（电力系统及其自动化专业论文）基于pscad的电力系统黑启动方案校验.pdf

声明尸明 i i | f i i | i i f 咖| | i | l | i | i i | i f i i | j | f i l i j j | 朋 y 17 8 5 4 3 5 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于p s c a d 的电力系统黑启动 方案校验，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，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 ，f 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。 lr 、扩 学位论文作者签名：盗匿陛 日 期： 丝丛：王：22 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：逊 日 期：迎：刈 导师签名： 日期：趁么：2 11 一 ，一_= 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 黑启动是电力系统因故障全停后再启动的恢复过程。制定有效的黑启动方案对 保证系统快速恢复具有重要意义。本文结合河北南网黑启动实际，对黑启动过程中 的过电压、发电机自励磁、大容量厂用负荷投运对电压和频率的冲击，以及水电、 火电机组并列运行时的低频振荡等关键问题进行了理论分析和仿真研究。利用仿真 软件p s c a d e m t p ，对多套黑启动方案分别建立符合系统实际的详细模型并进行仿 真计算，分析仿真结果以验证这些黑启动方案的可行性，对河北南网黑启动方案制 定具有重要的参考价值。 关键词：黑启动，过电压，自励磁，机电暂态，系统仿真 a b s t r a c t b l a c k s t a r ti st h ep r o c e s so ft h es y s t e r nr e s t o r a t i o na f t e rb l a c k o u to ft h ee n t i r e p o w e rs y s t e m m a k i n gf e a s i b l eb l a c k - s t a r tr e s t o r a t i o np l a n si sv e r yi m p o r t a n tt ot h e r a p i dr e s t o r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c eo ft h eb l a c k s t a r ti n h e b c is o u t h e r np o w e rg r i d ，t h et h e s i sp r e s e n t st h es t u d yo nk e yp r o b l e m so f o v e r - v o l t a g e ，s e l f - e x c i t a t i o n ，t h e s t a b i l i z a t i o no fv o l t a g ea n d f r e q u e n c yw h e n l a r g e - c a p a c i t ya u x i l i a r yl o a di ss t a r t e d ，a n dl o w f r e q u e n c yo s c i l l a t i o nd u r i n gt h ep a r a l l e l o p e r a t i o n o ft h e p u m p e d - s t o r a g e u n i ta n dt h et h e r m a l g e n e r a t o r b a s e d o n p s c a d e m t p - t h ed e t a i l e da c t u a ls y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l