（电气工程专业论文）基于抽水蓄能电站的电网黑启动试验研究.pdf

山东大学工程硕士学位论文 中文摘要 上个世纪六十年代以来，世界各国相继发生了多起大规模停电事故，波及范 围广、停电时间长，严重影响了人们的正常生活，造成了巨大的社会影响和经济 损失，虽然发生这种大停电事故的概率很小，但从根本上讲，大停电事故是不可 避免的。尤其是我国零八年的冰灾和地震更是考验了电网的安全运行水平。所以， 研究发生大停电事故后如何进行快速有效的电力系统恢复是非常有意义的。电力 系统恢复过程复杂，涉及诸多技术问题。因此各电网公司都根据本系统的具体情 况制定了恢复预案，从中选取最优黑启动方案：当系统发生大停电事故时，根据 事先制定的计划由调度员来指导事故后的电网黑启动，以减少黑启动时间，尽快 恢复电网运行方式。在所有的大停电恢复预案的准备工作中，电网黑启动试验是 其中最重要的环节，它对验证恢复预案的可行性具有重要意义。 论文对泰山抽水蓄能机组远方起动石横电厂大型火电机组的黑启动预案不 仅进行了详细的运行方式研究，还进行了详细的试验准备和调度操作流程安排， 解决了进行试验存在的各种问题，给出了的可以安排各调度单位具体执行的黑启 动预案。 本试验方案是通过泰山抽水蓄能机组远方起动石横电厂大型火电机组，进而 达到恢复电网方式的目的。通过试验验证黑启动线路及机组是否会产生过电压和 频率波动，测试参与试验机组的调速系统和励磁调节器的调节能力，能否保持试 验系统的稳定。首先，利用泰山电站# l 机组经长线路远方空充石横电厂# 5 机 组厂用母线和启各变，提供石横电厂的厂用电。然后逐步起动厂用负荷，在石横 电厂# 5 机组成功启动并且并于试验系统，且能够稳定运行之后的合适时刻进行 与山东主网的并列操作。试验前对泰山电站# 1 水电机组与石横电厂# 5 火电机 组的并网运行这一过程进行了仿真计算，在起动石横电厂# 5 机组厂用负荷的仿 真中，空充线路时按照分段空充线路和一次空充全部线路两种情况分别进行计 算，没有发现空载线路合闸操作过电压和空充变压器谐振过电压现象，起动石横 电厂# 5 机组给水泵时系统频率、电压处于安全范围之内。试验的重点是试验系 统内火电机组和水电机组能否保证稳定运行。 由于因国家政策原因，目前还没有进行山东电网的实际黑启动试验，缺少相 关的实际试验参数，实际的黑启动过程十分复杂，牵扯到发电厂的很多细节。论 山东大学工程硕士学位论文 文研究成果需要安排合适的时间进行小范围的实际黑启动试验来进一步验证。黑 启动过程还涉及到其他诸多的系统约束条件，这需要在以后的工作中进行深入的 研究。 关键词：电力系统恢复；黑启动；抽水蓄能电站；恢复预案 山东大学工程硕士学位论文 a bs t r a c t s i n c et h e19 6 0 s ，al o to fl a r g es c a l eb l a c k o u ta c c i d e n t sh a p p e na l la r o u n dt h ew o r l d a l t h o u g h t h ep r o b a b i l i t yo ft o t a l l yb l a c k o u ti ss m a l l ，t h ei n f l u e n c eo fb l a c k o u th a sa l s ob e c o m el a r g e ra n di t s e e m st ob ei n e v i t a b l e f r o mt h ee x p e r i e n c eo ft h ei c eh a z a r da n de a r t h q u a k ei n2 0 0 8 ，t h es t u d yo f p o w e rs y s t e mr e s t o r a t i o n i sv e r ym e a n i n g f u l t h em a i nc o u n t e r m e a s u r ef o rb l a c k o u ti st h e s c h e m e ss e td o w ni na d v a n c eo nt h ea s s u m p t i o nt h a tb l a c k o u ti sh a p p e n e d t h e nw h e nb l a c k o u ti s r e a l l yo c c u r r e d ，d i s p a t c h e rc a nb es k i l l e dt oo p e r a t et h er e s t o r a t i o np r o c e d u r ea c c o r d i n gt ot h e s c h e m e sp r e a r r a n g e d b l a c k - s t a r te x p e r i m e n t sa r et h em o s ti m p o r t a n tw o r ki nt h ep r e p a r a t i o nf o r p o w e rs y s t e mr e s t o r a