（电气工程专业论文）蒙西电网黑启动预案及巴盟典型案例研究.pdf

摘要 由于电力系统发生事故造成对外停电，给社会带来相当大的损失和危害。在发 生停电以后，尽快恢复供电减少停电损失是当务之急。当整个电网因故障全部停运 以后，在无法依靠外部电源送电，恢复电网运行的条件下，通过电网内具有自启动 能力的机组，先行启动，进而逐步扩大电力系统的恢复范围，最终实现整个电力系 统的恢复即所谓“黑启动”。 本论文首先介绍了国内外黑启动技术的研究现状，分析了实现黑启动的原理， 讨论了黑启动过程的关键技术。针对巴盟电网的实际情况，在内蒙古西部电网的整 体框架下，通过理论分析和仿真计算，详细探讨了“黑启动”的过程。通过对这个地 区的网架结构和机组特性的分析，并考虑了机组的自励磁问题和送电过程中空载线 路的过电压问题，编制了巴盟地区电网的黑启动的预案。分析了可能出现的电压和 稳定问题，给出了负荷恢复的过程和路径。最后详细介绍了内蒙西部电网黑启动试 验的相关内容，并对全过程进行了分析。 关键词：黑启动，巴盟电网，预案，大停电 a b s t r a c t p o w e rs y s t e ma c c i d e n tw i l lc a u s et h ei n t e r r u p t i o no fp o w e rs e r v i c ea n db r i n gg r e a t d a m a g e st ot h es o c i e t y w h e nab l a c ko u ta c c i d e n th a p p e n s t h ef i r s tt h i n gt od oj st o r e s t o r et h ep o w e rs u p p l ya n dr e d u c et h el o s sr e s u l t e da ss o o na sp o s s i b l e w h e nt h e w h o l ep o w e rs y s t e mc o l l a p s e sb e c a u s eo fa na c c i d e n ta n dc a nn o tb er e a c t i v a t e db yt h e o u t e rp o w e r s o u r c e ，as e l f - r e s t a r tg e n e r a t i n gu n i ti sn e e d e dw h i c hw i l li g n i t ei t s e l fa n d p r o v i d e dap o w e rs o u r c et oo t h e rp o w e rp l a n t so rs t a t i o n su n t i lt h ew h o l es y s t e mi s r e s t o r e d i n t h i sp a p e r , t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t eo fb l a c k s t a r tt e c h n i q u ei si n t r o d u c e d p r i n c i p l eo fb l a c k - s t a r ti sa n a l y z e da n dk e yt e c h n i q u ei sd i s c u s s e d ，t o o a c c o r d i n gt o b a y a n n a o e rp o w e rs y s t e m ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h ec o u r s eo fb l a c k s t a r ti n d e t a i l t h r o u g ht h ea n a l y s i so fp r a c t i c a ls t r u c t u r eo fn e t w o r ka n dc h a r a c t e ro fg e n e r a t o r s ， c o n s i d e r i n gt h eg e n e r a t o ru n i t ss e l f - e x c i t i n ga n dt h eo v e r v o l t a g eo ft h en o l o a dc i r c u i t i nc o u r s eo fp o w e rt r a n s m i s s i o n ，ac o u n t e r p l a no fb l a c k s t a r ti sd r a f t e do u tu n d e r e m e r g e n c ya c c i d e n t t h e nt h ec o u r s eo fl o a dr e c o v e r ya n dt h ew a y a r eg i v e n a tl a s t ，t h e t e s to fb l a c k s t a r to fw e s ti n n e rm o n g o l i ap o w e rg r i