发电机组黑启动过程仿真计算校核

2022-11-15黄思林王忠宝

科技创新与应用 2022年32期

黄思林，王忠宝

（1.国家能源集团广东电力有限公司，广州 510000；2.国能粤电台山发电有限公司，广东江门 529299）

电网黑启动是整个电网在遭受极端破坏、整个电网停电以后，通过启动电网内部具有自启动能力的机组，带动无自启动能力的机组，进而逐步扩大电力供应范围，最终实现整个电力系统恢复供电的过程[1-3]。电力系统黑启动问题最初在20世纪80年代由美国学者提出[4]，1998年国家科技部将电力系统恢复方案作为科研项目的子课题之一，标志着我国黑启动研究的开始[5]。近年来，国内逐渐将电网是否具有黑启动能力作为考核电网是否安全的重要指标。各区域、省公司都加大了对电网黑启动研究工作的投入，制定了与地区电网实际情况相适应的黑启动方案，相继进行了黑启动试验并获得成功。然而，黑启动过程中可能出现自励磁、操作过电压等问题，可能导致黑启动失败。因此，对黑启动方案进行可行性研究，对于黑启动成功、对维持电力系统安全稳定运行都具有重大意义。建立发电机组黑启动模型，可用于仿真分析黑启动过程可能出现的自励磁、操作过电压等问题[6]，验证黑启动方案的可行性，以期为后续的深入研究提供借鉴和参考。

1 黑启动过程

黑启动一般分为黑启动、电网重构和负荷恢复3个过程[7-10]。具体过程为电网停电后，具备黑启动能力的电厂启动厂内柴油发电机/蓄电池等黑启动电源，恢复厂用电后重启厂内发电机组；发电机组成功启动后，通过特定的路径，对线路进行空充，之后向电网输送电量，带动电网中其他无自启动能力机组，进而逐步扩大电力供应范围，逐步恢复供电。

2 黑启动建模

2.1 仿真工具

模拟主要采用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC进行黑启动仿真分析，该软件是世界上广泛使用的电磁暂态仿真软件，EMTDC是其仿真计算核心，PSCAD为EMTDC提供图形操作界面。

2.2 模型建立

PSCAD里面提供丰富的元件库，从简单的无源元件到复杂的控制模块，电机、FACTS装置和电缆线路等模型都有涵盖[11-13]。研究采用PSCAD现有元件搭建黑启动模型。建模时，发电机和励磁系统设备参数、调速器和原动机模型参数参照电厂及厂家提供数据，线路模型采用单组π型集中参数等效模型，厂用电按电厂提供的黑启动所需的最小负荷建模。

3 可行性分析判据

3.1 自励磁分析

根据电力系统设计技术规程，对于发电机带空载长线时，不发生自励磁的理论判据是[14]：

式中：Wh为发电机额定容量，单位为MVA；Qc为考虑高抗或低抗补偿后的线路剩余充电功率，单位为Mvar；Xd为发电机等值同步电抗（包括升压变漏抗，以发电机为基准的标幺值）；α为不发生自励磁的裕度（%）。

3.2 空充长线路工频过电压和操作过电压分析

黑启动电源经升压变空充长线路过程中，因电容效应会引起工频电压升高。空充长线路过程中，合闸后0.1 s内出现的电压升高为操作过电压，0.1～1.0 s内的工频电压升高为暂态工频电压升高，2～3 s之后的工频电压升高为稳态工频电压升高。根据GB/T 50064—2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》有关规定，110 kV工频过电压和系统操作过电压倍数不超过3.0倍。

3.3 合空变操作及谐振过电压分析

合空变后，其过电压可以分为2个阶段。

（1）合空变操作过电压。该电压受避雷器的限制，因此不会对变压器绝缘造成影响。

（2）合空变暂时过电压。合空变可能产生持续时间较长、电压幅值较高的谐波或谐振过电压，严重时会造成避雷器过载。

判断时结合以往的工程研究经验，取合闸后0.1 s内的过电压幅值作为操作暂态过电压，取合闸0.3 s以后的过电压作为可能出现的谐波或谐振过电压，并根据合闸1.0 s以后的电压幅值来考察过电压衰减情况，空充变压器过程中过电压不应超过1.05 p.u.。