t i o n t h er e s t o r a t i o np l a n st ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sd i s s e r t a t i o ni s m a i n l ya b o u tt h es t u d yo fr e s t o r a t i o ne x p e r i m e n t a t i o ns c h e m e so f s h a n d o n gp r o v i n c ep o w e rs y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nn o to n l yr e l a t e dt ot h ed e v e l o p m e n to ft h e b l a c ks t a r tp r o g r a m ，a l s oc a r r i e so u tad e t a i l e dt e s tp r e p a r a t i o na n ds c h e d u l i n ga r r a n g e m e n t sf o r t h eo p e r a t i o np r o c e s s ，t ot e s tt h ee x i s t e n c eo fas o l u t i o nt ov a r i o u sp r o b l e m s t h er e s t o r a t i o ne x p e r i m e n t a t i o ni sc a r r i e df r o map u m p e d - s t o r a g eu n i tt oar e m o t et h e r m a l g e n e r a t o rs e ta n dt h e nt ot h ew h o l es y s t e m t h ep u m p e d - s t o r a g eu n i ti si nt a i s h a np o w e rs t a t i o n w h e ni th a sb e e nb l a c k - s t a r t e d ，i ti sa r r a n g e dt oe n e r g i z i n gt h el o n gt r a n s m i s s i o nl i n e sl i n k e dw i t h 5 拌g e n e r a t o rs e to fs h i h e n gp o w e rs t a t i o n w i t ht h ep o w e rr e s o u r c e s ，a n c i l l a r ye l e c t r i c a lm o t o ro f 5 拌g e n e r a t o rc 锄b es t a r t e d t h en e x tp r o c e d u r e sa r et h es t a r t - u po f5 群g e n e r a t o ra n dp a r a l l e l i n g w i t hs y s t e m s w es i m u l a t e dt h ew h o l eo p e r a t i o n sw i t hd i f f e r e n ts i m u l a t o rt o o l sf o re x a m i n a t i o n t h ep o t e n t i a lp r o b l e m si n c l u d et h et r a n s i e n to v e rv o l t a g e s ，s t e a d yo v e rv o l t a g e s ，r e s o n a n c eo v e r v o l t a g e s ，f r e q u e n c yd e c l i n e ，a n do t h e r s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r es a f ef o rv a r i o u sr e s t o r a t i o n o p e r a t i o n s t h es t a b i l i t ya n ds e c u r i t ya r et h ee m p h a s e so f t h es t u d i e s d u et ot h ep o l i c yf o ra d m i n i s t r a t i o no fr e l a t e dg o v e r n m e n t t h ep r a c t i c a le x p e r i m e n t a t i o ni s d e l a y e dt i l ln o w t h er e s u l t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ew