

天津?yàn)I海電廠坐落于濱海新區(qū)響螺灣商務(wù)區(qū)，緊臨天然氣儲(chǔ)氣站，具備作為天津電網(wǎng)“黑啟動(dòng)”電源具有天然優(yōu)勢(shì)。其廠內(nèi)機(jī)組除包括一臺(tái)38MW的燃?xì)廨啓C(jī)，一臺(tái)18MW的蒸汽輪機(jī)，還有3臺(tái)1.4MW的自啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)。

220kV的葛沽站與瀕海電廠臨近，其110kV出線中就有濱海電廠的并網(wǎng)線路（葛潮線），而且還有一條線路為天津軍糧城電廠提供備用啟動(dòng)電源（本葛線）。

軍糧城電廠7號(hào)機(jī)組，容量為200MW，可以利用本葛線供電的備用啟動(dòng)變提供的電源進(jìn)行啟動(dòng)。

軍糧城電廠7號(hào)機(jī)組若啟動(dòng)成功，不僅能夠回復(fù)軍糧城電廠機(jī)組運(yùn)行，而且可以恢復(fù)天津220kV及500kV主網(wǎng)的供電，為天津電網(wǎng)內(nèi)其它機(jī)組的啟動(dòng)和并網(wǎng)提供條件，使天津電網(wǎng)逐步恢復(fù)正常方式。

為不影響天津電網(wǎng)的正常運(yùn)行，同時(shí)達(dá)到黑啟動(dòng)實(shí)際檢驗(yàn)?zāi)康模?014年天津電網(wǎng)黑啟動(dòng)路徑選擇如下圖1所示。

1.2 天津黑啟動(dòng)試驗(yàn)步驟安排

圖1 天津黑啟動(dòng)路徑圖

通過方式比選，并結(jié)合電網(wǎng)調(diào)控實(shí)際，選擇如下試驗(yàn)步驟：試驗(yàn)路徑方式的導(dǎo)出→濱海電廠#1G自啟動(dòng)→試驗(yàn)線路零起升壓→軍糧城電廠＃2啟動(dòng)變充電→軍糧城電廠#7G單帶廠用電→軍糧城電廠#7G廠用電切換→軍糧城電廠#7G同期并網(wǎng)→軍糧城電廠#7G廠用電恢復(fù)→相關(guān)方式恢復(fù)。

1.3 天津電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)計(jì)算分析

1.3.1 發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁校驗(yàn)

依《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》，對(duì)于發(fā)電機(jī)帶空載長線時(shí)，不發(fā)生自勵(lì)磁的判據(jù)，為：

其中

Wh：表示發(fā)電機(jī)的額定容量（MVA）；

QC：表示線路的充電功率（Mvar）；

Xd：表示發(fā)電機(jī)的等值同步電抗（包括升電壓互感器的漏抗，以發(fā)電機(jī)為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值）。

W/X反映了發(fā)電機(jī)的充電能力。

按照?qǐng)D1中的黑啟動(dòng)試驗(yàn)路徑，依據(jù)典型參數(shù)，試驗(yàn)路徑對(duì)地電納之和為：

110kV線路按121kV考慮，由（式2）可以計(jì)算出線路充電功率總計(jì)為1.177MVar。

依據(jù)濱海電廠的實(shí)測(cè)報(bào)告，其直軸同步電抗Xd=2.0413（以發(fā)電機(jī)為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值），升壓變漏抗XT=0.08142（以發(fā)電機(jī)為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值），則總電抗為

依發(fā)電機(jī)銘牌，發(fā)電機(jī)的有功功率為38.0MW，功率因數(shù)為0.85，額定容量為44.706MVA。則濱海電廠的充電容量為

滿足《電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》要求，即發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁方面校驗(yàn)合格。

1.3.2 工頻過電壓校驗(yàn)

工頻電壓升高的幅度不僅影響操作過電壓的幅值而且影響保護(hù)和電器的工作效果。天津電網(wǎng)黑啟動(dòng)工頻過電壓的控制，是以試驗(yàn)路徑線路末端的穩(wěn)態(tài)電壓不超過系統(tǒng)正常運(yùn)行的最高電壓為準(zhǔn)則。根據(jù)黑啟動(dòng)試驗(yàn)方案，要求控制濱海110kV母線電壓和補(bǔ)償深度，以使軍糧城電廠110kV母線電壓不超過121kV（過電壓計(jì)算使用RTDS進(jìn)行仿真）。

結(jié)合元件典型參數(shù)以及圖1所示路徑，經(jīng)計(jì)算只要控制濱海110kV母線電壓不超過118kV（濱海電廠無功補(bǔ)償不超過-1.1Mvar），就可保證軍糧城電廠110kV母線穩(wěn)態(tài)電壓不超過118.3kV；滿足其不超過121kV的要求。

1.3.3 操作過電壓校驗(yàn)

如圖 2 所示，設(shè)電源電勢(shì) e（t）=Emcos（ωt+θ），由于合閘后的過渡過程與合閘時(shí)電源的相位角有關(guān)，為考慮最不利情況，假設(shè)電源電壓e（t）為Em時(shí)合閘。

其中，發(fā)電機(jī)用無窮大電源和次暫態(tài)電抗來表示。發(fā)電機(jī)的額定電壓取10.5kV；合閘電流取54.76A（由1.3.2得出）；依發(fā)電機(jī)實(shí)測(cè)參數(shù)，發(fā)電機(jī)的正序電抗X′d=0.6383Ω，零序電抗X0=0.2756Ω。

