浙江電網(wǎng)黑啟動(dòng)計(jì)算分析與試驗(yàn)研究

黃弘揚(yáng)，熊鴻韜，吳 燁，倪秋龍，樓伯良

（1．國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2．國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

隨著特高壓交直流混聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成，浙江電網(wǎng)的格局和形態(tài)已發(fā)生深刻變化，運(yùn)行特性也日趨復(fù)雜[1-2]。多重故障、繼電保護(hù)拒動(dòng)誤動(dòng)、人員誤操作和災(zāi)害天氣等均可能引發(fā)電網(wǎng)大面積停電事故；而一旦發(fā)生大面積停電事故，如果沒有合理的黑啟動(dòng)措施，將使得停電時(shí)間延長甚至難以恢復(fù)供電[3-7]。因此，研究切實(shí)可行的黑啟動(dòng)方案，對(duì)我國電網(wǎng)的高速健康發(fā)展具有重大意義。

浙江電網(wǎng)地處東南沿海，臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，極端情況下存在大面積停電風(fēng)險(xiǎn)。浙江省電力公司于2000年左右完成全省分級(jí)調(diào)度黑啟動(dòng)方案編制[8-10]。方案根據(jù)全省水電和抽蓄電廠的分布情況，將浙江電網(wǎng)劃分為浙北區(qū)域、緊水灘區(qū)域、烏溪江區(qū)域、寧波溪口區(qū)域和舟山區(qū)域共5個(gè)黑啟動(dòng)子系統(tǒng)。這5個(gè)子系統(tǒng)具有獨(dú)立的黑啟動(dòng)電源，可并行展開黑啟動(dòng)恢復(fù)操作，以顯著提升電網(wǎng)恢復(fù)速度。然而受實(shí)際條件限制，前述工作以理論分析為主，實(shí)際試驗(yàn)研究相對(duì)較少，并且大多局限于發(fā)電廠內(nèi)部的黑啟動(dòng)，難以充分驗(yàn)證浙江電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案的實(shí)際可行性。

針對(duì)上述問題，浙江省電力公司于2016年7月開展緊水灘區(qū)域電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)，這是浙江電網(wǎng)首次系統(tǒng)級(jí)黑啟動(dòng)試驗(yàn)。以下著重分析此次黑啟動(dòng)試驗(yàn)相關(guān)的發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁、工頻過電壓、空充線路操作過電壓等問題，通過仿真計(jì)算研究黑啟動(dòng)過程中可能存在的安全穩(wěn)定問題，對(duì)試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行分析，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)方法

此次黑啟動(dòng)試驗(yàn)位于緊水灘區(qū)域電網(wǎng)，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)包含緊水灘水電廠、沙鋪礱水電廠、睦田變電站（簡稱睦田變，其余類推）和云和變等廠站，試驗(yàn)系統(tǒng)接線如圖1所示。試驗(yàn)以緊水灘水電廠為主啟動(dòng)電源，采取“緊水灘水電廠→睦田變→云和變”的啟動(dòng)路徑恢復(fù)系統(tǒng)，最后與沙鋪礱水電廠合環(huán)后再并入主網(wǎng)。試驗(yàn)過程具體分為以下5個(gè)階段：

（1）緊水灘水電廠內(nèi)黑啟動(dòng)：緊水灘水電廠4號(hào)機(jī)依靠直流電源啟動(dòng)保廠用電；隨后5號(hào)機(jī)依靠廠用電啟動(dòng)帶3號(hào)主變壓器（以下簡稱主變）和220 kV副母零起升壓。

（2）空充線路和對(duì)側(cè)主變：圖1中1號(hào)斷路器合閘，緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)通過緊睦線空充至睦田變，緊睦線由副母熱備用改副母運(yùn)行。

（3）投入睦田變電抗器：圖1中2號(hào)斷路器合閘，恢復(fù)睦田變35 kVⅡ段母線供電；隨后3號(hào)斷路器合閘，2號(hào)電抗器投入，以模擬電網(wǎng)感性負(fù)載。