a i t i n gf o rv a l i d a t i n gt h r o u g hp r a c t i c e m o r e c o n s t r a i n tc o n d i t i o n ss h o u l d b es t u d i e di nt h ef o l l o w i n gw o r k k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e mr e s t o r a t i o n ；b l a c k - s t a r t ；p u m p e d s t o r a g eu n i t ；r e s t o r a t i o n s c h e m e s 5 山东大学工程硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：纽日期：矽够二0 r 丛 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：名纽导师签名： 山东大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 背景和意义 随着经济不断发展，各国的并联电网不断扩大，上个世纪六十年代以来，各 国相继发生了多起大停电事故，严重影响了人们的正常生活，造成了巨大的社会 影响和严重的经济损失，如美国1 9 6 5 年1 1 月9 日东北部大停电事故，停电区域2 0 万k m 2 ，影响居民3 0 0 0 万人，经济损失达1 亿美元【1 - 2 】；法国1 9 7 8 年1 2 f l1 9 e l 全国 大部分地区停电，停电2 9 0 0 0 m w ，是法国电力系统战后最大的一次停电事故； 日本1 9 8 7 年7 月1 9 e l 东京大停电事故，事故中负荷停电8 1 6 8 m w ，影响2 8 0 万用户。 1 9 9 6 年，美国西部电网连续两次发生大面积停电事故；1 9 9 6 年8 月3 日，马来西亚 国家电网发生全国性大面积停电事故。2 0 0 3 年8 月1 4 日，美国和加拿大发生了历 史上最严重的停电事故，共使大约5 0 0 0 万居民受到影响，并给美加两国造成了重 大经济损失【3 】。2 0 0 5 年5 月2 5 日，莫斯科发生了近年来最严重的停电事故，其南 部、西南和东南城区大面积停电，公共设施全面瘫痪。2 0 0 5 年9 月2 6 日，台风“达 维”对海南电力设施造成了严重破坏，引发了部分电厂连续跳机解列，最终系统 全部瓦解，导致全省范围大面积停电。2 0 0 8 年的冰灾也引起了贵州、湖南的电网 瓦解。虽然经过几十年的发展，电力系统在安全稳定技术方面取得了很大进展， 制定了大量相关的标准和导则来应对各种突发事件带来的危害m 】，但由于影响 电力系统安全稳定运行的因素十分复杂，一些偶然因素( 如自然灾害、继电保护 误动作和输电线路过负荷等) 、人为因素( 如误操作) 作用的相互叠加超出了人们的 预测和防范；而且随着电网互联和远距离交直流输电技术的发展，大容量、超高 压设备以及电力电子设备和可控超导技术等在电力系统的大量引入，现代电力系 统规模的不断扩大，网络结构更趋复杂，使得系统的动态行为愈加复杂，所以电 网故障及衍生故障的复杂性也日趋严重，由于局部故障而影响全局，乃至发生恶 性连锁反应，造成灾难性严重后果的事故时有发生。在电网大面积停电条件下， 若事先无任何黑启动措施，将延长调度运行人员的事故处理时间，使停电时间延 长，造成国民经济重大损失，采取相应措施则可加快电力系统恢复，大大减少大 停电事故对社会、经济和人民生活的影响。 目前，我国电力发展已进入大电网、大机组、超高压和信息化时代，我国能 源资源和经济发展区域不平衡的特点决定了“全国互联、西电东送、南北互供 7 山东大学工程硕士学位论文 的电力发展趋势，山东电网的区域特点是“西电东送、南电北送 ，由于煤矿和 铁路运输的关系，大部分电厂都位于山东省的西部和南部。同时，随着我国电力 市场化改革的逐步深入，厂网分开后，各大发电公司之间势必造成为了追求经济 利益而忽视电网全局的现象，从而可能对电网的安全稳定运行带来不利影响。因 此作为电力系统安全运行重要的措施之，研究电力系统故障后的黑启动问题显 得十分重要。 1 2 黑启动研究的主要内容和研究现状 黑启动问题是一个非常复杂的半结构性优化问题，它几乎牵涉到了电力系统 运行中的所有方面。电力系统结构和电压等级不同，其恢复方式也不相同，但总 的目标都是在保证电网设备安全的前提下，在最短的时间内启动电源对系统用电 负荷实现安全可靠的供电。具体的要求有：在水电厂机组启动后，用尽可能少的 时间完成火电机组启动：制定严格的黑启动操作票制度，尽可能使操作步骤最少 6 - 9 1 0 黑启动过程，包括黑启动电源的自启动、空载线路及变压器充电、大型感应 电机起动、火电机组启动和并网运行等，是从电磁暂态过程、机电暂态过程到准 稳态的恢复过程，是一个相当复杂且耗费时间的过程【l o 1 9 1 。