（电气工程专业论文）黑龙江电网黑启动的研究.pdf

哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 黑龙江电网黑启动的研究 摘要 “黑启动”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，依靠本身的自启动机组或依靠临近电网的联络线支援，逐步恢复系统各 运行元件和供电服务到正常运行状态的过程。电网是否具有“黑启动”能力， 已被国家电网公司作为考核电网是否安全的重要指标之一。 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。针对黑龙江电网的实际情况，通过理 论分析和仿真计算，详细探讨了“黑启动”的过程。通过对黑龙江电网的实 际网架结构和机组特性的分析，确定出了电网中具有“黑启动”能力的机组 和全停事故中能够保持运行的机组。结合“黑启动”机组所在区域的电网结 构和负荷分布情况，并考虑机组的自励磁问题和送电过程中空载线路的过电 压问题，将整个黑龙江电网划分为4 个小系统，即镜泊湖、莲花厂、富二厂 和哈尔滨小系统。并对4 个小系统的黑启动分别进行了研究，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、路径和数量。在4 个小系统 恢复成功后，将各个小系统进行并列，即恢复了整个电网。 由于技术和条件的限制，黑龙江电网尚未进行过实际的“黑启动”实验。 本文对黑龙江电网“黑启动”进行了分析，对黑龙江电网编制“黑启动”预 案具有一定的指导作用，同时可作为局部电网系统事故的紧急预案和调度员 培训工具。 关键词黑龙江电网；黑启动；自励磁；过电压 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 r e s e a r c ho nb l a c ks t a r to fh e i l o n g ji a n gp o w e rs y s t e m a b s t r a c t b l a c ks t a r ti sac o u r s eo ft h ep o w e rs y s t e mg r a d u a lr e c o v e r yw h i c ho c c u r s w h e nt h ew i d e s p r e a dp o w e rs y s t e mi sc u to f fb e c a u s eo fd i s t u r b a n c eo rf a u l t p a n sa n dp o w e rs u p p l yo fs y s t e mc a r lr e c o v e rd e p e n d i n go ni t ss e l f - s t a r t g e n e r a t i n gs e t o rt h eh e l po fa d j a c e n tp o w e rs y s t e mo nt i e l i n e w h e t h e rt h e n e t w o r kh a st h ea b i l i t yo fb l a c k s t a r ti sr e g a r d e da so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t s a f e t ys t a n d a r do f p o w e rs y s t e mb yt h en a t i o n a lp o w e rc o o p e r a t i o n i nt h i sp a p e r t h ec u v f e n tr e s e b r c hs t a t eo fb l a c k s t a r t t e c h n i q u e i s i 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 oh e i l o n g j i a n gp 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 f b l a c k - s t a r ti nd 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 d c h a r a c t e ro fg e n e r a t o r s t h eg e n e r a t i n gs e tw h i c hc a ni m p l e m e n tb l a c k s t a r ta n d c a l lw o r kn o r m a l l yw h e nt h en e t w o r ki sc u to f fc o m p l e t e l ya r ed e t e r m i n e d ， 