so ft h r e eb l a c k - s t a r t s c h e m e sa r ee s t a b l i s h e da n dt h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o ni sc a r r i e do u t t h ea n a l y s i so f s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo fb l a c k s t a r ts c h e m e so ft h eh e b e is o u t h e r n p o w e rg r i d t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ev e r yu s e f u lf o rm a k i n gt h eb l a c k - s t a r ts c h e m e so f ， t h eh e b e is o u t h e r np o w e rg r i d c h e l ag u o r o n g ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e d b yp r o f g ux u e p i n g k e yw o r d s ： b l a c k - s t a r t , o v e r - v o l t a g e ，s e l f - e x c i t a t i o n ，e l e c t r o m e c h a n i c a l t r a n s i e n t s ，s y s t e ms i m u l a t i o n 0 j 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 p 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 黑启动问题的研究现状2 1 2 2 黑启动的一般过程2 1 2 3 黑启动过程中的主要问题3 1 3 本文的主要工作5 第二章黑启动中线路过电压的仿真计算6 2 1 黑启动过电压原理分析6 2 1 1 工频过电压6 2 1 2 操作过电压7 2 2 仿真工具p s c a d e m t d c 简介8 2 3 河北南网黑启动过电压的仿真分析9 2 3 1 河北南网黑启动方案简介9 2 3 2 过电压仿真模型建立1 1 2 3 3 过电压仿真校验1 3 2 3 4 空充5 0 0 k v 线路最大允许线路长度1 7 2 4 本章小结1 7 第三章黑启动过程中发电机自励磁问题的仿真分析1 8 3 1 发电机自励磁的物理过程- 1 8 3 2 发电机自励磁的原理分析及工程判据1 8 3 3 机组自励磁的实例仿真分析1 9 3 3 1 自励磁仿真模型建立1 9 3 3 2 自励磁仿真结果分析2 1 3 3 3 机组发生自励磁的线路边界长度2 3 3 4 本章小结2 4 第四章黑启动过程的机电暂态仿真分析2 5 4 1 厂用负荷启动时的系统电压、频率校验2 5 4 1 1 系统仿真模型的建立2 5 4 1 2 河北南网黑启动电压和频率校验2 8 4 1 3 河北南网黑启动电压和频率校验结果3 1 4 2 黑启动过程中低频振荡现象的仿真分析3 l 4 2 1 低频振荡原理分析3 2 4 2 2 低频振荡仿真模型的建立3 2 4 2 3 河北南网黑启动低频振荡仿真分析3 4 华北电力大学硕士学位论文目录 4 2 4 河北南网黑启动低频振荡校验结果3 7 4 3 本章小结3 9 第五章结论4 0 参考文献4 1 致谢4 3 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 4 i i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章引言 随着电力系统规模的不断扩大，电网跨区域互联的日益加强，我国将实现全国 联网，形成统一的电力系统。