根据系统恢复过程中 不同时期的特点和主要任务目标，其大体可分为三个阶段：( 1 ) 准备阶段，即对 故障后的系统状态进行评估，明确目标系统，选择输线路，决定启动发电机的步 骤；( 2 ) 电网恢复阶段，主要任务是尽快向各停电电厂恢复送电，并建立一个稳 定的网架结构，为后续大量的负荷恢复奠定基础。通常电网恢复过程可采取的基 本策略主要有三种，即“自下至上 ( b o t t o m - u p ) 策略、“由上至下 ( t o p d o w n ) 策略 和组合策略。在“自下至上”策略中，一般先将系统划分为多个子系统独立的进行 恢复，最后再实现并网运行。而“由上至下”策略则通常是利用系统外部电源给本 系统的主干输电线路恢复供电，然后通过主干输电线路对发电机供电 1 0l l l 。组合 策略是将上述两种策略结合起来，即在重建各个小系统的同时，也通过外部电源 对某些输电线路恢复供电。在实际应用中，应根据系统特点及停电范围选择合适 的恢复策略；( 3 ) 负荷恢复阶段，在前两个阶段负荷恢复是作为一种控制措施保 持系统稳定，而负荷恢复阶段的主要目的是尽可能多、尽可能快的全面恢复负荷， 尽量减少大停电的损失。 8 山东大学工程硕士学位论文 山东电网黑启动试验方案主要考虑的是“自下至上 策略，首先恢复一个 小的独立系统，然后进一步恢复全网。 由于黑启动过程本身的复杂性，目前的理论研究、控制方法及辅助工具还有 待完善，还有许多工作要做。目前主要的研究工作可分为以下两个方面： 1 )黑启动方案的制定； 2 )黑启动过程中的安全问题； 1 2 1 黑启动方案的制定 从过去发生的事故情况分析，系统中发生多重故障、继电保护和自动装置不 正确动作，是大面积停电事故的直接原因：而事故处理不当与缺乏必要的事故分 析手段，又往往是扩大事故范围、延长停电时间的又一因素。这种电力系统大面 积停电是极低概率事件，无论是调度人员还是电厂、变电站的操作人员都没有太 多的实际经验，在这种情况下，预先制定实用可行的黑启动方案非常必要。 国外学者从6 0 年代开始就对该问题进行了研究，明确了黑启动要解决的问 题，取得了一些有意义的成果。1 9 8 3 年1 2 月瑞典发生大停电，由于事先制订了 恢复的基本规程，此次网络崩溃很好地验证了恢复规程，证明了其有效性。他们 遵循的基本规则有：当网络失去电压时“零压跳闸”自动打开当前的回路断路器， 控制恢复过程；首先启动北部地区大的水电站，这些水电机组有辅助的柴油机供 电；南部地区调度中心等待北部的送电，线路充电优先考虑连接至核电站的线路。 2 0 0 3 年意大利发生大停电时采用事先制定的黑启动计划，将包括3 个火电厂和4 个水电厂、最大负荷约3 0 0 0 m w 的西北部网络划分成有黑启动能力的3 条恢复 线，在满足一定条件后，将几个子系统进行并网，在3 0 分钟内就将系统基本恢 复。美国、加拿大等的多家电力公司在制定黑启动计划方面有着多年的传统，在 电力市场化以后，仍然定期组织各电力市场参与恢复计划的修订与人员的培训， 但实际执行效果并不理想。因此，在黑启动、网架重构与负荷恢复的优化算法与 预案自动生成等方面正在开展广泛而深入的研究【2 5 4 ”。 我国国网公司在1 9 9 8 年也要求各省电力公司制定各自的黑启动方案。2 0 0 5 年国家电力调度通信中心发布的8 8 号文电力系统黑启动方案编制和实施技术规 9 山东大学工程硕士学位论文 范( 试行) 给出了电力企业黑启动方案研究、编制以及试验方案制定的标准，使 电力部门对恢复控制的管理从主要依靠个人经验向恢复过程规范化、程序化转 变。目前大部分网、省电力公司都是根据本系统的具体情况，制定不同的黑启动 方案，然后借助各种电力系统分析仿真软件对黑启动过程中所涉及的各种问题分 别进行分析计算，制定可行的黑启动试验方案【6 8 1 8 - 2 4 1 。2 0 0 0 年5 月5 日，华北电网 利用十三陵抽水蓄能电站水电机组进行了我国首例成功的黑启动试验【6 1 。十三陵 抽水蓄能电厂经过9 1 k m 长的2 2 0 k v 临时组合的陵一昌一清一石线顺利地启动石 热2 0 0 m w 火电机组，留下了宝贵的系统恢复经验和技术数据。华东电网以天荒 坪抽水蓄能电站为黑启动机组，设计了两套黑启动方案。套首先恢复5 0 0 k v 主 网架；另一套优先恢复一个2 2 0 k v 的稳定小系统，进而再由恢复的部分向其他机 组输送启动功率。通过仿真计算，验证了这两个方案的安全有效性。2 0 0 2 年1 月 1 6 日，湖北电网利用天堂抽水蓄能电厂的两台机组在实际电网中成功地进行了一 次黑启动试验。验证了以天堂电厂机组为启动电源，阳逻电厂机组为主要被启动 对象，两条2 2 0 k v 电压等级线路，共计1 6 8 k m 的输电通道为恢复路径的黑启动方 案是可行的，并且是鄂东电网的最佳黑启动方案。华中网调根据国电华中公司技 术中心有关黑启动过程中电压、潮流及稳定计算结果，并结合华中电网的实际情 况，在2 0 0 1 年1 2 月编制出华中网调黑启动方案，确立了从高压电网开始，利 用高压输电线路的较强输电能力逐级向下恢复的策略。由于我国燃气轮机较少， 黑启动机组一般只能选用水轮机，因而黑启动方案多为水电厂远距离启动火电厂 的情况。