（电力系统及其自动化专业论文）黑启动过程中的频率和电压仿真与程序开发.pdf

山东大学硕士学位论文 由于电力系统恢复过程极其复杂，调度人员缺乏足够的电力系统恢复经验， 所以现代电力系统迫切需要一套能够辅助调度员做出决策的黑启动辅助决策支 持系统。为保证系统生成方案的可行性，必须对感应电动机的起动过程进行校 验。为此，本文编写了感应电动机起动对黑启动小系统冲击程度的校验程序， 该程序具有快速校验感应电动机起动过程中系统频率及电压是否处于安全范围 的功能，并可以作为单独的计算模块嵌入到黑启动辅助决策支持系统。 关键词：黑启动；抽水蓄能电站；频率估计：电压仿真 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i n c et h e19 6 0 s ，l a r g e - s c a l eb l a c k o u t sh a v et a k e np l a c ei nm a n yc o u n t r i e s t h e s eb l a c k o u t ss e r i o u s l ya f f e c t p e o p l e sn o r m a ll i f e ，c a u s i n ge n o r m o u ss o c i a l i m p a c t sa n de c o n o m i cl o s s e s e v e nt h o u g ht h eb l a c k o u t sa r en o tp r o b a b l yh a p p e n e d ， f u n d a m e n t a l l yt h e ya r ei n e v i t a b l e t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nh o wt or e s t o r et h e p o w e rs y s t e mq u i c k l ya n de f f e c t i v e l ya f t e rab l a c k o u ti so fm a j o ri m p o r t a n c e t h ep r o c e s so fp o w e rs y s t e mr e s t o r a t i o ni sc o m p l i c a t e da n di n v o l v e sm a n y t e c h n i c a lp r o b l e m s d u r i n gt h er e s t o r a t i o n ，o p e r a t i o n sa r el i k e l yt oc a u s eg r e a t i m p a c to nf r e q u e n c ya n dv o l t a g e a tt h ei n i t i a ls t a g eo fr e s t o r a t i o n ，t h ew e a kn e t w o r k o fp o w e rs y s t e mw o r s e nt h es i t u a t i o n ，f r e q u e n c ya n dv o l t a g em a y b ee x c e e dt h e a l l o w a b l es a f er a n g ea n ds l o wd o w nt h er e s t o r a t i o np r o c e s s ，e v e nl e a dt ot h e r e s t o r a t i o nf a i l u r e i no r d e rt o r e s t o r et h ep o w e rs y s t e mr a p i d l ya n dr e d u c et h e b l a c k o u tl o s s e s ，t h er e s e a r c ha n ds i m u l a t i o na n a l y s i so nf r e q u e n c ya n dv o l t a g e d u r i n gr e s t o r a t i o nm u s tb eu n d e r t a k e n a na n a l y t i c a le s t i m a t i o no fp o w e rs y s t e mf r e q u e n c yr e s p o n s ed u r i n gt h es t a r t u p o fp o w e rp l a n tl a r g ea u x i l i a r ym o t o r sf r o mr e m o t ep u m p e d s t o r a g eu n i t si sp r o p o s e d a st h es o f tf e e d b a c km a g n i f i c a t i o no fg o v e r n o ri sf a rg r e a t e rt h a nt h a to ft h eh a r d f e e d b a c k ，t h et r a n s f e rf u n c t i o nm o d e lo fp u m p e d - s t o r a g eu n i ti ss i m p l i f i e d t h e p a r a m