di sa n a l y z e d z h a n gd e n g y u n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o la ix i na n ds e n i o re n g w a n gj i s h e n g k e yw o r d s ：b l a c ks t a r t ，b a y a n n a o e rp o w e rg r i d ，c o u n t e r p l a n ，b l a c ko u t 声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文蒙西电网黑启动预案及 巴盟典型案例研究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师 指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和 致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：刍盈丝丕 日鼽川，z 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：垃弓 日 期：丝z ! f 够 导师签名： 日期：。衄以哕 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 1 课题背景与意义 第一章绪论 当今我国电力系统已步入大电网、高电压和大机组的时代，随着社会发展对电 力资源依赖性的加强，电力系统日趋庞大和复杂，对大型电力系统安全稳定运行的 要求也越来越高。在我国，国民经济发展迅速，社会稳定至关重要，进一步深入探 讨大型电网的运行规律，有效预防大面积停电事故己成为一个迫切而重要的研究课 题。 大型电力系统在发生复故障、保护拒动、事故处理不当、稳定破坏、遭遇自然 灾害等情况下都有可能引发大面积停电甚至系统瓦解，进入所谓的“全黑”状态。国 外已有此先例：如1 9 6 5 年美国东北部和1 9 7 7 年纽约大停电、1 9 8 2 年加拿大魁北克 全省大停电、1 9 8 7 年日本东京地区停电、1 9 9 6 年美国西部电网的连续两次大面积 停电、1 9 9 6 年8 月马来西亚国家电网的全国性大停电事故以及2 0 0 3 年8 月1 4 只美 国东北部和加拿大联合电网发生大面积停电事故等。在国内也类似事件发生：例如 1 9 9 6 年沙岭子电厂“5 2 8 ”事故、北京西部地区“1 1 9 ”事故、1 9 9 9 年山西电网“7 2 0 ” 事故，1 9 9 9 年7 月2 9 日台湾大停电事故造成中北部地区全部停电，2 0 0 1 年辽宁电 网“2 2 2 ”雾闪事故以及2 0 0 5 年9 月2 5 日海南全省大停电。虽然国内事故的规模和 国外几次大停电事故相比不算太大，但也足以给今后的电网安全稳定运行敲响警 钟。 随着电力工业技术的发展，我国互联电网安全稳定运行水平越来越高，但是大 范围的停电事故仍然有可能发生，主要因素有： ( 1 ) 因为技术、管理和不可抗力等原因，电力系统总有可能发生事故。上述 事故的教训告诉我们，随着电力系统的扩大，发生事故的因素增加，波及的范围扩 大，对国家安全、国家经济和人民生命财产造成的损失增加。 ( 2 ) 在电力市场建立的初期，市场运作规则尚未完全建立或不完善，在规则 执行中约束乏力，各市场主体可能出现片面追求自身最大经济利益而忽视电力系统 安全的错误倾向，使安全管理削弱，调度管理削弱，从而会导致事故频发。 ( 3 ) 我国j 下处于全国大联网中，由于缺乏管理大电力系统的经验，管理规则 滞后和技术上考虑不周，加上正处于从弱联到强联的网络过渡阶段，发生事故的机 率有可能增加。 ( 4 ) 电能在能源的总消耗中所占比例越来越大，人们对电能的依赖性越来越 华北电力大学工程硕士专业学位论文 大，对电力供应的可靠性要求越来越高，社会对事故停电的可接受性越来越低。 由于系统大面积停电发生的概率很低，因此无论是调度人员还是发电厂，变电 站的操作人员都没有太多处理该类事故的经验。在发生大停电事故后，如果事前没 有思想准备、无相应的技术措施和恢复预案，运行人员就会束手无策，陷于被动， 这样就会延缓电网的恢复时间使电力系统和国民经济的各行各业都蒙受更大的损 失，如果在系统恢复中出现决策或操作失误，将带来更大的损失。如果事先对系统 停电后的恢复措施和方案加以研究，制定明确可行的恢复方案和技术措施，那么， 一旦发生全网性大停电事故，就可以最快的速度恢复电网运行，减少用户的停电时 间，使停电损失降低到最低。 国内外连续的几次大面积停电事故己引起国家电网公司的高度重视，专家们也 对如何防止发生大面积停电事故以及在发生大面积停电事故后如何快速恢复系统 供电进行了深入讨论，寻求对策，其中有一条就是要做好电网的黑启动研究工作。 所谓黑启动( b l a c k s t a r t ) 1 1 1 ，是指电力系统在经受大的扰动或故障而发生大面 积停电事故后，依靠临近电网的联络线支援或通过系统中有自启动能力的机组的启 动，带动无自启动能力的机组启动，逐步恢复系统运行元件和供电服务到正常运行 状态的过程。 