在这种情况下，大型辅机启动对系统频率和电压冲击较大，水轮机的调 速器性能对小系统频率特性影响也较大，为保证黑启动方案的顺利实施和现场试 验的安全，需要做详细的仿真研究以评估方案的可行性。吉林省电力部i - j n 定了 吉林电网的黑启动方案，并对大型辅机起动时对小系统的冲击及带负荷时对系统 频率的影响做详细的仿真研究，通过仿真计算校验了方案的可行性，为今后的现 场试验和方案的实施提供了依据和建议。云南电力公司通过大量机电和电磁暂态 以及过电压问题的理论计算及分析论证，确定云南电网的黑启动方案，提出了“分 层、分区”设立“目标电网”，采用“多方案并举”建立“快速恢复通道”的电网恢复思 路，采用零起升压方式的电网恢复方案，并以全网方案中较为复杂的黑启动方案 进行了系统试验，检验了云南电网黑启动方案的正确性和可行性。陕西网调根据 陕西电网的具体结构，为了加速电网恢复过程，把系统划分为陕南水电启动电源 1 0 山东大学工程硕士学位论文 方案和关中火电启动电源方案两个相对独立的子方案，并给出了多个黑启动实施 方案，还分析研究了黑启动过程中应注意的问题。浙江网调将浙江电网分为5 个 独立的子系统，同时并行地进行恢复操作，任何一个子系统如因某些不可预料的 因素导致恢复失败，并不影响其它子系统的恢复进程，这可大大缩短电网的恢复 时间。山东省电力调度部门在对黑启动时发动机自励磁、空载线路合闸过电压、 初期低频振荡问题和初步恢复后系统暂态稳定问题的深入分析研究的基础上，结 合山东电网实际情况，制定了山东电网黑启动原则和5 0 0 k v 、2 2 0 k v 黑启动研究 方案及试验方案。 1 2 2 黑启动过程中的安全问题 黑启动过程复杂，涉及诸多技术问题，国内外学者对这些特殊运行方式下的 安全问题进行了分析研究。 在黑启动过程中，一般由具有自启动能力的机组( 如水电机组、燃汽轮机等) 作为黑启动电源，由于这些机组通常容量较小，又经长距离高压输电线路向其他 火电机组的厂用负荷供电，因此对黑启动电源的无功容量有较高的要求，要求其 在空载长线路投入时有足够的吸收无功功率的能力，以防止自励磁或者过电压现 象的发生。尤其是黑启动过程中的过电压控制问题，特别是在黑启动初期对架空 输电线路和地下输电线路充电可能出现的三种过电压问题：持续工频过电压、操 作过电压和谐振过电压，并要研究各自的产生原因以及相应的控制措施。文献 4 2 】 根据加拿大魁北克系统在黑启动初期的过电压问题，研究了计及变压器非线性特 性时，系统谐振频率与送端阻抗、变压器、所带负荷量、断路器合闸电阻之间的 关系，为黑启动过程中的开关操作提供了参考依据。提供了一种简化的计算线路 操作过电压的方法，与e m t p 相比，该方法计算精度不高，但所需参数少，计 算速度快，可用于现场人员预估，当可能出现较高过电压时，再进行详细计算。 文献【4 6 】讨论了超高压输电线路不对称问题。超高压线路导体的水平间距不对称 特性在恢复过程中会产生不可接受的负序电流，在黑启动过程中，会导致发电机 跳闸等连锁事故，阻碍发电机并网，延误给远方火电机组输送启动功率，文中给 出了一种近似方法估算超高压输电线路中负序电流的大小及正确的处理措施。对 黑启动过程中的保护问题进行了论述。文献 4 3 】中列出了1 0 种可能影响系统恢 山东大学工程硕士学位论文 复进程的保护，包括距离保护、失步保护、同期检查保护、负序电压保护、差动 保护、伏特，赫兹保护、欠励保护、发电机励磁系统保护、低频隔离保护、自动 投切电容器保护和低频保护。对各保护系统在黑启动过程中可能会出现的问题进 行了分析并提出了应对措旌。火电机组辅机容量较大，辅机起动引起的频率和电 压暂态过程也要引起足够的重视，需要对这一过程进行详细研究，以防止频率或 电压超出允许范围而导致起动失败等。提出了一种减小线路两侧合闸相角的方 法。既在满足线路和发电机热稳定极限并且不增减总负荷的情况下，通过调整各 机组的发电量，对发电量进行再分配，系统地减小线路两侧合闸相角。文献【4 7 】 列出了各类调速器的传递函数，并利用它来计算负荷冲击对系统频率的影响。 在电力系统恢复过程中，形成的小系统极不稳定，因为发电机带的负荷比较 小，出于对保持系统稳定安全，以及需要快速的恢复系统以减少大停电损失的角 度考虑，在启动过程中需要根据负荷重要程度以及系统情况，投入合适的负荷量， 以保持系统稳定，加速系统恢复运行【l 引。同时，在黑启动过程中启动电源有限。 如果小幅度地增加系统所带负荷量，就会延缓系统恢复，不利于减少大停电事故 造成的损失；相反如果大幅度投入负荷，即投入的静态负荷或者感应电机容量太 大，就会对系统造成很大冲击，小系统的系统电压、频率可能下降到系统难以承 受的程度，甚至导致系统再次崩溃。所以在黑启动过程中如何确定投入合适的负 荷量是个关键问题。在恢复过程中，需要对小系统的系统电压、频率进行约束和 控制，使负荷恢复造成的电压、频率下降处于可接受的范围”1 5 】。 1 3 本文的主要研究内容与成果 本文密切结合山东电网新建成的泰山抽水蓄能电站，研究并利用其具备的全 黑状态下的启动能力，进行黑启动山东电网的探索性实验研究。 首先，从泰山抽水蓄能电站机组安全启动和恢复厂用电的目的考虑，从机组 黑启动必须具备的基本条件出发，分析了励磁电源问题、液压操作动力能源问题、 控制操作和事故照明电源问题、启动过程中的机组导轴承发热和润滑问题以及调 节系统的稳定性问题。