水電廠黑啟動關鍵技術研究

萬雄彪，陳晶，吳水軍

（云南電力試驗研究院（集團）有限公司，昆明 650217）

0 前言

電網黑啟動是指整個大區電網（或局部電網）系統崩潰瓦解后，不依賴外部電網協助，通過自身電網系統內具有自啟動能力發電機組的自啟動，帶動外部無自啟動能力的發電機組，逐漸擴大電網恢復供電范圍，最終實現整個系統供電的恢復[1-3]。

水電站發電機組黑啟動是指廠用電消失的情況下，利用水電站機組自身特點完成機組自啟動和水電站事故備用電源（如柴油發電機等）開機恢復一臺或多臺機組的廠用交流電，繼而完成機組的啟動建壓、恢復廠用交流電并對外配合調度恢復電網送電過程。

利用電網內大型水電機組自啟動能力可以加快系統恢復響應速度，此時黑啟動試驗過程中需帶高壓送出線路,強調通過廠內機組黑啟動恢復電網供電能力。一方面考慮線路容升效應以防止黑啟動試驗過程中機組自勵磁損壞設備造成黑啟動試驗失敗，另外也需對黑啟動試驗過程中過電壓狀態進行計算防止設備絕緣破壞，通過黑啟動過電壓計算為現場黑啟動試驗方案制定提供依據，確保現場試驗安全可靠開展[4]。

常規黑啟動試驗一般僅需機組啟動恢復至空載狀態表明黑啟動試驗完成，但對大型水電機組，特別是直流送端大型水電機組而言，需帶長線路黑啟動，一方面需確保電廠發電機組黑啟動試驗過程中均穩定可靠運行，同時防范高壓輸電線路容身效應帶來的各種危害，倘若黑啟動過程中暫態電壓及穩態電壓偏高會危及設備正常耐壓能力，偏低則會導致外部各種用電負荷達不到正常工作電壓使得黑啟動失去意義[5-6]。

本文針對水電廠黑啟動實施方案關鍵技術開展研究，分析黑啟動過程中電壓控制措施，保持黑啟動過程中電壓處于合理水平，防止黑啟動過程中出現自勵磁以及空充線路過程中無功波動所造成的勵磁限制動作進而引起的發電機組過勵保護與失磁保護等動作[7-9]，造成機組停機使得黑啟動試驗失敗，尋求水電廠黑啟動最佳實施方案。

1 過電壓計算

1.1 計算工具與模型

利用PSCADEMTDC電磁暫態仿真軟件搭建里底電站發電機組（包括勵磁系統、調速系統）、主變、線路以及電抗器等詳細數學模型，計算研究不同黑啟動方式下過電壓水平，包括空載升壓帶廠用負荷以及帶線路合閘等情況下過電壓水平，為現場黑啟動方案制定提供理論計算依據。

1.2 線路合閘點選擇

大型水電機組一般均采用單元接線方式，帶線路黑啟動過程中采用機端斷路器與采用主變高壓側斷路器作為合閘點對線路末端過電壓影響較大，區別在于主變電抗對空充過程中過電壓具有抑制作用，計算不同合閘位置過電壓，計算結果如表1所示：

表1 不同合閘點過電壓計算

計算結果表明，與采用機端GCB合閘比較，通過主變高壓側開關合閘線路最大暫態過電壓相對偏高，且過電壓最大值出現時刻延遲90°，穩態情況下線路電壓相同。主要原因是經過主變高壓側投線路時主變電抗投入引起最大暫態過電壓滯后90°，同時空充線路過程中過電壓主要由線路容性感應所引起，如主變與線路一起投入能有效抑制合閘過程中所引起暫態過電壓水平。此外，考慮到在現場黑啟動試驗過程中，由于開關操作由工作人員現地操作，合閘角度呈現隨機性，從仿真計算結果來看，機端GCB作為合閘點0°合閘暫態過電壓最高，而主變高壓側在90°合閘時暫態過電壓最高，因此本文均以過電壓最嚴重情況進行計算分析。

1.3 電抗器投退方式

從1.2分析可知主變對線路空充過程中暫態過電壓水平有較大影響，顯而易見線路高抗對合閘瞬間過電壓也有較大作用，分別在電抗器投入與退出情況下，以主變高壓側作為空充線路合閘點。

表2 高抗投退下過電壓計算

在兩側均不投入電抗器情況下空投線路，線路暫態過電壓倍數最大為2.59倍，試驗風險較大，設備外絕緣存在被擊穿可能。而當兩側均投入單相容量為70 MVar電抗器后，由于線路電容效應所產生的無功僅為110 MVar左右，使得線路暫態電壓波動最大僅為額定電壓0.993，穩態電壓僅為0.78，不存在暫態過電壓風險，但穩態電壓低于0.9 pu可能會造成外部電網廠用電、站用電等用電負荷不能正常運轉，使得黑啟動帶線路不能為外部系統可靠供電。如僅投入電站側電抗器，線路暫態過電壓倍數最大為1.4891，線路穩態電壓為0.92，在兼顧抑制暫態過電壓基礎上線路穩態電壓能夠滿足可靠給外部負荷供電，現場黑啟動試驗過程中，高抗投退方式還受到勵磁限制等條件約束，仍需進一步計算分析。

2 自勵磁計算

圖1為黑啟動過程系統接線圖，同步發電機定子回路流過容性電流時，例如空投線路時，有可能因為電樞反應的助磁作用而產生定子電流、電壓幅值自發增大的現象，此即自勵磁[10-11]。