（4）與麗水地區(qū)小系統(tǒng)并列：4號(hào)斷路器合閘，恢復(fù)睦田變110 kV副母和云和變110 kV副母供電；待沙鋪礱水電廠黑啟動(dòng)后，5號(hào)、6號(hào)斷路器合閘，麗水地區(qū)小系統(tǒng)與緊水灘水電廠小系統(tǒng)同期并列。

（5）與主網(wǎng)系統(tǒng)并列：緊水灘水電廠220 kV母聯(lián)開關(guān)合閘，完成小系統(tǒng)和主網(wǎng)同期并列。

2 理論分析

與常規(guī)系統(tǒng)相比，黑啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)架單薄，試驗(yàn)方法是否可行主要取決于以下2方面：

（1）試驗(yàn)第2階段緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)空充緊睦線屬于典型的單機(jī)帶空載線路運(yùn)行方式，這種方式下機(jī)組是否會(huì)產(chǎn)生自勵(lì)磁。

（2）對(duì)于單機(jī)帶空載線路的運(yùn)行方式，送端合閘是否會(huì)產(chǎn)生較高的操作過電壓，以及合閘后由于容升效應(yīng)是否會(huì)產(chǎn)生較高的工頻過電壓。

本節(jié)將對(duì)上述問題展開理論分析，以便預(yù)先確定試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施。

2.1 自勵(lì)磁分析

同步發(fā)電機(jī)的自勵(lì)磁是指無勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在過大的電容負(fù)荷下電壓自發(fā)升高的現(xiàn)象[11-15]。黑啟動(dòng)過程中，空充線路產(chǎn)生容性電流會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生助磁效應(yīng)，并可能引起自勵(lì)磁。因此，需分析此次試驗(yàn)空充緊睦線時(shí)緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)是否會(huì)發(fā)生自勵(lì)磁。

根據(jù)參數(shù)諧振原理，發(fā)電機(jī)在滿足式（1）的條件下不會(huì)發(fā)生自勵(lì)磁[16-18]：

式中：xd和xq分別為發(fā)電機(jī)的直軸和橫軸同步電抗；r和xc分別為外部輸電系統(tǒng)的等值電阻和等值容抗。

結(jié)合試驗(yàn)實(shí)際情況，對(duì)發(fā)電機(jī)和外部輸電系統(tǒng)參數(shù)折算后可得：r=0.005 p.u.，xc=26.36 p.u.，xd=1.75 p.u.， xq=1.12 p.u.。 因此根據(jù)式（1）可知，機(jī)組不會(huì)發(fā)生自勵(lì)磁。

2.2 合閘過電壓分析

黑啟動(dòng)試驗(yàn)中緊睦線合閘操作可能引起合閘過電壓，下面采用電磁暫態(tài)仿真程序PSCAD對(duì)緊睦線合閘過電壓問題進(jìn)行分析。為了反映實(shí)際斷路器的三相不同期合閘特性[19-20]，仿真計(jì)算中斷路器采用統(tǒng)計(jì)開關(guān)模型（統(tǒng)計(jì)1 500次），合閘相角在1個(gè)工頻周期內(nèi)隨機(jī)均勻分布，三相合閘時(shí)差在20 ms內(nèi)隨機(jī)均勻分布。

圖1 黑啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)接線

基于上述研究條件，在緊睦線合閘前調(diào)整緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)機(jī)端電壓至額定電壓的情況下，緊睦線合閘過電壓的計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表1可見：合閘后過電壓水平低于3.0 p.u.，滿足DL/T 620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》對(duì)合閘過電壓限值的要求。進(jìn)一步計(jì)算表明，當(dāng)緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)機(jī)端電壓控制在0.9~1.1倍額定電壓范圍內(nèi)時(shí)，均能滿足合閘過電壓限值要求。

表1 空充緊睦線的合閘過電壓計(jì)算結(jié)果p.u.

2.3 工頻過電壓分析

對(duì)緊睦線合閘后系統(tǒng)工頻過電壓問題進(jìn)行分析。工頻過電壓分析基于BPA的時(shí)域仿真。在緊睦線合閘前調(diào)整緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)機(jī)端電壓至額定電壓的情況下，緊睦線合閘后工頻過電壓的計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可見：合閘后各母線工頻過電壓均低于1.3 p.u.，滿足DL/T 620-1997對(duì)工頻過電壓限值的要求。進(jìn)一步計(jì)算表明，緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)機(jī)端電壓控制在0.9~1.1倍額定電壓范圍內(nèi)時(shí)，均滿足工頻過電壓限值要求。

表2 空充緊睦線的工頻過電壓計(jì)算結(jié)果p.u.