e t e r so fi n d u c t i o nm o t o ra r ec a l c u l a t e du s i n ge m p i r i c a lf o r m u l aa c c o r d i n gt o i t sn a m e p l a t ep a r a m e t e r s t h ef r e q u e n c ya n a l y t i c a le x p r e s s i o no ft h ep o w e rs y s t e m c o m p o s e do ft h ep u m p e d - s t o r a g eu n i ta n dt h ea u x i l i a r ym o t o r si sd e d u c e db yt h e i n v e r s el a p l a c et r a n s f o r m a t i o n t h en e e d e dp a r a m e t e r sa r ef e w e ra n dt h ec o m p u t i n g s p e e di sf a s t t a k i n gab l a c k s t a r ts c h e m eo fs h a n d o n gp o w e rg r i da sa ne x a m p l e ，t h ep r o c e s s t h a tt a i s h a np u m p e d s t o r a g eu n i t 拌1s t a r t ss h i h e n gp o w e rp l a n tu n i t 撑5i ss i m u l a t e d b yp s c a d e m t d c f i r s t l y , t a i s h a np u m p e d s t o r a g eu n i t 拌1c h a r g e st h eb u sa n d t h ea u x i l i a r yt r a n s f o r m e ro fs h i h e n gp o w e rp l a n tu n i t 群5 ，a n dt h e ng r a d u a l l ys t a r t s t h ed o m e s t i cl o a do fi t ，f i n a l l y , t h ep a r a l l e lo p e r a t i o ns h o u l db ea c h i e v e da ta n a p p r o p r i a t em o m e m a f t e rs h i h e n gp o w e rp l a n tu n i t 群5l a u n c h e ds u c c e s s f u l l y d u r i n g i i i 山东大学硕士学位论文 t h es i m u l a t i o no ft h ei n d u c t i o nm o t o r ss t a r t u p ，t h et r a n s m i s s i o nl i n ec a nb ec h a r g e d s e c t i o nb ys e c t i o n ，o rt h eb r e a k e r so fi ta r ec l o s e da tf i r s t ，a n dt h e nc h a r g e da to n e t i m e i nt h ep r o c e s s ，n e i t h e rs w i t c h i n go v e r - v o l t a g en o rr e s o n a n c eo v e r - v o l t a g e p h e n o m e n o no c c u r r e d d u r i n gs t a r t i n gt h el a r g e s ta u x i l i a r ym o t o ro fs h i h e n gp o w e r p l a n tu n i t 群5 f e e dw a t e rp u m p ，行e q u e n c ya n dv o l t a g ea r ea ta s a f er a n g e f r o mt h e p a r a l l e lo p e r a t i o ns i m u l a t i o n ，i tc a nb ef o u n dt h a ta p p r o p r i a t el o a da n d t h em i n i m a l 行e q u e n c yd i f f e r e n c eb e t w e e n b o t hs i d e so ft h es y n c h r o n i z a t i o nn o d ec a nr e d u c et h e i m p a c to fp a r a l l e lo p e r a t i o n t h ep o w e rs y s t e mr e s t o r a t i o np r o c e s si s e x t r e m e l yc o m p l i c a t e d ，a n dt h e d i s p a t c h e r sa r el a c ko fa d e q u a t ep o