水电厂黑启动关键技术研究

万雄彪，陈晶，吴水军

（云南电力试验研究院（集团）有限公司，昆明 650217）

0 前言

电网黑启动是指整个大区电网（或局部电网）系统崩溃瓦解后，不依赖外部电网协助，通过自身电网系统内具有自启动能力发电机组的自启动，带动外部无自启动能力的发电机组，逐渐扩大电网恢复供电范围，最终实现整个系统供电的恢复[1-3]。

水电站发电机组黑启动是指厂用电消失的情况下，利用水电站机组自身特点完成机组自启动和水电站事故备用电源（如柴油发电机等）开机恢复一台或多台机组的厂用交流电，继而完成机组的启动建压、恢复厂用交流电并对外配合调度恢复电网送电过程。

利用电网内大型水电机组自启动能力可以加快系统恢复响应速度，此时黑启动试验过程中需带高压送出线路,强调通过厂内机组黑启动恢复电网供电能力。一方面考虑线路容升效应以防止黑启动试验过程中机组自励磁损坏设备造成黑启动试验失败，另外也需对黑启动试验过程中过电压状态进行计算防止设备绝缘破坏，通过黑启动过电压计算为现场黑启动试验方案制定提供依据，确保现场试验安全可靠开展[4]。

常规黑启动试验一般仅需机组启动恢复至空载状态表明黑启动试验完成，但对大型水电机组，特别是直流送端大型水电机组而言，需带长线路黑启动，一方面需确保电厂发电机组黑启动试验过程中均稳定可靠运行，同时防范高压输电线路容身效应带来的各种危害，倘若黑启动过程中暂态电压及稳态电压偏高会危及设备正常耐压能力，偏低则会导致外部各种用电负荷达不到正常工作电压使得黑启动失去意义[5-6]。

本文针对水电厂黑启动实施方案关键技术开展研究，分析黑启动过程中电压控制措施，保持黑启动过程中电压处于合理水平，防止黑启动过程中出现自励磁以及空充线路过程中无功波动所造成的励磁限制动作进而引起的发电机组过励保护与失磁保护等动作[7-9]，造成机组停机使得黑启动试验失败，寻求水电厂黑启动最佳实施方案。

1 过电压计算

1.1 计算工具与模型

利用PSCADEMTDC电磁暂态仿真软件搭建里底电站发电机组（包括励磁系统、调速系统）、主变、线路以及电抗器等详细数学模型，计算研究不同黑启动方式下过电压水平，包括空载升压带厂用负荷以及带线路合闸等情况下过电压水平，为现场黑启动方案制定提供理论计算依据。

1.2 线路合闸点选择

大型水电机组一般均采用单元接线方式，带线路黑启动过程中采用机端断路器与采用主变高压侧断路器作为合闸点对线路末端过电压影响较大，区别在于主变电抗对空充过程中过电压具有抑制作用，计算不同合闸位置过电压，计算结果如表1所示：

表1 不同合闸点过电压计算

计算结果表明，与采用机端GCB合闸比较，通过主变高压侧开关合闸线路最大暂态过电压相对偏高，且过电压最大值出现时刻延迟90°，稳态情况下线路电压相同。主要原因是经过主变高压侧投线路时主变电抗投入引起最大暂态过电压滞后90°，同时空充线路过程中过电压主要由线路容性感应所引起，如主变与线路一起投入能有效抑制合闸过程中所引起暂态过电压水平。此外，考虑到在现场黑启动试验过程中，由于开关操作由工作人员现地操作，合闸角度呈现随机性，从仿真计算结果来看，机端GCB作为合闸点0°合闸暂态过电压最高，而主变高压侧在90°合闸时暂态过电压最高，因此本文均以过电压最严重情况进行计算分析。

1.3 电抗器投退方式

从1.2分析可知主变对线路空充过程中暂态过电压水平有较大影响，显而易见线路高抗对合闸瞬间过电压也有较大作用，分别在电抗器投入与退出情况下，以主变高压侧作为空充线路合闸点。

表2 高抗投退下过电压计算

在两侧均不投入电抗器情况下空投线路，线路暂态过电压倍数最大为2.59倍，试验风险较大，设备外绝缘存在被击穿可能。而当两侧均投入单相容量为70 MVar电抗器后，由于线路电容效应所产生的无功仅为110 MVar左右，使得线路暂态电压波动最大仅为额定电压0.993，稳态电压仅为0.78，不存在暂态过电压风险，但稳态电压低于0.9 pu可能会造成外部电网厂用电、站用电等用电负荷不能正常运转，使得黑启动带线路不能为外部系统可靠供电。如仅投入电站侧电抗器，线路暂态过电压倍数最大为1.4891，线路稳态电压为0.92，在兼顾抑制暂态过电压基础上线路稳态电压能够满足可靠给外部负荷供电，现场黑启动试验过程中，高抗投退方式还受到励磁限制等条件约束，仍需进一步计算分析。

2 自励磁计算

图1为黑启动过程系统接线图，同步发电机定子回路流过容性电流时，例如空投线路时，有可能因为电枢反应的助磁作用而产生定子电流、电压幅值自发增大的现象，此即自励磁[10-11]。

