浙江电网黑启动计算分析与试验研究

2018-03-08黄弘扬熊鸿韬倪秋龙楼伯良

浙江电力 2018年1期

黄弘扬，熊鸿韬，吴烨，倪秋龙，楼伯良

（1．国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2．国网浙江省电力有限公司，杭州 310007）

0 引言

随着特高压交直流混联结构的形成，浙江电网的格局和形态已发生深刻变化，运行特性也日趋复杂[1-2]。多重故障、继电保护拒动误动、人员误操作和灾害天气等均可能引发电网大面积停电事故；而一旦发生大面积停电事故，如果没有合理的黑启动措施，将使得停电时间延长甚至难以恢复供电[3-7]。因此，研究切实可行的黑启动方案，对我国电网的高速健康发展具有重大意义。

浙江电网地处东南沿海，台风等自然灾害严重威胁电网安全稳定运行，极端情况下存在大面积停电风险。浙江省电力公司于2000年左右完成全省分级调度黑启动方案编制[8-10]。方案根据全省水电和抽蓄电厂的分布情况，将浙江电网划分为浙北区域、紧水滩区域、乌溪江区域、宁波溪口区域和舟山区域共5个黑启动子系统。这5个子系统具有独立的黑启动电源，可并行展开黑启动恢复操作，以显著提升电网恢复速度。然而受实际条件限制，前述工作以理论分析为主，实际试验研究相对较少，并且大多局限于发电厂内部的黑启动，难以充分验证浙江电网黑启动方案的实际可行性。

针对上述问题，浙江省电力公司于2016年7月开展紧水滩区域电网黑启动试验，这是浙江电网首次系统级黑启动试验。以下着重分析此次黑启动试验相关的发电机自励磁、工频过电压、空充线路操作过电压等问题，通过仿真计算研究黑启动过程中可能存在的安全稳定问题，对试验实测结果进行分析，并与理论计算结果进行对比。

1 试验方法

此次黑启动试验位于紧水滩区域电网，整个试验系统包含紧水滩水电厂、沙铺砻水电厂、睦田变电站（简称睦田变，其余类推）和云和变等厂站，试验系统接线如图1所示。试验以紧水滩水电厂为主启动电源，采取“紧水滩水电厂→睦田变→云和变”的启动路径恢复系统，最后与沙铺砻水电厂合环后再并入主网。试验过程具体分为以下5个阶段：

（1）紧水滩水电厂内黑启动：紧水滩水电厂4号机依靠直流电源启动保厂用电；随后5号机依靠厂用电启动带3号主变压器（以下简称主变）和220 kV副母零起升压。

（2）空充线路和对侧主变：图1中1号断路器合闸，紧水滩水电厂5号机通过紧睦线空充至睦田变，紧睦线由副母热备用改副母运行。

（3）投入睦田变电抗器：图1中2号断路器合闸，恢复睦田变35 kVⅡ段母线供电；随后3号断路器合闸，2号电抗器投入，以模拟电网感性负载。

（4）与丽水地区小系统并列：4号断路器合闸，恢复睦田变110 kV副母和云和变110 kV副母供电；待沙铺砻水电厂黑启动后，5号、6号断路器合闸，丽水地区小系统与紧水滩水电厂小系统同期并列。

（5）与主网系统并列：紧水滩水电厂220 kV母联开关合闸，完成小系统和主网同期并列。

2 理论分析

与常规系统相比，黑启动试验系统网架单薄，试验方法是否可行主要取决于以下2方面：

（1）试验第2阶段紧水滩水电厂5号机空充紧睦线属于典型的单机带空载线路运行方式，这种方式下机组是否会产生自励磁。

（2）对于单机带空载线路的运行方式，送端合闸是否会产生较高的操作过电压，以及合闸后由于容升效应是否会产生较高的工频过电压。

本节将对上述问题展开理论分析，以便预先确定试验风险及应对措施。

2.1 自励磁分析

同步发电机的自励磁是指无励磁发电机在过大的电容负荷下电压自发升高的现象[11-15]。黑启动过程中，空充线路产生容性电流会对发电机产生助磁效应，并可能引起自励磁。因此，需分析此次试验空充紧睦线时紧水滩水电厂5号机是否会发生自励磁。

根据参数谐振原理，发电机在满足式（1）的条件下不会发生自励磁[16-18]：

式中：xd和xq分别为发电机的直轴和横轴同步电抗；r和xc分别为外部输电系统的等值电阻和等值容抗。

结合试验实际情况，对发电机和外部输电系统参数折算后可得：r=0.005 p.u.，xc=26.36 p.u.，xd=1.75 p.u.， xq=1.12 p.u.。因此根据式（1）可知，机组不会发生自励磁。

