遼寧南部電網(wǎng)黑啟動方案研究

孫 峰，劉 凱，王 印，程緒可，韓子姣

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006）

專論

遼寧南部電網(wǎng)黑啟動方案研究

孫 峰1，劉 凱2，王 印2，程緒可1，韓子姣1

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006）

為了提高大面積停電情況下電網(wǎng)快速反應(yīng)及恢復(fù)能力，全力保障遼寧電網(wǎng)安全穩(wěn)定可靠運行，結(jié)合遼寧省內(nèi)電源分布及運行實際需要，開展以太平灣電廠作為黑啟動電源的可能性研究，基于PSCAD／EMTDC搭建黑啟動過程電磁暫態(tài)仿真模型，針對黑啟動過程中的自勵磁問題、諧振問題、工頻過電壓、操作過電壓及黑啟動條件下輔機啟動對電壓的影響進(jìn)行計算和分析，全面論證了太平灣電廠作為遼寧南部黑啟動電源的可行性。

黑啟動；自勵磁；過電壓；諧振

隨著電網(wǎng)的互聯(lián)和覆蓋范圍擴大，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行面臨著潛在威脅，故障發(fā)生時若不能迅速消除，將波及鄰近區(qū)域并引發(fā)不可控的連鎖反應(yīng)，造成大面積停電甚至全部停電的重大系統(tǒng)事故。如：1982年和1989年加拿大魁北克地區(qū)大停電、1996年馬來西亞全國大停電、2003年美加大停電、2005年俄羅斯莫斯科大停電［1－2］等都產(chǎn)生了嚴(yán)重的后果。尤其是美加大停電是世界電力歷史上規(guī)模最大、影響最廣的一次停電，上百臺機組跳機，大約影響5 000萬人，給美加兩國造成數(shù)百億美元的經(jīng)濟(jì)損失。

分析國內(nèi)外幾次大停電事故的發(fā)生過程及事故后電網(wǎng)恢復(fù)的經(jīng)驗，可以發(fā)現(xiàn)，在電網(wǎng)大面積停電的情況下，一項準(zhǔn)備充分、行之有效的黑啟動方案，將大大縮短停電時間，降低經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。若無任何黑啟動措施，不僅使停電時間延長，電網(wǎng)的恢復(fù)也將更加困難，使國民經(jīng)濟(jì)遭受更大的損失，因此研究電網(wǎng)大面積停電后的快速恢復(fù)問題即電網(wǎng)黑啟動方案是十分必要的。

本文結(jié)合遼寧南部電網(wǎng)的實際情況，重點開展以太平灣電廠作為啟動電源的黑啟動方案研究，明確了合理的黑啟動路徑，進(jìn)行了機組自勵磁校驗和諧振計算，進(jìn)行了空載線路過電壓及機組進(jìn)相能力分析，針對黑啟動過程中合閘引起操作過電壓［3－7］進(jìn)行仿真校核，對頻率、電壓穩(wěn)定性進(jìn)行仿真計算，確定機組抗沖擊負(fù)荷能力及電壓穩(wěn)定控制的要求，本文為太平灣電廠作為黑啟動電源實現(xiàn)電網(wǎng)黑啟動提供了可靠的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 遼寧南部電網(wǎng)及太平灣電廠概況

根據(jù)電源、負(fù)荷分布及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特征，遼寧電網(wǎng)分為遼寧西部電網(wǎng)、遼寧中北部電網(wǎng)和遼寧南部電網(wǎng)三大系統(tǒng)，其中遼寧南部電網(wǎng)北鄰遼寧中北部電網(wǎng)，主要由大連和丹東2個地區(qū)電網(wǎng)組成。2015年末，遼寧南部電網(wǎng)共有500 kV變電站6座，220 kV變電站49座，220 kV及以上電廠15座，總裝機容量達(dá)到11 102 MW，其中火電廠7座，水電廠5座，風(fēng)電場2座，核電廠1座。遼寧南部電網(wǎng)最大供電負(fù)荷約為5 200 MW，約占遼寧電網(wǎng)總負(fù)荷的21%，遼寧南部地區(qū)是全省的重要負(fù)荷中心之一。