对于一个区域电网来讲，系统故障是随时都有可能发生的，简单又行之有效的 方法是采取各种保护装置和自动装置，用来快速切除故障，保证系统稳定，如采用 重合闸、减少发电出力、切除负荷或发动机解列等，使发电、输电，用电之间形成 新的稳定匹配。但在某些极端的条件下，局部电网的某些个别问题，若故障处理不 及时或转变为多重故障，而在继电保护、自动装置、开关拒动等情况下，可能引发 恶性连锁反应、造成系统严重失稳，最终导致大面积停电，甚至酿成电网全部瓦解。 此时若有一行之有效的恢复计划，可大大减少停电时间，将损失减少到最小。尽管 这种可能性微乎其微，但因其后果特别严重，所以在加强电网建设和管理的同时， 有必要研究大停电事故后的电网恢复问题，制订黑启动方案，作为电网安全运行的 重要防范措旎和应急预案之一，培训电网调度管理人员，以便发生恶性事故后尽量 加快电网恢复，做到有备无患，缩短停电时间，防患于未然。因此，本文以电网黑 启动方案为研究题目是具有现实意义的，是值得深入探究的。 1 2 国内外黑启动技术研究现状 多次发生的电力系统大停电事故使国内外学者对黑启动研究的关注同益增加。 国外学者从8 0 年代开始进行了该问题的研究 2 - s l ，明确了黑启动要解决的问题，取 得了一些有意义的结果，在实际应用中也取得一些成功【6 _ 7 1 自从1 9 8 6 年i e e ep e s 系统操作分会成立了系统恢复专题研究组以来，各国学者发表的关于黑启动问题的 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 文献逐渐丰富，其内容涉及相当广泛，从黑启动过程中局部细节技术问题到整个黑 启动方案的制定，评估都进行了深入的研究。讨论焦点主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 恢复过程中系统的电压和频率监控问题。在黑启动的整个过程中，要时 刻监控系统的电压和频率，防止电压和频率超出正常范围，对电力设备造成破坏， 延长系统的恢复时间。 ( 2 ) 系统恢复过程中的开关操作策略，即黑启动过程对开关操作方式的探讨， 一般分为全开放式操作策略和控制式操作策略。 ( 3 ) 继电保护系统设置和地点控制问题。在恢复的过程中，电力系统的网络 结构不断变化，同系统正常运行方式完全不同，因此，必须重新整定继电保护设备 以防止保护系统误动，在系统恢复中频率出现明显的下降时，就要在适当的装置点 实施低频减载，这就是地点控制问题。 ( 4 ) 系统恢复计划的制定问题。恢复计划可分为t o p d o w n 方案和b o t t o m u p 方案。t o p d o w n 方案就是先利用联络线提供的辅助能量或者有强大的无功吸收能力 的水电站提供的能量首先建立起大的输电系统框架，接着再逐步恢复发电机和负 荷。而b o t t o m d o w n 方案则正相反，它是先把系统分成几个独立的子系统分别进行 恢复，最后在某一时刻实施并网。 ( 5 ) 电力市场中的黑启动服务。研究黑启动服务费用的计算、收取和支付方 法，并指明了参与黑启动服务的各方在提供服务的过程中的权利和义务。 近些年，随着新技术和新方法的飞速发展和应用，在黑起动研究领域，国外更 加注意运用专家系统、人工神经网络和模糊控制等智能控制技术来揭示黑问题的本 质1 8 j 。除了理论研究分析的成就外，国内外还对黑启动问题进行了许多的仿真和试 验。国外采用黑启动计划有过成功的案例，例如意大利就曾经成功的在3 0 4 0 分 钟的时间完全恢复了3 个火电厂和4 个水电厂，最大负荷为3 0 0 0 m w 的区域电网【9 i 。 国内的黑启动研究起步比较晚，1 9 9 8 年由国家科技部启动了“我国电力大系统 灾变防治与经济运行的重大科学问题”的研究项目，其目的就是提高我国电力系统安 全系数，电力系统恢复方案研究就是其中子课题之一。此后关于电网黑启动的研究 便逐步展开，尤其是2 0 0 3 年“8 1 4 ”美加大停电之后，“黑启动”的研究成为各网、省 电力公司的重点课题之一【1 0 l ，同时，国家电网公司也将电网是否具有黑启动功能作 为考核一个电网是否安全的重要指标，因此国内的各网、省公司更加大了对电网的 “黑启动”工作的研究。华北、华东、吉林、安徽、陕西、浙江、湖北等电网都进行 了电网黑启动方案的研究，其中华北电网子2 0 0 0 年5 月5 只，利用十三陵抽水蓄 能电厂成功地进行了国内首次电网黑启动实验，其试验过程为：十三陵抽水蓄能水电 厂利用蓄电池开启闸门，启动1 台容量为2 0 0 m w 的机组，仅需2 分1 5 秒，机组黑 启动成功，之后通过十三陵昌平变清河变石热厂长度为9 l 公里的2 2 0 k v 线路， 空充电至北京石景山热电厂的一条高压空母线，通过厂高背变为石热厂机组提供启 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 动功率，启动1 台2 0 0 m w 火电机组，机组启动后将其与十三陵电厂的机组并列， 形成一个小系统，再将小系统并入华北电网，历时1 小时3 2 分钟【1 。2 0 0 2 年1 月 1 6 日，湖北省电网也利用本省的抽水蓄能电厂进行类似的黑启动实验【1 2 1 。陕西电网 于2 0 0 3 年8 月2 0 日、云南电网于2 0 0 3 年1 1 月9 日、贵州电网于2 0 0 4 年6 月3 日都利用本省的水电机组进行黑启动实验，均取得了成功1 1 3 h 4 l 。 