电力系统互联在提高运行可靠性和经济性的同时，也 带来了一些潜在的危险，其中一个主要的问题是，局部系统的故障可能由于保护或 自动装置的不正确动作而导致大面积停电事故，甚至造成整个电力系统的瘫痪。自 1 9 6 5 年的纽约大停电以来，在世界范围内发生了多起受到广泛关注的大停电事故， 如1 9 9 6 年美国西部电网大停电、2 0 0 3 年美国和加拿大部分地区的8 1 4 大停电【l j 。 同样自然原因也可以造成电力系统大面积停电事故，如2 0 0 5 年9 月份发生在我国 海南省的大停电事故【羽。与此同时，电力市场化进程不断深入，电力系统的运行条 件、稳定裕度、备用容量以及对突发事件的应变能力正在发生着深刻变化，从而引 入了更多影响系统安全的不确定因素。电力系统已经采用的新设备和新技术固然对 系统的安全稳定运行提供了有力的保障，但无法从根本上避免大停电事故的发生。 一旦发生紧急停电事故，必须采取措施以最快的速度恢复系统的正常供电，使故障 停电的损失降到最低。因此，加强对大停电事故的防范和恢复措施的研究，制订合 理、可行的恢复计划，可以使我们在事故发生时能够有的放矢的进行恢复操作，最 大限度地减小事故停电造成的损失。所以，研究电力系统大停电事故后“黑启动” 问题具有重要意义。 所谓黑启动，是指整个系统因故障停运后，不依赖于别的网络帮助，通过系统 中具有自起动能力机组的起动，带动无自起动能力的机组，逐渐扩大系统恢复范围， 最终实现整个系统的恢复。根据系统在恢复过程中不同时期的特点，可以把恢复过 程分为三个阶段：黑启动阶段、网络重构阶段、负荷恢复阶段【3 】。 如何在系统大面积停电后快速安全地完成系统的恢复重建，是电力系统急需解 决的问题。制定系统在大停电后的黑启动方案便是解决这个问题的一种有效方法。 在大停电事故后，调度员可在黑启动方案的指导下，及时快速地恢复系统的运行。 由于黑启动是在整个系统全停后进行的自救和恢复，整个过程电力系统处于十分薄 弱的状态，任何微小的偏差和扰动都有可能造成黑启动的失败。因而，黑启动方案 的制定和模拟试验都要经过严格的审核和校验方能作为一个安全有效的备选方案 实施。 目前许多对电力系统黑启动的研究工作都是按照以上三个阶段划分并进行相 对独立的研究，本论文主要结合河北电网南网的具体情况搭建完全符合实际的电力 系统模型，对黑启动初期的自励磁、空充输电线路过电压、厂用辅机启动过程中电 1 华北电力大学硕士学位论文 压和频率、低频振荡等问题进行仿真分析，校验黑启动方案的可行性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 黑启动问题的研究现状 自从上个世纪8 0 年代，特别是1 9 7 7 年纽约大停电之后，电力系统黑启动问题 逐渐引起了人们的重视，国外学者开始进行该问题的研究，黑启动过程中所需要解 决的问题逐渐明确，并结合具体的系统研究了各种不同的黑启动方案【4 i o 】。其中， 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【8 】。文献 9 】对希腊h e l l e n i c 电力系统的一次大停电 事故进行了恢复仿真研究。文献【l o 】结合美国内布拉斯加电力系统，讨论了使用遥 远小水电作为启动电源来启动大容量火电厂的黑启动方案，将仿真结果和实际的实 验进行了比较，得出了比较一致的结果。 近十几年来，黑启动问题逐渐引起国内电力系统的重视，并开始进行这方面的 研究【l 卜”l 。上海交通大学与华东电力调度局合作，进行了华东电网黑启动问题的研 究，对以天荒坪抽水蓄能电站作为启动电源启动新安江水电机组的方案进行了计算 分析【l 射。华北电力调度局以十三陵水电站作为启动电源进行了局部系统的黑启动实 验研究，对黑启动过程中各种系统变量进行了实测分析【l s 1 6 l 。浙江电力信息调度中 心和浙江大学电机系联合研究制定了浙江电网的黑启动方案，其中还重点研究了黑 启动过程中子系统的划分和同期并列问题【1 7 】。其它部分网、省局，如华中电网、云 南电网、山东电网等，也都根据系统的实际情况进行了黑启动的研究，取得了一些 有意义的成果【1 8 - 2 0 】。