镜泊湖水电厂黑启动试验分析

胡远婷，崔佳鹏，穆兴华，董尔佳

(国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨 150030)

0 引 言

当电网出现大面积停电时，将给国民经济造成巨大损失，甚至会威胁到人民的生命安全，其主要诱因为自然灾害、设备故障、电网管理模式和网络攻击四个方面[1]。如果在大停电之后能够在短时间内迅速恢复电网的正常供电，将大大降低大停电事故带来的损失。电网黑启动是指系统全部停电，即处于全“黑”状态下，不依赖别的电网帮助，通过系统中具有自启动功能的发电机组启动，使整个系统重新恢复供电的过程[2-3]。开展黑启动试验，研究和制定黑启动方案,对快速恢复电网供电具有重要意义。黑启动过程中的关键是电源点的启动，水电厂依靠其辅助设备简单、厂用电少、启动速度快等优点是黑启动电源的首选[4-5]。

黑龙江省220 kV电压等级的水电厂有镜泊湖水电厂、莲花水电厂、尼尔基水电厂。镜泊湖水电厂可作为牡丹江地区电网、鸡西地区电网的启动电源，镜泊湖厂启动后送电至牡二厂启动负荷再逐渐恢复牡丹江地区电网和鸡西地区电网[6]。莲花水电厂可作为佳木斯地区电网、七台河地区电网启动电源，莲花厂启动后可送电至双厂、七台河厂逐渐恢复佳木斯地区电网和鹤岗地区电网。尼尔基水电厂由于位于大兴安岭单回线、长线路大环网中，且附近没有大容量火电机组，因此不具备作为黑启动电源的条件。

由于黑启动试验前需要区域大面积断电，因此并不适合进行现场试验，多以仿真方式进行黑启动方案的确定[7-8]，该文通过仿真分析结果和镜泊湖水电厂零起升压现场试验结果的对比分析，验证在进行黑启动方案制订时，仿真分析的准确性和有效性，证明镜泊湖厂具有快速黑启动条件。

1 黑启动过程中的系统仿真分析

1.1 仿真软件

仿真计算程序采用电力系统分析综合程序PSASP7.6版和全数字实时仿真分析软件ADPSS2.4版。

PSASP可进行电网的潮流计算、暂态稳定计算、短路电流计算、小干扰稳定分析计算，是一套广泛应用于全国的电力系统分析软件。该文采用PSASP对220 kV镜海线线路零起升压过程中，对发电机带空载线路的稳定状态进行仿真，以确定镜海线的充电功率以及充电线路始末端电压水平是否满足运行要求。

ADPSS全数字实时仿真软件可以进行大规模机电-电磁混合仿真，集中了机电暂态仿真和电磁暂态仿真各自的优点，在对局部电网进行研究时，无需对相关网络进行等值简化工作，准确度高。该文采用ADPSS软件对黑启动过程中启动线路两侧母线的暂态过电压情况进行分析，以确定在黑启动过程中是否会产生过电压危害。

1.2 系统结构及模型建立

牡丹江镜泊湖电厂装机容量96 MW，为4台15 MW 和2台18 MW水电机组，通过220 kV镜海线由林海变并网。镜海线线路型号为LGJ-240、LGJ-400，线路长度77.55 km。通过镜海线对镜新水电厂1台水电机组进行零起升压仿真分析，将空充线路对侧母线的电压稳态值做为研究对象。

由于仿真软件中模型的限制，励磁系统和调速系统采用仿真软件中的典型模型参数。分别为4型励磁调节系统和1型调速器。采用ADPSS电磁暂态计算程序进行建模，进行零起升压过程中暂态过电压水平分析，仿真模型如图1所示，其中线路参数采用三相分布参数线路模型。采用PSASP电力系统综合稳定程序建模，对镜泊湖厂零起升压过程中线路的充电无功及稳态电压水平进行分析，仿真模型如图2所示。

图1 采用ADPSS对镜泊湖水厂零起升压仿真建模Fig.1 Simulation modeling of raising voltage from zero of Jingpo lake water plant by ADPSS

图2 采用PSASP对镜泊湖厂黑启动过程建模模型Fig.2 The model of black start process of Jingpo lake plant by PSASP

1.3 仿真结果分析

设置发电机出口母线开关初始状态为断开，在2 s时开关闭合，仿真空充220 kV镜海线的过程，由图2可以看出，镜海线上的充电无功为11.394 Mvar。线路首末端稳态电压如表1所示，镜海线零起升压进行线路空充时，线路末端稳态电压压升在0.8～0.9 kV之间。

表1 镜海线线路空充时首末端母线电压Table 1 Bus voltage at the head and end of Jinghai line when the line is empty charging

对发电机启动过程进行过电压分析，设置发电机出口母线开关初始状态为断开，在2 s时开关闭合，仿真结果如图3和图4所示，为零起升压过程中镜泊湖厂220 kV母线和林海变220 kV母线电压的暂态过程，结果显示在启动过程中母线电压未超过2(p.u.)，满足规定要求，不会产生操作过电压。

图3 镜泊湖厂220 kV母线暂态过电压水平Fig.3 The transient overvoltage level of 220 kV bus in Jingpo lake plant

图4 林海220 kV母线暂态过电压水平Fig.4 The transient overvoltage level of 220 kV bus in Linhai

