直流参与受端弱交流系统黑启动的技术条件

李保宏 ，刘天琪 ，许韦华 ，李 强，李兴源 ，张英敏

（1．四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065；2．国网智能电网研究院，北京 102209）

0 引言

黑启动是指整个系统因故障停运后，不依赖于其他网络的帮助，通过系统中具有自启动能力机组的启动，带动无自启动能力的机组逐渐扩大系统恢复的范围，最终实现整个系统的恢复［1-3］。传统的电网黑启动方式，一般利用本地区具有自启动能力的燃油机组、水电机组作为黑启动电源，逐步启动其他大型常规发电机组，采用交流输电方式带动电网恢复［4-7］，具有启动速度慢、辅机启动冲击大等不足，影响黑启动过程中负荷的恢复速度。因此，在电网黑启动过程中采取新的方式、研究新的技术以更快速有效地实现电网供电的恢复，作为常规黑启动方式的有效补充，对于应对大停电事故、降低大停电带来的经济损失具有十分重要的现实意义。

直流输电具有输送功率大、启动和调速快、可控性强等优点［8-9］，这在黑启动初期可以发挥较大的作用［10］。因此，研究电网黑启动过程中利用直流输电的电网恢复技术，充分发挥常规直流输电在输送容量、调节速度等方面的优势，对加速大规模停电事故后受端电网负荷恢复、提高黑启动过程中电网稳定性等将起到积极的作用。目前，对于常规直流参与黑启动的研究很少，仅文献［10-11］以云广、天广直流为例对黑启动初期的基本条件、典型启动路径等进行了研究。针对实际情况，本文在假设江苏电网全黑的情况下，研究利用龙政直流参与受端江苏电网黑启动以加快直流受端系统恢复速度的技术要求。以宜兴抽水蓄能水电站作为黑启动电源，从直流系统的控制模式、启动及解锁方式、顺序控制，以及交流系统的强度、无功协调配合、励磁涌流抑制等方面进行深入研究，明确了直流参与弱交流系统的技术要求。通过PSCAD模型验证了理论推导的正确性。

图1 黑启动系统模型Fig.1 Black-start system model

1 黑启动模型搭建

图1为在电磁暂态仿真软件PSCAD中搭建的黑启动模型。模型主要由送端等值机、龙政直流、受端宜兴抽水蓄能机组及负荷构成。由于龙政直流的送端龙泉换流站和三峡左岸电站相联，且本文以江苏电网黑启动过程为研究重点，因此将送端机组简化为等值电压源。龙政直流按照实际工程搭建模型，为双极12脉波系统，额定电压为±500 kV，额定电流为3000 A，额定功率为3000 MW。直流线路从三峡附近的龙泉换流站到江苏常州的政平换流站，全长860 km。宜兴抽水蓄能机组由4台水轮机构成，均包含励磁与调速系统，装机容量为4×250MW。

2 直流启动方式及控制模式

2.1 直流启动控制模式选择

黑启动时选择合适的直流控制模式可以提高系统稳定性，常见的直流控制模式如表1所示。

表1 直流控制模式Table 1 DC control modes

对于弱交流系统而言，受端电压稳定是保证直流系统正常运行的重要因素。由于电压与有功弱耦合而与无功强耦合，因此通过分析直流系统换流器控制模式对逆变侧消耗无功功率的影响可以定性判断电网电压的稳定性［12］。直流运行时逆变侧电压、有功及无功可分别由式（1）—（3）表示。

其中，Udi与Idi分别为直流电压与电流；Udoi为理想空载电压；γi为逆变侧熄弧角；Km为系数；ELL为变压器线电压有效值（一次侧）；B=2为桥数；Xi为变压器折算到二次侧的阻抗；Ti为变压器变比；Pdci为直流外送有功功率；φ=arccos（Udi/Udoi）。