华北电力大学黑启动课题组经过几年在黑启动方面的研究，研 制开发了一套黑启动决策支持系统，并将其应用河北南网系统【2 n 。 1 2 2 黑启动的一般过程 全系统停电或区域性全部停电后， 个过程分为三个阶段，即黑启动阶段、 恢复过程时间较长而且比较复杂，通常将整 网络重构阶段和负荷恢复阶段f 3 1 。 ( 1 ) 黑启动阶段 一般历时3 0 6 0 分钟。在这一阶段，首先由启动电源分别向跳闸的具有临界 时间限制的电源提供启动电源，使其恢复发电能力，与黑启动电源并网运行，形成 一个个孤立运行的子系统。系统的启动电源可以是水轮发电机、燃气轮发电机、事 故后存留在系统中的发电机( 如跳闸后带自身厂用电的发电机) 或解列后的孤立子 系统和相邻系统的支援。在这一阶段涉及的主要问题有：机组的启动和运行特性、 向空载线路和变压器充电引起的自励磁和过电压问题、变压器饱和引起的并联谐振 问题、大型电动机启动、孤立小系统的调频和调压问题等。该阶段是从电磁暂态过 2 华北电力大学硕士学位论文 程、机电暂态过程到准稳态的恢复过程【3 】。 ( 2 ) 网络重构阶段 通常历时3 - - , 4 小时。这一阶段将通过启动大型带基础负荷的机组及投入主要 输电线路逐步恢复主网的网架，一方面加强发电厂之间的联系以提高对厂用电的供 电可靠性，另一方面对一些子系统进行并列，从而建立一个稳定的网架，为下一阶 段全面恢复负荷打下基础。当然，对于一些地区系统之间的较长联络线，可以暂缓 投入并将它们放在负荷恢复以后进行，以免发生稳定性问题，并减少调度人员的紧 张情绪。另外，对一些向边远地区不重要的负荷供电的线路，也可以暂时不必投入。 这一阶段涉及的主要问题是避免发电机吸收的无功超过其进相能力和空载线路的 大量充电无功功率所产生的电压升高。有时为了吸收线路电容所产生的无功功率和 降低线路的空载过电压，往往需要投入一定数量的负荷【l 引。 ( 3 ) 负荷恢复阶段 当火电机组已经启动并且有一定的发电能力，而且也已建立较为稳定的网架以 后，由于系统可供给的有功和无功功率大大增加，便可以逐渐恢复负荷。这一阶段 主要的问题是如何使系统频率和电压保持在允许范围之内，而且使线路不过载。由 于火电机组的负荷增加速率有一定的限制，因此对负荷恢复限制最大的因素是系统 频率下降不应太多( 如：下降不超过0 5 h z ) ，更不能引起低频减载动作【3 1 射。 1 2 3 黑启动过程中的主要问题 系统的网络重构过程是在黑启动阶段完成的基础上进行的，此时黑启动机组已 投运，黑启动机组一般为抽水蓄能机组和燃气轮机，然后对输电线路进行充电以便 启动更多的机组，从而形成若干个子系统，然后在适当的时刻使子系统之间同步并 网完成网络的重构。当然，在实施以上各个步骤的同时要监测系统电压水平及有功 无功的平衡，频率变化以及继电保护装置的动作情况。系统恢复过程中主要牵涉以 下几个问题： ( 1 ) 启动机组的自励磁问题 同步发电机的自励磁现象是指无励磁发电机在过大的电容负荷下电压自发上 升的现象，这是由于同步发电机电枢反应的助磁作用而产生定子电流，此时机端建 立的电压值可能很高。 ( 2 ) 空载线路的过电压问题 电力系统网络重构过程中需要不断地投入线路启动机组，通过输电线路向被启 动电厂高压母线进行空载充电，由于空载线路的电容效应和开关操作等因素，会产 生操作过电压和工频过电压。 3 华北电力大学硕士学位论文 重构过程中要防止过电压，可根据具体情况，采取以下措施：线路送电尽量先 选择短线路；尽量选择低电压等级，减少不同电压等级的变换；切线路末端变电站 电容器；投线路末端电抗器；同杆并架双回线只投一回。 ( 3 ) 恢复初期的低频振荡问题 黑启动阶段完成后，下一步通常是送启动电源给附近电厂，使其能尽快开机， 并为重要负荷送电，形成一个多电源小系统。大电网互联电抗大小与系统阻尼性能 成反比，系统间联系阻抗越小，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。恢复初期的系统多为超高压远距离送电，系统间联系阻抗 较大，系统薄弱，可能出现低频振荡。 这可通过投运参数整定恰当的电力系统稳定器( p s s ) 来感受发电机转速或电磁 功率的变化，适当调整励磁机电流，改变发电机机端电压，从而达到阻尼功率振荡 的目的，提高电力系统的动态品质。