在保证黑启动安全的前提下，以泰抽厂# 1 机组为例，给 出了黑启动的开机条件和流程程序。在此基础上，泰山抽水蓄能电站进行了站内 1 2 山东大学工程硕士学位论文 黑启动试验，即模拟在站内无外供电源的情况下，靠柴油发电机和直流系统将机 组启动到孤网运行方式，试验获得圆满成功。 其次，以泰安抽水蓄能电站为黑启动电源，制定了山东电网的黑启动实验方 案。试验方案是通过泰山抽水蓄能机组远方起动石横电厂大型火电机组，进而逐 步恢复电网基本运行方式。通过试验验证黑启动线路及机组是否会产生过电压和 自励磁，测试参与试验机组的调速系统和励磁调节器的调节能力，能否保持试验 系统的稳定。本实验方案的步骤，首先是黑启动泰山电站# l 机组，其次通过泰 山电站# l 机组经长线路远方空充石横电厂# 5 机组厂用母线和启备变，为石横 电厂提供厂用电，然后逐步起动厂用负荷，在石横电厂# 5 机组成功启动并且并 于试验系统且能够稳定运行之后，选择合适时刻进行与山东主网的并列操作，至 此实验结束。 最后，在试验实施前对电网黑启动过程进行了全面的仿真校验，文中主要给 出了动态电压和电网并列的计算数据。对泰山电站# l 机组空充长线路和变压器 过程进行了操作过电压和谐振过电压的计算。按电动机负荷容量对比计算了泰山 电站# 1 机组远方起动石横电厂群5 机组辅机的过程，分析了感应电机的起动对黑 启动小系统的电压和频率的冲击过程。对泰山电站# l 水电机组与石横电厂# 5 火电机组的并网运行这一过程也进行了仿真计算。通过仿真计算，从电网安全角 度上明确了黑启动试验的实施细节，确保试验的顺利进行。 由于因国家政策原因，目前还没有进行山东电网的实际黑启动试验，缺少相 关的实际试验参数，实际的黑启动过程十分复杂，牵扯到发电厂的很多细节。本 文研究成果需要安排合适的时间进行实际黑启动试验来进一步验证。黑启动过程 还涉及到其他诸多的系统约束条件，这需要在以后的工作中进行深入的研究。 山东大学工程硕士学位论文 第2 章泰安抽水蓄能电站的黑启动 2 1 电厂概况 山东泰安抽水蓄能电站位于山东省泰安市风景秀丽的泰山脚下，距泰安市 5 k m ，距济南市7 0 k m ，对外交通方便。电站安装4 台2 5 万k w 立轴单级混流可逆 式水泵水轮发电机组。装机容量1 0 0 万k w ，年发电量1 3 3 8 亿k w h ，年抽水电 量1 7 8 4 亿k w h 。泰安抽水蓄能电站枢纽的上水库位于樱桃园沟上游，定名为 樱桃沟水库。库盆由天然库盆扩挖而成，水库正常蓄水位4 1 0 m ，死水位3 8 6 m ， 总库容1 1 2 5 万m 3 ，发电库容8 9 0 万m 3 。上水库大坝坝型采用混凝土面板堆石坝， 坝顶高程4 1 3 8n l ，坝顶长5 4 8 m ，最大坝高9 8 3 m ，坝顶宽1 0 0 m 。引水道系统 布置在上水库右岸横岭山体内，总长度2 o k m 。主厂房系统布置在右岸横岭内， 由地下厂房、主变洞、电缆出线竖井、事故排烟竖井、通风兼安全洞、进厂交通 洞、母线洞及地面开关站组成。下水库利用已建成的大河水库。大河水库建于 1 9 6 0 年，挡水坝为均质土坝，主副坝总长7 7 3 m ，坝顶高程1 6 8 4 m ，最大坝高2 2 m 。 改造后作为下水库，以发电为主，兼顾灌溉、防洪和工业用水。正常蓄水位提高 1 m ，为1 6 5m ，死水位1 5 4 m ，相应库容量为2 2 3 4 7 万m 3 ，发电库容8 9 0 万m 3 。 泰安抽水蓄能电站由山东电力集团公司、山东鲁能投资公司、泰安市信托投资公 司按6 0 、3 5 、5 比例共同投资建设，并被列为国家重点建设项目。2 0 0 5 年底第一台机组发电，2 0 0 7 年全部投产。电站四台2 7 8 m v a 2 7 4 姗发电电动机 组与主变压器接成四组发电电动机变压器单元。同期、换相均在主变1 5 7 5 k v 侧进行，发电电动机出口断路器兼作电动机工况启动及同期用。每两组发变 单元在主变2 2 0 k v 侧联合，2 2 0 k v 二进二出采用内桥接线。电站以二回2 2 0 k v 约 2 3 5 k m 的架空输电线接入山东省电网。励磁系统采用自并励可控硅静态励磁， 励磁变压器接在主变低压侧。厂用电引自# 1 、# 3 主变1 5 7 5 k v 侧。全厂设一 套变频启动装置供机组电动工况启动用，同时以背靠背启动方式为备用。启动回 路接线可以实现任一台机组均可逐台以背靠背方式启动其余三台机组。变频启动 装置电源引自# 1 、# 3 主变1 5 7 5 k v 侧。 2 2 泰安抽水蓄能机组的黑启动运行方式研究 黑启动分为机组黑启动和电网黑启动。在电网事故、自然灾害或其他原因等 山东大学工程硕士学位论文 情况下，造成电厂全部外来厂用电源消失，且短时间内无法恢复供电，为保护电 厂的安全和恢复生产，实行自救，利用仅有的直流系统启动监控专门程序使机组 发电从而恢复厂用电的供电，进而恢复厂用设备的运行，称为机组黑启动。当电 网因故障而停运后，通过电网内具有自启动能力的机组启动，而恢复电网正常运 行，则称为电网黑启动。