黑啟動(dòng)系統(tǒng)自勵(lì)磁研究

郭江濤,劉　進(jìn),張　冬,郭　裊,徐冰亮,董爾佳

(1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司,哈爾濱 150030; 2.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030;3.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司 大慶供電公司,黑龍江 大慶 163458)

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●電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化●

黑啟動(dòng)系統(tǒng)自勵(lì)磁研究

郭江濤1,劉進(jìn)2,張冬3,郭裊2,徐冰亮2,董爾佳2

(1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司,哈爾濱 150030; 2.黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030;3.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司 大慶供電公司,黑龍江 大慶 163458)

發(fā)電機(jī)空載長(zhǎng)輸電線路運(yùn)行時(shí),由于線路分布電容電流的助磁作用,通常會(huì)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁現(xiàn)象。如何有效避免黑啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生機(jī)組自勵(lì)磁現(xiàn)象,是決定黑啟動(dòng)恢復(fù)方案是否可行的關(guān)鍵因素之一。因此根據(jù)自勵(lì)磁產(chǎn)生的原因,提出了識(shí)別地方電網(wǎng)內(nèi)水電自勵(lì)磁判據(jù)，研究了黑龍江電網(wǎng)制定不同黑啟動(dòng)方案時(shí),自勵(lì)磁現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)的影響。

黑啟動(dòng);自勵(lì)磁;地方電網(wǎng);穩(wěn)定運(yùn)行。

隨著電網(wǎng)范圍和規(guī)模的不斷擴(kuò)大,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,電網(wǎng)跨區(qū)域關(guān)聯(lián)性日益增強(qiáng),人們依賴(lài)電力的程度越來(lái)越大。這就要求電網(wǎng)具有較高的供電可靠性和較快的事故恢復(fù)能力,在電網(wǎng)發(fā)生大面積停電甚至是全部停電事故時(shí),能快速恢復(fù)停電區(qū)域內(nèi)的用電負(fù)荷,使電網(wǎng)在采取恢復(fù)動(dòng)作后恢復(fù)到安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的狀態(tài)。大停電事故后如何快速做好電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案,對(duì)電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要意義[1]。

目前,中國(guó)各區(qū)域電網(wǎng)根據(jù)自身網(wǎng)絡(luò)狀況與電源分布情況,制定了相應(yīng)的黑啟動(dòng)預(yù)案,有的還做過(guò)黑啟動(dòng)模擬試驗(yàn)[2-3]。黑啟動(dòng)方案中通常選擇自啟動(dòng)能力的機(jī)組,如水輪機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)組,待黑啟動(dòng)機(jī)組啟動(dòng)后再向不具有自啟動(dòng)能力的機(jī)組送電。在黑啟動(dòng)過(guò)程中極易發(fā)生自勵(lì)磁現(xiàn)象,因?yàn)橄到y(tǒng)啟動(dòng)初期作為啟動(dòng)電源的機(jī)組帶空載長(zhǎng)線路,相當(dāng)于帶了一個(gè)容性負(fù)荷,線路的容性充電功率很大,系統(tǒng)易滿足自勵(lì)磁發(fā)生的條件,所以在制定黑啟動(dòng)方案時(shí)必須要考慮自勵(lì)磁現(xiàn)象[4-5]。為此,本文通過(guò)理論研究和結(jié)合實(shí)際,探討了地方電網(wǎng)內(nèi)水電自勵(lì)磁判據(jù),研究了自勵(lì)磁現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)的影響。

1　自勵(lì)磁判據(jù)

自勵(lì)磁現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因就是勵(lì)磁繞組電流為零時(shí),過(guò)大的容性負(fù)荷使電壓自發(fā)上升,因此可以結(jié)合自勵(lì)磁現(xiàn)象產(chǎn)生的物理過(guò)程和發(fā)生現(xiàn)象,對(duì)黑啟動(dòng)中的自勵(lì)磁問(wèn)題本質(zhì)進(jìn)行近似分析。黑啟動(dòng)方案中通常選取水輪機(jī)組作為啟動(dòng)電源,典型水輪機(jī)組聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,若忽略水輪機(jī)組阻尼繞組作用,并假定ω=1且維持恒定,簡(jiǎn)化等效電路如圖2所示。