此外正确调整潮流分布也可以消除振荡。 ( 4 ) 恢复过程中电压和频率的控制 恢复过程中的系统频率和电压控制较正常系统有很大不同，此时系统容量非常 小且薄弱。在小系统不断外扩时，须不断充线路、带负荷，每步操作都对系统有很 大的冲击，所以必须监测系统频率和重要节点电压，防止系统崩溃。 频率和系统机组出力及负荷密切相关，控制频率涉及负荷恢复速度及机组调速 器响应和二次调频。恢复负荷的原则是先恢复非自启动机组的启动负荷，再恢复小 的直配负荷，后恢复直配大负荷和电网负荷。必须严格控制负荷恢复速度，一般一 次接入恢复的负荷量不大于发电出力的5 。恢复负荷必须兼顾恢复速度和保证系 统频率稳定。 电压控制与无功有关。黑启动用发电机给目标系统零起升压时必须密切监测系 统电压及无功平衡，并逐渐使电压达到目标值。电压控制采取的措施与防止过电压 措施类似。 ( 5 ) 继电保护的配合 为保护送电设备的安全，在黑启动前应做到以下几点：l 、涉及的元件保护及 线路保护必须投入运行。保护一般包括发电机保护、厂站母线保护、线路保护、主 变保护；2 、重合闸应退出；3 、过电压保护必须投入 有必要时制定适用于黑启动方式的保护配置及其定值，在黑启动时启用。水电 机组在空充线路或带轻负荷时，可能会进相运行，水电机组的进相能力及相应的保 护应适应这种运行方式。 4 华北电力人学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 本文工作是本课题组研究工作“河北南网黑启动方案仿真校验刀的一部分，研 究黑启动恢复初期的一些突出问题。恢复初期涉及到的主要技术问题有：发电机自 励磁、空充输电线路时的操作过电压、水电机组远距离启动火电机组厂用电时的电 压和频率校验及启动初期水电、火电并列运行小系统的低频振荡等。 本文的主要工作如下： l ，分析电力系统黑启动过程中空充输电线路时出现内部过电压的机理，并结 合河北南网实际系统黑启动方案，利用仿真软件p s c a d e m t d c 仿真和校验黑启动 过程中出现的工频升高和操作过电压。 2 ，对黑启动方案中水轮发电机自励磁现象进行研究和仿真分析，并将仿真结 果与自励磁工程判据相互检验，针对河北南网黑启动方案进行自励磁问题校验。 3 ，建立黑启动方案中各元件的仿真模型，对火电机组厂用辅机启动时的电压 和频率冲击及水电、火电并列运行小系统的稳定性等问题进行仿真和分析，校验河 北南网黑启动方案的可行性。 华北电力大学硕士学位论文 第二章黑启动中线路过电压的仿真计算 2 1 黑启动过电压原理分析 在黑启动过程中，将空载线路合闸到电源上是一种常见的操作，此时线路各点 电压由零值过渡到稳态电压值，这期间会出现过电压。过电压通常由两部分组成： 工频过电压和操作过电压。操作过电压的作用时间虽然十分短暂( 一般持续时间在 0 1 秒以内) ，但操作过电压倍数过大会导致断路器合闸失败，甚至设备绝缘被击 穿导致启动不成功，所以有必要对这两种过电压进行仿真计算。 2 1 1 工频过电压 空载线路合闸过程中，工频电压升高是由于空载线路的工频容抗大于工频感抗 造成的。在电源电势的作用下，线路中的电容电流在感抗上的压降将使容抗上的电 压高于电源电势，造成输电线路上的电压高于电源电压【2 2 1 。 工频电压升高计算的等值电路如图2 1 所示，对于长距离输电线路，一般需要 考虑它的分布参数特性。 e z s u lu 2 图2 - 1 过电压计算的等值电路图 其中历是电源的等值阻抗；z c 是输电线路的特性阻抗；，和，分别是线路的传 播系数和长度。输电线路上电压和电流的关系可用下列偏微分方程表示： f 一锨= l o - 优a i + 砧 i - 一塞zg 号 + g o “ 2 以 其中，r o ，l 口，嘞和c o 分别为单位长度线路的电阻、电感、电导和电容。求解 ( 2 一1 ) ，得到沿线电压： 洲葚鬻 6 ( 2 2 ) 坐j ! 皇垄叁兰堡主堂篁丝壅 其中u1 ，1 分别为线路末端电压和电流，由上式可求得线路首端电压u1 和 电流i1 的计算公式，电源电势e = zs jt + 【，- ，而对于空载长线路有i2 = o ， 由以上条件可得到： 玑= 虿1 c h ( r o 丽e q 。