由于泰安抽水蓄能机组为地下式厂房，日渗水量较大， 厂用设备和排水、照明、通风、消防等设备对厂用电要求很高，如果长时间不能 恢复供电，将有可能造成水淹厂房。因此，要求电厂具备生产自救功能。研究在 系统瓦解情况下如何安全、快速地黑启动泰安抽水蓄能机组是十分必要的。 系统瓦解情况下作为启动电源的黑启动机组关键在于解决自用电源，泰安抽 水蓄能电站装设柴油发电机作为紧急事故电源，在厂用电失电的情况下，柴油发 电机依靠自备的蓄电池自动启动向黑启动机组启动所需辅助设备提供电源。 2 2 1 机组黑启动过程中的主要技术问题 从机组安全启动和恢复厂用电的目的考虑，黑启动必须具备以下基本条件： 厂内直流蓄电池容量符合规范要求；供监控系统使用的u p s 满足要求；厂内交直 流切换事故照明工作正常；为使自供厂用电可靠，4 0 0 v 机旁备用自投工作正常： 4 0 0 v 机旁母线带电返回回路在正常接线式；l o k v 厂用备用自投工作正常；机组 无电气和机械跳闸信号；励磁和调速系统为远方自动控制方式；直流注油泵工 作正常；储气罐压力正常；球阀、调速系统操作油压和油位正常；启动前各部轴 承、油温和油槽油位正常；机组励磁、调速系统稳定性能强，适应小系统运行方 式；线路保护等没有引起机组跳闸的因素。 在机组投运后，泰安抽水蓄能电站应把机组黑启动作为一个独立的工况和电 站必须具备的功能。组织开展多次试验，并对试验进行严密的监控和测试，在总 结试验的经验和教训的基础上，逐步完善开机程序。在试验前以下几点是必须要 考虑解决的： 首先要解决励磁电源问题。正常情况下开机启励装置不投入运行，励磁变直 接从系统取电。系统瓦解后机组无法从系统取励磁电源，泰安抽水蓄能电站黑启 动可采用由2 2 0 v 蓄电池提供励磁电流进行启励，解决励磁电源问题，由微机励 磁调节器控制，在机端电压建立后切除启励装置，切换到由励磁变压器供电。 1 6 山东大学工程硕士学位论文 其次要解决液压操作动力能源问题。黑启动时高压气机不能工作补气，调速 器油泵不能工作打油，机组要依靠储气罐和压力油罐气压维持调速器油压，开启 球阀和导叶，油压过低将不能启动机组。与常规水电厂相比，可逆式机组在调相 工况转轮脱水运行需大量用气，高压气系统需另外配置适合容量的储气罐，加上 调速器压力油罐气压，以维持调速器的油压，保证调速器和球阀动力能源。 再次要解决控制操作和事故照明电源问题。事故照明、所有控制和操作电源 只能依靠蓄电池供电，因此黑启动对蓄电池容量有较高要求。全厂失去交流电后， 事故照明，直流注油泵，直流启励，直流控制系统的电力供应必须得到保证，计 算机监控系统交流不间断电源u p s 蓄电池容量应满足要求。 另外要解决启动过程中的机组导轴承发热和润滑问题。推力、上导、下导、 水导采用外加交流油泵循环，由于系统失电，轴承没有油泵提供循环油，机组没 有冷却水，启动过程中轴承温度会逐步升高，为确保各轴承安全，黑启动时间不 宜过长。推力轴承承担转动部分重量和水推力。常规水轮发电机推力轴瓦偏心支 撑，机组旋转后轴瓦倾斜，在镜板和轴瓦之间形成油楔而实现润滑。而可逆式机 组需要双向旋转，其轴瓦只能对称支撑，造成液动力润滑作用不易形成，黑启动 时直流注油泵需投入运行，产生高压油通过轴瓦中心孔射出，在推力瓦和镜板间 强制形成润滑油膜。另外还可考虑推力轴承增加高位油箱和低位油箱，由电磁阀 控制，在直流注油泵运行情况下，高位油箱自动向推力轴承补充冷油，多余的油 由低位油箱收集，考虑一定裕量，高位油箱提供足够的冷油，减小推力轴承在无 冷却水的情况下的发热，实现黑启动。 最后要解决机组带小系统，孤网运行时的稳定性。泰安抽水蓄能电站距离负 荷中心有一定距离，输送功率大，稳定性较突出，采用高强励倍数的快速励磁系 统是提高远距离送电系统输送能力的有效措施，电站采用的就是全数字式可控硅 快速静态励磁系统。孤网运行时黑启动机组可能只带很小负荷，调节系统自平衡 能力相对较差。调节系统的稳定性受三方面影响：水轮机调速器运行参数、引水 系统水流变化、调节对象如负荷变化。在不同导叶开度下，机组特性不同，可调 整水轮机调速器运行参数来适应负荷的变化，此时适当增大水轮机暂态转差系数 b t 和缓冲时间常数t d ，提高水轮机小负荷情况下的自平衡能力，以提高调节系 统孤网运行的稳定性。 1 7 山东大学工程硕士学位论文 2 2 2 黑启动的开机条件和程序 作为故障后迅速恢复系统的安全运行措施，黑启动有独立的开机条件和启 动程序，为确保机组安全，机组又能顺利启动，应尽可能减少黑启动开机条件。 对常规发电工况开机条件进行合理筛选并作必要补充和修改。泰抽厂l 号机组 黑启动流程如图2 1 所示。下面简述一下黑启动开机的过程。选定l 号机组进 行黑启动功能开机，程序启动首先是启动直流注油泵，合发电方向换相刀闸。 机组附属设备投入运行( 冷却水泵，循环油泵，调速油泵，风扇投运) 。停直流 注油泵，交流注油泵投运，打开主轴密封供水阀。励磁选择黑启动方式，调速 器选择孤网运行方式。合发电机出口开关。打开停机电磁阀，开球阀，开导叶。 机组转速 9 0 9 6 ，停交流注油泵，投入启励装置。机端电压 9 0 切启励装置，合 励磁供电开关。厂用电自动倒换，1 号机组带厂用电。选择2 2 0 k v 开关合闸，对 线路充电。