2.2 合闸过电压分析

黑启动试验中紧睦线合闸操作可能引起合闸过电压，下面采用电磁暂态仿真程序PSCAD对紧睦线合闸过电压问题进行分析。为了反映实际断路器的三相不同期合闸特性[19-20]，仿真计算中断路器采用统计开关模型（统计1 500次），合闸相角在1个工频周期内随机均匀分布，三相合闸时差在20 ms内随机均匀分布。

图1 黑启动试验系统接线

基于上述研究条件，在紧睦线合闸前调整紧水滩水电厂5号机机端电压至额定电压的情况下，紧睦线合闸过电压的计算结果如表1所示。由表1可见：合闸后过电压水平低于3.0 p.u.，满足DL/T 620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》对合闸过电压限值的要求。进一步计算表明，当紧水滩水电厂5号机机端电压控制在0.9~1.1倍额定电压范围内时，均能满足合闸过电压限值要求。

表1 空充紧睦线的合闸过电压计算结果p.u.

2.3 工频过电压分析

对紧睦线合闸后系统工频过电压问题进行分析。工频过电压分析基于BPA的时域仿真。在紧睦线合闸前调整紧水滩水电厂5号机机端电压至额定电压的情况下，紧睦线合闸后工频过电压的计算结果如表2所示。由表2可见：合闸后各母线工频过电压均低于1.3 p.u.，满足DL/T 620-1997对工频过电压限值的要求。进一步计算表明，紧水滩水电厂5号机机端电压控制在0.9~1.1倍额定电压范围内时，均满足工频过电压限值要求。

表2 空充紧睦线的工频过电压计算结果p.u.

2.4 稳态电压分析

基于机电暂态仿真程序BPA，采用潮流计算方法分析黑启动试验各阶段的稳态电压水平，计算结果如表3所示。由表3可见：若紧水滩水电厂5号机机端电压控制在额定电压附近，则试验期间系统各母线稳态电压满足《国家电网公司电力系统电压质量和无功电力管理规定》要求。

进一步计算表明，只要紧水滩水电厂5号机机端电压控制在0.90~1.02倍额定电压范围内，试验期间系统各母线稳态电压均可满足规定要求；同时紧水滩水电厂5号机的进相无功功率也可控制在5 Mvar以内，不会超出机组进相极限15 Mvar。如果5号机电压高于1.02倍额定电压，则睦田变220 kV副母稳态电压在紧睦线合闸后会超上限值。如果5号机电压低于0.9倍额定电压，则睦田变220 kV副母稳态电压在电抗器投入后会超下限值。因此，建议试验期间紧水滩水电厂5号机端母线电压控制在0.95~1.00倍额定电压范围内。

表3 黑启动试验期间系统稳态电压kV

2.5 安全稳定校核

对黑启动试验系统进行安全稳定校核。考虑紧睦线紧水滩水电厂侧单相瞬时性短路故障，故障及保护动作时序为：1.0 s紧睦线A相短路故障，1.1 s线路A相开关跳闸，1.8 s线路A相开关重合闸。紧水滩水电厂220 kV副母三相电压时域仿真曲线如图2所示。由图2可见，单相瞬时性短路故障期间，紧水滩水电厂220 kV副母A相电压降为0，B相和C相电压也均有20%左右的下降；故障切除后系统能很快过渡到稳态，满足稳定性要求。

图2 紧睦线单瞬故障后紧水滩水电厂220 kV副母电压

需要说明的是，虽然是升压变压器（以下简称升压变）高压侧A相接地短路，短路期间励磁会进行强励，但如图2所示短路期间B相和C相电压是跌落而非升高。原因是：紧水滩水电厂机组升压变的接线方式是YNd11，故升压变高压侧A，B，C三相电压分别与低压侧 ca，ab，bc三线电压一一对应。当高压侧A相发生接地故障、电压降至0后，故障通过升压变电磁耦合关系传递至低压侧，造成低压侧a相和c相相间短路，a相和c相电压下降。因此从低压侧来看，ab相线电压和bc相线电压自然也是下降的，转换至高压侧即表现为高压侧B相和C相电压下降。

3 现场试验结果分析

2016年7月21日上午紧水滩地区电网黑启动试验开始。10∶16紧水滩水电厂在失去外界电源的情况下依靠直流电源启动4号机保厂用电；10∶35紧水滩水电厂5号机依靠厂用电启动，并带紧水滩水电厂3号主变和220 kV副母零起升压；10∶44紧睦线合闸充电至睦田变；10∶56睦田变2号电抗器投入；11∶45紧水滩水电厂小系统通过沙河线与沙铺砻水电厂小系统同期并列；12∶09小系统通过紧水滩水电厂220 kV母联开关与主网并网成功。