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 g ，o 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 ，t h es t r u c t u r eo fn e t w o r ka n dl o a dd i s t r i b u t i o n s i t u a t i o ni nt h ea r e ao fh e i l o n g j i a n g ，t h ew h o l en e t w o r ki sd i v i d e di n t of o u rs m a l l s y s t e m s ：j i n g p ol a k e ，l i a n h u af a c t o r y ，f u e rf a c t o r ya a dh a r b i n ，w er e s e a r c h t h e ma n da n a l y z et h ev o l t a g ea n dt h es t a b i l i t ys e p a r a t e l y a tl a s tt h ec o u r s eo f l o a dr e c o v e r y , t h ew a ya n dt h en u m e r i c a lm e a s u r ea r eg i v e n a l ls m a l ls y s t e m s a r ea r r a n g e di np a r a l l e la f t e rt h e yw e r er e c o v e r e ds u c c e s s f u l l y , t h u st h ew h o l e n e t w o r ks t r u c t u r ei sr e c o v e r e d b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o n so ft e c h n i q u ea n dc o n d i t i o n b l a c k s t a r th a s h tb e t e s t e d i th a sb e e na n a l y z e di n t h i sp a p e r , ih o p et om a k eag u i d et ot h er e a l s c h e m eo fb l a c k - s t a r ti nh e i l o n g j i a n gp r o v i n c e 。s i m u l t a n e o u s l yi tm a yb ea n e m e r g e n tp r e l i m i n a r ys c h e m ea n dt h et r a i n i n gt o o l sf o rt h ed i s p a t c h e r sw h e nt h e p o w e rs y s t e mb r e a k sd o w ni nt h el o c a ln e t w o r k k e y w o r d sh e i l o n g j i a n gp o w e rs y s t e m ；b l a c k s t a r t ；s e l f - e x c i t i n g ；o v e r v o l t a g e i i - 堕玺鎏堡三奎兰三堡堡圭兰堡鎏圣 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着国民经济的不断发展，社会各方面对电力的需求也越来越大，经济的 发展要求资源在更大的范围内优化配置，客观上要求电网的规模不断扩大，高 压电网也随之不断的发展，大容量机组、长距离输电线路大量投入使用，电网 的安全问题也越来越重要。目前，我国正在逐步实施各大区域电网的联网工程， 在不久的将来要实现全国电网的联网运行。然而任何一个客观事物的存在和发 展都具有两重性，大电网的优势是显而易见的，能够提高供电可靠性、促进资 源的优化配置、经济合理利用能源，实现输电的规模经济效益，提高电能质量 和电网的安全稳定水平，但随着电网的互联和电网覆盖范围的扩大，局部电网 的某些个剔闯题，若处理不当或不能迅速消除时，很可能导致稳定破坏和不可 控的连锁反应会造成事故扩大，波及临近广大区域，并可能引起恶性连锁反应， 威胁整个电网的安全，最终造成大面积停电或全部停电的重大系统事故，对社 会的政治稳定和经济安全造成严重影响，这是其它行业的事故无法比拟的。如 1 9 8 2 年和1 9 8 9 年的加拿大魁北克、1 9 8 7 年的日本东京、1 9 9 6 年的马来西亚和 美国西部地区、1 9 9 9 年的我国台湾地区以及2 0 0 3 年的美加大停电，都产生了严 重的后果，造成了一系列的社会问题和经济损失。