圖1 系統接線圖

自勵磁是一種不穩定現象，按《電力系統設計技術規程》要求，當發電廠單機單邊帶空載長線時，必須核算發電機自勵磁過電壓問題，不發生自勵磁的判據為：

表3 電抗參數標幺值

依據公式（1）、（2） 可知，在考慮充分的裕度情況下上述兩式均不成立，因此可以判斷空載帶線路運行時不會發生自勵磁現象。

3 勵磁過勵限制影響分析

由1.3分析可知，僅在電源單側投入高抗，暫態過電壓與穩態電壓均較為理想，開展單側投入電抗器情況下利用主變高壓側開關作為合閘點空充線路分析計算，計算空投線路過程中機組無功量，以評估其是否達到過勵限制動作值，空投線路過程中機組無功曲線如下圖所示：

圖2 單側投入電抗器時機組無功曲線（過勵限制退出）

計算可知，空充瞬間機端遲相無功最大為112.24 MVar，穩態情況下機組發出無功為95 MVar，此時勵磁電流為1.55 If，遠超過勵限制定值1.1 If，因此在過勵限制投入后電壓將會進一步降低。在仿真模型中添加過勵限制功能模塊，計算里底電站單側投入電抗器時利用主變高壓側開關作為合閘點，空充線路下線路電壓水平如下：

圖3 單側投入電抗器時機組無功曲線（過勵限制投入）

仿真計算分析可知，空充瞬間機端遲相無功最大為95.37 MVar，穩態情況下發電機組發出無功為61.31 MVar，比過勵限制退出情況下均偏小，暫態及穩態電壓如表4所示。

表4 無功遲相深度

可見，在單側投入并聯電抗器情況下過勵限制投入后會嚴重拉低線路穩態電壓，不能滿足黑啟動試驗過程中給外部電網供電電壓質量需求，但倘若不投入過勵限制，由于此時轉子電流為1.55 If會造成轉子嚴重過熱甚至燒毀，因此單側投入并聯電抗器方案并不可行。

4 勵磁欠勵限制影響分析

兩側高抗全部投入與電源單側電抗投入方案均不可行，同時兩側高抗全部退出時再額定電壓下空充線路暫態過電壓較高，試驗風險較大，因此一種可行方案是將電壓降低至0.9 pu下合閘空充線路，一方面可降低合閘過程中暫態過電壓水平，同時穩態電壓也可滿足電廠自身及外部用電設備用電質量要求。

在兩側電抗器全部退出，0.9 pu機端電壓下合閘空充線路，計算空充線路過程中發電機機端進相無功曲線，以評估其是否達到欠勵限制動作曲線范圍之內，在欠勵限制功能退出情況下空投線路過程中機組無功曲線如下圖所示：

圖4 0.9 pu機端電壓下空充線路電壓波形（欠勵限制退出）

空充瞬間機端進相無功最大為178.405 MVar，穩態情況下機組進相無功為-84.75 MVar，由于機組進相較深，因此需計算在此情況下機組欠勵限制以及失磁保護是否動作。通過查閱發電機組進相試驗報告，欠勵限制設置在零有功出力條件下無功限制為-70.47 MVar（0.9 pu），可見，在對線路空充瞬間暫態過程及穩態過程中，機組無功進相深度均大于欠勵限制曲線設置范圍，造成空充過程中欠勵限制工作。投入欠勵限制功能以后，在0.9 pu機端電壓情況下對線路合閘充電，此時機組無功曲線為：

圖5 0.9 pu機端電壓下空充線路電壓波形（欠勵限制投入）

由表5計算結果來看，在投入欠勵限制以后，在合閘瞬間線路暫態過電壓其實是不變的，但穩態下線路電壓值是上升的，并且此時機端進相無功卻比欠勵限制退出時進相無功更深，這主要由于合閘后穩態運行時欠勵限制動作后抬升線路電壓，而線路充電功率與電壓平方成正比，由線路電壓抬升所引起的充電功率遠比勵磁系統欠勵限制動作后增磁提升機端電壓所發出的無功多的多，因此造成欠勵限制動作后其進相卻越來越深，在機組進相運行時欠勵限制功能應退出，或者加深機組零有功下的進相深度（從設置值-70.47 MVar調整至-84.75 MVar以下），甚至臨時退出欠勵限制功能，同時空投線路暫態過程中，機組進入深度進相狀態，機端測量阻抗可能進入失磁保護工作區，盡管有系統側電壓判據存在機組不至于失磁保護動作，但安全起見建議臨時退出機組失磁保護。

表5 無功進相深度

5 結束語

通過對黑啟動過程中各關鍵因素仿真計算分析，黑啟動過程中應重點關注空充線路瞬間線路暫態過電壓，并合理利用主變、高抗等抑制合閘過程中出現暫態過電壓，同時還需考慮穩態電壓水平，確保黑啟動過程中線路末端穩態電壓在設備正常允許工作范圍內。同時應對機組自勵磁進行計算分析，以確保黑啟動過程中機組不會發生自勵磁現象。分析計算中還應考慮勵磁限制功能對黑啟動過程影響，包括電抗器投入時過勵限制作用以及電抗器退出時欠勵限制作用對黑啟動過程中線路穩態電壓影響。黑啟動試驗空充線路給外部供電時，還應結合500 kV線路電壓水平以及外部供電情況，如外部電源也恢復供電時應投入高抗，抑制線路過電壓和防止機組進相過深，提高黑啟動后電網安全穩定運行水平。