3 + 手幽( ) 其中z c _ j 糌 y = ( r + j r o l o ) ( g o + j ：o c o ) 当线路长度不长时， 廉州 a7 7 6 01 8 5 95 9 4 31 1 3 2 侧b7 7 4 41 8 5 65 9 4 31 1 3 2 5 0 0 k v c7 6 1 81 8 3 25 9 4 31 1 3 2 上安 a5 1 2 32 2 2 72 5 9 21 1 2 6 侧 b5 2 6 52 2 8 92 5 9 21 1 2 6 2 2 0 k v c5 2 7 22 2 9 22 5 9 21 1 2 6 三号方案为张河湾电厂通过5 0 0 k v 线路经廉州送电至石北变电站降压为 2 2 0 k v ，由线路经大河、鹿泉变电站来启动西柏坡电厂。三号方案的黑启动线路过 电压仿真结果如表2 - 4 所示。 表2 4 廉州一石北一鹿泉一西柏坡电厂空充线路过电压 相操作过电压最工频过电压最大 位置过电压倍数过电压倍数 别大值( k v )值( 1 【v ) a7 7 8 11 8 6 36 3 1 0 5 1 2 0 2 石北侧 b8 2 0 11 9 4 36 3 1 0 51 2 0 2 5 0 0 k v c7 7 4 41 8 5 66 3 1 0 51 2 0 2 西柏坡 a5 3 8 72 3 4 22 8 9 71 2 6 0 侧 b5 4 8 42 3 8 42 8 9 71 2 6 0 2 2 0 l 【v c5 3 5 42 3 2 82 8 9 7 1 2 6 0 通过软件p s c a d e m t d c 分别建模仿真张河湾抽水蓄能电厂空充裕华热电厂、 上安电厂和西柏坡电厂的过电压过程，所测得的各线路末端操作过电压倍数均未超 过电压保护规程规定的5 0 0 k v 电压等级的2 倍与2 2 0 k v 电压等级的3 倍限值，满足 过电压保护规程要求。 1 6 华j 匕电力大学硕士学位论文 2 3 4 空充5 0 0 k v 线路最大允许线路长度 在对实际恢复路径仿真研究的基础上，本文还进一步对5 0 0 k v 线路做空充试验 来分析5 0 0 k v 线路最大允许线路长度。5 0 0 k v 电压等级的正常相电压峰值为： 1 o p u = 5 2 5 2 历= 4 2 8 6 6 k v 。根据过电压保护规程对操作过电压倍数的规定， 5 0 0 k v 线路允许最大过电压倍数为2 倍。 。 仍采用张河湾电厂作为黑启动电源，通过断路器合闸对5 0 0 k v 输电线路进行充 电，断路器b r k 合闸时间设置为0 5 秒。经过仿真得到：当5 0 0 k v 线路长度达到 9 3 k i n 时线路末端操作过电压倍数刚好为规程规定的2 倍限值，此时的工频过电压 倍数为1 1 5 1 ，并未超过允许的1 4 倍限值，如图2 1 0 所示。 糍二7 “。一”? | ? ： 一一r j ，f ，7 。强婚秘曩c 天氕静隅其潞婚鼹誊 j 二j 一。| 。| ，、j 。：，7 够 ， _ v o l t a t 笼 ” 1 t 霸 o 8 毫 l f ，一貔瓿 - 5 。ii i t1 撇删； 是糍 薹 矗删 凸肥 r 肽b 凸a 。髓m i 噩砌黼礓i l 融意五艟蕊五i 广1 积 i 逆姆心磷删铲w w 酽1粼 剃l酬确 r i v h j 黼 “飞w 舻i潜1 1 j ， i_ ；：瓴撬 乳 _ h5 猫 k 麓m 錾 1 u 【 l 节i 兮 豫r l ，6 j g 棚 46 v r 3 o 1i 京 一o 教 3 删 趣4 1 ； - 0 6 蠢 9 i 罐舷 图2 - 1 0 空充5 0 0 k v 线路最大允许过电压波形 仿真结果说明，在黑启动恢复过程中，将张河湾抽水蓄能电厂作为黑启动电源 来空充5 0 0 k v 线路时，5 0 0 k v 线路最大长度不得超过9 3 k i n ，实际线路长度满足要 求，在其它线路更长的情况下可在线路两端加装高抗等补偿装置来限制过电压。 2 4 本章小结 通过软件p s c a d e m t d c 建模仿真张河湾抽水蓄能电厂启动裕华热电厂、上安 电厂和西柏坡电厂的线路过电压过程，所测得的各线路末端过电压倍数均未超过过 电压保护规程规定的5 0 0 k v 电压等级的2 倍与2 2 0 k v 电压等级的3 倍限值。