2.4 穩(wěn)態(tài)電壓分析

基于機(jī)電暫態(tài)仿真程序BPA，采用潮流計(jì)算方法分析黑啟動(dòng)試驗(yàn)各階段的穩(wěn)態(tài)電壓水平，計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可見：若緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)機(jī)端電壓控制在額定電壓附近，則試驗(yàn)期間系統(tǒng)各母線穩(wěn)態(tài)電壓滿足《國家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量和無功電力管理規(guī)定》要求。

進(jìn)一步計(jì)算表明，只要緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)機(jī)端電壓控制在0.90~1.02倍額定電壓范圍內(nèi)，試驗(yàn)期間系統(tǒng)各母線穩(wěn)態(tài)電壓均可滿足規(guī)定要求；同時(shí)緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)的進(jìn)相無功功率也可控制在5 Mvar以內(nèi)，不會(huì)超出機(jī)組進(jìn)相極限15 Mvar。如果5號(hào)機(jī)電壓高于1.02倍額定電壓，則睦田變220 kV副母穩(wěn)態(tài)電壓在緊睦線合閘后會(huì)超上限值。如果5號(hào)機(jī)電壓低于0.9倍額定電壓，則睦田變220 kV副母穩(wěn)態(tài)電壓在電抗器投入后會(huì)超下限值。因此，建議試驗(yàn)期間緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)端母線電壓控制在0.95~1.00倍額定電壓范圍內(nèi)。

表3 黑啟動(dòng)試驗(yàn)期間系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓kV

2.5 安全穩(wěn)定校核

對(duì)黑啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行安全穩(wěn)定校核?？紤]緊睦線緊水灘水電廠側(cè)單相瞬時(shí)性短路故障，故障及保護(hù)動(dòng)作時(shí)序?yàn)椋?.0 s緊睦線A相短路故障，1.1 s線路A相開關(guān)跳閘，1.8 s線路A相開關(guān)重合閘。緊水灘水電廠220 kV副母三相電壓時(shí)域仿真曲線如圖2所示。由圖2可見，單相瞬時(shí)性短路故障期間，緊水灘水電廠220 kV副母A相電壓降為0，B相和C相電壓也均有20%左右的下降；故障切除后系統(tǒng)能很快過渡到穩(wěn)態(tài)，滿足穩(wěn)定性要求。

圖2 緊睦線單瞬故障后緊水灘水電廠220 kV副母電壓

需要說明的是，雖然是升壓變壓器（以下簡稱升壓變）高壓側(cè)A相接地短路，短路期間勵(lì)磁會(huì)進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)，但如圖2所示短路期間B相和C相電壓是跌落而非升高。原因是：緊水灘水電廠機(jī)組升壓變的接線方式是YNd11，故升壓變高壓側(cè)A，B，C三相電壓分別與低壓側(cè) ca，ab，bc三線電壓一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)高壓側(cè)A相發(fā)生接地故障、電壓降至0后，故障通過升壓變電磁耦合關(guān)系傳遞至低壓側(cè)，造成低壓側(cè)a相和c相相間短路，a相和c相電壓下降。因此從低壓側(cè)來看，ab相線電壓和bc相線電壓自然也是下降的，轉(zhuǎn)換至高壓側(cè)即表現(xiàn)為高壓側(cè)B相和C相電壓下降。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果分析

2016年7月21日上午緊水灘地區(qū)電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)開始。10∶16緊水灘水電廠在失去外界電源的情況下依靠直流電源啟動(dòng)4號(hào)機(jī)保廠用電；10∶35緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)依靠廠用電啟動(dòng)，并帶緊水灘水電廠3號(hào)主變和220 kV副母零起升壓；10∶44緊睦線合閘充電至睦田變；10∶56睦田變2號(hào)電抗器投入；11∶45緊水灘水電廠小系統(tǒng)通過沙河線與沙鋪礱水電廠小系統(tǒng)同期并列；12∶09小系統(tǒng)通過緊水灘水電廠220 kV母聯(lián)開關(guān)與主網(wǎng)并網(wǎng)成功。

