區(qū)域電網水電黑啟動試驗分析

邢華棟，慕 騰，景志濱，齊 軍，張紅光，姜希偉，劉新軍

（1.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.內蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網仿真企業(yè)重點實驗室，呼和浩特 010020；3.內蒙古電力調度控制中心，呼和浩特 010010；4.黃河萬家寨水利樞紐有限公司，山西 忻州 036412）

0 引言

電網黑啟動能力是考核電網是否安全的重要指標[1-2]。近年來，國內各大電網公司都不同程度地實施了以水電機組為啟動電源的黑啟動試驗[3-9]，為我國黑啟動事業(yè)積累了成功經驗，但也暴露出了一些問題，如2005-12-04某電網公司實施黑啟動試驗時，由于機組采用手動調頻模式，試驗系統(tǒng)頻率偏低且波動很大，導致機組欠勵限制器動作，嚴重限制了機組進相深度，使系統(tǒng)充電功率無法平衡，最終造成線路過電壓保護動作跳閘[3]。2012-11-20某電網以抽水蓄能機組空充500 kV長線路時，由于合閘操作過電壓激發(fā)了系統(tǒng)自振頻率上的線性諧振，導致合閘2 s后發(fā)電機勵磁保護跳閘[4]。

某區(qū)域電網黑啟動試驗吸取前述經驗教訓，水電機組全程自動調頻[10]。同時為了避免火電機組并網后負荷過低不能穩(wěn)定運行，要求在啟動火電機組之前啟動一定量的公用變電站負荷，在黑啟動試驗籌備階段，對黑啟動孤網小系統(tǒng)進行了建模和仿真，對機組自勵磁、系統(tǒng)過電壓、系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性等問題進行了全方位論證[11-14]，為黑啟動試驗的實施提供了重要參考；為了確保水電機組的孤網調頻能力能夠滿足黑啟動試驗的要求，對水輪機調速系統(tǒng)孤網模式控制參數進行了仿真優(yōu)化，并利用機組甩負荷試驗驗證了優(yōu)化參數的適用性[15-18]。在準備充足的前提下，2021-03-29，該區(qū)域電網實施了以水電廠為啟動電源的電網黑啟動試驗，本文論述了試驗過程，并對試驗進行了總結。

1 黑啟動試驗概況

1.1 試驗目的

（1）驗證W水電廠發(fā)電機組的自啟動能力；

（2）測試黑啟動過程中發(fā)電機組自勵磁、變壓器勵磁涌流及試驗系統(tǒng)過電壓、鐵磁諧振等數據；

（3）驗證黑啟動試驗系統(tǒng)電網繼電保護、電廠涉網保護配合是否合理；

（4）驗證黑啟動試驗系統(tǒng)負荷啟動與穩(wěn)定運行能力；

（5）驗證Z火電廠發(fā)電機組熱態(tài)啟動與并網能力；

（6）驗證黑啟動試驗系統(tǒng)的頻率控制和電壓調節(jié)能力；

（7）驗證黑啟動電源系統(tǒng)準同期并網能力。

1.2 系統(tǒng)構成

電網黑啟動試驗的系統(tǒng)包括：W水電廠3號機組和220 kV B母、WSⅠ線、S變電站220 kV 1號母線、SN線、N變電站220 kV 2號和4號母線、ZNⅠ線、Z火電廠220 kV 1號母線和1號啟備變壓器及1號機組、NXⅠ線、X變電站220 kV 1號母線和1號主變壓器，系統(tǒng)結構示意圖見圖1。

1.3 試驗流程

（1）W水電廠3號機組自啟動；

（2）3號機組穩(wěn)定運行后，經W水電廠220kVB母、220kV WSⅠ線、S變電站220kV1號母線、SN線、N變電站220 kV 2號和4號母線、220 kV NXⅠ線充電至X變電站220 kV 1號母線，同時經220 kV ZNⅠ線充電至Z火電廠220 kV 1號母線；

（3）X變電站1號主變壓器充電，并逐步帶負荷25 MW；

（4）Z火電廠1號啟備變壓器充電，為1號機組提供廠用電，逐一啟動輔機；

（5）Z火電廠1號機組啟動，穩(wěn)定運行后經201斷路器同期并入黑啟動試驗系統(tǒng)，逐步增加出力至30 MW；

（6）黑啟動試驗系統(tǒng)持續(xù)運行20 min；

（7）黑啟動試驗系統(tǒng)在W水電廠同期并網。

2 試驗準備

2.1 發(fā)電機組運行方式

W水電廠三機運行，其中3號機組用于黑啟動試驗系統(tǒng)，另兩臺機組用于正常運行系統(tǒng)；Z火電廠雙機運行，1號機組用于黑啟動試驗系統(tǒng)，2號機組用于正常運行系統(tǒng)。