w e rs y s t e mr e s t o r a t i o ne x p e r i e n c e t h e r e f o r e ，t h e m o d e m p o w e rs y s t e mc r i e sf o rab l a c k s t a r ta u x i l i a r yd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mw h i c h s u p p o r t st h ed i s p a t c h e r st om a k ead e c i s i o n i no r d e rt oe n s u r et h ef e a s i b i l i t yo f r e s t o r a t i o ns c h e m e ，i ti sn e c e s s a r yt os i m u l a t et h ep r o c e s so ft h ei n d u c t i o nm o t o r s t a r t - u p t h u si nt h i st h e s i sap r o g r a mi sd e v e l o p e dt oc a l c u l a t et h ee x t e n to ft h e i m p a c to np o w e rs y s t e md u r i n gt h ei n d u c t i o nm o t o rs t a r t u p ，w h i c hc a nc h e c kt h e p o w e rs y s t e m 丘e q u e n c ya n dv o l t a g ew h e t h e ri nas a f er a n g eo rn o tr a p i d l y a n dt h e p r o g r a mc a nb ee m b e d d e di nt h eb l a c k s t a r ta u x i l i a r yd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e ma sa s e p a r a t em o d u l e k e yw o r d s ：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 ；丘e q u e n c ye s t i m a t i o n ；v o l t a g e s i m u l a t i o n i v 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：2 蜀釜走 日 期：乒空孕- 幺。c ! 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：主蜀堂是导师签名：覆：l ! ：二望日期：洋玉! 鲤卫 山东大学硕士学位论文 1 1 背景和意义 第一章绪论 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【l 】，如1 9 6 5 年1 1 月9 日， 美国东北部大停电事故，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 9 7 8 年1 2 月1 9 日，法国全国大部分地区停电，停电2 9 0 0 0 m w ，是法国 t 电力系统战后最大的一次停电事故；1 9 8 7 年7 月1 9 日，日本东京大停电事故，事 故中负荷停电8 1 6 8 m w ，影n 向2 8 0 万用户。尽管经过几十年的发展，电力系统在 安全稳定技术方面取得了很大进展，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，电网故障的复杂性也日趋严重，由 于局部故障而影响全局，乃至引发恶性连锁反应，造成灾难性严重后果的事故时 有发生。如1 9 9 6 年，美国西部电网连续两次发生大面积停电事故 2 1 ；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 两国造成了重大的经济损失；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【3 】；2 0 0 5 年9 月2 6 日，台风“达维”对我国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【4 】。在大停电情况下， 若无任何黑启动措施，将使停电时间延长，造成国民经济重大损失，而采取相应 措施则可以加快电力系统恢复，大大减轻大停电事故对社会、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” 的电力发展趋势。同时，随着我国电力市场化改革的逐步深入，势必造成为了追 山东大学硕士学位论文 求经济利益而淡化安全意识的现象，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一，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。电力系统不同，其恢复方式也不同，但总的目标都是在保证 系统设备安全的前提下，在最短的时间内对系统负荷实现安全可靠的恢复供电， 具体的要求有：用尽可能少的黑启动电源带动尽可能多的机组启动；制定严格的 黑启动操作票制度，尽可能使操作步骤最少。 