图1 系统接线图

自励磁是一种不稳定现象，按《电力系统设计技术规程》要求，当发电厂单机单边带空载长线时，必须核算发电机自励磁过电压问题，不发生自励磁的判据为：

表3 电抗参数标幺值

依据公式（1）、（2） 可知，在考虑充分的裕度情况下上述两式均不成立，因此可以判断空载带线路运行时不会发生自励磁现象。

3 励磁过励限制影响分析

由1.3分析可知，仅在电源单侧投入高抗，暂态过电压与稳态电压均较为理想，开展单侧投入电抗器情况下利用主变高压侧开关作为合闸点空充线路分析计算，计算空投线路过程中机组无功量，以评估其是否达到过励限制动作值，空投线路过程中机组无功曲线如下图所示：

图2 单侧投入电抗器时机组无功曲线（过励限制退出）

计算可知，空充瞬间机端迟相无功最大为112.24 MVar，稳态情况下机组发出无功为95 MVar，此时励磁电流为1.55 If，远超过励限制定值1.1 If，因此在过励限制投入后电压将会进一步降低。在仿真模型中添加过励限制功能模块，计算里底电站单侧投入电抗器时利用主变高压侧开关作为合闸点，空充线路下线路电压水平如下：

图3 单侧投入电抗器时机组无功曲线（过励限制投入）

仿真计算分析可知，空充瞬间机端迟相无功最大为95.37 MVar，稳态情况下发电机组发出无功为61.31 MVar，比过励限制退出情况下均偏小，暂态及稳态电压如表4所示。

表4 无功迟相深度

可见，在单侧投入并联电抗器情况下过励限制投入后会严重拉低线路稳态电压，不能满足黑启动试验过程中给外部电网供电电压质量需求，但倘若不投入过励限制，由于此时转子电流为1.55 If会造成转子严重过热甚至烧毁，因此单侧投入并联电抗器方案并不可行。

4 励磁欠励限制影响分析

两侧高抗全部投入与电源单侧电抗投入方案均不可行，同时两侧高抗全部退出时再额定电压下空充线路暂态过电压较高，试验风险较大，因此一种可行方案是将电压降低至0.9 pu下合闸空充线路，一方面可降低合闸过程中暂态过电压水平，同时稳态电压也可满足电厂自身及外部用电设备用电质量要求。

在两侧电抗器全部退出，0.9 pu机端电压下合闸空充线路，计算空充线路过程中发电机机端进相无功曲线，以评估其是否达到欠励限制动作曲线范围之内，在欠励限制功能退出情况下空投线路过程中机组无功曲线如下图所示：

图4 0.9 pu机端电压下空充线路电压波形（欠励限制退出）

空充瞬间机端进相无功最大为178.405 MVar，稳态情况下机组进相无功为-84.75 MVar，由于机组进相较深，因此需计算在此情况下机组欠励限制以及失磁保护是否动作。通过查阅发电机组进相试验报告，欠励限制设置在零有功出力条件下无功限制为-70.47 MVar（0.9 pu），可见，在对线路空充瞬间暂态过程及稳态过程中，机组无功进相深度均大于欠励限制曲线设置范围，造成空充过程中欠励限制工作。投入欠励限制功能以后，在0.9 pu机端电压情况下对线路合闸充电，此时机组无功曲线为：

图5 0.9 pu机端电压下空充线路电压波形（欠励限制投入）

由表5计算结果来看，在投入欠励限制以后，在合闸瞬间线路暂态过电压其实是不变的，但稳态下线路电压值是上升的，并且此时机端进相无功却比欠励限制退出时进相无功更深，这主要由于合闸后稳态运行时欠励限制动作后抬升线路电压，而线路充电功率与电压平方成正比，由线路电压抬升所引起的充电功率远比励磁系统欠励限制动作后增磁提升机端电压所发出的无功多的多，因此造成欠励限制动作后其进相却越来越深，在机组进相运行时欠励限制功能应退出，或者加深机组零有功下的进相深度（从设置值-70.47 MVar调整至-84.75 MVar以下），甚至临时退出欠励限制功能，同时空投线路暂态过程中，机组进入深度进相状态，机端测量阻抗可能进入失磁保护工作区，尽管有系统侧电压判据存在机组不至于失磁保护动作，但安全起见建议临时退出机组失磁保护。

表5 无功进相深度

5 结束语

通过对黑启动过程中各关键因素仿真计算分析，黑启动过程中应重点关注空充线路瞬间线路暂态过电压，并合理利用主变、高抗等抑制合闸过程中出现暂态过电压，同时还需考虑稳态电压水平，确保黑启动过程中线路末端稳态电压在设备正常允许工作范围内。同时应对机组自励磁进行计算分析，以确保黑启动过程中机组不会发生自励磁现象。分析计算中还应考虑励磁限制功能对黑启动过程影响，包括电抗器投入时过励限制作用以及电抗器退出时欠励限制作用对黑启动过程中线路稳态电压影响。黑启动试验空充线路给外部供电时，还应结合500 kV线路电压水平以及外部供电情况，如外部电源也恢复供电时应投入高抗，抑制线路过电压和防止机组进相过深，提高黑启动后电网安全稳定运行水平。