2.2 電網安全穩(wěn)定控制

黑啟動試驗期間，該區(qū)域電網500 kV、220 kV系統(tǒng)不安排輸變電設備檢修；電網控制極限按黑啟動試驗期間臨時控制極限執(zhí)行。

2.3 黑啟動試驗要求

（1）將黑啟動試驗系統(tǒng)所屬線路保護定值修改為黑啟動試驗期間臨時定值，重合閘退出運行，防止重合于故障對黑啟動電源造成沖擊。

（2）W水電廠水電站3號機組、Z火電廠1號機組修改發(fā)變組相關保護定值，確保在（50±0.5）Hz內機組能夠穩(wěn)定運行，發(fā)變組保護在保障設備安全的前提下，盡可能提升保護定值適應性，避免試驗期間頻率、電壓波動引起機組跳閘。

（3）黑啟動試驗前，W水電廠210開關同期試驗已完成且同期功能正常。試驗期間，W水電廠3號機組、Z火電廠1號機組的AGC、AVC功能退出運行，Z火電廠高周切機裝置退出運行。

（4）當黑啟動試驗系統(tǒng)或正常運行系統(tǒng)發(fā)生故障、振蕩、過電壓等異常情況時，應立即暫停黑啟動試驗，同時向調控中心匯報。若能夠明確異常原因并及時解決，則繼續(xù)進行黑啟動試驗，否則停止試驗。

3 黑啟動試驗過程

3.1 系統(tǒng)形成過程

Z火電廠形成黑啟動試驗系統(tǒng)過程如下：1號機組解列停機，啟備變轉冷備用，隔離1號機組廠用系統(tǒng)，退出廠用備自投，退出高周切機裝置，退出1號機組AVC、AGC功能，黑啟動元件隔離倒閘操作（黑啟動試驗系統(tǒng)中的線路和母線為聯(lián)通狀態(tài)），修改1號發(fā)變組、啟備變保護定值等。

W水電廠形成黑啟動試驗系統(tǒng)過程如下：隔離3號機組廠用系統(tǒng)，退出廠用備自投，退出3號機組AVC、AGC功能，3號機組停機備用，黑啟動元件隔離倒閘操作，修改3號發(fā)變組保護定值，3號機組自啟動并帶廠用電（203開關保持冷備用狀態(tài)）等操作。

N變電站、S變電站、X變電站形成黑啟動試驗系統(tǒng)過程如下：黑啟動元件隔離倒閘操作（黑啟動試驗系統(tǒng)中的線路和母線為聯(lián)通狀態(tài)），修改線路保護定值等。

3.2 系統(tǒng)線路充電

W水電廠3號機組機端電壓升至15.09 kV后，合203斷路器給B母充電。W水電廠合252斷路器，經220 kV B母給WSⅠ線、S變電站220 kV 1號母線、SN線、N變電站220 kV 2號和4號母線、NXⅠ線、X變電站220 kV 1號母線、ZNⅠ線、Z火電廠220 kV 1號母線充電。W水電廠3號機組電壓有效值、電流有效值、勵磁電壓、勵磁電流、有功、無功和頻率在空充后1 s內實測數據如圖2所示，機端電壓從15.4 kV經0.022 s升高至15.98 kV后開始降低；無功功率從1.04 Mvar經0.075 s降至-19.56 Mvar進相狀態(tài)，最終穩(wěn)定在-18.38 Mvar進相狀態(tài)，機組勵磁系統(tǒng)調節(jié)正常。

圖2 空充聯(lián)通線路時W水電廠3號機組實測曲線Fig.2 Measured curve of No.3 unit in W hydraulic power plant as charging the connecting idle?load lines

空充聯(lián)通線路過程中，X變電站母線電壓最高，其相地工頻過電壓為145.63 kV（1.001（p.u.）），相地操作過電壓為525.94 kV（2.556（p.u.）），滿足規(guī)程要求[19]。前期仿真階段，該工況下X變電站工頻過電壓為0.993（p.u.），操作過電壓為2.675（p.u.），仿真結果與實測結果基本一致。

3.3 X變電站1號主變壓器充電

X變電站合201斷路器，空充1號主變壓器，1號主變壓器三相電壓、三相電流以及零序電流1 s內實測波形如圖3所示。

圖3 空充X變電站1號主變壓器實測曲線Fig.3 Measured curve of main transformer 1 in X substation as a charging up made in