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 电动机起动、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。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，选择输电线路，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、“由上而下”( 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 地进行恢复，最后再实现并网运行。而“由上而下”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。 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、尽可能快地全面恢 复负荷，尽量减少大停电的损失。 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三个方面： 1 )黑启动方案的制定； 2 山东大学硕士学位论文 2 ) 黑启动过程中的安全问题； 3 )黑启动辅助决策支持系统的研究与开发。 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以及继电保护和自动装 置的不正确动作，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 的事故处理手段，又往往是扩大事故范围、延长停电时间的又一因素。这种大 面积停电事故是极低概率事件，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，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，瑞典发生了大停电事故。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供电，并优先考虑给连接 至核电站的线路送电。文献 5 结合美国内布拉斯加电力系统讨论了使用远方小 水电作为启动电源来启动大容量火电机组的黑启动方案，并将仿真结果和实际 试验结果进行了对比，得出了较一致的结论。美国、加拿大等国的多家电力公 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 恢复计划修订和人员培训，但实际执行效果并不理想。 我国国电公司在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 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。目前大部分电力公司都是根据本系统的具体情况，人工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问题进行计算 分析，确定可行的黑启动方案。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。十三陵抽水蓄能电站经过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了石热电厂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【6 8 】。华东电网以天荒坪抽水蓄能电 山东大学硕士学位论文 站为黑启动机组，设计了两套黑启动方案：一套首先恢复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，验证了以天堂抽水蓄能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，而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的电压、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。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，提出了“分层、分区”设 立“目标电网”，“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，验证了云南电网黑启动方案的正确性和可行性。为了加快电网恢复进程， 陕西网调根据陕西电网的具体结构，把系统划分为陕南水电启动电源方案和关中 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过程中的发电机自励磁、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 黑启动方案 9 ，1 0 】。 由于我国燃气轮机较少，黑启动机组一般只能选用水电机组，因而黑启动方案多 为小容量的水电机组远距离启动大型火电机组的情况。在这种情况下，大型辅机 起动对系统频率和电压冲击较大，水轮机的调节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。吉林省电力部门制定了吉林电网的黑启动方案，并对大型 辅机起动对小系统的冲击及带负荷对系统频率的影响做了详细的仿真研究，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【1 l 】。 