遼寧境內(nèi)有大小河流300余條，主要有遼河、渾河、大凌河、太子河、繞陽河以及中朝兩國共有的鴨綠江界河形成遼寧主要水系，遼寧地區(qū)的水電資源主要分布在遼寧的東南部。太平灣電廠地處丹東境內(nèi)，是遼寧東南部重要的水電站之一，是鴨綠江流域繼云峰、渭源、水豐電站之后的第4座梯級電站。

太平灣電廠為低水頭、大流量、河床式電站，共裝4臺機組，單機容量54 MVA，總裝機容量216 MVA，其中1、2號機組發(fā)電供中方使用，經(jīng)升壓變接入丹東220 kV電壓等級電網(wǎng)，3、4號機組發(fā)電供朝方使用。

太平灣電廠距丹東市區(qū)40km，距上游長甸電站50km，毗鄰大連電網(wǎng)，如果作為黑啟動電源快速啟動丹東金山熱電廠，對遼寧南部電網(wǎng)的恢復(fù)具有重要意義。

2 黑啟動路徑選擇

2.1 選擇原則

a.應(yīng)能在盡量短的時間內(nèi)以最少的操作步驟恢復(fù)系統(tǒng)供電。

b.應(yīng)盡量減少不同電壓等級的變換。

c.應(yīng)距離下一個電源點最近，以盡快恢復(fù)本地區(qū)電網(wǎng)的主力電廠，建立相對穩(wěn)定的供電系統(tǒng)。

d.應(yīng)便于主網(wǎng)架的快速恢復(fù)。

2.2 黑啟動路徑確定

以太平灣電廠作為黑啟動電源，確定黑啟動路徑如下：

太平灣發(fā)電廠—平九線—丹九2號線—金丹2號線—丹東金山熱電廠。黑啟動路徑全長85.174km，具體接線路徑如圖1所示。

圖1 黑啟動路徑

3 黑啟動方案計算

3.1 自勵磁計算及分析

本研究采用自勵磁問題工程實用化算法，計算太平灣電廠啟動丹東金山熱電廠自勵磁。該方法考慮到機組參數(shù)、線路、變壓器等元件參數(shù)的誤差，為了可靠脫離自勵磁區(qū)域，在計算中進(jìn)行了裕度處理，判定公式：

線路容抗等效計算，計及線路電抗，采用π形等值電路將線路電抗合并，計算公式：

不同開機方式下，計算得到充電至各母線時的自勵磁計算結(jié)果如表1所示。

表1 自勵磁計算結(jié)果pu

基于計算結(jié)果可以看出，太平灣黑啟動過程不滿足自勵磁條件，為確保黑啟動過程的順利實施，減少自勵磁發(fā)生幾率，建議采用2臺機啟動方式。

3.2 諧振仿真計算及分析

系統(tǒng)發(fā)生諧振需要滿足XL＝XC，根據(jù)XL＝ωL，XC＝1／ωC可知，當(dāng)系統(tǒng)中L和C固定時，ω在某一值時系統(tǒng)發(fā)生諧振。應(yīng)用PSASP程序中的頻率掃描功能，掃描1 500 Hz以內(nèi)的諧波。

a.單臺機黑啟動諧振頻率

太平灣黑啟動充電至各母線時，掃描系統(tǒng)的諧振頻率，單臺機黑啟動系統(tǒng)頻率掃描的阻抗變化曲線如圖2所示。

系統(tǒng)諧振頻率的解不唯一，當(dāng)阻抗出現(xiàn)較大上升時，系統(tǒng)可能發(fā)生諧振。系統(tǒng)最小諧振頻率仿真結(jié)果如表2所示。

圖2 單臺機黑啟動諧振頻率掃描

表2 單臺機黑啟動系統(tǒng)諧振頻率Hz

b.2臺機黑啟動諧振頻率

太平灣黑啟動充電至各母線時，掃描系統(tǒng)的諧振頻率，2臺機黑啟動系統(tǒng)頻率掃描的阻抗變化曲線如圖3所示。系統(tǒng)最小諧振頻率仿真結(jié)果如表3所示。