X變電站220 kV母線操作過電壓236.624 kV（1.15（p.u.）），滿足規(guī)程要求[19]。前期仿真階段，該工況下X變電站母線操作過電壓為1.17（p.u.），仿真結果與實測結果基本一致。

X變電站主變壓器容量為120 MVA，主變勵磁涌流情況如表1所示，勵磁涌流衰減過程中未發(fā)生突增現象，充電過程中未發(fā)生變壓器鐵心飽和引起的鐵磁諧振。

表1 空充X變電站1號主變壓器時勵磁涌流及衰減情況Tab.1 Magnetizing inrush current and attenuation of main transformer 1 in X substation as a charging up made in

3.4 X變電站帶負荷

根據仿真計算結果，為防止啟動負荷過程中系統(tǒng)頻率偏差超出±0.5 Hz，X變電站每次啟動負荷不大于4 MW。X變電站逐步啟動25 MW負荷耗時約1 h，W水電廠3號機組導葉開度指令、導葉開度、有功功率和頻率實測曲線如圖4所示，頻率波動范圍49.554~50.287 Hz，滿足頻率波動范圍要求，調速器根據系統(tǒng)頻率偏差自動調整開度指令，導葉開度跟隨開度指令動作，調速系統(tǒng)調節(jié)正常。

圖4 X變電站啟動負荷過程中W水電廠3號機組實測曲線Fig.4 Measured curve of unit 3 in W hydraulic power plant during starting load of X substation

3.5 Z火電廠啟動輔機

Z火電廠空充1號啟備變壓器過程中，由于啟備變壓器容量（50 MVA）較小，且系統(tǒng)已接帶負荷25 MW，因此對W水電廠發(fā)電機組沖擊不大，暫態(tài)過程時間也較短。

Z火電廠啟備變壓器帶電后，啟動1號機組輔機。較大容量的輔機有給水泵（5400 kW）、引風機（4000 kW）和一次風機（1800 kW）等。啟動過程中，引風機對系統(tǒng)的頻率和電壓沖擊最大，頻率最低降至49.36 Hz，6 kV母線電壓最低降至5.31 kV，系統(tǒng)各元件運行正常；其他輔機啟動引起的頻率偏差均不超過0.5 Hz。

試驗前仿真階段，建立了給水泵異步電動機模型，并對其啟動過程進行了仿真分析，但實際運行中給水泵啟動過程對系統(tǒng)的沖擊遠不及引風機，見表2，引風機啟動引起的系統(tǒng)頻率偏差為-0.64 Hz，導致6 kV段電壓跌落1.01 kV；給水泵啟動引起的系統(tǒng)頻率偏差為-0.33Hz，導致6kV段電壓跌落1.05kV。

表2 Z火電廠引風機、給水泵啟動對系統(tǒng)的影響比較Tab.2 Comparison of influence of induced draft fan start?up and feed pump on the system in Z power plant

引風機與給水泵啟動過程中有功功率和頻率實測曲線如圖5所示。由圖5（a）可以看出，輔機啟動過程有功功率呈現出階躍上升—緩慢上升—階躍下降的特點。異步電機啟動過程中的有功功率主要用于轉子加速，在異步電動機通電后，由于轉子堵轉導致電流很大，有功功率階躍上升，隨著轉速的增大，有功功率緩慢上升以維持轉子的加速狀態(tài)，當轉子達到額定轉速或目標轉速后停止加速，此時有功功率階躍式下降。由圖5（b）可以看出，由于系統(tǒng)頻率偏差不大，因此水輪機調速系統(tǒng)調節(jié)速度比較緩慢，輔機啟動過程中系統(tǒng)頻率一直呈現下降趨勢，直至輔機啟動完成頻率才得以上升。引風機啟動過程中有功功率為4~7 MW，給水泵啟動過程中有功功率為4~6 MW，兩者數值相差不大，但由于引風機啟動時間明顯比給水泵更長，這就造成系統(tǒng)頻率下降時間更長，頻率下降幅度更大。

圖5 引風機與給水泵啟動過程實測曲線Fig.5 Measured curves during startup of induced draft fan and feed pump

雖然給水泵額定容量大于引風機額定容量，但引風機啟動對系統(tǒng)頻率沖擊更大，結合試驗現場工況分析原因如下：

（1）引風機為軸流風機，靜葉與動葉間存在沖角，通流間隙較大，啟動過程需聯(lián)動開起出口閥，引風機通流斷面大，煙風閥門嚴密性較汽水閥門差，使得啟動時扭矩偏大，因此引風機啟動過程屬于帶負載啟動，因此啟動功率較大且時間較長。