試驗(yàn)過程中對(duì)緊水灘水電廠重要參數(shù)進(jìn)行了量測，具體包括：

（1）5號(hào)機(jī)的三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、閥門開度和機(jī)組頻率。

（2）220 kV副母三相電壓。

（3）廠用電母線三相電壓。

本節(jié)將基于以上實(shí)測結(jié)果，研究實(shí)際黑啟動(dòng)過程，并將現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 空充線路自勵(lì)磁與過電壓分析

緊睦線空充的實(shí)測波形如圖3所示。由圖3可見：電壓方面，空充線路前5號(hào)機(jī)機(jī)端母線和220 kV副母的穩(wěn)態(tài)電壓分別為10.48 kV和234.4 kV；空充線路后5號(hào)機(jī)機(jī)端母線的穩(wěn)態(tài)電壓和暫態(tài)最高電壓分別為10.56 kV和11.47 kV，220 kV副母的穩(wěn)態(tài)電壓和暫態(tài)最高電壓分別為239.5 kV和262.6 kV。頻率方面，5號(hào)機(jī)機(jī)組頻率波動(dòng)范圍為49.9～50.3 Hz，波動(dòng)幅度較小。勵(lì)磁電流方面，5號(hào)機(jī)機(jī)組勵(lì)磁電流響應(yīng)異常，合閘后勵(lì)磁電流從500 A突增至750 A，隨后回落至480 A左右。無功功率方面，機(jī)組無功功率跟隨勵(lì)磁電流變化；合閘后機(jī)組無功功率從-0.1 Mvar突增至4.4 Mvar，最后回落至-2.4 Mvar?？傊?，空充緊睦線時(shí)5號(hào)機(jī)總體運(yùn)行穩(wěn)定，沒有發(fā)生自勵(lì)磁現(xiàn)象，并且過電壓倍數(shù)在允許范圍內(nèi)。

圖3 緊睦線空充過程的實(shí)測波形

將實(shí)測結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如圖3所示，空充線路前5號(hào)機(jī)機(jī)端母線電壓為10.48 kV。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，空充線路后5號(hào)機(jī)機(jī)端母線和220 kV副母的工頻過電壓分別為10.63 kV和240.0 kV，與實(shí)測結(jié)果相比誤差分別為0.84 kV和22.6 kV，相對(duì)誤差分別為7.3%和8.6%，實(shí)測值明顯高于理論計(jì)算值。

研究發(fā)現(xiàn)前述工頻電壓暫態(tài)異常升高現(xiàn)象主要是由勵(lì)磁系統(tǒng)異常響應(yīng)引起的，而勵(lì)磁系統(tǒng)響應(yīng)異常的主要原因是線路合閘時(shí)交流系統(tǒng)電壓嚴(yán)重畸變。圖4是緊睦線合閘前后暫態(tài)過程的實(shí)測波形， 其中圖 4（a）—（c）是緊水灘水電廠 5號(hào)機(jī)機(jī)端母線的線電壓瞬時(shí)值，圖4（d）是緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)的勵(lì)磁電流瞬時(shí)值。

圖4 緊睦線合閘前后暫態(tài)過程的實(shí)測波形

由圖 4（a）—（c）可見： 線路合閘造成交流系統(tǒng)電壓波形嚴(yán)重畸變。機(jī)端母線電壓的畸變會(huì)造成勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)節(jié)無法正常工作，從而引起勵(lì)磁系統(tǒng)異動(dòng)。理論上，空充線路時(shí)機(jī)組應(yīng)降低勵(lì)磁電流，以吸收線路充電功率。然而如圖4（d）所示，由于前述原因，合閘初期勵(lì)磁電流實(shí)際上不降反升，故而引起系統(tǒng)工頻電壓暫態(tài)異常升高現(xiàn)象。由圖3（d）可見，勵(lì)磁系統(tǒng)異常增磁現(xiàn)象持續(xù)約600 ms，隨后勵(lì)磁系統(tǒng)便恢復(fù)正常工作，迅速減勵(lì)磁以抑制系統(tǒng)電壓升高。