a.整流侧定电流、逆变侧定电压控制。

当直流系统采用整流侧定电流、逆变侧定电压控制方式时，Udi不变，Idi不变。则逆变侧电压ELL下降时，Udoi=1.35ELLBTi减小并且Udi不变，故cosφ增大，tanφ减小，且Qdci=Pdcitanφ=UdiIditanφ亦减小。所以ELL下降时，Pdci不变，γi减小，Qdci减小。 即直流系统在保证外送有功的同时消耗无功减小，有利于换流母线电压的恢复。

b.整流侧定电流、逆变侧定熄弧角控制。

采用整流侧定电流、逆变侧定熄弧角控制方式时，γi不变，Idi不变。

注意到式中根号内是关于Udoi的二次式，其对称轴为而根据实际情况Udoi>0，因此Qdci正比于 Udoi。 故当 ELL下降、Udoi减小时，Pdci减小，γi不变，Qdci减小。即直流外送有功减小的同时消耗无功也减小。此种模式虽然有利于换流母线电压的恢复，但不利于系统的频率稳定。

c.整流侧定功率、逆变侧定电压控制。

采用整流侧定功率、逆变侧定电压控制方式时，Udi不变，Pdci不变。则逆变侧电压ELL下降时，Udoi减小，tanφ 减小，故 Pdci不变，γi减小，Qdci减小。 直流有功、无功变化情况和整流侧定电流、逆变侧定电压控制模式相同，有利于换流母线电压的恢复。

d.整流侧定功率、逆变侧定熄弧角控制。

采用整流侧定功率、逆变侧定熄弧角控制方式，逆变侧交流电压下降时，γi不变，Pdci不变。

为了确定式（5）中的正负号，将式（4）的变形Udoicosγi=Udi+dxiIdi代入式（5）的根号项中得：

由于实际中 Udi≫dxiIdi，故式（6）有：

且当时，式（4）成立，故最终确定式（5）中Udi的表达式为：

所以逆变侧电压ELL下降时，Udoi=1.35ELLBTi减小，则Udi减小。由于Pdci不变，故Idi增大，又由于

故cosφ减小，tanφ增大，且由于Qdci=Pdcitanφ，故Pdci不变，γi不变，Qdci增大。可知直流系统在外送有功不变的同时消耗无功反而增加，不利于换流母线电压的恢复。

在CIGRE-HVDC-Benchmark标准测试系统中对以上推导进行仿真验证，结果证明了结论的正确性。根据上述结论，直流参与黑启动宜采用逆变侧定电压的控制模式。进一步分析发现整流侧定功率的控制模式不能增加其他辅助控制措施如频率控制等，不利于后续控制。因此直流参与黑启动时选取整流侧定电流、逆变侧定电压的控制模式。

2.2 直流启动方式选择

正常的直流启动方式主要包括全压启动、70%降压启动、80%降压启动，以及解决直流融冰的功率异向传输方式。由于功率异向传输方式在直流运行时不能对系统作出贡献，且直流单极闭锁时会对交流系统造成严重冲击，因此黑启动时不考虑该种启动方式。根据文献［10］的结论，从无功及有功两方面考虑，直流70%降压启动对交流系统产生的冲击最小。因此直流参与弱交流系统黑启动时宜选择该启动方式。利用搭建的模型，在受端系统较强时对3种不同启动方式进行仿真验证。仿真时受端宜兴抽水蓄能机组开3台机，带有功负荷600MW，无功负荷150Mvar；直流第15s解锁，启动电流均设为最小启动电流150A。交流系统的频率及电压变化情况分别如图2、3所示。由仿真结果可知，单极70%降压启动时对交流系统冲击最小。

图2 不同启动方式下对较强受端交流系统频率的冲击Fig.2 Impact on frequency of strong receiving AC system for different startup modes

图3 不同启动方式下对较强受端交流系统电压的冲击Fig.3 Impact on voltage of strong receiving AC system for different startup modes