1 3 巴盟地区及内蒙西部电网介绍 1 3 1 巴彦淖尔市基本情况简介 巴彦淖尔市( 巴盟) 位于中国的北方，内蒙古自治区西部，黄河中游北岸。巴 彦淖尔市东与包头市为邻，西与阿拉善盟毗连，南隔黄河与鄂尔多斯市相望，北渡 阴山与蒙古国接壤，国界线总长3 6 8 8 9 公里。2 0 0 3 年1 2 月1 日，经国务院批准撤 消巴彦淖尔盟行政区，设立巴彦淖尔市。巴市辖临河区、五原县、磴口县、杭锦后 旗、乌拉特前旗、中旗和后旗。在一区二县四旗中，建制镇4 5 个，其中县城镇6 座。市政府设在临河区。截至2 0 0 4 年底，巴市总人口1 7 7 9 1 6 2 万人。巴彦淖尔市 水资源匮乏，但是风力资源丰富，特别是乌拉特后旗地区、乌拉特中旗阴山以北地 区，常年多风，是我国北部最强的西风带，也是我国风能资源最好的地区。巴彦淖 尔市中部山地属阴山山脉，山脉中蕴藏着丰富的矿产资源。 图1 - 1 巴彦淖尔电网地理接线图 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 3 2 巴盟电网简介 巴彦淖尔市地区电网是内蒙西部电网的重要组成部分。它东联包头电网，西接 乌海电网，境内现有火力发电厂3 座，即乌拉山电厂，装机容量为2 0 0 m w ( 2 x 5 0 + l x l 0 0 ) 。杭后特米尔电厂，装机容量为2 1 m w ( 1 x 6 + l x l 5 ) 。临河电厂装机容 量为6 0 0 m w ( 2 x 3 0 0 ) 。运行的5 0 0 k v 变电站1 座为德岭5 0 0 k v 变电站，变电容 量为7 5 0 m v a ；2 2 0 k v 变电站7 座，其中临河东郊变主变电容量2 x 1 2 0 m v a ，五原 隆兴昌变变电容量l x l 2 0 m v a ，前旗沙德格变变电容量2 x 1 5 0 m v a ，中旗文更变变 电容量1 1 2 0 m v a ，厂汉变变电容量l 1 5 0 m v a ，前旗前锋变变电容量l x l 5 0 m v a ， 磴口三盛公变变电容量l x l 5 0 m v a ，是西电东送的重要通道；5 0 0 k v 高德线、2 2 0 k v 海一临双回线、乌一临线双回线、乌一麻线和乌。张线从巴彦淖尔市境内通过，并将 巴彦淖尔市电网与内蒙西部电网连接为一整体。 图1 - 2 巴彦淖尔市电网一次系统接线图 目前，巴彦淖尔市电网分两片运行，以临河东郊2 2 0 k v 变电站为界，以西地区 纳入大乌海供电区域，以东地区纳入大包头供电区域。东部地区主要通过德岭5 0 0 k v 变电站、前锋2 2 0 k v 变电站、文更2 2 0 k v 变电站、五原隆兴昌2 2 0 k v 变电站及沙 德格2 2 0 k v 变电站和乌拉山电厂1 1 0 k v 、3 5 k v 出线供电，西部地区主要通过临河 东郊2 2 0 k v 变、厂汉2 2 0 k v 变电站、三盛公2 2 0 k v 变电站及临河热电厂供电。前 锋2 2 0 k v 变电站有5 回、五原2 2 0 k v 变电站有3 回、临河东郊变有5 回1 1 0 k v 出 线向地区供电；乌拉山电厂2 台5 0 m w 机组通过三卷变分别升压1 1 0 k v 和3 5 k v 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 向地区供电，1 台1 0 0 m w 以单元接线升压2 2 0 k v 接入系统，厂内有1 台1 2 0 m v a 的2 2 0 1 1 0 k v 联变。 依据以上介绍，要考虑巴盟地区的黑启动问题，要从整个内蒙西部电网框架出 发，把巴盟地区电网恢复作为内蒙西部黑启动后电力系统恢复的一部分，不能独立 编制地区黑启动预案。 1 3 3 蒙西电网概况 内蒙古西部电网( 蒙西电网) 是华北电网的一部分。既承担着向地区供电和供 热的任务，又作为向首都送电的重要电网，肩负着向首都送电的光荣任务。截止到 2 0 0 3 年年底，内蒙古西部电网共有发电厂1 4 座，装机总容量6 3 5 4 m w 。其中火电 厂1 3 座，绝大多数为高温高压机组。装机总容量5 8 1 4 m w ；由内蒙古电力公司和 山西省政府、黄河水利枢纽工程公司共同建设的万家寨水电站一座，装机总容量 1 0 8 0 m w ，其中的3 x 1 8 0m w 机组接入蒙西电网。蒙西电网系统的一次接线图见图 1 3 。 图1 - 3 蒙西电网2 0 0 3 年8 月底蒙西电网电气接线图 蒙西电网供电区域为内蒙古西部地区的四市四盟，供电区域面积约4 2 8 万平方 公里，约占全区面积的3 6 2 。蒙西电网最高运行电压为5 0 0 k v 。5 0 0 k v 变电站1 座， 即永圣域变电站，变电容量7 5 0 m v a ；5 0 0 k v 线路7 条，即丰镇电厂万全变双回、 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 丰镇电厂大同二电厂单回、永圣域丰镇电厂双回、达拉特电厂永圣域单回、 国华永圣域单回，线路总长度8 7 7 5 6k m ，在达拉特电厂和丰镇电厂内各设有 7 5 0 m v a 、5 0 0 2 2 0 k v 联络变压器一组。 蒙西电网现以2 2 0 k v 线路为主供电网架。