4 山东大学硕士学位论文 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【1 2 - 15 1 。 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或者变压器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。文献 1 0 】通过分析空载线路合闸中发电机励磁 电流的暂态特性，解释了励磁电流出现过零趋势的原因，提出了计及励磁主回 路反向电阻的发电机暂态等值电路，并发现空载线路合闸过程中发电机励磁绕 组可能会出现过电压，并可能比自励磁现象和线路末端过电压更容易发生：如 果励磁回路有允许反向电流通过的能力，则能避免励磁绕组过电压。文献 1 6 研究了黑启动初期励磁涌流对发电机稳定运行的影响及减少励磁涌流冲击的措 施，其研究结论在现场试验中得以成功应用。文献 1 7 ，1 8 主要讨论黑启动过程 中的过电压控制问题。文献 1 7 1 阐述了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，并给出了各自的产生原因以及相应的控制措施。文献 1 8 研究了加拿 大魁北克系统在黑启动初期的过电压问题，该文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。文献【1 9 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 2 0 讨论了超高压输电线路不对称问题。超高压线路的不对 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。文献 2 1 ，2 2 对黑启动过程中的保护问题进行了论述，文中列出了1 0 种 可能影响系统恢复进程的保护，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、自 山东大学硕士学位论文 动投切电容器保护和低频保护，对各保护装置在黑启动过程中可能会出现的问 题进行了分析并给出了应对措施。文献 2 3 提出了一种减小线路两侧合闸相角 的方法，即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 2 4 y 0 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，出于对保持系统稳定安 全以及需要快速恢复系统以减少大停电损失的角度考虑，在黑启动过程中需要 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，加快系 统恢复进程【2 5 1 。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；如果大 幅度地投入负荷，就会对系统造成很大冲击，系统电压、频率可能下降到系统 难以承受的程度，甚至导致黑启动失败。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【2 6 2 7 1 。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2 8 弓3 1 。在恢复过程中，需要对系统 电压、频率进行约束和控制，使负荷恢复造成的电压和频率波动处于可接受的 范围之内。 1 2 3 黑启动辅助决策支持系统的研究与开发 电力系统黑启动是一个非常复杂的半结构性优化问题，传统的优化规划算 法不能有效地解决这一问题。通常的做法是由有经验的调度专家事先研究制定 出可行的黑启动预案，帮助调度人员在系统停电时快速恢复系统运行。这种制 定黑启动方案的方法效率较低，耗费大量的人力物力，并且当电网结构和设备 运行状态发生变化时，所制定的恢复预案可能无法应用，不能适应现代电力系 统运行的要求。近年来，各种辅助决策支持技术的出现为解决黑启动问题提供 了新的选择，如专家系统、模糊理论、p e t r i 网、人工神经网络、多a g e n t 系统、 混合整数规划法等【3 4 4 7 1 。借助辅助决策支持技术开发黑启动辅助决策支持系统 【3 7 ，4 3 , 4 4 , 4 6 】，实现方案制订过程的高度自动化，将大大减轻制定黑启动方案的工 作负担，显著缩短方案制定所耗费的时间，使运行人员可根据电网结构和设备 6 山东大学硕士学位论文 运行状态及时修正黑启动方案，对实现电力系统快速恢复具有重要的意义。目 前国内外在黑启动辅助决策支持系统的研究与开发上取得了一定的突破，但还 有大量的理论问题和应用问题需要进一步研究解决。 文献 4 8 将黑启动方案等知识转化为启发式规则，借助专家系统的知识推 理能力确定多个较优的黑启动方案，然后通过数值仿真来校验方案的可行性， 并借助定量指标对各个方案进行排序，为调度人员提供决策依据。文献 4 9 利 用专家系统来处理开关和线路的操作规则以及各开关、线路的电压和电流限制， 制定出恢复控制的具体操作步骤，这种方法对于小系统具有直观、易懂的优点， 对于较大规模的系统则显得较为繁琐，难以操作。在专家系统的设计策略上， 文献 5 0 采用分层的方法，把制定恢复计划分为制定目标和具体实施两个步骤， 两者对应不同的规则。文献 5 1 】先求出恢复策略的可能解集，再用四个模糊函 数来评价这些可能解，从而获得最优解。文献 5 2 运用p e t r i 网来安排恢复操作 的顺序，并预测各步骤的恢复时间。