2.3 直流解锁方式及启动顺序控制

2.3.1 直流解锁方式

目前国内直流工程的正常解锁过程基本有2种类型。一种是首先迅速建立直流电流，同时直流电压达到0.5 p．u．左右，解锁过程中出现电流过冲，然后直流电压上升至额定值，简称为零电压方式。零电压方式启动配合发电机出力慢速建立直流电压，则初始过程中直流电压需要降低更多，触发角势必进一步加大，引起电流纹波增加，同时换流阀需满足能够进行零功率运行的要求。另外一种是首先缓慢建立直流电压，然后增大直流电流，达到直流最小功率，简称为零电流方式。零电流方式启动时，触发角度在正常设计范围内，但是直流电流断续期运行时间较长［13］。根据龙政直流实际情况，黑启动时选择零电流解锁方式。解锁时单极70%降压启动，启动电流为150 A，解锁时的电压、电流波形图如图4所示。

图4 降压70%、直流电流150 A时直流解锁波形Fig.4 Waveforms of DC de-blocking with 150 A DC and 70%of voltage

2.3.2 直流启动的顺序控制

黑启动时，直流启动的顺序控制可参考正常启动时的顺序控制［14］，但其中交流滤波器的投入时间需要调整。正常顺序启动时，交流滤波器在直流解锁前投入。但黑启动时交流系统较弱，滤波器无功反送较大。因此考虑在直流解锁启动时投入交流滤波器，由于直流本身会消耗无功，这样可减少交流滤波器的反送无功对系统的冲击。

因此黑启动时直流启动的顺序控制为：

a.换流变压器网侧断路器分别合闸，使换流变压器和换流阀带电；

b.直流侧开关设备操作以实现直流回路的连接；

c.在触发角α≥90°时先解锁逆变器，后解锁整流器；

d.投入适量的交流滤波器支路；

e.电压电流调节器按要求逐步升高直流电压、电流至运行的整定值后转入正常运行。

3 直流启动时交流系统技术条件

3.1 交流系统强度要求

黑启动时尽快启动直流系统有利于系统快速恢复，但这对交流系统的最小强度提出要求。一般而言，在黑启动条件下，直流启动过程中暂态工频过电压不超过额定值的1.4倍，稳态工频电压值不超过额定值的1.1倍，频率变化范围不超过49～51 Hz。

a.短路容量要求［10］。

由于直流系统以最小功率启动时消耗无功较少，因此直流启动时投入的最小滤波器组会产生反送无功，造成交流电压升高［11］。直流功率建立时投入1组最小滤波器组合，则滤波器向交流系统反送的无功功率为Qf。而在最小启动功率（单极70%降压，最小电流0.05 p.u.）运行时，直流系统吸收的无功功率Qdci≈Pdci=0.035Pdn，其中Pdn为直流额定功率。同时电压升高的幅值可用下式进行估算：

其中，Ssc为换流母线的短路容量；U为滤波器投入启动前的电压；ΔU为电压升高幅值。根据龙政直流工程中Pdn=15Qf，则为满足稳定电压不超过1.1UN（UN为额定电压）的要求，有：

即若投入1组滤波器，受端短路容量需要为单组滤波器容量的4.75倍左右。

由于在550 kV时，Qf=260 Mvar，故至少需要Ssc=1235 MV·A。当宜兴抽水蓄能水电站开1台机时，可计算出短路容量Ssc=1250MV·A，基本满足电压要求。

b.频率波动估算［15］。

对于直流接入弱交流系统，系统维持所要求频率的能力取决于系统的转动惯量。根据发电机转子运动方程可得：

因此有：

其中，H∑为各发电机惯性时间常数归算到统一基准功率 SB下的惯性时间常数和；f0=50Hz；n=1，2，…；Hi为第i台发电机的惯性时间常数；SNi为第i台发电机的容量。

通过式（11）可知，频率波动正比于系统不平衡有功及其作用时间。

为衡量直流功率与系统转动惯量之间的相对关系，CIGRE直流工作组定义了直流系统有效惯性常数Hdc：

其中，Sac为交流系统总容量；Pd为直流系统当前输送功率。 联立式（11）与式（13）可得：

通过式（14）可大致估算直流启动时的系统频率最大上升水平：仿真计算在直流停运情况下的有功负荷冲击对频率的影响情况，间接估算直流启动时对交流系统的频率影响。

由于宜兴抽水蓄能机组开1台机时即满足电压要求，在该条件下利用上述结论估算频率波动范围。当宜兴抽水蓄能机组开1台机，带负荷为PL=200MW、QL=50 Mvar时，直流系统停运，逐渐按比例增加有功负荷，观察最大频率偏差的变化情况，仿真结果如表2所示。