合閘過電壓方面，由于此次試驗(yàn)量測數(shù)據(jù)均來自TV（電壓互感器）和TA（電流互感器）的二次值，不能準(zhǔn)確記錄合閘過電壓數(shù)據(jù)，故無法進(jìn)行理論計(jì)算和實(shí)測結(jié)果的量化對(duì)比。但從實(shí)際試驗(yàn)過程來看，緊睦線合閘過程并未出現(xiàn)設(shè)備過電壓等異常情況，定性地驗(yàn)證了合閘過電壓理論計(jì)算結(jié)果的正確性。

3.2 試驗(yàn)各階段穩(wěn)態(tài)電壓水平分析

3.2.1 機(jī)組零起升壓后

根據(jù)實(shí)測記錄，緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)零起升壓進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后機(jī)端電壓值為10.47 kV，220 kV副母電壓為234.5 kV。理論計(jì)算結(jié)果見表4：當(dāng)5號(hào)機(jī)機(jī)端電壓為10.47 kV時(shí)，緊水灘220 kV副母電壓穩(wěn)態(tài)值為235.3 kV；理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的誤差為0.8 kV，相對(duì)誤差0.3%。

表4 機(jī)組零起升壓后各母線穩(wěn)態(tài)電壓

3.2.2 緊睦線合閘后

根據(jù)實(shí)測記錄，緊睦線合閘前5號(hào)機(jī)機(jī)端母線和220 kV副母穩(wěn)態(tài)電壓分別為10.48 kV和234.4 kV；合閘后5號(hào)機(jī)機(jī)端母線和220 kV副母穩(wěn)態(tài)電壓分別為10.56 kV和239.5 kV。理論計(jì)算結(jié)果見表5：在緊睦線合閘前5號(hào)機(jī)機(jī)端母線穩(wěn)態(tài)電壓為10.48 kV的計(jì)算條件下，線路合閘后5號(hào)機(jī)機(jī)端母線和220 kV副母穩(wěn)態(tài)電壓的仿真值分別為10.53 kV和237.8 kV，與實(shí)測結(jié)果相比誤差分別為0.03 kV和1.7 kV，相對(duì)誤差分別為0.3%和0.7%。造成誤差的原因主要是：機(jī)組升壓變的漏抗和緊睦線線路阻抗參數(shù)的計(jì)算值與實(shí)際值間存在一定的誤差。

3.2.3 睦田變電抗器投入后

根據(jù)實(shí)測記錄，睦田變2號(hào)電抗器投入后系統(tǒng)電壓出現(xiàn)小幅暫降，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后5號(hào)機(jī)機(jī)端電壓為10.22 kV，220 kV副母電壓為227.5 kV。理論計(jì)算結(jié)果見表6：當(dāng)5號(hào)機(jī)機(jī)端電壓為10.22 kV時(shí)，緊水灘220 kV副母電壓穩(wěn)態(tài)值為227.8 kV；理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的誤差為0.3 kV，相對(duì)誤差0.1%。

表5 緊睦線合閘前后各母線穩(wěn)態(tài)電壓

表6 睦田變電抗器投入后各母線穩(wěn)態(tài)電壓

4 結(jié)論

（1）此次試驗(yàn)證明了浙江電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案的實(shí)際可行性。試驗(yàn)表明緊水灘水電廠機(jī)組在低負(fù)荷下運(yùn)行穩(wěn)定，并具有較強(qiáng)的進(jìn)相能力，可以作為浙江電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源。

（2）黑啟動(dòng)過程中緊水灘水電廠機(jī)組未出現(xiàn)自勵(lì)磁現(xiàn)象，各廠站母線電壓未超過規(guī)定限值，試驗(yàn)各階段穩(wěn)態(tài)電壓的理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本吻合。

（3）空充線路時(shí)因交流系統(tǒng)電壓畸變而導(dǎo)致勵(lì)磁系統(tǒng)異?，F(xiàn)象，對(duì)黑啟動(dòng)過程中設(shè)備安全和系統(tǒng)穩(wěn)定存在一定的不利影響，相關(guān)問題有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

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