当模型达到目标状态后，从目标节点往回 逐个逆推，从而得到这条路径所经过的每一步恢复操作。以上各种算法都有各 自的适用范围和优缺点。目前已出现了多种算法相结合的趋势，如模糊决策法 和动态规划法相结合【4 2 1 ，专家系统与混合整数规划法相结合【5 3 】等。 1 3 本文的主要研究内容与成果 对利用抽水蓄能机组远方起动火电机组辅机的过程进行了较深入的研究， 提出了一种校验辅机起动对黑启动小系统频率冲击程度的解析方法。以山东电 网实际黑启动预案为例，利用p s c a d e m t d c 就泰山电站# 1 机组远方起动石 横电厂# 5 机组的厂用负荷，在石横电厂# 5 机组成功启动之后的适当时刻进行 并列操作，实现泰山电站# l 水电机组与石横电厂# 5 火电机组的并网运行这一 过程进行了仿真计算，并开发了厂用负荷起动对黑启动小系统冲击程度的校验 程序。 本文工作主要包括以下内容： 1 ) 针对抽水蓄能机组远方起动大型火力发电机组辅机的过程，提出了一种 系统频率估计的解析方法。根据调速器软反馈放大倍数远大于硬反馈放大倍数 的特点，对抽水蓄能机组的传递函数进行合理化简，并利用经验公式从感应电 动机铭牌等参数中获取计算参数。通过对抽水蓄能机组和火电机组辅机组成的 7 山东大学硕士学位论文 小系统模型进行拉氏反变换得到系统频率的解析表达式。算法具有所需参数少、 计算速度快的特点。以山东电网实际黑启动预案为例，与p s c a d e m t d c 仿真 结果的对比表明，算法计算速度快，系统最低频率偏差小。 2 ) 研究泰山电站# 1 机组作为黑启动电源空充石横电厂# 5 机组厂用母线 和启备变，逐步起动厂用负荷，然后启动石横电厂# 5 火电机组，实现泰山电 站# 1 水电机组和石横电厂# 5 火电机组的并网运行。本文利用p s c a d e m t d c 对这一过程进行了仿真分析，校验在空充线路过程中是否会发生空载线路合闸 操作过电压和空充变压器谐振过电压现象；计算感应电动机起动过程中系统频 率、电压是否处于安全范围之内；并研究了并列操作对机组的影响情况。 3 1 以v i s u a lc + + 为编辑环境，编写了厂用负荷起动对黑启动小系统冲击程 度的校验程序，该程序可以作为单独的计算模块嵌入到黑启动辅助决策支持系 统，检验感应电动机起动对系统的冲击程度是否处于安全范围之内，并判断黑 启动方案是否可行。若方案不可行，给出可能的调整措施。 8 山东大学硕士学位论文 第二章利用抽水蓄能起动大型火电机组辅机的频率估计 2 1 引言 黑启动初始阶段的主要任务是尽快启动黑启动电源，并通过事先确定的黑启 动路径向无白启动能力的大容量火电机组供电，以尽快启动火电机组。不论国内 外理论研究，还是众多区域电网现场黑启动试验的实际经验都表明，这一阶段的 最主要问题是火电机组大型辅机的起动容易引起系统频率、电压的大幅度下降。 大型火电机组的辅机容量较大，且多为感应电动机，感应电动机起动时由于堵转 运行，起动电流比额定值要大的多，将对系统造成较大冲击，而黑启动初始阶段 弱电源、弱联系的结构更加大了这种冲击的力度，当频率、电压下降过于严重时 可能引起发电机跳闸，导致黑启动失败。因此，在黑启动过程中必须对感应电动 机投入运行对系统频率的冲击程度进行校验。 由于抽水蓄能机组具有启动时间短、爬坡速度快和进相运行能力强等优点， 所以在以火电机组为主的电网里，一般首选抽水蓄能机组作为系统的黑启动电 源【5 4 】。本章针对抽水蓄能机组远方起动大型火力发电机组辅机的过程，提出了 一种系统频率估计的解析方法。根据调速器软反馈放大倍数远大于硬反馈放大 倍数的特点，对抽水蓄能机组的传递函数进行化简，并利用经验公式从感应电 动机铭牌等参数中获取计算参数，通过对抽水蓄能机组和火电机组辅机组成的 小系统模型进行拉氏反变换得到系统频率的解析表达式。 2 2 发电状态下抽水蓄能机组模型 由于抽水蓄能机组处于发电状态下时其工作原理与水轮机组无异，所以以 水轮机组模型来等效抽水蓄能机组。其中，采用的发电机、调速器【5 5 】和原动机 模型如下所示， u 1 一s 研 哦 1 + 0 5 s 图2 1 水轮机的经典模型传递函数框图 9 山东大学硕士学位论文 发电机模型为： 图2 2 发电机模型传递函数框图 水轮机调速器主要有机械液压式调速器和电气液压式调速器两种模型，它 们的结构虽然不同，但作用原理相似，因此此处采用离心飞摆式调速器，其传 递函数框图如下图所示： 图2 - 3 离心飞摆式调速系统的传递函数框图 通过上述水轮机、发电机和调速器的传递函数框图，可建立如图2 4 所示 的抽水蓄能机组传递函数框图。 图中，研表示水锤时间常数、f ，为惯性时间常数、d 为阻尼系数、f 。为接 力器时间常数、t 为软反馈时间常数、k 为离心飞摆测速部件的放大倍数、砟为 硬反馈放大倍数、k ，为软反馈放大倍数。 1 0 山东大学硕士学位论文 图2 4 抽水蓄能机组传递函数框图 考虑到调速器反馈环节的传递函数 置= ( k + ) 五( 去删哼删 式中，= q ( 砖+ ) 屯。由于在调速器参数中 吒，所以 q ，那么 上式可简化为 五= ( 砖+ ) 五( 丢+ s ) 经过上述化简，可得到抽水蓄能机组的简化传递函数框图如图2 5 所示。 山东大学硕士学位论文 图2 5 抽水蓄能机组简化传递函数框图 2 3 感应电动机平均冲击功率 作为大型火电机组辅机的大型感应电动机一般为双鼠笼式电机，且起动时电 流较大，此时电动机肯定已经饱和，故宜采用考虑饱和的双鼠笼感应电动机模型， 其简化等效电路如图2 6 所示。其中，墨、五分别为定子电阻和定子漏抗， 为激磁电抗，五为转子漏抗，r 。、恐：、五。