表2 不同有功负荷冲击下的最大频率偏差Table 2 Maximum frequency errors caused by different active load impacts

由仿真结果可知，冲击负荷的大小与最大频率偏差成强线性关系。因此，可由有功负荷冲击估算直流启动造成的频率变化，估算及仿真结果为：直流外送有功功率为45 MW，估算最大频率偏差为0.5418 Hz，实测最大频率偏差为0.520 4 Hz，频率估算误差为3.95%。仿真时，直流采用整流侧定电流、逆变侧定电压控制和单极70%降压启动方式，滤波器在直流启动的同时投入，并投入相应高抗抵消滤波器投入时的无功冲击。

由于流量等参数的采样平均时间设定较长，加大了数据在平均时间内的真实性和可靠性、稳定性，但该系数的生成条件是必须在生产运行1.5 h后自动计算。

因此，按照直流最小启动功率为52.5 MW（外送功率45 MW）计算，逆变侧宜兴抽水蓄能机组开1台机即可满足启动频率要求。此时逆变侧机组总容量为312 MV·A，为直流启动功率50 MW的6.24倍，则

3.2 换流变励空载充电励磁涌流抑制

黑启动过程中，换流变压器在空载合闸投入电网时，由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性特性，会产生幅值相当大的励磁涌流［16］。在弱交流系统情况下，若不对励磁涌流进行处理会产生较大的有功、特别是无功振荡，进而产生过电压。因此，利用超高压系统中常采用的合闸电阻抑制励磁涌流现象：断路器合闸过程中，在主触头闭合前于负荷回路中短时串入一合闸电阻，对暂态过电压以及励磁涌流进行抑制［12］。抑制效果如图5所示。

可见合闸电阻的串入可有效抑制换流变的励磁涌流现象，为黑启动时系统的稳定性提供保障。

3.3 黑启动时的无功协调配合

根据前述研究结论，虽然宜兴抽水蓄能机组开1台机时，电压在交流滤波器的无功冲击下仍能保持在限定范围，但若对交流滤波器反送无功不进行处理，会使发电机处于进相运行状态，危害系统安全，因此考虑投切高抗消耗滤波器的反送无功。但黑启动时受端系统只开1台机，滤波器反送无功相对较大，若同时投入大容量高抗，发电机有功及无功会产生振荡，不利于系统稳定运行。进一步考虑提前投入部分高抗，再于滤波器投入的同时投入剩余高抗，不仅可以降低发电机发生自励磁的风险，同时也有利于系统快速恢复。

图5 合闸电阻对励磁涌流的抑制效果Fig.5 Effect of inrush current depression by reclosing resistor

4 仿真分析

通过以上研究，利用PSCAD软件进行仿真验证。验证时受端宜兴抽水蓄能机组开1台机，带有功负荷200 MW、无功负荷50 Mvar，直流采取整流侧定电流，逆变侧定电压控制模式，按单极70%降压、最小电流0.05 p.u.、最小启动功率52.5MW启动。直流控制模式、启动方式及交流系统最小启动条件确定后，验证直流顺序控制及无功协调配合策略，仿真条件如下。

a.第1.5s带合闸电阻的换流变断路器合闸，第3s直流解锁。同时投入1组无功容量为200Mvar的交流滤波器，不投入高抗抵消反送无功。

b.第1.5s带合闸电阻的换流变断路器合闸，第3.7s投入1组无功容量为200Mvar的交流滤波器，同时投入无功负荷为200Mvar的高抗，待系统平稳后第15s直流解锁。

c.第1.5 s带合闸电阻的换流变断路器合闸，第3 s直流解锁，直流功率建立时第3.7 s投入1组无功容量为200Mvar的交流滤波器，同时投入无功负荷为150 Mvar的高抗（直流本身会消耗约50 Mvar无功）。

d.第0s先投入100Mvar的高抗，第1.5s带合闸电阻的换流变断路器合闸，第3s直流解锁，直流功率建立时第3.7s投入1组无功容量为200 Mvar的交流滤波器，同时投入无功负荷为50 Mvar的高抗。

