微電網黑啟動關鍵問題分析

王 琳

（鐵嶺師范高等?？茖W校，遼寧鐵嶺 112008）

1 前言

電網黑啟動，是指整個系統因外部或內部故障停運后，不依靠其他網絡的幫助能夠通過系統中有自啟動能力的機組帶動不具有自啟動能力的機組，逐步擴大恢復范圍實現整個電力系統恢復正常供電的過程[1]。這一概念同樣適用于孤立運行的微電網。微電網黑啟動，是指整個微電網因故障停運后，不依靠其他網絡的幫助，通過微電網內部具有黑啟動能力的微電源帶動不具有黑啟動能力的微電源，實現微電網重新啟動恢復供電的過程。

當孤立運行的微電網發生故障并引起癱瘓使系統不能正常運行時，若能夠高效安全地使系統恢復供電，對保證系統供電可靠性和減少因中斷供電給用戶帶來的損失非常重要。黑啟動是解決這一問題的關鍵，尤其在黑啟動初期對系統能否自啟動成功具有非常重要的意義[2]。下面對微電網中黑啟動的技術難點進行分析，介紹了產生過電壓、自勵磁現象的原因，以及其對黑啟動恢復速度的造成的影響，為黑啟動技術方案的選擇提供依據。

2 過電壓問題

2.1 過電壓的產生

在實際運行中，微電網不可避免的會受到如雷電、開關操作等因素的影響，使得微電網系統中的運行電壓的值可能會高出額定電壓，系統中出現的這種情況是電磁擾動引起的。一般在黑啟動時，一些柴油發電機、燃氣輪機等會成為黑啟動的啟動機組，那些受不穩定因素影響的光伏源、風能源等一般作為被啟動的機組[3]。通常情況下，當啟動機組與被啟動機組距離較遠且線路較長時，就會產生過電壓。因此，微電網系統中的電氣設備不僅要在額定電壓內能夠正常工作，還應該有一定的能夠承受過電壓的能力，這樣才能更好的使孤立微電網能夠維持正常運行。

微電網中的過電壓有兩種常見形式：操作過電壓和穩態過電壓[4]。其中，操作過電壓指的是微電網系統中一些開關操作或者繼電保護元件故障時做出跳閘動作的情況下產生的過電壓。穩態過電壓包括工頻過電壓和諧振過電壓，其中諧振過電壓則是微電網系統中存在的一些震蕩回路產生的振蕩現象，而工頻過電壓通常是由于微電網系統運行過程中某些輕載線路存在充電電流造成的。

微電網黑啟動狀態下的過電壓問題是一個不可忽視的重要因素。為了能夠高效安全的抑制微電網系統中的過電壓情況，就要首先了解其產生的原因并且能夠較準確的預測出過電壓的最大電壓值，這樣才能在系統黑啟動時保證系統中每個用電設備的正常運行，使得系統能夠成功的恢復到正常運行狀態，下面分別對上述幾種情況進行分析。

2.2 工頻過電壓

微電網中的工頻過電壓，就是在微電網黑啟動的過程中對空載或輕載的線路空充時，微電網中本身存在的電容產生的無功使系統電壓增大的現象。工頻過電壓屬于微電網內部存在的穩態過電壓，它存在時間的長短影響著系統中對過電壓裝置的保護和絕緣設計的要求。

微電網中的電容效應指的是微網中的電力輸電線路存在很多的電感、電容元件，并且通常容抗值比感抗值要大，當系統中電源供電時，系統中會產生容性電流，這個電流會使它流過的容抗電壓和感抗電壓的方向相反，這使得容抗電壓大于電源電勢。微電網系統中的工頻過電壓影響著很多因素，例如設備絕緣水平、電路保護措施和設備能否正常運行等。因此，我們需要高度關注工頻過電壓對系統造成的影響。

微電網的空載電力線路，可視為由無數個電感電容元件組成的回路構成的。電容效應使得線路中各個節點的電壓和比電源電勢高，從線路首端到末端總電壓逐步升高，線路最末端的電壓值最大。下面帶有空載線路的微電網系統進行研究，等效電路如圖1 所示。

圖1 空載線路等效電路圖

在圖1 中，ZS為微電源的等效阻抗，ZS為線路的等效阻抗，γ 為線路的傳播系數，l 為線路長度，空載線路末端電壓值受多個線路參數的影響。我國的有關標準規定在超高壓線路中，工頻過電壓的值不允許超過其對應相電壓的1.4 倍。微電網系統中雖然不涉及超高壓線路，但是在進入到黑啟動狀態的過程中，為了防止工頻過電壓對系統造成影響，應按照以上計算結果對線路參數進行合理的配置，以確保黑啟動的順利完成。

2.3 操作過電壓

微電網的操作過電壓通常發生在系統短路故障中，多在黑啟動狀態時開關操作的過程中產生，此電壓是暫態的，且衰減速度快。微電網系統的操作過電壓產生的常見情況如下：空載合閘時容易產生過電壓；切除空載線路時也極易產生過電壓。

在微電網的黑啟動過程中，空載合閘情況極易引起過電壓，且多由于人為操作而產生，計劃性較強。微電網中的空載線路在合閘前電壓為0，合閘后上升到基波穩態電壓，此過程中會產生合閘過電壓。合閘過電壓持續時間不長，但能夠產生較大的沖擊電壓，此沖擊電壓如果大到一定值，會使斷路器發生動作對微電網系統進行保護，不能夠成功合閘。如果此電壓沖擊過大，則會導致系統中設備損壞，甚至設備絕緣有可能被擊穿。在空載合閘時受影響最嚴重的就是空載線路的末端，因此我們只要檢測末端電壓即可。微電網系統中空載線路的等效模型如圖2 所示。