1 号机组发电加减负荷。 1 8 山东大学工程硕士学位论文 黑启动命令 l 启动直流注油泵 合发电方向换相刀闸 | ， 机组附属设备投入运行 ( 冷却水泵，循环油泵，调速油泵，风扇投运) 直流注油泵工作正常即停，交流注油泵投运 打开主轴密封供水阀 励磁选择黑启动方式 调速器选择孤网运行方式 上 合发电机出口开关 | ， 打开停机电磁阀 开球阀，开导叶 上 机组转速 9 0 停交流注油泵 投入启励装置 上 机端电压 9 0 切启励装置，合励磁 供电开关 上 厂用电自动倒换，撑1 机带厂用电 j ， 选择2 2 0 k v 开关合闸，对线路充电 、l 黑启动机组发电加减负荷 图2 - i泰安抽水蓄能电站l 号机组黑启动 1 9 流程 山东大学工程硕士学位论文 2 3 泰安抽水蓄能机组的黑启动试验 山东泰山抽水蓄能电站做的黑启动试验为站内黑启动试验，即模拟在站 内无外供电源的情况下，靠柴油发电机和直流系统将机组启动到孤网运行方 式，并结合这次试验检查蓄泰i 线2 1 1 开关的同期，也是为下一步将山东泰 山抽水蓄能电站做为山东电网黑启动的电源点所做的一个准备试验。山东泰 山抽水蓄能电站站内黑启动试验分两步进行，试验计划进行两天。第一步， 检验黑启动的程序，检查相关设备的动作是否灵活可靠：第二步，将试验期 间暴露出来的问题处理后，重新验证黑启动程序。在实际的试验过程中，第 一步耗时一天，总结处理试验中的缺陷耗时半天，第二步耗时半天，总共耗 时两天，试验圆满成功。 山东泰山抽水蓄能电站出线采用内桥联合单元接线方式，共设计两台高 厂变，分别给i o k v 厂用电i 、i i i 段供电，i o k v 厂用电i i 段取自地区大河变： 4 0 0 v 厂用电正常分别取自i o k v i 、i i i 段，互为备用；保安配电盘正常由全厂 公用4 0 0 vi 段带，事故情况下由柴油发电机带；直流系统正常由全厂公用4 0 0 v i i 段和保安配电盘带，见图2 2 。每一步试验分五阶段进行：第一阶段将i o k v 厂用电工段母线空出，只保留# l 机组自用电供电馈线开关，将i o k vi i i 段 # 2 机组自用电供电馈线开关和全厂公用i i 供电馈线开关拉开，人为形成全 厂公用母线停电，# l 、# 2 机组全“黑”；将桥2 0 0 开关，蓄泰i 线2 1 l 开关 转冷备用；其他不具备黑启动的条件由c s c s 模拟；第二阶段进行柴油机启动 供直流系统、带# l 机组自用电、紧急情况下# 1 集水井# 1 渗漏泵负荷试验， 以检验柴油机的带负荷能力；第三阶段利用柴油机提供的电源进行# l 机启动 试验；第四阶段为# 1 机组在孤网运行时的稳定性试验；第五阶段为检验蓄泰 i 线2 l l 开关同期功能。 为了确保试验安全可靠顺利的完成，试验开始前山东泰山抽水蓄能电站 组织设计、监理、施工单位、外方调试工程师和生技部、运行、维护人员讨 论技术措施，做好组织措施和事故预案，试验开关设备的动作闭锁情况，做 了大量的准备工作。生技部、运行和维护专人负责黑启动试验，把一切可能 产生的后果分析，做好紧急处理的准备，确保黑启动试验的顺利进行。 山东大学工程硕士学位论文 图2 - 2 山东泰山抽水蓄能电站# 1 机组站内接线示意图 2 0 0 7 年1 月6 日，黑启动试验第一步正式开始。0 9 ：3 0 运行人员开始黑 启动试验开始前的隔离操作；1 0 ：2 0 隔离操作完成：1 l ：1 9 开始执行黑启动流 程，由于外方编制的新程序，存在或多或少的考虑欠缺和不正确问题，因此 程序是边试边改：1 2 ：0 0 启动柴油发电机；1 2 ：1 3 运行人员操作恢复直流蓄电 池供电电源( 柴油发电机带) ；1 2 ：3 0 启动# 1 机组辅机；1 2 ：5 2 测试紧急停机 功能正常；1 3 ：5 0 再次启动流程；1 4 ：1 1 机组转速达到1 0 0 ；1 4 ：2 7 机组启 2 1 山东大学工程硕士学位论文 励成功，发电机出口电压正常：1 4 ：3 3 带# l 厂高变；1 5 ：0 3 # 1 机组自用电切 换为机组自带，然后按照计划逐步恢复必要负荷；1 6 ：1 1 发出蓄泰i 线2 1 l 开 关同期指令，假同期试验不成功；1 7 ：2 7 经外方人员处理后2 l l 开关假同期成 功；1 7 ：4 9 蓄泰i 线2 1 1 开关与系统同期：1 8 ：1 8 # l 机组机械停机，第一步 试验结束。 试验结束后，各方人员对第一步试验过程中出现的程序上设备上的问题 进行整理总结，安排施工单位对设备上出现的问题进行消缺，和外方工程师 共同讨论流程中存在的问题，闭锁关系是否合适，对流程进行优化，为第二 步做好准备。 2 0 0 7 年1 月7 日，黑启动试验第二步开始。1 4 ：3 0 ，开始黑启动前的隔离； 1 6 ：5 1 开始走黑启动流程；1 7 ：1 6 开柴油发电机；1 7 ：2 3 柴油发电机带机组自 用电：1 7 ：3 0 启动机组辅机；1 7 ：3 5 # l 机组启励成功，发电机出口电压正常； 1 7 ：4 8 # l 机组自用电切换为机组自带，然后按照计划逐步恢复必要负荷； 1 7 ：5 1 停柴油发电机；1 8 ：2 5 蓄泰i