發(fā)電機組黑啟動過程仿真計算校核

黃思林，王忠寶

（1.國家能源集團廣東電力有限公司，廣州 510000；2.國能粵電臺山發(fā)電有限公司，廣東 江門 529299）

電網(wǎng)黑啟動是整個電網(wǎng)在遭受極端破壞、整個電網(wǎng)停電以后，通過啟動電網(wǎng)內(nèi)部具有自啟動能力的機組，帶動無自啟動能力的機組，進而逐步擴大電力供應(yīng)范圍，最終實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)恢復(fù)供電的過程[1-3]。電力系統(tǒng)黑啟動問題最初在20世紀80年代由美國學(xué)者提出[4]，1998年國家科技部將電力系統(tǒng)恢復(fù)方案作為科研項目的子課題之一，標(biāo)志著我國黑啟動研究的開始[5]。近年來，國內(nèi)逐漸將電網(wǎng)是否具有黑啟動能力作為考核電網(wǎng)是否安全的重要指標(biāo)。各區(qū)域、省公司都加大了對電網(wǎng)黑啟動研究工作的投入，制定了與地區(qū)電網(wǎng)實際情況相適應(yīng)的黑啟動方案，相繼進行了黑啟動試驗并獲得成功。然而，黑啟動過程中可能出現(xiàn)自勵磁、操作過電壓等問題，可能導(dǎo)致黑啟動失敗。因此，對黑啟動方案進行可行性研究，對于黑啟動成功、對維持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行都具有重大意義。建立發(fā)電機組黑啟動模型，可用于仿真分析黑啟動過程可能出現(xiàn)的自勵磁、操作過電壓等問題[6]，驗證黑啟動方案的可行性，以期為后續(xù)的深入研究提供借鑒和參考。

1 黑啟動過程

黑啟動一般分為黑啟動、電網(wǎng)重構(gòu)和負荷恢復(fù)3個過程[7-10]。具體過程為電網(wǎng)停電后，具備黑啟動能力的電廠啟動廠內(nèi)柴油發(fā)電機/蓄電池等黑啟動電源，恢復(fù)廠用電后重啟廠內(nèi)發(fā)電機組；發(fā)電機組成功啟動后，通過特定的路徑，對線路進行空充，之后向電網(wǎng)輸送電量，帶動電網(wǎng)中其他無自啟動能力機組，進而逐步擴大電力供應(yīng)范圍，逐步恢復(fù)供電。

2 黑啟動建模

2.1 仿真工具

模擬主要采用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC進行黑啟動仿真分析，該軟件是世界上廣泛使用的電磁暫態(tài)仿真軟件，EMTDC是其仿真計算核心，PSCAD為EMTDC提供圖形操作界面。

2.2 模型建立

PSCAD里面提供豐富的元件庫，從簡單的無源元件到復(fù)雜的控制模塊，電機、FACTS裝置和電纜線路等模型都有涵蓋[11-13]。研究采用PSCAD現(xiàn)有元件搭建黑啟動模型。建模時，發(fā)電機和勵磁系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)、調(diào)速器和原動機模型參數(shù)參照電廠及廠家提供數(shù)據(jù)，線路模型采用單組π型集中參數(shù)等效模型，廠用電按電廠提供的黑啟動所需的最小負荷建模。

3 可行性分析判據(jù)

3.1 自勵磁分析

根據(jù)電力系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程，對于發(fā)電機帶空載長線時，不發(fā)生自勵磁的理論判據(jù)是[14]：

式中：Wh為發(fā)電機額定容量，單位為MVA；Qc為考慮高抗或低抗補償后的線路剩余充電功率，單位為Mvar；Xd為發(fā)電機等值同步電抗（包括升壓變漏抗，以發(fā)電機為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值）；α為不發(fā)生自勵磁的裕度（%）。

3.2 空充長線路工頻過電壓和操作過電壓分析

黑啟動電源經(jīng)升壓變空充長線路過程中，因電容效應(yīng)會引起工頻電壓升高?？粘溟L線路過程中，合閘后0.1 s內(nèi)出現(xiàn)的電壓升高為操作過電壓，0.1～1.0 s內(nèi)的工頻電壓升高為暫態(tài)工頻電壓升高，2～3 s之后的工頻電壓升高為穩(wěn)態(tài)工頻電壓升高。根據(jù)GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設(shè)計規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，110 kV工頻過電壓和系統(tǒng)操作過電壓倍數(shù)不超過3.0倍。

3.3 合空變操作及諧振過電壓分析

合空變后，其過電壓可以分為2個階段。

（1）合空變操作過電壓。該電壓受避雷器的限制，因此不會對變壓器絕緣造成影響。

（2）合空變暫時過電壓。合空變可能產(chǎn)生持續(xù)時間較長、電壓幅值較高的諧波或諧振過電壓，嚴重時會造成避雷器過載。

判斷時結(jié)合以往的工程研究經(jīng)驗，取合閘后0.1 s內(nèi)的過電壓幅值作為操作暫態(tài)過電壓，取合閘0.3 s以后的過電壓作為可能出現(xiàn)的諧波或諧振過電壓，并根據(jù)合閘1.0 s以后的電壓幅值來考察過電壓衰減情況，空充變壓器過程中過電壓不應(yīng)超過1.05 p.u.。