在电网大面积停电的债况下， 迅速恢复电源是至关重要的，若无任何黑启动措施，将使停电时间延长，电网 的恢复将更加困难、使国民经济遭受更大的损失。如1 9 9 7 年7 月的纽约大停电， 经2 5 小时后才全部恢复供电，1 9 8 2 年1 2 月的加拿大魁北克全省大停电、1 9 8 7 年8 月东京地区的停电、1 9 9 6 年美国西部电网连续发生全国性大面积停电事故， 在当时的运行水平和条件下，由于忽视了其重要性，这些电网均没有准备黑启 动方案，从而使恢复供电时间延长，给国民经济造成巨大损失，2 0 0 3 年的美加 大停电更是长达2 9 小时，损失3 0 0 多亿美元。相反的，法国国家电力公司由于 一开始就采取了相应措施，有合理的启动程序，因此在历次大停电事故中均取 得了主动，大大的缩短了停电时间。正是由于这种矛盾的存在，才促使电力技 术和管理体制的不断创新，以解决大电网运行存在的这种矛盾。在当前新的电 力体制下，尽快建立适应新体制的电网安全运行机制是当务之急，因此，作为 电力系统安全运行的重要措施之一，研究电网全停后的恢复问题即黑启动显得 晴尔滨理工大学工程硕士学位论文 尤为重要。 所谓黑启动( b l a c k s t a r t ) ”，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，逐步恢复系统各运行元件和供电服 务到正常运行状态的过程。 现阶段东北、华北电网已经实现了联网运行，2 0 0 3 年9 月份，华北、华东 电网已经完成了联网运行的初次调试，将于2 0 0 4 年正式联网运行。东北与华北、 华东电网联网后，东北电网尤其是黑龙江电网的剩余电力可以通过联网线路输 送到华北、华东地区，这样大大缓解了华北、华东地区的用电紧张状况，又提 高了东北电网尤其是黑龙江电网的经济效益。但随之而来的是黑龙江电网的稳 定水平由于联网而将显著下降，南送断面的稳定极限由联网前的1 3 0 0 m w 下降 到9 0 0 m w t “。对于黑龙江电网这样一个庞大的系统，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，甚至酿成黑龙江电网全部瓦解。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 防范措施和应急预案之一，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，防忠于未然。因此，我们的黑 龙江电网黑启动方案的研究是具有现实意义的，是值得探究的课题。 1 2 国内外黑启动技术的研究状况 国外于上世纪7 0 年代末就开始了电网黑启动的研究，最初只是讨论恢复策 略等恢复中注意的问题等。国家不同，采用的方法也不同，有向上恢复策略、 向下恢复策略、向内恢复策略、向外恢复策略、共同恢复策略等。其目的只有 一个：尽快地、安全地将事故后系统恢复到正常运行状态，同时使负荷损失减 少到最小。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 哈尔滨理t 大学工程硕士学位论义 揭示黑问题的本质【3 1 ，并有过一些成功的经验，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n 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 5 1 ，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，其中华北电网于2 0 0 0 年5 月5 日，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l 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 1 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动功率，启动l 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l 小时3 2 分钟【“。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【7 j 。陕西电网于2 0 0 3 年8 月2 0 目、云南电网于2 0 0 3 年1 1 月9 曰、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f 8 】【9 1 。丽吉林电网公司也早在2 0 0 2 年 就进行了黑启动的理论分析和仿真计算，并计划于近期与东北电网公司利用云 峰水电站进行联合黑启动实验【i “。 1 3 本文研究的主要问题 黑启动主要研究电力系统发生大面积停电后的恢复策略和恢复过程中遇到 的问题。主要涉及黑启动时发电机自励磁问题：空载线路操作过电压问题；黑 启动初期的低频振荡问题；恢复过程中功率平衡和电压调整问题；初步恢复后 的系统稳定问题。 