（2）給水泵啟動過程中，泵出口閥處于關閉狀態(tài)，僅再循環(huán)調節(jié)閥全開，但流量較小，因此啟動負載非常小，近乎空載啟動；由于給水泵額定功率比引風機大，因此啟動功率與引風機相當，但啟動時間明顯縮短，僅為3 s。

3.6 火電機組并網帶負荷

3.6.1 機組并網

Z火電廠1號機組輔機全部啟動后，1號機組點火電啟動，達到額定轉速后，實施自動準同期并網，1號機組并網時的有功、無功功率和系統(tǒng)頻率如圖6所示。機組并網瞬間初負荷最高升至12.19 MW，系統(tǒng)頻率最高上升至51 Hz，之后系統(tǒng)頻率振蕩衰減，約60 s后頻率偏差恢復至±0.5 Hz，機組有功功率穩(wěn)定在9 MW左右。并網后，火電機組和水電機組均能維持電壓、頻率穩(wěn)定，由于是同期并列，系統(tǒng)電壓和無功受到的沖擊很小，未因調速系統(tǒng)特性的差異而發(fā)生振蕩。

圖6 Z火電廠1號機組并網實測曲線Fig.6 Measured curve of grid connection of unit 1 in Z power plant

根據試驗前仿真結果，建議將初負荷設為0或2 MW，Z火電廠折中將初負荷設定值由10 MW修改為3 MW。但在并網瞬間，雖然高調門開度增量很小，由于中壓調門開度流量特性不良，瞬間由中間位置直接全開，導致瞬間負荷增量達到12.19 MW，系統(tǒng)頻率最高升至51 Hz。建議黑啟動時機組取消初負荷，減小并網瞬間對系統(tǒng)頻率的沖擊；停機后進行DEH混合仿真，確定初負荷取消后并網瞬間閥位低限不影響運行人員手動操作。

3.6.2 機組升負荷

Z火電廠1號機組負荷調整速率為5 MW/min，在機組升負荷過程中，機組頻率波動范圍49.727~50.252 Hz，機組振動、汽輪機軸瓦溫度等重要參數均在正常范圍內，機組運行穩(wěn)定。

3.7 黑啟動試驗系統(tǒng)運行

Z火電廠升負荷至30 MW后，黑啟動試驗系統(tǒng)連續(xù)運行20 min。運行過程中W水電廠3號機組、Z火電廠1號機組運行穩(wěn)定，系統(tǒng)頻率波動范圍49.692~50.287 Hz，在允許范圍內。

3.8 黑啟動試驗系統(tǒng)并入主網

W水電廠3號機組調速器保持孤網自動狀態(tài)，手動調整3號機組勵磁使B母與A母電壓相等，W水電廠210斷路器采用自動準同期并網。并網瞬間，頻率和電壓沒有明顯沖擊，系統(tǒng)狀態(tài)過渡平穩(wěn)，W水電廠各系統(tǒng)設備運行正常，Z火電廠1號機組并網后仍采用閥位手動控制方式，并網期間1號機組運行正常。

4 結論

本文論述了某區(qū)域電網利用常規(guī)水電機組實施電網黑啟動的試驗過程，對啟動過程中的實測數據進行了分析，得出如下結論。

（1）W水電廠和Z火電廠設備在黑啟動試驗時無系統(tǒng)外電源，通過W水電廠3號機組啟動并充電至電網，為Z火電廠1號機組提供啟動電源，1號機組成功點火、沖車、并網、帶負荷，黑啟動系統(tǒng)穩(wěn)定運行20 min，證明該試驗方案切實可行。

（2）本次黑啟動試驗采用W水電廠3號機組調速系統(tǒng)在孤網模式下調整電網頻率的控制方式，試驗期間全過程自動調節(jié)，Z火電廠1號機組采用手動閥位控制，不參與系統(tǒng)調頻。這種頻率控制方式不論在帶負荷階段，還是Z火電廠啟動大功率輔機、鍋爐點火、升溫升壓、汽機沖車、發(fā)電機并網、帶負荷、黑啟動試驗系統(tǒng)并入大網過程，系統(tǒng)頻率始終控制在平穩(wěn)狀態(tài)，頻率波動在較小范圍內，證明該方案切實可行。

（3）黑啟動試驗過程中電壓和頻率波動與前期仿真結論一致，驗證了仿真模型的正確性。