圖2 T 型等效電路

合閘前的系統是穩定的，電容的電壓初值一般是0。合閘瞬間，電容處于充電狀態，電容與電感在合閘產生一個高頻震蕩回路，因此產生過電壓。所以，在微電網黑啟動過程中，應該使系統能夠承受此電壓值。

綜上所述，為了防止微電網黑啟動過程中過電壓對黑啟動產生影響導致啟動失敗，通常采取以下措施：

（1）在線路的末端加裝避雷針或高壓并聯電抗器等設備；

（2）變壓器繞組加裝低壓電抗器，能夠控制過電壓的幅值；

（3）降低母線電壓值。

3 自勵磁

當微電網系統中有容性負荷且達到一定值時，產生助磁并引起微電網中發電機電壓的升高，而發電機電壓的升高又會增大容性負荷的助磁，如此關系類似正反饋，發電機電壓會越來越大。作為黑啟動微電源的發電機，例如本文中的柴油發電機，會與空載長線路連接，線路中的對地電容相當于容性負荷，如果此負荷大到一定值時，必然會引起發電機電壓的升高。發電機自勵磁的特點如下：

（1）不需要單獨加電源為共振提供能量，由發電機提供即可。在自勵磁發生的開始階段，如果共振回路中有剩余的能量，例如發電機的轉子切割磁感線的過程中會產生少量感應電壓，或者微電網電力線路中的電容中殘留微量電壓，都可以使自勵磁共振持續進行。

（2）在實際微電網系統的電力線路中電阻存在著損耗，每次在設備參數發生變化時都會引起較大的能量，這部分能量可以抵消補償電阻中的能量損耗，并隨著共振的過程積累的越來越多，造成更嚴重的自勵磁現象。

（3）自勵磁現象發生之后，隨著電路中電流的增加，電感線圈達到磁飽和狀態，電感會迅速減小，使系統脫離共振條件，這樣自勵磁的電壓和電流值會趨于平衡達到穩定值，避免無限制增大。

微電網黑啟動過程中遇到長距離輸電時，電容效應容易引起自勵磁現象的發生，導致微電網系統中部分節點電壓過高，使逆變器和用電設備的絕緣安全受到威脅，這是一種極其不穩定的狀態。因此，在制定微電網黑啟動方案時，為了避免自勵磁現象的發生，需要研究自勵磁發生的條件。

根據同步發電機的特性可知，自勵磁發生的條件是輸電線路的特性曲線和發電機的充電特性曲線存在交點。當兩曲線相切時只有一個交點，此時XC=Xd，是自勵磁發生的臨界條件。當XC＞Xd時，輸電線路的特性曲線和發電機的充電特性曲線沒有交點，此時不能夠發生自勵磁；當XC＜Xd時，輸電線路的特性曲線和發電機的充電特性曲線有交點，則會發生自勵磁。

在微電網系統中，發電機是經過變壓器與空載線路相連的，產生自勵磁的條件應當改為XC＜（Xd+XT），其中XT為變壓器的漏抗。在實際使用過程中，由于發電機、電力線路以及變壓器等設備的參數存在一定的誤差，應留有一定的裕度，通常情況下應留有20%的容量，即自勵磁發生的條件可以改為XC＜1.2（Xd+XT）。

根據自勵磁的發生條件判據可知，自勵磁是否發生以及自勵磁產生之后端電壓的大小，歸根結底是XC、XT、Xd的比較，XC比Xd小的越多，自勵磁的端電壓越大，因此可以據此分析出自勵磁的影響因素：

（1）發電機電抗值過大引起自勵磁；

（2）輸電線路長度增加或者采用分裂導線，導致自勵磁現象的發生；

（3）運行頻率升高引起自勵磁現象。

如果在黑啟動的初期，黑啟動電源通過空載長線路向機組充電的過程中發生自勵磁現象，則難以控制發電機的電壓，可能導致某些節點電壓超過允許值，引起線路中的電氣設備保護動作，致使黑啟動失敗。因此，在研究以上判據的基礎上，需要對自勵磁進行防范和抑制。針對上述的影響因素，制定下面的限制措施：

（1）使用并聯電抗器增大發電機電抗值；

（2）采用多臺發電機帶動一條大容量的輸電線路；

（3）降低運行頻率。

4 微源的黑啟動速度

微電網黑啟動狀態下的變壓器建立電壓過程中，由于微電源動態響應速度快，母線電壓幅值增加過快可能會導致配電變壓器出現磁通飽和的現象使其勵磁電流過大，容易發生停機故障。因此，對調節時間TS的取值需要加以約束。

變壓器的電壓與啟動時間的關系如下：

為保證在任意時刻鐵心剩磁都不飽和，應該滿足TS＞，這一結果限制了黑啟動微源啟動速度，因此在微電網黑啟動過程中，應充分考慮到微電源的黑啟動時間問題，以便正確選擇黑啟動方案。

5 總結

微電網黑啟動主要是針對系統發生故障進入全黑狀態時，系統能夠自行恢復斷電，但是如何判斷微電網是否處于斷電狀態，是微網黑啟動中的常見問題。微電網系統一般是利用傳感器對微電網母線電壓進行檢測，根據不同的微電網系統設立不同的電壓值作為判斷條件，當檢測到的電壓值小于此設定值時，認為微電網處于斷電狀態，立即發送指令給控制中心，采用黑啟動程序自行恢復供電。

與微電網的正常運行狀態供電不同，微電網黑啟動是一個由低壓電向高壓電的逆向過程，對于過電壓、自勵磁、黑啟動恢復時間等問題是黑啟動過程中必須要慎重考慮的問題。本文簡明扼要的分析了以上三個問題的產生、判據、所能造成的危害以及相對應的防范措施，為黑啟動第一階段的順利進行提供了理論支持和技術保障。