2 2 0 k v 线路西起乌海市的海勃湾电厂， 经棋盘井变、伊和变、临河东郊变、隆兴昌变、乌拉山电厂、包头地区电网、呼市 地区电网，经乌兰察布盟的集宁变、前进变延伸至锡林郭勒盟南部的明安图变， 2 2 0 k v 线路共5 5 回，总长度3 3 0 6 4 5 k m 。蒙西电网供电网络呈东西向狭条状分布， 由西至东2 2 0 k v 线路长约1 0 0 0 k i n 。全网共有2 2 0 k v 变电站2 2 座，主变3 3 台，变 电容量3 6 9 6 m v a 。2 0 0 3 年低，蒙西电网供电负荷3 5 0 万千瓦，最大外送电力1 9 0 万千瓦。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 根据巴盟电网结构、与周边电源的联系、负荷性质以及在网内分布情况、 电网内发电厂的类型，分析论证黑启动的可行性。 ( 2 ) 选择黑启动电源；在与黑启动电源相邻的发电厂内，选择被启动的发电 厂；根据负荷性质选择首先恢复的负荷，根据电网结构确定黑启动路径。 ( 3 ) 搜集和分析电网数据。包括黑启动电源和路径参数以及与黑启动密切相 关的设备参数、负荷参数。 ( 4 ) 按照黑启动步骤，逐步计算每启动一个元件是否存在自励磁、工频过电 压、操作过电压和铁磁谐振等问题，是否满足启动设备运行条件。根据计算结果， 从中确定一套最优方案。 ( 5 ) 确定黑启动步骤，编制巴盟电网黑启动预案。 ( 6 ) 深入讨论蒙西电网黑启动实验的全过程，验证黑启动预案的正确性，提 出实验存在问题和改进意见。 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章黑启动过程及关键技术分析 2 1 黑启动的过程 电网黑启动首要任务是选择黑启动电源，有了启动电源后，应根据系统的结构 特点，确定黑启动路径，将系统划分为几个子系统，独立地进行恢复，然后在某一 阶段通过调度联系，进行子系统并列，以加速系统的恢复过程。选择子系统应遵循 以下原则i l 刈： ( 1 ) 启动路径尽量短； ( 2 ) 尽量减少不同电压等级的变换； ( 3 ) 尽量先启动大容量的机组： ( 4 ) 尽量先启动离重要负荷近的机组。 不同的电力系统恢复方式不同，但总的目标是在最短时问内使系统恢复带负荷 能力并恢复基本网架结构。具体要求有2 个方面：最小实现1 1 “，用最小启动功率尽 可能多的启动机组；制定严格的操作票，实现操作步骤最少。其具体过程可分为如 下几方面1 1 7 2 0 l ： ( 1 ) 电网发生严重故障，导致系统崩溃时，首先检测和确定系统的状态，明 确目标系统，并在此基础上，将整个系统划分为若干个小系统、确定启动电源、需 要优先恢复厂用电的机组和负荷以及恢复路径。小系统划分时必须保证每个小系统 内具有独立的自启动机组。 ( 2 ) 分别进行小系统内“黑启动”机组的自启动，若存在联络线支援，可考虑将 它与“黑启动”机组相配合，以实现尽快系统恢复。同时为确保“黑启动”机组的稳定 运行和频率、电压在允许范围内波动，需及时适当的接入一定容量的负荷。 ( 3 ) “黑启动”机组启动发电并稳定运行后，将启动功率通过线路送至其它机组， 带动其它机组启动。 ( 4 ) 小系统内机组的并列。首先完成各机组零起升压，达到并列条件后，将 机组与系统同期并列，恢复更多的负荷，并最终完成满负荷运行。 ( 5 ) 各小系统成功恢复后，调整各小系统频率及电压平衡，利用系统间的联 络线进行同期并列，完成整个网络的重建。 ( 6 ) 恢复系统剩余负荷，最终完成整个系统的恢复。 8 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 2 黑启动的关键技术分析 2 2 1 黑启动电源的确定 系统全停后恢复的顺利实现关键在于启动电源，通过它才能恢复负荷和其它机 组，而这里的启动电源又可分为两种：黑启动机组和区域联络线援助。黑启动机组 是指具有自启动能力的机组，能在无外界电源的帮助下，利用自身机组的特性进行 启动，在系统停运后快速恢复供电。抽水蓄能机组用作黑启动电源最为方便：它实 际上是发电电动机，运行方式可以有多种，高峰时发电，低谷时抽水，且厂用电很 少。当需要进行黑启动时，可利用抽水储存的能量，迅速转变为电能，恢复发电。 一般的水电机组也可以用作黑启动电源，可以通过手动或直流电源打开闸门进行发 电，它们同样也存在着启动速度快，占用厂用电少的优点。根据运行经验，水电机 组冷启动大约需要3 5 分钟，启动功率大约占其额定有功的0 5 左右。可见，在系 统恢复初期可用电源匮乏和时问紧迫的情况下，这是十分突出的优点。在火电机组 中只有燃气轮机可作为启动电源：它可在无厂用电的情况下快速启动，其冷启动约 2 0 分钟，其中包括1 0 分钟左右的预热，在紧急情况下的热启动只需7 8 分钟。而 对于其它火电机组，启动时必须有厂用电源提供启动功率，i o o m w 机组热念启动 约需3 0 分钟，启动功率为6 左右；2 0 0 m w 机组热态启动约需5 0 分钟，启动功率 为6 左右；3 0 0 m w 机组热态启动约需8 0 分钟，启动功率为5 6 左右；6 0 0 m w 机 组热态启动约需9 0 分钟，启动功率为4 5 左右。 在电力系统恢复中，省问或网际联络线送电是另一类极其重要的启动电源。