圖1　典型水輪機(jī)組聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

圖2　自勵(lì)磁電路圖

通過(guò)阻抗比較法可知,發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁產(chǎn)生條件為

Xq

自勵(lì)磁可以分為同步自勵(lì)磁和異步自勵(lì)磁兩類(lèi),水輪發(fā)電機(jī)為凸極式發(fā)電機(jī),而一般凸極式同步發(fā)電機(jī)Xd≠Xq,通常產(chǎn)生的是同步自勵(lì)磁。汽輪發(fā)電機(jī)為隱極式發(fā)電機(jī),通常產(chǎn)生的是異步自勵(lì)磁,所以Xc

Xc

判據(jù)所需參數(shù)Xc、Xd、XT的標(biāo)幺值可由系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)計(jì)算獲得,即

由上面公式可獲得

(1)式中:l為線路長(zhǎng)度;Uk%為短路電壓百分比;Ud為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓;UT為變壓器額定電壓;UcN為線路基準(zhǔn)電壓;UdN為發(fā)電機(jī)基準(zhǔn)電壓;UTN為變壓器基準(zhǔn)電壓;Pd發(fā)電機(jī)額定功率;PT變壓器額定容量。

本文用式(1)作為黑啟動(dòng)自勵(lì)磁判據(jù)公式。

2　黑啟動(dòng)路徑分析

電網(wǎng)黑啟動(dòng)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,并不是預(yù)先準(zhǔn)備好的一個(gè)理論最佳方案就能完成黑啟動(dòng)過(guò)程,在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行工作中會(huì)遇到各種問(wèn)題,所以在找到黑啟動(dòng)最佳方案后還需要進(jìn)行技術(shù)效驗(yàn),找到最優(yōu)方案完成系統(tǒng)的黑啟動(dòng)。

2.1黑龍江電網(wǎng)概況:

黑龍江電網(wǎng)運(yùn)行管理電廠279座,總裝機(jī)容量為25033.11 MW。其中火電廠149座,裝機(jī)容量為19408.15 MW,占比77.53%;水電廠65座,裝機(jī)容量為978.11 MW,占比3.91%;風(fēng)電場(chǎng)64座,裝機(jī)容量為4636.95 MW,占比18.52%;光伏電站1座,裝機(jī)容量為9.9 MWp,占比0.04%。黑龍江電網(wǎng)中,牡丹江電網(wǎng)鏡泊湖水電老廠配有35 kW柴油發(fā)電機(jī)一臺(tái),柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后帶鏡老廠400 V廠用電,具備自啟動(dòng)能力,所以選擇鏡泊湖水電老廠作為黑龍江電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源。

2.2黑啟動(dòng)路徑一

傳統(tǒng)金融信用評(píng)估模型雖然可以在信用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中具有一定評(píng)估作用，但是大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)導(dǎo)致其數(shù)據(jù)出現(xiàn)了更多的信息維度。除了交易結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)本身，還有大量的其他類(lèi)型數(shù)據(jù)，如：企業(yè)水電數(shù)據(jù)、企業(yè)高管人員數(shù)據(jù)、相關(guān)企業(yè)信息數(shù)據(jù)等，上述數(shù)據(jù)均不兼容于傳統(tǒng)評(píng)估模型，導(dǎo)致最終信息出入較大，所以必須設(shè)計(jì)新的金融信用評(píng)估模型。這就需要利用大數(shù)據(jù)下的信用評(píng)估分析，原理如圖1所示。

設(shè)定黑啟動(dòng)路徑一:黑啟動(dòng)電源點(diǎn)為鏡老廠2號(hào)機(jī)組,被啟動(dòng)電源點(diǎn)為牡二A廠7號(hào)機(jī)200 MW發(fā)電機(jī)組。

啟動(dòng)路徑為:鏡老廠2號(hào)機(jī)—220 kV鏡老廠母線—220 kV鏡聯(lián)線—220 kV鏡新廠母線—220 kV鏡海線—220 kV林海變母線—220 kV林青甲線—220 kV青梅變母線—220 kV牡青甲線—220 kV牡二A廠母線—10.5 kV牡二A廠7號(hào)機(jī),如圖3所示。

2.3黑啟動(dòng)路徑二

設(shè)定黑啟動(dòng)路徑二:黑啟動(dòng)電源點(diǎn)為鏡老廠2號(hào)機(jī)組,被啟動(dòng)電源點(diǎn)為七臺(tái)河600 MW發(fā)電機(jī)組。