2 镜泊湖厂黑启动现场试验测试结果

2.1 试验方案

镜泊湖水电厂是通过镜海线并网至500 kV林海变，此次试验黑启镜泊湖厂4号发电机，然后空充220 kV镜海线至林海变220 kV母线，试验过程中励磁调节处共测取了8个测量信号，分别是：发电机定子三相线电压、发电机定子三相电流、发电机转子电压、发电机转子电流；220 kV故障录波器处测取了6个测量信号，分别是：镜泊湖厂220 kV一段母线三相电压，镜海线三相电流。同时监测林海变220 kV母线电压，确定在空充线路过程中，线路末端瞬时过电压和工频过电压倍数是否在允许范围以内。镜泊湖厂黑启动试验示意图如图5所示。

图5 220 kV镜泊湖厂黑启动试验示意图Fig.5 Schematic diagram of black start test of 220 kV Jingpo lake Plant

1.2 黑启动试验录波结果

第1次录波为镜泊湖水电厂合上4号发电机出口开关S1，带2号主变零起升压过程，具体数据见表1，录波图如图6所示。录波启动39.21 s后，镜泊湖厂4号发电机电压趋于稳定。发电机励磁电压、电流能够在规定时间内稳定，说明发电机可带主变启动，具备黑启动条件。

图6 镜泊湖厂4号发电机带2号主变零起升压录波图Fig.6 Raising voltage oscillogram from zero of No.4 generator with No.2 main transformer in Jingpo lake plant

表1 镜泊湖厂4号发电机带2号主变零起升压数据Table 1 Raising voltage data from zero of No.4 generator with No. 2 main transformer in Jingpo lake plant

第2次录波为合上2号主变开关S2带220 kV一段母线升压运行过程，220 kV一段母线电压运行录波数据见表2，发电机出口处录波图如图7所示。与第1次录波结果一样，发电机励磁电压、电流能够在规定时间内稳定，说明发电机可带主变和母线启动，具备黑启动条件。

表2 镜泊湖厂带220 kV一段母线零起升压录波数据Table 2 Raising voltage data from zero of 220 kV section I bus in Jingpo lake plant

图7 镜泊湖厂带220 kV一段母线零起升压发电机处录波图Fig.7 Generator oscillogram of raising voltage from zero with 220 kV section I bus in Jingpo lake plant

第3次录波为发电机带220 kV母线运行平稳后，合上镜海线镜泊湖侧开关S3，镜泊湖厂带主变、220 kV一段母线空充220 kV镜海线运行过程，具体录波数据见表3，发电机处录波如图8所示，线路开关处录波如图9所示。开关S3合闸后，220 kV母线电压，镜海线电流均有阶跃式增加，母线线电压UAB由4.726 kV增加至19.827 kV，镜海线A相电流合闸后达到2.449 A，线路合闸后充电无功达到-0.07 Mvar。母线电压阶跃是瞬间合空线路，由线路上的充电无功造成的。电压阶跃后稳定说明在合空线路不会产生自激振荡，具备给线路送电条件。

图8 镜泊湖厂合镜海线镜泊湖侧线路开关发电机处录波图Fig.8 Generator recording diagram of Jingpolake plant when switch on near the Jinghai line

图9 镜泊湖厂合镜海线镜泊湖侧线路开关处录波图Fig.9 Line switch recording diagram of Jingpo lake plant when switch on near the Jinghai line

表3 镜泊湖厂合镜海线镜泊湖侧线路开关发电机处录波数据Table 3 Generator recording data of Jingpo lake plant when switch on near the Jinghai line

第4次录波为在S1、S2、S3开关处于合位状态时进行发电机带线路零起升压，验证镜泊湖厂是否具备快速黑启动的能力，监测数据和第3次录波相同，发电机处开关录波数据见表4，线路开关处录波如图10所示。带镜海线零起升压稳定后，镜泊湖220 kV母线电压UAB为227.90 kV，UBC为227.84 kV，UCA为228.37 kV。镜海线A相电流为27.651 A，B相电流为27.175 A，C相电流为27.441 A。镜海线充电无功为10.722 Mvar，而仿真数据为11.394 Mvar，考虑到实测线路的误差以及线路实际排列的复杂性和地势地貌的等物理因素的影响，认为仿真结果和测试结果基本一致。通过录波图发现，镜泊湖厂具有快速黑启动条件，在全网大停电时，可省去前两次零起升压过程，通过发电机带主变起励后为母线充电，手动减磁至最低电压后合线路开关为线路充电，能减少一定操作步骤和时间。

表4 镜泊湖厂快速零起升压过程发电机处录波数据Table 4 Wave recording data at the generator during the fast zero start boost process of Jingpo lake power plant

图10 镜泊湖厂快速零起升压过程线路开关处录波数据Fig.10 Wave recording data at line switch during the fast zero start boost process of Jingpo lake power plant

3 结 语

该文通过镜泊湖厂现场黑启动试验数据和仿真结果对比，证明了采用仿真手段的准确性和有效性，证明了采用仿真手段制定黑启动方案的可靠性。通过镜泊湖水电厂现场试验的4次录波数据，可以确定镜泊湖厂具有黑启动条件，通过镜泊湖厂进行黑启动时，可以省略前两步零起升压过程，直接通过发电机对母线充电后，通过手动减励合线路开关为线路充电，可提升电网供电恢复时间。