圖3 2臺機黑啟動諧振頻率掃描

表3 2臺機黑啟動系統(tǒng)諧振頻率Hz

3.3 工頻過電壓分析

以PSCAD／EMTDC作為仿真計算工具，開展太平灣電廠單機啟動丹東金山熱電廠工頻過電壓及進(jìn)相問題仿真分析。

單臺機對線路充電至丹東金山熱電廠220 kV母線時，母線電壓為1.086 pu，線路空載電壓情況如圖4所示。

圖4 單臺機空充至丹東金山熱電廠220 kV母線過電壓

2臺機對線路充電至丹東金山熱電廠220 kV母線時，母線電壓為1.074 pu。線路空載電壓情況如圖5所示。

圖5 2臺機空充至丹東金山熱電廠220 kV母線過電壓

可以看出，太平灣電廠充電至丹東金山熱電廠，線路充電功率使得線路末端電壓升高，但2種開機方式下丹東金山熱電廠母線工頻過電壓最大值均滿足電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL／T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》的規(guī)定要求。

3.4 無功進(jìn)相能力分析

線路空載運行時母線電壓水平保持正常，但受線路對地電容影響，系統(tǒng)將向太平灣電廠倒送無功，所以太平灣電廠應(yīng)具備一定的進(jìn)相能力，通過無功進(jìn)相分析，啟動丹東金山熱電廠前太平灣電廠的無功進(jìn)相能力應(yīng)大于16.08 Mvar，考慮10%無功裕度，太平灣電廠的無功進(jìn)相能力應(yīng)大于17.69 Mvar。

3.5 操作過電壓分析

以PSCAD／EMTDC作為仿真計算工具，對太平灣電廠啟動丹東金山熱電廠過程進(jìn)行仿真計算，得出空載合閘過電壓結(jié)果。

a.直接空充合閘方式

直接空充到金山廠220 kV母線，進(jìn)行三相同期空載合閘暫態(tài)過程仿真計算。

單臺機直接合閘空充過程中，金山廠220 kV母線單相最大瞬時值出現(xiàn)在B相，對地電壓最大瞬時值為355 kV，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 單臺機直接合閘空充到金山廠220 kV母線三相電壓曲線

2臺機直接合閘空充過程中，金山廠220 kV母線單相最大瞬時值出現(xiàn)在B相，對地電壓最大瞬時值為353 kV，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 2臺機直接合閘空充到金山廠220 kV母線三相電壓曲線

b.逐段空充合閘方式

單臺機逐段空充合閘方式，逐段合閘各空載線路電壓曲線如圖8—10所示。

逐段空充暫態(tài)過程中，空充九連城220 kV母線，B相對地電壓最大瞬時值為353 kV；空充至丹東北220 kV母線，B相對地電壓最大瞬時值為302 kV；空充到金山廠220 kV母線，金山廠220 kV母線A相對地電壓最大瞬時值為251 kV。

圖8 逐段合閘至九連城220 kV母線三相電壓

圖9 逐段合閘至丹東北220 kV母線三相電壓

圖10 逐段合閘到金山廠220 kV母線三相電壓

2臺機逐段空充合閘方式，逐段合閘各空載線路電壓曲線如圖11—13所示。

逐段空充暫態(tài)過程中，空充九連城220 kV母線，B相對地電壓最大瞬時值為355 kV；空充至丹東北220 kV母線，B相對地電壓最大瞬時值為325 kV；空充到金山廠220 kV母線，金山廠220 kV母線B相對地電壓最大瞬時值為242 kV。

圖11 逐段合閘至九連城220 kV母線三相電壓

圖12 逐段合閘至丹東北220 kV母線三相電壓

圖13 逐段合閘到金山廠220 kV母線三相電壓

依據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL／T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》的規(guī)定要求，對于220 kV線路操作過電壓限制不宜超過3.0 pu，即操作過電壓允許的限值為538.89 kV。采用直接合閘方式下空沖至金山熱電220 kV母線，暫態(tài)過程中，單臺機方式對地電壓最大瞬時值為355 kV，2臺機方式對地電壓最大瞬時值為353 kV；采用逐段空充合閘方式，暫態(tài)過程中，單臺機方式最大瞬時值為353 kV，2臺機方式最大瞬時值為355 kV，均滿足操作過電壓限值要求。