啟動(dòng)路徑為:鏡老廠2號(hào)機(jī)—220 kV鏡老廠母線—220 kV鏡聯(lián)線—220 kV鏡新廠母線—220 kV鏡海線—220 kV林海變母線—500 kV林海變—500 kV方林線—500 kV方正變母線—500 kV云方甲線—500 kV慶云變母線—500 kV七云甲線—500 kV七臺(tái)河廠母線—24 kV七臺(tái)河廠4號(hào)機(jī),如圖4所示。

圖3　黑啟動(dòng)路徑一

圖4　黑啟動(dòng)路徑二

3　黑啟動(dòng)不同路徑自勵(lì)磁分析

已知條件:鏡老廠2號(hào)機(jī)組型號(hào)TSK460/100-32;額定電壓11.00 kV;額定出力18.00 MW;額定功率因數(shù)0.90,電抗參數(shù)Xd=5.2030,Xd′=2.1500,Xd″=1.5490,X2=1.6400,X0=0.9980,Xq=3.7030,時(shí)間常數(shù)Td0=10.06 s。鏡老廠主變:型號(hào)SFPSB—50000/220,額定電壓及變比242(+1/-3)×2.5%/121/11 kV;容量SN=50/50/50×1 MVA;結(jié)線組別Y0/Y0/Δ-12-11;短路電壓UKⅠ—Ⅱ21.50%,UKⅠ—Ⅲ13.60%,UKⅡ—Ⅲ7.12%;短路損失PKⅠ—Ⅱ246.40 kW,PKⅠ—Ⅲ242.60 kW,PKⅡ—Ⅲ180.50 kW;空載損失P0=75.50 kW;空載電流I0=0.65%。牡二廠7號(hào)主變:型號(hào)SFP7—240000/220,額定電壓及變比242±2×2.5%/15.75 kV;容量SN=240×1 WVA;結(jié)線組別Yn/d11;短路電壓UKⅠ—Ⅲ13.5%;短路損失PKⅠ—Ⅲ594.1 kW;空載損失P0=160 kW;空載電流I0=0.264%。

根據(jù)已知計(jì)算知:XT(鏡老廠主變)=0.3291;Xd(鏡老廠2號(hào)機(jī))=5.2030,XT(林海變)=0.020 28,XT(牡二廠7號(hào)主變)=0.0681。

3.1黑啟動(dòng)路徑一

黑啟動(dòng)路徑一上線路電抗值如表1所示。

表1　黑啟動(dòng)路徑一上線路電抗(同一基準(zhǔn)值下)Table 1　Line reactance on black start path1 (under same reference value)

1) 啟動(dòng)路徑鏡聯(lián)線時(shí),容抗Xc=Xc(鏡聯(lián)線)=179.83,Xc>Xd(鏡老廠2號(hào)機(jī))+XT(鏡老廠主變)。

2) 啟動(dòng)路徑鏡海線時(shí),容抗Xc=Xc(鏡聯(lián)線)//Xc(鏡海線)=9.7065,Xc>Xd(鏡老廠2號(hào)機(jī))+XT(鏡老廠主變)。

3) 啟動(dòng)路徑林青甲線時(shí),容抗Xc=Xc(鏡聯(lián)線)//Xc(鏡海線)//Xc(林青甲線)=6.6593,Xc>Xd(鏡老廠2號(hào)機(jī))+XT(鏡老廠主變),系統(tǒng)不產(chǎn)生自勵(lì)磁現(xiàn)象。

4) 啟動(dòng)路徑牡青甲線時(shí),容抗Xc=Xc(鏡聯(lián)線)//Xc(鏡海線)//Xc(林青甲線)//Xc(牡青甲線)=6.6237,Xc>Xd(鏡老廠2號(hào)機(jī))+XT(鏡 老廠主變),系統(tǒng)不產(chǎn)生自勵(lì)磁現(xiàn)象。