本文主要研究的主要问题是：在黑龙江电网发生全停事故时，整个电网在 没有联络线的支持下，以目前黑龙江电网的实际网架结构为基础，利用有黑启 动能力的机组和全停事故中保留的机组，结合所在地区域的电网结构和负荷分 堕堑鎏矍三查兰三堡堡圭兰竺篁三 布，将整个电网划分为若干个小系统，进行单独的黑启动，并在适当时候将各 小系统并列，以恢复整个电网的结构。具体包括：黑启动机组的确定、小系统 的划分、机组自励磁和空载过电压的计算、系统稳定的校验、恢复送电的路径、 负荷的分配及小系统间并列点的选择等，并给出黑龙江电网进行黑启动的操作 具体路径。 哈尔滨理t 大学t 程硕十学位论文 第2 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i j t ”】： ( 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间内使系统恢复带 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”“，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【”h ”】： 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。 堕堡鎏堡三奎兰三堡垒圭兰堡尘兰：一 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间紧迫 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，1 0 0 m w 机组热态启动约需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【l ”。 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 2 2 2 黑启动机组的自励磁问题 机组的自励磁是一种谐振现象，当输电线路的长度增加时，线路的容抗恐 变小，如果其小于发电机的同步电抗蜀时，即x 。 x d 时，充电特性与曲线无交点，不能发生自励磁， 而当x c x 仉e 堕尘鎏翌三查兰三堡堡圭兰堡尘兰 。 基准值，则发电机充电容量为：只= u 。t = 孥= 七( 因取u 。2 1 ，则击= t ) ， 式中k 为短路比，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 昆乘以发电机的短路比k 大于线路的充电容量q e ，即 k s c 皱、 ( 2 - 4 ) 系统不会发生自励磁 2 3 】。 2 2 3 空载线路的过电压问题 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，若无限制措施，线路上的过电压倍数可达3 6 或以上1 2 4 】。 在计划性地合闸之前，线路上不存在接地，系统处在一种对称的稳定状态， 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三 对空载线路的等值电容c 充电，由于合闸前后毗的初始值合状态值不同，回路 中将产生一个过渡过程，这个过渡就是电感和电容c 回路中的高频振荡，其 “。( f ) 图2 4 空载线路合闸时等效电路 f i g 2 - 4e q u i v a l e n tc i r c u i to f t h ei d l e rc i r c u i tw h i l es w i t c h i n go n 由于回路的振荡频率很高，可以认为在振荡初期电源电压为恒定值，按图 2 4 的等值电路来计算。其中“o ) 为合闸瞬间的电源电压瞬时值，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“o ) 为幅值k 时合闸， 就压稳 击 荡 过 哈尔滨理工大学工程碗十学位论文 此时可近似看作是合闸于直流电源巩；的振荡回路，根据图2 - 4 列出回路方 程为： 三要+ 击p 哦 ( 2 - 5 ) 硪c 3 4 f _ c 盟( 2 6 ) 由此导出 “。+ c 争咄 由初始条件t = 0 时，虬：o ，f ：c ! ：o ，解得虬 讲 ( 2 7 ) = u x g ( 1 一c o s g o o t ) 。当曲。r = 0 时，c o s 0 9 0 t = 一l ，即t = 兰时合闸，“。达最大值“。= 2 u 。考虑到回路中存 叫0 在损耗，实际振荡过程中线路上的电压要比2 以。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；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 术端装设避雷器或高压并联电抗器1 2 6 h 2 ”。图2 5 为线路空载合闸时无损耗和有 损耗时的波形图。 