發電機組黑啟動過程仿真計算校核

黃思林，王忠寶

（1.國家能源集團廣東電力有限公司，廣州 510000；2.國能粵電臺山發電有限公司，廣東 江門 529299）

電網黑啟動是整個電網在遭受極端破壞、整個電網停電以后，通過啟動電網內部具有自啟動能力的機組，帶動無自啟動能力的機組，進而逐步擴大電力供應范圍，最終實現整個電力系統恢復供電的過程[1-3]。電力系統黑啟動問題最初在20世紀80年代由美國學者提出[4]，1998年國家科技部將電力系統恢復方案作為科研項目的子課題之一，標志著我國黑啟動研究的開始[5]。近年來，國內逐漸將電網是否具有黑啟動能力作為考核電網是否安全的重要指標。各區域、省公司都加大了對電網黑啟動研究工作的投入，制定了與地區電網實際情況相適應的黑啟動方案，相繼進行了黑啟動試驗并獲得成功。然而，黑啟動過程中可能出現自勵磁、操作過電壓等問題，可能導致黑啟動失敗。因此，對黑啟動方案進行可行性研究，對于黑啟動成功、對維持電力系統安全穩定運行都具有重大意義。建立發電機組黑啟動模型，可用于仿真分析黑啟動過程可能出現的自勵磁、操作過電壓等問題[6]，驗證黑啟動方案的可行性，以期為后續的深入研究提供借鑒和參考。

1 黑啟動過程

黑啟動一般分為黑啟動、電網重構和負荷恢復3個過程[7-10]。具體過程為電網停電后，具備黑啟動能力的電廠啟動廠內柴油發電機/蓄電池等黑啟動電源，恢復廠用電后重啟廠內發電機組；發電機組成功啟動后，通過特定的路徑，對線路進行空充，之后向電網輸送電量，帶動電網中其他無自啟動能力機組，進而逐步擴大電力供應范圍，逐步恢復供電。

2 黑啟動建模

2.1 仿真工具

模擬主要采用電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC進行黑啟動仿真分析，該軟件是世界上廣泛使用的電磁暫態仿真軟件，EMTDC是其仿真計算核心，PSCAD為EMTDC提供圖形操作界面。

2.2 模型建立

PSCAD里面提供豐富的元件庫，從簡單的無源元件到復雜的控制模塊，電機、FACTS裝置和電纜線路等模型都有涵蓋[11-13]。研究采用PSCAD現有元件搭建黑啟動模型。建模時，發電機和勵磁系統設備參數、調速器和原動機模型參數參照電廠及廠家提供數據，線路模型采用單組π型集中參數等效模型，廠用電按電廠提供的黑啟動所需的最小負荷建模。

3 可行性分析判據

3.1 自勵磁分析

根據電力系統設計技術規程，對于發電機帶空載長線時，不發生自勵磁的理論判據是[14]：

式中：Wh為發電機額定容量，單位為MVA；Qc為考慮高抗或低抗補償后的線路剩余充電功率，單位為Mvar；Xd為發電機等值同步電抗（包括升壓變漏抗，以發電機為基準的標幺值）；α為不發生自勵磁的裕度（%）。

3.2 空充長線路工頻過電壓和操作過電壓分析

黑啟動電源經升壓變空充長線路過程中，因電容效應會引起工頻電壓升高。空充長線路過程中，合閘后0.1 s內出現的電壓升高為操作過電壓，0.1～1.0 s內的工頻電壓升高為暫態工頻電壓升高，2～3 s之后的工頻電壓升高為穩態工頻電壓升高。根據GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范》有關規定，110 kV工頻過電壓和系統操作過電壓倍數不超過3.0倍。

3.3 合空變操作及諧振過電壓分析

合空變后，其過電壓可以分為2個階段。

（1）合空變操作過電壓。該電壓受避雷器的限制，因此不會對變壓器絕緣造成影響。

（2）合空變暫時過電壓。合空變可能產生持續時間較長、電壓幅值較高的諧波或諧振過電壓，嚴重時會造成避雷器過載。

判斷時結合以往的工程研究經驗，取合閘后0.1 s內的過電壓幅值作為操作暫態過電壓，取合閘0.3 s以后的過電壓作為可能出現的諧波或諧振過電壓，并根據合閘1.0 s以后的電壓幅值來考察過電壓衰減情況，空充變壓器過程中過電壓不應超過1.05 p.u.。

4 數值模擬

選擇廣東省某電廠（下文記為A廠）為例，進行實例分析。該電廠的黑啟動主方案為：在外界電源失去的情況下，開啟柴油發電機，以啟動B#機組，然后用B#機組自帶廠用電，自適應向外界送電。模型中使用的發電機參數見表1。