并通过 仿真得出由张河湾电厂空充5 0 0 k v 线路的最大允许长度不得超过9 3 k i n ，必须在线 路两端加装补偿装置来保证过电压不超过规程规定的2 倍限值。仿真结果证明了三 套黑启动方案的可靠性，为制定河北南网黑启动方案提供了重要的参考依据。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 第三章黑启动过程中发电机自励磁问题的仿真分析 3 1 发电机自励磁的物理过程 在黑启动初期，由启动电源向跳闸的具有临界时间限制的机组搜索恢复路径过 程中，往往会出现经长距离输电线路联系的情况，因此可能造成发电机自励磁的激 发条件，造成机组自励磁。自励磁发生时，发电机端电压将明显升高，在个别情况 下，发电机电压难以控制，导致系统中个别点的电压超过允许值，危及到线路和变 压器的绝缘安全。因此，自励磁的发生与否是直接关系到黑启动恢复方案是否可行 的关键问题之一，对黑启动过程中的自励磁问题加以研究具有十分重要的意义。 自励磁实质上是一种参数共振现象。在正常的同步运行情况下，水轮发电机的 同步电抗在毛艺之间周期变化，即每过一个电周期，电抗将变动两个周期。另 一方面，无论是凸极机( 水轮发电机) 还是隐极机( 汽轮发电机) ，当它们处于异 步工作状态，或者处在定子磁通变动时的同步工作状态时，电抗将在也屯问周 期性交化。在所有这些情况下，如果电机的外电路具有容抗性质，就可能在此电感 参数自动变化的振荡回路中激发起一种特殊性质的过电压，称为参数共振过电压。 结合张河湾抽水蓄能电厂启动裕华热电的黑启动方案，建立了详细的单机一长 线路的数学模型。利用p s c a d e m t d c 软件进行自励磁过程仿真，研究了同步发 电机及系统的参数对自励磁暂态过程中电磁参量的影响，为河北南网黑启动方案的 可能性校验提供参考依据 3 2 发电机自励磁的原理分析及工程判据 在同步电机定子回路中联接有电容时，例如与空载线路相联或经串联电容与无 限大容量母线相联时，就有可能因电枢反应的助磁作用而产生定子电流、电压幅值 自发增大的现象，即自励磁【2 5 1 。 设发电机外电路由工频容抗和损耗电阻在串联组成，其等值电路如图3 l 所 示。 图3 - 1 系统等值电路 联立求解同步电机方程和外电路方程，并经复杂的变换后，可以解出自励磁的 1 8 华北电力大学硕士学位论文 边界曲线，如图3 2 所示，在此曲线范围以内都将产生自励磁现象。 图3 2 同步电机的i 司步自励磁区 当代表外电路参数的点( 吃，吒) 落在如图3 2 所示的半圆i 内时，将产生电流、 电压自发增大的同步自励磁。由于此时发电机的输出功率是由d 轴与q 轴的同步电 感系数劫与不相等所致，也称为反应同步自励磁。进一步考虑电机转子上励磁绕， 当代表外电路参数的点落在半圆i i 内时，也将发生同步自励磁。此时是由q 轴的x 口 与d 轴的x ：不相等所致，因而也称为推斥同步自励磁【2 6 1 。 经上述推导过程可得同步自励磁的产生条边界条件： i 毛 t x a 1 氏 x d - - x q ( 3 l 厶2 ( 3 1 ) 式可作为发电机发生自励磁的工程判据供调度操作人员形成黑启动恢复 方案时使用。计及变压器参数对自励磁产生的影响，则应将变压器漏抗而并入发电 机电抗，即： x 口+ x r k ( x d + x r ) ，k = 1 2 。一号方案的仿真结果 和自励磁工程判据的结论一致。 再分别对二号方案和三号方案进行发电机自励磁现象仿真，得到各方案中与发 电机组联接的线路等值容抗及自励磁校验结果，如表3 1 所示。 表3 1 各方案的外部线路等值容抗及自励磁校验 一号方案：启动二号方案：启三号方案：启动 方案备注 裕华热电厂动上安电厂西柏坡电厂 线路容抗( p u ) 归算至张 2 5 3p u 3 1 4 p u 2 8 9 p u 不考虑 河湾电厂发电机侧 高抗 自励磁校验不会发生不会发生不会发生 从以上计算结果可以看出：当张河湾抽水蓄能电厂带空载线路至裕华热电厂、 上安电厂或者西柏坡电厂时均不会发生发电机自励磁现象，仿真结果和自励磁工程 判据相互检验，结论一致。 