特 别是当停电区域本身无黑启动机组或黑启动机组不足时，利用邻近电网的电能来进 行事故系统的恢复显得尤为重要，这时，联络线支援成为恢复过程中不可或缺的因 素，发挥着举足轻重的作用。即使当停电区域本身具有充足的黑启动电源，考虑联 络线支援仍然是系统恢复的一个重要的因素，因为它与黑启动机组相配合进行系统 恢复时，将能大大地加速整个恢复进程。并且，当主要的黑启动机组由于某种不可 预料的原因不能成功启动时，联络线支援还可充当备用电源，代替发生故障的黑启 动机组以便使系统恢复按计划进行下去。总之，考虑联络线支援，将能在一定程度 上缓解恢复时间上的压力，并使系统恢复时的手段和方案更加灵活多样1 2 1 j 。 2 2 2 黑启动机组的自励磁问题 机组的自励磁是种谐振现象，当输电线路的长度增加时，线路的容抗置变小， 如果其小于发电机的同步电抗邑时，即x 。以时，即使发电机的励磁电流为零， 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 由剩磁所激发的发电机的端电压也会逐渐增大而稳定在某一定值，这种现象叫做机 组的自励磁。其所建立电压的大小与线路长度和发电机参数有关。当发电机参数一 定时，线路越长，电压越高，甚至会达到非常大的数值，危及发动机的正常运行和 有关设备安全。发电机自励磁的特点是1 2 2 2 4 j ： 首先，自励磁所需的能量由参数变化的发电机所供给，而不需单独的电源电压。 在起始阶段，只要回路中具有某些残余能量，例如，转子剩磁切割绕组而产生不大 的感应电压，或电容两端具有微小的残压，就可保证自励磁现象的持续发展。 其次，由于实际电网中存在着一定的损耗电阻，所以每次参数变化所引起的能 量应当足够大( 即参数变化足够大) ，以便不仅可以补偿电阻中的能量损耗，才可 能并使回路中的储能愈积愈多，保证自励磁的发展。 第三，自励磁发生后，回路中的电流和电压的幅值，理论上能趋于无穷大。但 是，随着电流的增大，电感线圈逐渐达到磁饱和状态，电感l 迅速变小，使回路自 动偏离共振条件，从而限制了自励磁过电压和过电流的幅值。 一x d ，x q rx 图2 - 1 发电机带空载长线路 如图2 1 所示，当发电机空载带长线路时，相当于带了1 个容性负荷，如果发 电机上有剩磁，则机端会有1 个微小的电压u n ，此电压加在容性负荷上，系统将产 生容性电流，该容性电流会对发电机产生助磁效应。随着励磁电流增大，机端电压 将越来越高，系统中容性电流也将增大，助磁效应增强，砜又将增强。如此反复， 机端电压越来越高，但由于实际存在磁路饱和，机端电压不会无限增大。 由于此时并无真正的励磁电流，系统容性电流充当励磁电流，所以有以下关系： 乩一- l ( 以+ 以) ( 2 - 1 ) 由于转子铁心渐趋饱和，置渐小，蜀+ x 。也渐小，u 0 最终将稳定在某一值上， 即最后有个稳定的状态。因此可以这样说，由于饱和的存在，所谓发电机自励磁 就是在电容性负荷条件下，发电机发出反应功率并建立了一个对应于某一饱和直轴 同步电抗( 饱和x 。值) 的稳态运行方式。如鼍小于非饱和的以不多，自励磁电压 并不高，相反则自励磁电压会很高。此外，发电机剩磁的激发对建立自励磁方式也 是必需的，而励磁绕组的开路或短路对同步发电机自励磁的稳态电压、电流值应无 ) 华北电力大学工程硕士专业学位论文 影响。 在黑启动过程中，由于发电机远距离送电启动其它发电机，空载线路合闸后， 在超高压长线路上有显著的电容效应，容易引发自励磁现象。因此，在制定黑启动 方案时，应当进行计算研究，避免自励磁现象的发生。下面我们讨论一下判别发电 机产生自励磁的条件： ( 1 ) 边界条件法 设在一同步发电机的定子中有一组稳定正序电流流过，其综合相量为l 。如果 发电机能够送出电磁功率，以平衡输电系统电阻中的功率损耗，则发生了同步自励 磁。 托 xd+x q 2 0r 图2 2 产生自励磁的边界条件 同步自励磁产生时，定子电流产生的磁场与转子相对静止，并由于实际存在的 磁路饱和，发电机电压不会无限上升而要稳定在某一固定值( 尽管有时这一固定值 非常大) ，所以同步自励磁最后是一种稳态运行方式【2 5 1 。 根据参数谐振的概念得到其稳定边界，其边界条件为： 一笺乌：+ r 2 。( 芝马： ( 2 2 ) 用图形表示即为图2 - 2v e 半- nm 。这一半圆圆心的坐标为( o ，坚呈坠) ，而 z 其半径为( x 。一以) 2 。半圆内的一部分是不稳定区。当代表输电系统参数的点( r ， x ) ，落于半圆m 内时，系统就会发生同步自励磁。 ( 2 ) 阻抗比较法 1 1 华北电力大学工程硕士专业学位论文 图2 3 自励磁的建立过程 如图2 3 中直线为线路充电特性，当与发电机空载特性曲线相切时，相当于以 = 以，此为临界。当五 五时，充电特性与曲线无交点，不能发生自励磁，丽当置 ( e 时，为产生自励磁条件。一般情况下，发电机经变压器带空载线路的，考虑到 变压器的漏抗以，即x c ( 以+ 以) 不会发生自励磁，考虑频率变化及参数误差， 一般取安全系数c = 1 2 ，即 x c 1 2 晖，+ x 4 1 ( 2 - 3 ) 时就不会发生自励磁【2 6 1 。 ( 3 ) 容量比较法 当自励磁时，：0 ，e = 0 ，则有t 争争，取发电机本身容量& 为基准值， 01c 。d 则发电机充电容量为：。t 。譬。