、置：分别为内外鼠笼的电阻和漏 抗，s 是转差率。 局2 恐2 5 图2 6 感应电动机简化等效电路 考虑到实际工作中难以获取感应电动机的详细参数，文献 5 6 给出了估算双 鼠笼感应电动机电气参数的方法，具体方法见附录。 黑启动过程中，起动感应电动机的等效电路如图2 7 所示，由图中可得发 电机的输出功率 ( s ) = m 珏奶( 互+ z 2 + 弼) 】 ( 2 1 ) 其中，乩表示发电机端电压；z ：表示感应电动机与发电机之间所有元件的等效 阻抗值；彰为发电机直轴次暂态电抗；忍表示为感应电动机的阻抗，是转差 率s 的函数。 1 2 山东大学硕士学位论文 l 一 i i z 2 ； | j、形j o l ii i ； 发电机；等效线路 ii 感应电机 图2 7 起动感应电动机等效电路 在起动感应电动机的过程中，线路上所消耗的有功功率很小，感应电动机的 功率近似等于发电机的输出功率。通过式( 2 1 ) 可求感应电动机起动过程中的平均 冲击功率。 1 l = l 芹。p e ( s ) a s l s o 其中表示感应电动机在空载起动之后，带负荷运行之前的初始滑差。 2 4 感应电动机起动时系统频率估计 由抽水蓄能机组简化传递函数框图( 图2 5 ) ，可以得到如下传递函数 5 7 】 式中： a w ( s ) = k n ( s ) d ( s ) k ：= p e l 飞j 。 ( 2 2 ) ( s ) ：( 三+ s ) ( 土+ s ) ( 上+ j ) j( s ) = ( 三+ s ) ( 二二+ s ) ( l + j ) j wn p e d ( s ) ： 上l + 上生+ 丝虹型p 、? ti ，【一 t i t w t nt 乒w + 寺d + 等一i 2 k , + 炉 (23)z 气jn 气j z w 气p s1 矿n ? + ( 旦+ 上+ 三) s ，+ s 。 ( 什上) j 1 j j 1 n 1w 7 d m o t 知= t t ( 乃+ ) _ + t 丁口p = 们l 2 其中，t m 甜为感应电动机惯性时间常数，：为感应电动机稳定运行时的输出功 山东大学硕士学位论文 率。 d ( s ) 还可以表示为 d ( s ) = n 5 ( s z j ) ( 2 4 ) 其中，z j ( j = 1 ，2 ，5 ) 为式( 2 3 ) 的根。比较式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 可以得到一组非线性 方程组，求解该非线性方程组可得乃( _ ，= 1 ，2 ，5 ) 。 式( 2 2 ) 也可表示为 删= k 喜去 q 5 ， 则 等= 爿一r j si 6 ， d ( s ) ，：l z ， 、。 弑2 4 ) 带入式( 2 6 ) 俑。焉= 杰毒 兀( s z ，) 0 2 1s z j b =粤( s - z j ) 兀( s - z j ) j = l ( 2 7 ) 在求得乃( = 1 ，2 ，5 ) 之后，通过式( 2 7 ) 亦可求得巧( = 1 ，2 ，5 ) 。 最后，对式( 2 5 ) 进行拉氏反变换，可求出系统频率 巾) 一s o 一k 喜即毗明) 8 ， 2 5 实例仿真 以山东电网为例，泰山电站# 1 机组为黑启动电源，石横电厂# 5 机组 ( 3 0 0 m w ) 为黑启动目标机组，计算石横电厂的辅机起动时系统的频率变化情 况。该研究小系统如图2 8 所示。在起动辅机之前，泰山电站# 1 机组已通过 预先设定的11 4 6 k m ，2 2 0 k v 电压等级黑启动路径给石横电厂的启备变充电完 1 4 山东大学硕士学位论文 毕，并可以给辅机送电。下面给出以石横电厂# 5 机组的辅机作为被起动对象 的频率校验结果。 泰山电站# 1黑启动路径感应电动机 图2 8 算例系统示意图 泰山电站# 1 机组的相关参数值为：p n = 2 5 0 m w ，n | = 3 0 0 r m i n ，t = 7 s ， f = 5 s ，k = 1 0 ，锄= 3 0 s ，k = 0 4 ，= 4 ，f ，= 6 0 ，d = 2 ，x a = o 1 6 1 。 给水泵是石横电厂单台容量最大的辅机，其参数值为：晶= 3 3 0 0 k w ， s 兕= 0 0 0 6 7 ，c o s 吁o = 0 9 ，r = - 9 7 1 ，k = 2 6 k a ，s o = 0 0 11 6 ，乇r = 2 。 在起动该感应电动机的过程中，利用第4 节所述方法计算得到的黑启动小 系统频率变化曲线如图2 9 所示，系统频率的最小值为4 9 6 9 4 h z ，满足黑启动 过程中不应使系统频率较接入负荷前下降o 5 h z 的要求【5 8 】，该感应电动机可以 安全起动。进行仿真的机器配置为p e n t i u m4 ，c p u2 6 0 g h z ，计算步长为o 0 1 s ， 计算所需时间约为l s 。 图2 9 感应电动机起动过程中系统频率变化曲线 为确定该频率估计方法的准确性，利用p s c a d e m t d c 搭建泰山电站# 1 机组起动石横电厂感应电动机的详细模型，并进行仿真计算，得到感应电动机 起动过程中系统的频率变化曲线如图2 1 0 所示，系统频率的最小值为 4 9 6 7 7 h z ，计算步长为4 0 s ，计算所需时间约为5 0 s 。 山东大学硕士学位论文 图2 1 0 感应电动机起动过程中，利用p s c a d e m t d c 获取的 系统频率变化曲线 通过与精确仿真结果对比，可以看出本方法的计算速度快，计算精度较高。 2 6 小结 本章针对在电力系统黑启动过