4 數(shù)值模擬

選擇廣東省某電廠（下文記為A廠）為例，進行實例分析。該電廠的黑啟動主方案為：在外界電源失去的情況下，開啟柴油發(fā)電機，以啟動B#機組，然后用B#機組自帶廠用電，自適應(yīng)向外界送電。模型中使用的發(fā)電機參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機參數(shù)

4.1 原始數(shù)據(jù)

4.1.1 廠內(nèi)主變參數(shù)

本研究所選取的西安西電變壓器有限責(zé)任公司SF10-80000/110型變壓器，其額定電壓為（121±2×2.5%）/10.5 kV，容量為80 MVA，接線組別為YNd11型，短路阻抗為10.4%。

4.1.2 勵磁參數(shù)

A廠B#機組采用三機無刷勵磁，永磁通過自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）整流后給勵磁機提供勵磁電流，傳遞函數(shù)如圖1所示。

圖1 勵磁系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

圖中VR為氣隙線中勵磁電壓，取7.1 V；電壓調(diào)節(jié)器輸入電壓為225 V，勵磁器輸出電壓EFD取64.9 V；勵磁器時間常數(shù)TE取1.3 s；勵磁器常數(shù)KE取1.0；SE為勵磁器飽和函數(shù)值，75%峰值電壓時取0.16；峰值電壓時取1.65；去磁因子KD取0.68；整流器負載因子KC取0.55；滿負載轉(zhuǎn)子電壓VFE取243 V；滿負載轉(zhuǎn)子電流1049 A。線路參數(shù)見表2，同時圖中部分參數(shù)計算公式如下

表2 線路參數(shù)

式中：RF勵磁線圈電阻取6.8 Ω；VAmax為調(diào)節(jié)器最大內(nèi)部電壓，p.u.；KIR為微分系數(shù)；KADDITIONAL為勵磁輸出頂值倍數(shù)；VTMAX為調(diào)節(jié)器輸出頂值電壓；KP為放大系數(shù)；VT為機端電壓。

4.2 仿真模型

模型中發(fā)電機、變壓器、線路等元件，按照A廠的電氣主接線圖和黑啟動方案中的路徑，搭建黑啟動模型，如圖2所示。

圖2 PSCAD模型

4.3 可行性分析

4.3.1 自勵磁分析

A廠黑啟動機組帶空載長線時，仿真結(jié)果如下：升壓變漏抗Xd為0.104 p.u.，發(fā)電機等值同步電抗為2.97 p.u.，線路充電功率Qc為3.7 Mvar。

按公式（1）和（2）計算，得出黑啟動自勵磁計算結(jié)果。結(jié)果表明，110 kV C線Qc×Xd為2.85 Mvar，低于額定容量的81.125 MVA。因此，不會發(fā)生自勵磁現(xiàn)象。同時不發(fā)生自勵磁的裕度α較高，為86.5%，系統(tǒng)相對安全。通過仿真，機組充電至110 kV C線此時機組進相達到最大，為-1.6 Mvar。機組進相能力滿足安全要求。

4.3.2 空充長線路工頻過電壓和操作過電壓分析

A廠B#機空充長線路過程中工頻過電壓和操作過電壓計算結(jié)果如下。

機組勵磁電壓給定值為0.95 p.u.時（1 p.u.=，系統(tǒng)最高工作電壓Um為126 kV），發(fā)電機機端與線路首端的合閘前工頻電壓分別為9.94、114.5 kV，發(fā)電機機端、線路首端及線路末端的合閘后工頻電壓分別為9.94、116.6、116.6 kV，空充線路操作過電壓為1.55 p.u.。

機組勵磁電壓給定值為1 p.u.時，發(fā)電機機端與線路首端的合閘前工頻電壓分別為10.5、120.6 kV，發(fā)電機機端、線路首端及線路末端的合閘后工頻電壓分別為10.5、121.9、121.9kV，空充線路操作過電壓為1.63p.u.。

由結(jié)果可知，A廠B#機采用自動勵磁方式，當(dāng)機組給定電壓在0.95～1.0 p.u.時，110 kV C線線路末端電壓不超過126 kV；空充線路期間操作過電壓不超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3.0倍。

4.3.3 合空變操作及諧振過電壓

合空變操作及諧振過電壓結(jié)果見表3。

表3 合空變操作及諧振過電壓結(jié)果

由表3可知，A廠B#機采用三機勵磁方式，當(dāng)機組給定電壓在0.95～1.0 p.u.時，空充變壓器過程中過電壓不超過1.05 p.u.，滿足安全要求，且不存在諧振過電壓。

5 結(jié)論

通過對A廠B#機黑啟動過程的仿真校核，具體結(jié)論如下。

（1）A廠B#機組黑啟動過程中不會引起自勵磁，并且有較大裕度；通過仿真，機組充電至110 kV C線，此時機組進相-1.6 Mvar，達到最大，機組進相能力滿足安全要求；

（2）為保證空充線路過程中線路工頻電壓不超過126 kV，建議A廠B#機采用自動勵磁方式，機組給定電壓在0.95～1.0 p.u.之間；

（3）A廠B#機黑啟動過程中，空合變壓器時不存在操作過電壓和諧振過電壓問題；

（4）A廠B#機黑啟動方案可行。