2 空载线路的工频过电压 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 源电势言的作用下，线路中将流过容性电流。由于容性电流在感抗上的压降u ，于 容抗上的压降反向，使得容抗上的电压0 。，大于电源电势，即“：+ d ，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口”，如图2 - 6 所示。 哈尔演理1 二大学工程硕士学位论文 “e 剀2 5 空载线路合闸时的电压波形 ( a ) r = 0 ( b ) r # 0 f i g 2 - 5v o l t a g ew a v eo f t h en o - l o a dc i r c u i tw h i l es w i t c h i n go n ( a ) r = o( b ) r 如 末端电压 距离末端长度x 图2 - 6 线路合闸后稳态电压分布 f i g 2 - 6v o l t a g ew a v eo f t h en o - l o a dc i r c u i tw h i l es w i t c h i n go n 由均匀分布参数长输电线路的电压分布可知： u x = u s c o s t 2 x ir 、u g 。2o 芎8 1 n 唧 1 2 2 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 堕丝堡矍三查兰三堡竺圭耋丝篁兰 秒s2 = 五e ( 2 1 0 ) c o s f 一二：三s i n a z 厶f 其中，壹为电源电势：0 。为末端电压；以为线路上距离末端长度工处的电压； 口为相位系数，对于输电线路，通常d “0 0 6 。k m ；z 。= 止鬲，z ，、y ，分别 为每公里线路的电抗和电纳值；卫，为电源电抗。令伊= 增。等。，电压传递系 数t = i u g ，则公式( 2 1 。) 可改写为： ：生：翌翌( 2 - 1 t ) e c o s ( a + 妒) 由公式可知，电源容量越小，即墨越大，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1 2 9 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 誓f 桫1 别是参等于。和。3 8 时，虿u g 的倍数，可见在4 0 0 k m 长的线路中，工频电压 哈尔滨理工人学工程硕士学位论文 已升至1 3 2 倍【3 0 】刚。 2 2 4 黑启动初期的系统稳定问题 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，一般在0 1 5 2 5 h z 之间，故 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。东北电网的红石电厂、白山电厂、元宝山、云峰电厂和哈三 电厂都发生过低频振荡，由于处理得当，未造成严重后果口“。 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 装置的机组， 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 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，否则极易导致黑启动失败。 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叫1 。如图2 8 所示。如果增加 系统负荷，则负荷特性曲线自a l 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 。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 竺查鎏堡三奎耋二耋筌圭茎堡篁兰 尸 f 图2 - 8 电力系统频率崩溃的发展 f i g 2 8d e v e l o p m e n to f t h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mf r e q u e n c yc o l l a p s e 0t 图2 - 9 频率崩溃的变化曲线 f i g 2 9v a r i a b l ec u r v eo f t h ef r e q u e n c yc o l l a p s e 地可用2 47 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 l 变到a 4 时，维持在鑫。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，相应予d ( 只一岛) d f = 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 1 ”。