表1 發電機參數

4.1 原始數據

4.1.1 廠內主變參數

本研究所選取的西安西電變壓器有限責任公司SF10-80000/110型變壓器，其額定電壓為（121±2×2.5%）/10.5 kV，容量為80 MVA，接線組別為YNd11型，短路阻抗為10.4%。

4.1.2 勵磁參數

A廠B#機組采用三機無刷勵磁，永磁通過自動電壓調節器（AVR）整流后給勵磁機提供勵磁電流，傳遞函數如圖1所示。

圖1 勵磁系統傳遞函數框圖

圖中VR為氣隙線中勵磁電壓，取7.1 V；電壓調節器輸入電壓為225 V，勵磁器輸出電壓EFD取64.9 V；勵磁器時間常數TE取1.3 s；勵磁器常數KE取1.0；SE為勵磁器飽和函數值，75%峰值電壓時取0.16；峰值電壓時取1.65；去磁因子KD取0.68；整流器負載因子KC取0.55；滿負載轉子電壓VFE取243 V；滿負載轉子電流1049 A。線路參數見表2，同時圖中部分參數計算公式如下

表2 線路參數

式中：RF勵磁線圈電阻取6.8 Ω；VAmax為調節器最大內部電壓，p.u.；KIR為微分系數；KADDITIONAL為勵磁輸出頂值倍數；VTMAX為調節器輸出頂值電壓；KP為放大系數；VT為機端電壓。

4.2 仿真模型

模型中發電機、變壓器、線路等元件，按照A廠的電氣主接線圖和黑啟動方案中的路徑，搭建黑啟動模型，如圖2所示。

圖2 PSCAD模型

4.3 可行性分析

4.3.1 自勵磁分析

A廠黑啟動機組帶空載長線時，仿真結果如下：升壓變漏抗Xd為0.104 p.u.，發電機等值同步電抗為2.97 p.u.，線路充電功率Qc為3.7 Mvar。

按公式（1）和（2）計算，得出黑啟動自勵磁計算結果。結果表明，110 kV C線Qc×Xd為2.85 Mvar，低于額定容量的81.125 MVA。因此，不會發生自勵磁現象。同時不發生自勵磁的裕度α較高，為86.5%，系統相對安全。通過仿真，機組充電至110 kV C線此時機組進相達到最大，為-1.6 Mvar。機組進相能力滿足安全要求。

4.3.2 空充長線路工頻過電壓和操作過電壓分析

A廠B#機空充長線路過程中工頻過電壓和操作過電壓計算結果如下。

機組勵磁電壓給定值為0.95 p.u.時（1 p.u.=，系統最高工作電壓Um為126 kV），發電機機端與線路首端的合閘前工頻電壓分別為9.94、114.5 kV，發電機機端、線路首端及線路末端的合閘后工頻電壓分別為9.94、116.6、116.6 kV，空充線路操作過電壓為1.55 p.u.。

機組勵磁電壓給定值為1 p.u.時，發電機機端與線路首端的合閘前工頻電壓分別為10.5、120.6 kV，發電機機端、線路首端及線路末端的合閘后工頻電壓分別為10.5、121.9、121.9kV，空充線路操作過電壓為1.63p.u.。

由結果可知，A廠B#機采用自動勵磁方式，當機組給定電壓在0.95～1.0 p.u.時，110 kV C線線路末端電壓不超過126 kV；空充線路期間操作過電壓不超過標準規定的3.0倍。

4.3.3 合空變操作及諧振過電壓

合空變操作及諧振過電壓結果見表3。

表3 合空變操作及諧振過電壓結果

由表3可知，A廠B#機采用三機勵磁方式，當機組給定電壓在0.95～1.0 p.u.時，空充變壓器過程中過電壓不超過1.05 p.u.，滿足安全要求，且不存在諧振過電壓。

5 結論

通過對A廠B#機黑啟動過程的仿真校核，具體結論如下。

（1）A廠B#機組黑啟動過程中不會引起自勵磁，并且有較大裕度；通過仿真，機組充電至110 kV C線，此時機組進相-1.6 Mvar，達到最大，機組進相能力滿足安全要求；

（2）為保證空充線路過程中線路工頻電壓不超過126 kV，建議A廠B#機采用自動勵磁方式，機組給定電壓在0.95～1.0 p.u.之間；

（3）A廠B#機黑啟動過程中，空合變壓器時不存在操作過電壓和諧振過電壓問題；

（4）A廠B#機黑啟動方案可行。