由計(jì)算結(jié)果可知,黑啟動(dòng)路徑一啟動(dòng)電源點(diǎn)為鏡老廠2號(hào)機(jī)組,被啟動(dòng)電源點(diǎn)為牡二A廠7號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)組,系統(tǒng)不發(fā)生自勵(lì)磁現(xiàn)象。黑啟動(dòng)路徑一,鏡老廠投入的線路雖然空載,但并不長(zhǎng),容性充電功率較小,經(jīng)計(jì)算約為4.3363×10-2MVar,而鏡老廠發(fā)出無(wú)功約為3.3 MVar,遠(yuǎn)大于線路充電功率,因此未發(fā)生發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁。黑啟動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)發(fā)電機(jī)初步穩(wěn)定后,牡二廠A廠母線及時(shí)投入了部分負(fù)載,破壞了自勵(lì)磁所需要的長(zhǎng)輸電線空載容性無(wú)功注入,避免了發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁。

3.2黑啟動(dòng)路徑二

黑啟動(dòng)路徑二上線路電抗值如表2所示。

表2　黑啟動(dòng)路徑二上線路電抗(同一基準(zhǔn)值下)Table 2　Line reactance on black start path 2 (under same reference value)

1) 啟動(dòng)路徑鏡聯(lián)線時(shí),容抗Xc=Xc(鏡聯(lián)線)=179.83,Xc>Xd(鏡聯(lián)廠2號(hào)機(jī))+XT(鏡老廠主變),系統(tǒng)不產(chǎn)生自勵(lì)磁現(xiàn)象。

2) 啟動(dòng)路徑鏡海線時(shí),容抗Xc=Xc(鏡聯(lián)線)∥Xc(鏡海線)=9.7065,Xc>Xd(鏡聯(lián)廠2號(hào)機(jī))+XT(鏡老廠主變),系統(tǒng)不產(chǎn)生自勵(lì)磁現(xiàn)象。

3) 啟動(dòng)路徑方林線時(shí),容抗Xc=Xc(鏡聯(lián)線)∥Xc(鏡海線)∥Xc(方林甲線)=0.40212,Xc

由計(jì)算結(jié)果可知,黑啟動(dòng)路徑二啟動(dòng)電源點(diǎn)為鏡老廠2號(hào)機(jī)組,被啟動(dòng)電源點(diǎn)為七臺(tái)河發(fā)電機(jī)組在空充到方林線時(shí),系統(tǒng)發(fā)生自勵(lì)磁現(xiàn)象。黑啟動(dòng)路徑二,啟動(dòng)方林線時(shí),線路184.04 km,線路長(zhǎng)度很長(zhǎng),容性充電功率較大,因此發(fā)生發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁。

4　結(jié)　語(yǔ)

發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁現(xiàn)象是空載長(zhǎng)輸電線電容電流助磁作用的正反饋引起的參數(shù)諧振現(xiàn)象。文中采用計(jì)及線路電抗、發(fā)電機(jī)電抗和變壓器漏抗對(duì)自勵(lì)磁的影響,推導(dǎo)出自勵(lì)磁判據(jù)表達(dá)式。結(jié)合黑龍江電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況,對(duì)黑啟動(dòng)這種特殊情況和系統(tǒng)自勵(lì)磁情況進(jìn)行了分析,對(duì)黑啟動(dòng)路徑的制定以及自勵(lì)磁現(xiàn)象進(jìn)行了研究,可指導(dǎo)黑啟動(dòng)控制策略的確定。

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(責(zé)任編輯郭金光)

Research on self-excitation for black start system

GUO Jiangtao1, LIU Jin2, ZHANG Dong3, GUO Niao2, XU Bingliang2, DONG Erjia2

(1.State Grid Heilongjiang Electric Power Company Limited,Harbin 150030,China; 2.Heilongjiang Electric Power Research Institute,Harbin 150030,China; 3.Daqing Power Supply Company, State Grid Heilongjiang Electric Power Company Limited, Daqing 163458, China)

The self-excitation of generator operating with long line often occurs due to optimized magnetism of line distribution capacitance current. How to effectively prevent unit self-excitation during black start, therefore, is one of the key factors to determine if black start is feasible. This paper proposed the criterion for regional network hydropower self-excitation according to its cause, and studied the influence of self-excitation on Heilongjiang power grid with different plans of black start.

black start; self-excitation; regional power grid; stable operation

2016-03-21;

2016-04-08。

郭江濤(1964—),男,高級(jí)工程師,主要從事電力調(diào)度生產(chǎn)運(yùn)行工作。

TM761+.11

A

2095-6843(2016)04-0283-04