在有功严 堕尘篁堡三奎兰三堡堡圭兰堡篁兰 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。 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。丽在恢复有功负荷时，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，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”7 3 。 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 力或机组迸相运行；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【“。 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i “】。 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、发电机失磁故障等，其辅助支持程序 还可以进行变压器阻抗矩阵、磁饱和、磁涝回线、氧化锌避雷器、线路参数等 竺尘堡些三尘茎三堡至；：茎竺兰兰 ： 计算。其主要模型有：各种e m t p 支路模型、各种开关模型、各种e m t p 电源 元件模型、e m t p 潮流计算等。本项目研究主要利用e m t p 来仿真合空载长线 路时出现的自励磁和操作过电压。 b p a 电力系统分析程序包括潮流计算程序和暂态稳定计算程序。b p a 潮流 程序最大可以计算分析2 5 0 0 个节点、4 7 5 0 条支路、1 5 条两端直流线路、7 0 条 多端直流线路和6 0 个功率交换区域的电力网络，采用的计算方法是牛顿一拉夫 逊法，以及改进的牛顿一拉夫逊法。其主要的功能有：负荷静特性模型、自动 电压控制、网络等值、系统事故分析等。b p a 稳定程序是用于分析电力系统在 稳态下受到各种扰动时的系统动态行为之有力工具，程序采用的基本解法是： 所有微分方程线性化后用梯形积分法求解：网络方程可用导纳阵三角分解后迭 代求解，也可用牛顿法求解网络方程。稳定程序分成求解和输出两部分，求解 部分生成两个求解文件，以保存求解过程中所有母线的输出信息和复故障计算 信息。稳定程序有以下模型：发电机模型、励磁系统和调速系统模型、负荷模 型、模拟各种对称及不对称故障。在本项目研究中，主要利用b p a 来仿真小系 统的潮流分布，研究负荷恢复时原动机的频率响应，节点的电压变化，阻及各 自动装置的调节作用，并校核枫组并列引起的暂态稳定问题，考核小系统和最 终系统的小扰动稳定性。 2 _ 3 本章小结 “黑启动”的过程主要分为确定黑启动机组、划分小系统、负荷恢复3 个 步骤，同时为了加快系统恢复的速度，尽量选择多个“黑启动”机组同时进行 黑启动a 系统能否成功的进行黑启动，除了要保证有黑启动电源即能够自启动 机组外，首先要考虑的就是黑启动机组的自励磁问题和空载线路的过电压问题， 只有满足这两个条件后才能逐步的进行黑启动的其它问题研究。 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 第3 章黑龙江电网现状和黑启动时小系统划分 当黑龙江电网遭受大的扰动或设备故障而发生大面积停电事故，依靠电网 本身的发电机组或通过联络线从东北主网获得电力支援将整个电网恢复起来， 即全黑模式下的电网启动，也称“黑启动”。系统进行黑启动时，为了保证迅速 的恢复电厂发电和用户供电，首要任务是确定若干个黑启动电源，黑启动电源 确定后，根据该电源的地理位置和附近发电厂及变电所的分布情况，确定进行 黑启动的小系统。根据黑启动电源的多少，将整个电网划分为若干个小系统， 分别进行黑启动。由于本文研究的是在漫有联络线的支持下进行的黑启动，所 以在选择黑启动电源时，不考虑外部联络线的支援情况。 3 1 黑龙江电网现状 黑龙江电网位于东北区域电网的东北部，而东北电网又通过1 条5 0 0 k v 线 路与华北电网相联。黑龙江电网共有统调电厂2 2 座，装机容量1 0 0 8 3 m w ，2 0 0 3 年发电量约为4 9 3 亿千瓦时供电量4 3 0 亿千瓦时。2 2 0 k v 变电所6 l 座，5 0 0 k v 变电所6 座，2 2 0 k v 线路1 4 6 条，5 0 0 k v 线路1 2 条。整个电网大致可分为西部 电网( 简称西部网) ，中部电网( 简称中部网) 和东部电网( 简称东部网) 三部分，西 部网由大庆、齐齐哈尔、北( 安) 黑( 河) 电网和伊敏电厂组成；中部电网由 哈尔滨、绥化电网组成；东部电网由鹤岗、佳木斯、鸡西和牡丹江电网组成。 西部网与中部网通过5 0 0 k v 哈大线与2 2 0 k v 三肇线和哈乐线构成电磁环网 相联，另回2 2 0 k v 长新线将西部网与吉林省网相联；东部网与中部网之间形 成5 0 0 k v 方永甲、乙线与2 2 0 k v 方东甲、乙线、牡尚甲、乙线6 条线路构成电 磁环网相联，另一回2 2 0 k v 镜敦线将东部网与吉林省网相联；省网与东北主网 间通过5 0 0 k v 合南线、永包线与2 2 0 k v 长新线、松五线、榆双线、镜敦线6 条 线路构成电磁环网相联。 