发电机的外送有功、无功，系统频率及机端电压如图6所示。

由图6（a）可知，不对滤波器反送无功进行处理，系统稳态电压达到560kV，超过1.1倍限定电压值。同时由于电压的升高，导致系统负荷有功相应增加，反而减小了直流启动时的有功冲击，使得系统频率波动较小。而另一方面电压的升高增加了滤波器的反送无功，使得发电机进相运行。因此，若不对滤波器反送无功进行处理，会危害系统稳定性，不利于系统的快速恢复。

图6 不同条件下直流参与黑启动的仿真效果Fig.6 Simulative effects of black-start for different conditions when HVDC is involved

由图6（b）可知，直流解锁前投入滤波器的同时投入高抗，稳定后可避免发电机进相运行，但发电机外送有功及无功由于大容量高抗的投入会产生振荡，且由于直流有功建立的同时会消耗无功，系统稳定运行点变化，频率大幅上升，同时电压升高，稳态工频过电压为556 kV，超过限定额度。

在图6（c）中，直流启动时同时投入滤波器和高抗，稳定后同样可避免发电机进相运行，但发电机外送有功及无功由于大容量高抗的投入产生振荡。直流有功冲击同样导致发电机频率波动，系统稳定运行点变化，进而导致电压升高，稳态工频过电压为560 kV，超过限定额度。图中电压及功率在7 s至11 s期间呈直线状是由于该时段电力系统稳定器（PSS）达到限幅所致。

图6（d）中，由于直流解锁前投入大部分高抗，解锁前交流电压降低为480kV，在±5%范围内。直流启动后，交流滤波器及小部分高抗同时投入，发电机外送有功及无功振荡现象明显好转。同时，系统频率波动减小，有利于稳定运行，稳态电压为550 kV，低于1.1倍额定电压，符合黑启动标准。

5 结语

本文从交流、直流两方面对黑启动初期直流参与弱交流系统的技术要求进行了详细研究，明确了直流参与黑启动时宜采取整流侧定电流、逆变侧定电压控制模式，并以单极70%降压启动。而在直流启动之前，投切1组交流滤波器时，交流系统短路容量需达到单组滤波器容量的4.75倍左右，同时需要对直流有功冲击造成的频率波动进行估算，确保交流系统的电压、频率在限定范围内。直流启动过程中，必须分阶段投入高抗处理交流滤波器的反送无功，避免在弱交流系统中发电机进相运行及功率振荡。

本文的研究内容提供了江苏电网在全黑情况下，利用宜兴抽水蓄能机组启动龙政直流快速恢复系统的基本条件及技术要求，为直流参与交流电网黑启动提供了依据。

［1］LINDSTROM R R.Simulation and field tests of the black start of a large coal-fired generating station utilizing small remote hydro generation［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1990，5（1）：162-168.

［2］刘隽，李兴源，许秀芳.互联电网的黑启动策略及相关问题［J］.电力系统自动化，2004，28（5）：93-97.LIU Jun，LI Xingyuan，XU Xiufang.Strategies and problems in black startofinterconnected powergrids［J］.Automation of Electric Power Systems，2004，28（5）：93-97.

［3］王大江，顾雪平，贾京华.基于SE-DEA模型的扩展黑启动方案恢复相对效率研究［J］. 电力自动化设备，2015，35（2）：62-67.WANG Dajiang，GU Xueping，JIA Jinghua.Relative efficiency of extended black-start restoration plans based on super efficiency data envelopment analysis model［J］.Electric Power Automation Equipment，2015，35（2）：62-67.

［4］阮前途，王伟，黄玉，等.基于燃机机组的上海电网黑启动系列试验［J］. 电网技术，2006，30（2）：19-22.RUAN Qiantu，WANG Wei，HUANG Yu，etal.A seriesof blackstart tests based on gas turbine generators in Shanghai Power Grid［J］.Power System Technology，2006，30（2）：19-22.