试验过程中对紧水滩水电厂重要参数进行了量测，具体包括：

（1）5号机的三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、励磁电压、励磁电流、阀门开度和机组频率。

（2）220 kV副母三相电压。

（3）厂用电母线三相电压。

本节将基于以上实测结果，研究实际黑启动过程，并将现场实测结果与理论计算结果进行对比分析。

3.1 空充线路自励磁与过电压分析

紧睦线空充的实测波形如图3所示。由图3可见：电压方面，空充线路前5号机机端母线和220 kV副母的稳态电压分别为10.48 kV和234.4 kV；空充线路后5号机机端母线的稳态电压和暂态最高电压分别为10.56 kV和11.47 kV，220 kV副母的稳态电压和暂态最高电压分别为239.5 kV和262.6 kV。频率方面，5号机机组频率波动范围为49.9～50.3 Hz，波动幅度较小。励磁电流方面，5号机机组励磁电流响应异常，合闸后励磁电流从500 A突增至750 A，随后回落至480 A左右。无功功率方面，机组无功功率跟随励磁电流变化；合闸后机组无功功率从-0.1 Mvar突增至4.4 Mvar，最后回落至-2.4 Mvar。总之，空充紧睦线时5号机总体运行稳定，没有发生自励磁现象，并且过电压倍数在允许范围内。

图3 紧睦线空充过程的实测波形

将实测结果与理论计算结果进行对比。如图3所示，空充线路前5号机机端母线电压为10.48 kV。根据理论计算结果，空充线路后5号机机端母线和220 kV副母的工频过电压分别为10.63 kV和240.0 kV，与实测结果相比误差分别为0.84 kV和22.6 kV，相对误差分别为7.3%和8.6%，实测值明显高于理论计算值。

研究发现前述工频电压暂态异常升高现象主要是由励磁系统异常响应引起的，而励磁系统响应异常的主要原因是线路合闸时交流系统电压严重畸变。图4是紧睦线合闸前后暂态过程的实测波形，其中图 4（a）—（c）是紧水滩水电厂 5号机机端母线的线电压瞬时值，图4（d）是紧水滩水电厂5号机的励磁电流瞬时值。

图4 紧睦线合闸前后暂态过程的实测波形

由图 4（a）—（c）可见：线路合闸造成交流系统电压波形严重畸变。机端母线电压的畸变会造成励磁系统内部环节无法正常工作，从而引起励磁系统异动。理论上，空充线路时机组应降低励磁电流，以吸收线路充电功率。然而如图4（d）所示，由于前述原因，合闸初期励磁电流实际上不降反升，故而引起系统工频电压暂态异常升高现象。由图3（d）可见，励磁系统异常增磁现象持续约600 ms，随后励磁系统便恢复正常工作，迅速减励磁以抑制系统电压升高。

合闸过电压方面，由于此次试验量测数据均来自TV（电压互感器）和TA（电流互感器）的二次值，不能准确记录合闸过电压数据，故无法进行理论计算和实测结果的量化对比。但从实际试验过程来看，紧睦线合闸过程并未出现设备过电压等异常情况，定性地验证了合闸过电压理论计算结果的正确性。

3.2 试验各阶段稳态电压水平分析

3.2.1 机组零起升压后

根据实测记录，紧水滩水电厂5号机零起升压进入稳态后机端电压值为10.47 kV，220 kV副母电压为234.5 kV。理论计算结果见表4：当5号机机端电压为10.47 kV时，紧水滩220 kV副母电压稳态值为235.3 kV；理论计算结果与实测结果的误差为0.8 kV，相对误差0.3%。

表4 机组零起升压后各母线稳态电压

3.2.2 紧睦线合闸后

根据实测记录，紧睦线合闸前5号机机端母线和220 kV副母稳态电压分别为10.48 kV和234.4 kV；合闸后5号机机端母线和220 kV副母稳态电压分别为10.56 kV和239.5 kV。理论计算结果见表5：在紧睦线合闸前5号机机端母线稳态电压为10.48 kV的计算条件下，线路合闸后5号机机端母线和220 kV副母稳态电压的仿真值分别为10.53 kV和237.8 kV，与实测结果相比误差分别为0.03 kV和1.7 kV，相对误差分别为0.3%和0.7%。造成误差的原因主要是：机组升压变的漏抗和紧睦线线路阻抗参数的计算值与实际值间存在一定的误差。

3.2.3 睦田变电抗器投入后

根据实测记录，睦田变2号电抗器投入后系统电压出现小幅暂降，进入稳态后5号机机端电压为10.22 kV，220 kV副母电压为227.5 kV。理论计算结果见表6：当5号机机端电压为10.22 kV时，紧水滩220 kV副母电压稳态值为227.8 kV；理论计算结果与实测结果的误差为0.3 kV，相对误差0.1%。