东部电网作为电源基地，本身的负荷需求并不是很大，这就导致网内发出 的大量电力需外送。西部网虽然负荷较大，但在伊敏厂机组投产运行后，平衡 供需已略有盈余。中部网哈尔滨地区也是重负荷中心，因送出能力限制，而且 哈3 b 厂平时只有一台6 0 0 m w 机组运行，即中部网暂时仍需要受电，才能满足 需要。 东部电网的牡丹江、鸡西地区主要有镜泊湖电厂( 分毅厂、老厂，简称镜 堕查堡堡三奎兰三堡璧占兰堡篁圣 新厂、镜老厂) 、牡二电厂、鸡西电厂。其中镜新厂、镜老厂为水电厂，分别有 2 台1 8 m w 机组和4 台1 5 m w 机组；牡二电厂为火电厂，有4 台1 0 0 m w 机组、 2 台2 1 0 m w 机组和l 台2 0 0 m w 机组；鸡西电厂为火电厂，有3 台2 5 m w 机组 和1 台5 0 m w 机组及2 台1 2 5 m w 机组。东部电网的佳木斯、鹤岗地区则主要 有莲花厂、佳二厂、鹤岗厂、佳木斯厂、七台河厂和双鸭山厂。其中，莲花厂 为水电厂，有4 台1 3 7 5 m w 机组；其余均为火力发电厂：佳二厂有2 台5 0 m w 机组、1 台1 0 0 m w 机组；鹤岗厂有2 台3 0 0 m w 机组；佳木斯厂有4 台l o o m w 机组；七台河厂有2 台3 5 0 m w 机组；双鸭山厂有2 台2 0 0 m w 机组、2 台2 1 0 m w 机组。西部电网主要有大庆、齐齐哈尔地区的大庆油田企业自备电厂( 以下简称 庆自厂) 、新华厂、富二厂、北黑地区的北安厂和属东北电网公司管辖的伊敏电 厂，全部是燃煤的火力发电厂。其中，庆自厂有3 台2 0 0 m w 机组；新华厂有2 台5 0 m w 机组、2 台1 0 0 m w 机组和1 台2 0 0 m w 机组；富二厂有6 台2 0 0 m w 机组：北安厂2 台1 0 0 m w 机组；伊敏电厂2 台5 0 0 m w 机组。中部电网主要有 哈尔滨地区的哈发厂、哈热厂、哈三厂( 分为a 、b 厂) 。其中，哈发厂有3 台 2 5 m w 机组和1 台1 2 m w 机组：哈热厂有3 台2 5 m w 机组和2 台1 0 0 m w 机组； 哈3 a 厂有2 台2 0 0 m w 机组，哈3 b 厂拥有2 台6 0 0 m w 机组，这些机组也都 是燃煤机组。这就是黑龙江电力系统恢复时所能利用的全部电力资源。 分析黑龙江电网各电厂的机组特性，可以看出，黑龙江电网并不存在严格 意义上的自启动机组，因为整个电网并不存在抽水蓄能机组和燃气轮机，所以 在进行电网恢复时，需要准备蓄电池、保流机组、柴油机组等作为启动功率源， 而一般发电厂的蓄电池和柴油机组容量比较小，无法提供足够的启动功率。只 能维持线路开关操作机构的正常压力和重要辅机设备的供电，防止设备损坏。 但是，考虑到黑龙江东部电网的两大水电厂，它们可以利用电厂蓄电池系统进 行快速地启动并发电，此外装设有振荡解列和低频、低压解列装置的火电厂， 在事故时能保持独立运行，也可作为黑启动电源，这些利条件说明，一旦发生 大面积停电事故，黑龙江电网是可以依靠自身能力进行黑启动的。 3 2 黑启动电源及小系统的确定 3 2 1 镜泊湖小系统的确定 当黑龙江电网发生全网停电事故时，东部网牡丹江、鸡西地区的镜泊湖水 电厂机组可作为该地区的黑启动电源。原因有三：1 、水电机组启动功率小可以 竺! ! 鎏型三查兰三堡堡圭兰堡篁兰一 无需外接电源，依靠蓄电池系统就能够迅速启动并发电；2 、镜泊湖电厂距离该 地区的另一重要电源牡二厂电气距离也比较近( 1 0 5 k m ) ，可以减小机组发生自 励磁的可能性；3 、镜新厂、镜老厂与牡二厂之间均为2 2 0 k v 线路，无不同电压 等级的变换。所以镜泊湖新、老厂作为黑启动电源是比较适当的。根据地区变 电所和其它发电机组的分布情况及黑启动机组的地理位置，可以确定初始的小 系统如图3 1 。 图3 1 镜泊湖小系统网架结构 f i g 3 1n e t w o r ks t r u c t u r eo f t h ej i r l 妒ol a k es m a l ls y s t e m 3 2 2 莲花厂小系统的确定 当黑龙江电网系统发生全网停电事故时，东部电网的佳木斯、鹤岗地区的 莲花水电厂机组具有足够的发电能力且能够被依靠厂内蓄电池系统快速启动并 网发电，同时该地区拥有佳木斯、鹤岗、七台河、双鸭山等4 座大型火电厂， 是我省的电源基地，莲花电厂可为这些电厂提供启动功率并恢复其发电能力， 从而带动本地区电网逐步实现恢复。同时该地区有许多的煤矿负荷，需迅速恢 复送电，因此莲花厂是该地区系统作为恢复启动机组的理想选择。该地区有2 堕竺鎏矍三当兰三堡丝圭兰堡堡圣一，。：，- ： 条5 0 0 k v 线路，但考虑5 0 0 k v 网架结构比较单一、线路长、充电功率大，造成 系统电压高，而且万一发生故障后，对2