輸電線路參數(shù)按如下表1取值：

圖2 操作過電壓RTDS來仿真接線圖

經(jīng)計(jì)算電壓仿真結(jié)果如圖3、圖4所示：

圖3 濱海電廠操作過電壓仿真圖

表1 葛潮線、本葛線線路參數(shù)

從分析計(jì)算結(jié)果知，濱海電廠110kV側(cè)斷路器合閘時(shí)，葛沽110kV母線A相對(duì)地電壓最大瞬時(shí)值為195.98kV，B相對(duì)地電壓最大瞬時(shí)值為197.24kV，C相對(duì)地電壓最大瞬時(shí)值為140.92kV；葛沽110kV側(cè)斷路器合閘時(shí)，新軍廠110kV母線電壓A相對(duì)地電壓最大瞬時(shí)值為188.29kV，B相對(duì)地電壓最大瞬時(shí)值為140.82kV，C相對(duì)地電壓最大瞬時(shí)值為135.53kV。其暫態(tài)過程中的仿真曲線如圖3、4所示。根據(jù)《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》（DL/T 620—1997），對(duì)110kV線路操作過電壓要求小于3.0 p.u即296.388kV即可，可見滿足要求。

圖4 葛沽站操作過電壓仿真圖

1.3.4 負(fù)荷投入過程中的電壓和頻率校核

軍糧城電廠廠用負(fù)荷包括：給水泵電機(jī)、循環(huán)泵電機(jī)、灰漿泵電機(jī)、沖灰泵電機(jī)、除塵泵電機(jī)、甲碎煤機(jī)電機(jī)等，負(fù)荷共約20MW。顯然一次投入全部負(fù)荷極有可能導(dǎo)致因頻率波動(dòng)過大造成黑啟動(dòng)系統(tǒng)的崩潰。因此采用負(fù)荷分批投入的方法，其中首次投入按5.5MW考慮，其計(jì)算波形如圖5所示，其電壓和頻率計(jì)算數(shù)值如表2所示。

表2 首次負(fù)荷投入的電壓和頻率計(jì)算數(shù)值

2 天津電網(wǎng)黑啟動(dòng)主要過程

2.1 黑啟動(dòng)試驗(yàn)方式的導(dǎo)出（約3小時(shí)）

2.1.1 濱海電廠向市調(diào)報(bào)：天然氣氣源、自啟動(dòng)柴油機(jī)均滿足啟動(dòng)條件，＃1機(jī)變組設(shè)備狀況良好，具備試驗(yàn)條件。#2機(jī)變組備用，02小車?yán)鲋小?00、01、101開關(guān)拉開中。

圖5 首次負(fù)荷投入的電壓和頻率圖

2.1.2 軍糧城電廠向市調(diào)報(bào)：＃7G具備廠用電切換條件。＃2啟動(dòng)變負(fù)荷已倒走，100乙開關(guān)拉開中。

2.1.3 市調(diào)令濱海調(diào)度、城南調(diào)度將試驗(yàn)路徑上的潮音寺、上劉莊站相應(yīng)負(fù)荷到走，線路側(cè)開關(guān)和刀閘拉開。

2.1.4 市調(diào)令務(wù)本站：拉開113、拉開113-2刀閘。

2.1.5 市調(diào)令葛沽站：合上146開關(guān)、拉開146開關(guān)。

2.1.6 市調(diào)令葛沽站：拉開114開關(guān)，拉開114－2刀閘，拉開116開關(guān)，拉開116－2刀閘。

2.1.7 市調(diào)令葛沽站：合上114－6、116-6刀閘，拉開146－6刀閘。

2.2 黑啟動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行

電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)按如下過程進(jìn)行：濱海電廠#1G啟動(dòng)試驗(yàn)（約30分鐘）；濱海電廠＃1G零起升壓為線路充電（約5分鐘）；軍糧城電廠＃2啟動(dòng)變充電試驗(yàn)（約10分鐘）；軍糧城電廠#7機(jī)組單帶廠用電（約10分鐘）；軍糧城電廠#7機(jī)組廠用電切換（約15分鐘）；軍糧城電廠#7機(jī)組并網(wǎng) （約5分鐘）；軍糧城電廠#7G廠用電恢復(fù)（約10分鐘）以及相關(guān)方式回復(fù)。

3 黑啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果及意義

2014年10月24日13∶11，軍糧城電廠 7號(hào)機(jī)組成功與主系統(tǒng)恢復(fù)并網(wǎng)，標(biāo)志著天津電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)取得獲得圓滿成功。本次試驗(yàn)的成功意味著天津電網(wǎng)“黑啟動(dòng)”電源建設(shè)取得了階段性成果。不僅提高了天津電網(wǎng)應(yīng)對(duì)和處置大面積停電事故的能力，也為天津電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)為以火電為主的電網(wǎng)進(jìn)行黑啟動(dòng)探索出了一條可行之路。

［1］梁海平，陳國榮，王麗莎，賈京華，王勇，顧雪平.電網(wǎng)黑啟動(dòng)中發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁仿真研究 ［J］.河北電力技術(shù)，2010，29（5）.

［2］ Ivan V.W.Hunt.，“DIESEL ENGINE GENERATORS FOR BLACK START AND SUPPLY EMERGENCIES”，《Electrical Engineers Association Annual Conference》，Auckland，2000，（6）：16-17。

［3］國網(wǎng)天津市電力公司內(nèi)部資料.2014年度天津電網(wǎng)運(yùn)行方式［R］.2014.