七( 因取= 1 ，+ 则= k ) ，式中k 为短 ad。4 路比，发电机充电能力的实际值为k s c 。因此，只要发电机的容量& 乘以发电机的 短路比k 大于线路的充电容量线，即 磷 q c ( 2 - 4 ) 系统不会发生自励磁【2 饥。 2 2 3 空载线路的过电压问题 2 2 3 1 空载线路的合闸过电压 恢复超高压架空线送电时，必须考虑几个过电压问题：持续工频过电压、操作 1 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 过电压和谐振过电压。空载线路合闸产生的过电压属于操作过电压，当线路不太长 时，其过电压倍数约为1 7 2 0 ；当线路很长时，由于电容效应，长线路末端的电 压会很高，若无限制措旋，线路上的过电压倍数可达3 6 或以上l 删。 在计划性地合闸之前，线路上不存在接地，系统处在种对称的稳定状态，c 上初始电压为零，在合闸初瞬间的暂态过程中，电源电压通过系统等值电感l 对空 载线路的等值电容c 充电，由于合闸前后以的初始值合状态值不同，回路中将产生 一个过渡过程，这个过渡就是电感l 和电容c 回路中的高频振荡，其振荡频率为 1 厶一；，它叠加在合闸后的稳态电压上，就可能产生危险的过电压【2 9 1 。 图2 - 4 空载线路合闸时等效电路 埘。( f ) 由于回路的振荡频翠很高，司以认为在振荡初期电源电压为但定值，授图2 - 4 的 等值电路来计算。其中u ( t ) 为合闸瞬问的电源电压瞬时值，它由合闸时电源的相 角所决定。我们考虑最严重的情况，即在电源电压u ( t ) 为幅值吒时合闸，此时 可近似看作是合闸于直流电源的振荡回路，根据图2 - 4 列出回路方程为： 妾+ 丢胪。u 碍 ( 2 5 ) mc j “ f ；c 丝 ( 2 6 ) 出 由此到处： u , + l c 争一( 2 - 7 ) 由初始条件t = o 时，。0 ，f a c ! 。0 ，解得“。一( 1 一c o s 哪) 。当a j d = 0 时， a t 。 c o s o o t _ - l 。即t 一三时合闸，h 。达最大值“。t 2 u 。考虑到回路中存在损耗，实 。 际振荡过程中线路上的电压要比2 吒低。而影响空载线路合闸过电压的因素有： ( 1 ) 合闸相位的影响； ( 2 ) 残余电压的影响； 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( 3 ) 断路器不同期合闸的影响； ( 4 ) 电容效应的影响，限制合闸过电压最重要的措施就是在线路首端和末端 装设避雷器或高压并联电抗：器r 1 3 0 1 1 3 。图2 5 为线路空载合闸时无损耗和有损耗时的 波形图。 图2 - 5 空载线路合闸时的电压波形 ( a ) r = 0( b ) r ：0 2 2 3 2 空载线路的工频过电压 2 黑启动过程中首先充电空载或轻载线路，由于分布电容的存在，必将产生大量 无功，造成系统电压抬高，此为工频过电压。持续工频过电压是由于轻载输电线路 充电电流引起的，它是电力系统内部过电压中常见的一种暂时过电压，持续时间较 长的，它对系统过电压保护、设备绝缘、系统的并列和设备局部放电影响较大。 当一个地区或一台发电机黑启动成功时，把它作为启动电源对空载线路合闸送 电，在合闸之前，线路上一般不存在接地故障，即三相接线是对称的。长距离线路 由于分布电感和分布对地电容的存在，容抗往往要大于感抗，则在电源电势雷的作 用下，线路中将流过容性电流。由于容性电流在感抗上的压降d ，于容抗上的压降啡 反向，使得容抗上的电压以大于电源电势，即以一d ，+ 应，这种现象称为电容效应。 对于空载长线路，需要用分布参数来分析，沿线的电压从终端到首端按照余弦分布 【3 2 l ，如图2 6 所示。 禾端电j k 图2 - 6 线路合闸后稳态电压分布 1 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 由均匀分布参数长输电线路的电压分布可知： 玑。u c o s a x ( 2 - 8 ) 一j s 缸蚍 协9 ， o z 螂耐一e 五( 2 - 1 0 ) 二 其中，应为电源电势；以为末端电压；以为线路上距离末端长度x 处的电压； 口为相位系数，对于输电线路，通常a 。0 0 6 。k i n ；z c 一止：i ，、y 1 分别为每公里 线路的电抗和电纳值；置为电源电抗令妒。f g 1 参，电压传递系数七一警，则公 式( 2 - 1 0 ) 可改写为： 七一i w 8t 磊c 两o s q o ( 2 - 1 1 )ec o s ( 口f + 舻) 由公式可知，电源容量越小，即置越大，就越加剧线路末端电压的升高，因为 线路电容电流流过x 所产生的升压，使线路首端电压高于电源电势，使线路的工频 过电压趋于严重，犹如增加的线路长度，电源容量愈小，此情况愈严重f 3 3 1 。图2 7 中的曲线给出了线路末端电压与线路长度的关系。曲线1 和2 分别是等等于。和 。3 8 时，警的倍数，可见在4 。k m 长的线路中，工频电压已升至1 3 2 倍【3 4 - 3 6 1 。 致 图2 7 线路末端电压与电路长度的关系 1 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 2 4 黑启动初期的系统稳定问题 2 2 4 1 系统的低频振荡 大电网互联电抗的大小和系统阻尼性能成反比，系统之间电气距离越近，其阻 尼性能越好，反之，阻尼性能变差，易出现低频振荡。