［5］张其明，王万军.陕西电网黑启动方案研究［J］.电网技术，2002，26（4）：42-45.ZHANG Qiming，WANG Wanjun.A study on black-start scheme for Shaanxi Power Network［J］.Power System Technology，2002，26（4）：42-45.

［6］林济铿，么莉，孟宪朋，等.天津电网黑启动试验研究［J］.电网技术，2008，32（5）：55-58.LIJikeng，YAO Li，MENG Xianpeng，etal.Testresearch of black start of Tianjin Power Grid［J］.Power System Technology，2008，32（5）：55-58.

［7］孟强，牟龙华，许旭锋，等.孤立微电网的黑启动策略［J］.电力自动化设备，2014，34（3）：59-64.MENG Qiang，MU Longhua，XU Xufeng，et al. Black-start strategy ofisolated microgrid［J］.Electric PowerAutomation Equipment，2014，34（3）：59-64.

［8］夏俊丽，毛荀，柯德平，等.基于综合评价的交、直流输电适用范围研究［J］. 电力自动化设备，2015，35（3）：120-139.XIA Junli，MAO Xun，KE Deping，et al.Applicable scope of AC and DC power transmission based on comprehensive evaluation［J］.Electric Power Automation Equipment，2015，35（3）：120-139.

［9］李宽，李兴源，李保宏，等.基于射影定理分层控制的次同步阻尼控制器设计［J］. 电力自动化设备，2015，35（2）：80-84.LI Kuan，LI Xingyuan，LI Baohong，et al.Design of supplementary subsynchronous damping controller based on projective theorem for hierarchical control［J］.Electric Power Automation Equipment，2015，35（2）：80-84.

［10］周剑，李建设，苏寅生.电网黑启动情况下高压直流输电系统启动条件分析［J］. 电力系统自动化，2011，35（3）：92-96.ZHOU Jian，LIJianshe，SU Yinsheng.Analysis on start-up conditions of HVDC system in black-start［J］.Automation of Electric Power Systems，2011，35（3）：92-96.

［11］周剑，苏寅生，王新宝.云广直流在南方电网黑启动及系统恢复过程的作用［J］. 南方电网技术，2010，4（4）：48-51.ZHOU Jian，SU Yinsheng，WANG Xinbao.The role of Yunnan-Guangdong±800kV DC Project in CSG black-start and recovery process［J］.Southern Power System Technology，2010，4 （4）：48-51.

［12］胡艳梅，吴俊勇，李芳，等.±800 kV哈郑特高压直流控制方式对河南电网电压稳定性影响研究［J］.电力系统保护与控制，2013，41（21）：147-153.HU Yanmei，WU Junyong，LI Fang，et al.Impacts of DC system control mode for±800 kV Ha-Zheng UHVDC on voltage stability of Henan Power Grid［J］.Power System Protection and Control，2013，41（21）：147-153.

［13］王华伟，曾南超，蒋卫平，等.±660kV中蒙直流工程送端孤岛运行方式最小功率启动研究［J］. 电网技术，2010，34（5）：83-87.WANG Huawei，ZENG Nanchao，JIANG Weiping，et al.Study on minimal startup power of±660 kV HVDC power tansmission system under islanded operation at sending system［J］.Power System Technology，2010，34（5）：83-87.

［14］赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京：中国电力出版社，2004：103-104.

［15］郭小江，郭强，马世英，等.直流孤岛送电系统的系统接入技术要求研究［J］. 中国电机工程学报，2012，32（34）：42-49.GUO Xiaojiang，GUO Qiang，MA Shiying，et al.Research on system interconnection requirements ofDC island sending systems［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（34）：42-49.

［16］常勇.500kV高岭换流站换流变空载充电励磁涌流分析［J］.电网技术，2009，33（1）：97-100.CHANG Yong.Analysis on energizing inrush current of no-load converter transformer in 500 kV Gaoling back-to-back converter station［J］.Power System Technology，2009，33（1）：97-100.