3.6 廠用輔機啟動計算

太平灣電廠作為電源充電至丹東金山熱電廠母線后，啟動金山熱電廠最大負(fù)荷電動給水泵，給水泵容量5.4 MW，研究依然分別采用單臺機組和2臺機組的電源啟動方式。

單臺機啟動輔機方式，金山熱電廠最大輔機負(fù)荷給水泵啟動過程中，機組的頻率、電壓及電流變化情況如圖14—16所示。

圖14 給水泵啟動時太平灣電廠1號機組頻率

圖15 給水泵啟動時金山廠啟備變電壓變化

圖16 給水泵啟動時電流變化曲線

仿真曲線表明，給水泵負(fù)荷沖擊，太平灣電廠1號機組頻率變化范圍在48.94～50.35 Hz；受端丹東金山熱電廠63 kV母線電壓變化范圍在0.8～1.12 pu。變化均在允許范圍內(nèi)，隨后基本恢復(fù)沖擊前狀態(tài)。

2臺機啟動輔機方式，金山熱電廠最大輔機負(fù)荷給水泵啟動過程中，機組的頻率、電壓及電流變化情況如圖17—19所示。

仿真曲線表明，給水泵負(fù)荷沖擊，系統(tǒng)頻率變化范圍在49.48～50.18 Hz；受端丹東金山熱電廠6 kV母線電壓變化范圍在0.88～1.08 pu。變化均在允許范圍內(nèi)，隨后基本恢復(fù)沖擊前狀態(tài)。

圖17 給水泵啟動時系統(tǒng)頻率曲線

圖18 給水泵啟動時金山廠啟備變電壓變化

圖19 給水泵啟動時電流變化曲線

4 結(jié)束語

結(jié)合遼寧南部電網(wǎng)實際需要，本文對太平灣電廠啟動丹東金山熱電廠可行性進(jìn)行了深入研究，明確了黑啟動路徑，并對自勵磁、諧振、進(jìn)相能力、空載過電壓、操作過電壓及大型輔機啟動沖擊影響進(jìn)行了仿真計算，各項計算校核均考慮單臺機組和2臺機組的啟動方式，計算結(jié)果表明太平灣電廠初步具備黑啟動電源的能力，黑啟動過程不會發(fā)生自勵磁問題，空載過電壓和操作過電壓滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，為了保障黑啟動方案的順利實施，提出以下幾點建議。

a.需要對太平灣電廠進(jìn)相能力進(jìn)行校驗，確保機組應(yīng)具備17.69 Mvar以上的進(jìn)相能力。

b.試驗前對現(xiàn)場進(jìn)行系統(tǒng)諧波背景測試，檢測系統(tǒng)是否存在引起諧振的諧波源。

c.計算表明采用2臺機組的啟動過程中在自勵磁、諧振及過電壓影響上均優(yōu)于單臺機組方案。建議采取2臺機組的黑啟動方案。

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Research on Black?start Scheme for Liaoning South Power System

SUN Feng1，LIU Kai2，WANG Yin2，CHENG Xuke1，HAN Zijiao1
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

In order to improve quick response and recovery of power grid which is due to a large area blackout，combining with power distribution and operation requirement of Liaoning province，feasility study about Taiping bay power plant as black start power supply is carried out.The research is based on PSCAD／EMTDC to build the process of black start with electromagnetic transient simulation mod?el.It is aiming for solving the issues on condition which are self?excitation，resonance，power frequency overvoltage，operating over?voltage and black start.In addition，with the condition of black start，it is essential to calculate and analyze the influence of voltage when auxiliary engine starts.This paper demonstrates the feasibility that setting Taiping bay power plant as a black start power supply in southern of Liaoning province.

black start；self?excitation；overvoltage；resonant vibration

TM732

A

1004－7913（2016）12－0001－05

孫 峰（1980），男，碩士，高級工程師，從事電力系統(tǒng)分析及智能電網(wǎng)相關(guān)研究工作。

2016－09－30）