什么是低频振荡呢? 电力系 统中的发电机经输电线路并列运行时，在某些大的或小的干扰作用下会发生发电机 转子之间的相对摇摆，在缺乏阻尼时将会引起持续振荡，此时，输电线上的功率也 发生相应的振荡，由于频率很低，一般再0 1 5 2 5 h z 之间，放称为低频振荡。这 种低频振荡一旦发生，或持续短时间后自行消失，或继续加剧以至造成系统解列。 黑启动初期系统联系较弱，多为超高压远距离送电，机组容量小，因此容易发 生低频振荡。这可通过电力系统稳定器( p s s ) 感受发电机转速或电磁功率的变化， 适当调整励磁电流，改变发电机端电压，从而达到阻尼功率振荡的目的，提高电力 系统动态品质。合理调整潮流分布及有选择地加入p s s 可有效抑制和消除低频振 荡。因此，在选择黑启动机组时，尽量选择有p s s 装雹的机组，对于优先启动的机 组，也应首先考虑有p s s 装置的机组。避免长距离输送大功率，合理分布潮流，也 可有效避免系统的低频振荡。 2 2 4 2 频率、电压的控制 在黑启动过程中，保持系统频率和电压稳定至观重要，每一步操作都要监视系 统频率和重要节点电压水平，频率与系统有功负荷有关，在黑启动初期，控制频率 的稳定非常重要，否则将造成频率崩溃或发电机超速，最终导致黑启动失败。控制 频率涉及负荷恢复速度、机组调速器响应和二次调频。 当电力系统在正常频率下运行，出现不大的有功功率缺额时，运行频率会少许 下降，但系统是稳定的。如果有功功率缺额较大时，而系统又无备用容量，则运行 频率就不能稳定于较高的数值而不断下降。如图2 8 所示。如果增加系统负荷，则 负荷特性曲线自a 1 上移至a 2 。与发电机的出力特性交于点1 。这时由于调速器的 作用，使对原动机的供汽( 或供水) 增加，因而发电机出力增大，而频率则按调速 器的调差特性相应减小到f 1 。当发电机的备用容量全部用完( 图2 - 8 中的点2 ) ，调 节阀门全部打开，出力不能继续增大时，发电机的特性近似地可用2 4 直线表示， 即认为阀门全开后，原动机的功率不再变化。系统频率根据负荷特性由a 1 变到a 4 时，维持在，田。实际上，发电机的特性在经过点2 后，由于发电厂的汽压、供水量、 水头等随频率的变化而下降，所以出力不仅不可能增大，而是随着频率的下降而下 1 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 降，即发电机的实际出力特性是沿曲线2 3 4 变化的。当负荷的特性曲线与出力 的特性曲线相切时，即频率稳定的极限点，相应于d 假一晶) l d f 一0 。如果超过这一 状态，任意小的负荷变化，都将使系统的出力和负荷功率达不到平衡，以致频率快 速下降，如图2 - 9 。在有功严重不平衡的系统中，可能出现的频率崩溃过程延续时 间约为十几秒，甚至只有几秒。 p ， o 图2 - 8 电力系统频率崩溃的发展图2 - 9 频率崩溃变化曲线 ， 因此为保证系统稳定，在黑启动初期，需保证非自启动机组获得最多的启动功 率，同时必须恢复系统负荷以保证功率平衡。而在恢复有功负荷时，其速度必须与 发电机调整出力的速度相适应，防止由于负荷恢复过快，而发电机调整出力的速度 跟不上，造成系统频率过低，甚至导致频率崩溃。另一方面，首先恢复的负荷应包 括一部分低频减载控制负荷，一旦系统发生低频时，切除部分负荷，恢复系统频率， 防止系统瓦解。 电压控制与系统无功有关。在黑启动初期，由于负荷比较小以及线路的充电电 容的作用，线路末端电压往往要高于始端电压，这将对一些电气设备的绝缘造成危 害。电压控制可采取的措施有：降低发电机端电压，包括减少无功出力或机组进相 运行；对于双回线只投单回；投入线路高抗；在变电站低压侧加入补偿装置：调整 变压器分接头等。但在系统恢复到一定阶段时，由于负荷的增加，无功需求也会大 量增加，就有可能导致局部地区电压过低，如果调整不当将造成电压崩溃，导致黑 启动的失败i j 7 1 。 2 2 4 3 小系统的抗干扰能力 系统初步恢复后，网架结构还比较薄弱，整个系统容量较小，因此系统受大干 扰时暂态稳定情况就必须考虑。所谓大扰动，是相对于小扰动而言，一般指短路故 障、突然断开线路、切除大负荷或发电机跳闸等。如果系统受到大的扰动后仍能保 1 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 持稳定运行，则系统在这种情况下是暂态稳定的；反之，如果系统受到大的扰动后 不能保持稳定运行，而是各发电机转子之间相对运动，相角不断变化，因而系统的 功率、电压和电流不断振荡，以至整个系统不能继续运行下去，则系统在这种情况 下不能保持暂态稳定。按照电力系统稳定导则的要求，黑启动初期的小系统稳 定只按单相接地的单一故障考虑【3 羽。 2 2 5 分析工具介绍 e m p t 和b p a 是我们进行黑启动研究时需要用到的两个工具，是适用于电力系 统计算的程序，由中国电力科学研究院编写，简要介绍一下。e m t p 是一个高级的 暂态分析程序，用于对电磁暂态的仿真和谐波分析，能满足电能质量、雷击保护、 铁磁谐振、电力电子等领域的研究分析，可以模拟各种对称及不对称故障、各种复 故障、发电机失磁故