4 数值模拟

选择广东省某电厂（下文记为A厂）为例，进行实例分析。该电厂的黑启动主方案为：在外界电源失去的情况下，开启柴油发电机，以启动B#机组，然后用B#机组自带厂用电，自适应向外界送电。模型中使用的发电机参数见表1。

表1 发电机参数

4.1 原始数据

4.1.1 厂内主变参数

本研究所选取的西安西电变压器有限责任公司SF10-80000/110型变压器，其额定电压为（121±2×2.5%）/10.5 kV，容量为80 MVA，接线组别为YNd11型，短路阻抗为10.4%。

4.1.2 励磁参数

A厂B#机组采用三机无刷励磁，永磁通过自动电压调节器（AVR）整流后给励磁机提供励磁电流，传递函数如图1所示。

图1 励磁系统传递函数框图

图中VR为气隙线中励磁电压，取7.1 V；电压调节器输入电压为225 V，励磁器输出电压EFD取64.9 V；励磁器时间常数TE取1.3 s；励磁器常数KE取1.0；SE为励磁器饱和函数值，75%峰值电压时取0.16；峰值电压时取1.65；去磁因子KD取0.68；整流器负载因子KC取0.55；满负载转子电压VFE取243 V；满负载转子电流1049 A。线路参数见表2，同时图中部分参数计算公式如下

表2 线路参数

式中：RF励磁线圈电阻取6.8 Ω；VAmax为调节器最大内部电压，p.u.；KIR为微分系数；KADDITIONAL为励磁输出顶值倍数；VTMAX为调节器输出顶值电压；KP为放大系数；VT为机端电压。

4.2 仿真模型

模型中发电机、变压器、线路等元件，按照A厂的电气主接线图和黑启动方案中的路径，搭建黑启动模型，如图2所示。

图2 PSCAD模型

4.3 可行性分析

4.3.1 自励磁分析

A厂黑启动机组带空载长线时，仿真结果如下：升压变漏抗Xd为0.104 p.u.，发电机等值同步电抗为2.97 p.u.，线路充电功率Qc为3.7 Mvar。

按公式（1）和（2）计算，得出黑启动自励磁计算结果。结果表明，110 kV C线Qc×Xd为2.85 Mvar，低于额定容量的81.125 MVA。因此，不会发生自励磁现象。同时不发生自励磁的裕度α较高，为86.5%，系统相对安全。通过仿真，机组充电至110 kV C线此时机组进相达到最大，为-1.6 Mvar。机组进相能力满足安全要求。

4.3.2 空充长线路工频过电压和操作过电压分析

A厂B#机空充长线路过程中工频过电压和操作过电压计算结果如下。

机组励磁电压给定值为0.95 p.u.时（1 p.u.=，系统最高工作电压Um为126 kV），发电机机端与线路首端的合闸前工频电压分别为9.94、114.5 kV，发电机机端、线路首端及线路末端的合闸后工频电压分别为9.94、116.6、116.6 kV，空充线路操作过电压为1.55 p.u.。

机组励磁电压给定值为1 p.u.时，发电机机端与线路首端的合闸前工频电压分别为10.5、120.6 kV，发电机机端、线路首端及线路末端的合闸后工频电压分别为10.5、121.9、121.9kV，空充线路操作过电压为1.63p.u.。

由结果可知，A厂B#机采用自动励磁方式，当机组给定电压在0.95～1.0 p.u.时，110 kV C线线路末端电压不超过126 kV；空充线路期间操作过电压不超过标准规定的3.0倍。

4.3.3 合空变操作及谐振过电压

合空变操作及谐振过电压结果见表3。