华北电力大学硕士学位论文 3 3 3 机组发生自励磁的线路边界长度 在黑启动初期发电机与长距离输电线路联系时，当输电线的长度增加，线路的 容抗而变小。如果艺 x a ，即使发电机的励磁电流为零，由剩磁激发的发电机的端 电压也会逐渐增大而稳定在某一定值，所建立电压的大小与线路长度和发电机参数 有关。超高压输电线路的等值容抗在电压、输电线路型号一定的条件下与长度，的 关系如式( 3 4 ) 所示。 1 t = 二2 n f c 一2 班l z(3-4)ll 其中： 厂一系统频率，5 0 h z ；，一线路长度；g 一单位长度线路电容；厶一单位 长度线路电感。 根据式( 3 - 2 ) 得到发电机发生同步自励磁的边界条件：+ 而 x d + 而， 可以计算出发电机联接5 0 0 k v 空载输电线路发生自励磁的线路边界长度约为2 4 0 公 里。 为了估算张河湾发电机在不发生自励磁时5 0 0 k v 线路的允许长度，在原有的发 电机自励磁仿真模型中，去掉廉州变电器和廉龙、龙裕两条2 2 0 k v 输电线路，使张 河湾发电机只带5 0 0 k v 线路进行仿真计算。把张河湾到廉州的5 0 0 k v 输电线路的长一档i 度该加长至发生自励磁时的边界长度2 4 0 公里，其他各类元件参数保持不变并进行 仿真，得到发电机端电压标幺值u ( 纵坐标) 随时间t ( 横坐标) 的变化过程，如图3 - 8 所示。 刁辅嘲栩洲街嘲争嗣耐旗器蠢晌拜 薹 蓍 爹 藿 孽。 i - - ， ， ， ， 糯嘲 i菇瘟l 白赫癞瓣 图3 - 8 发电机自励磁电压波形 由图3 8 可见，仅有剩磁的凸极发电机自励磁电压呈增长趋势，达到磁饱和时 机端电压已经超过1 2 巩。这种自发增长的发电机端电压会使发电机励磁调节和电 压控制失去作用，影响发电机正常运行，并可能会对发电机的绝缘形成威胁，影响 系统恢复。自励磁发生约1 4 0 秒后随着线路达到磁饱和达到稳定运行状态，该情况 舫 勰 孵 循 耱 鳞 嚣 盼 l ， t 蠹 垂 镬 镬 蠡 华北电力大学硕士学位论文 表明发生的是反应同步自励磁。 3 4 本章小结 本文对河北南网黑启动方案中水轮发电机自励磁现象利用p s c a d 软件进行仿 真分析，其仿真结果与自励磁工程判据相互检验，结论基本一致。 仿真结果表明在河北南网黑启动方案中，以张河湾抽水蓄能电厂作为黑启动电 源恢复裕华热电厂、上安电厂和西柏坡电厂的过程中不会出现自励磁现象。张河湾 水电厂联接5 0 0 k v 空载输电线路发生自励磁的边界长度约为2 4 0 公里，当前河北南 网以张河湾抽水蓄能电厂作为黑启动电源并以5 0 0 k v 输电线路作为启动路径的可能 黑启动方案不会发生自励磁。本章分析结果可为河北南网黑启动方案制定提供有用 的参考依据。 华北电力大学硕士学位论文 第四章黑启动过程的机电暂态仿真分析 4 1 厂用负荷启动时的系统电压、频率校验 对空载长线路充电后，如果没有产生过电压，且线路末端电压符合要求，则下 一步的工作就是启动被启动电厂的发电机辅机。在投入辅机的过程中，系统的电压 和频率会受到很大的冲击。因此，为保证黑启动初期恢复操作的顺利实施，需要对 厂用负荷启动过程中的电压和频率问题进行详细的仿真研究。 4 1 1 系统仿真模型的建立 由于我国燃气轮机较少，黑启动机组通常选用水轮发电机，因而在启动初期多 为水电厂远距离启动火电厂的情况。厂用负荷大多是各类风机、水泵等异步电动机， 这些大型辅机的启动对恢复初期小系统的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。在黑启动中，需要考虑发电机、调速器、励磁调 节器、异步电机的详细模型并对此过程进行详细的仿真研究，所研究系统的示意图 如图4 1 所示。 黑黥豫蕊瓣荷 变压器 启备变 ( 异步电动机) 图4 - 1电压和频率校验等值系统示意图 4 1 1 1 同步发电机模型 在目前应用比较广泛的数学模型中，对于作为黑启动电源的水轮机组，一般在 转子的直轴和交轴上各考虑一个等值阻尼绕组( 分别为d 绕组和q 绕组) ，所以考 虑定子侧电磁暂态过程的凸极水轮发电机为七阶数学模型，详细模型如公式( 4 1 ) 所 示，各参数的物理意义见文献【2 引。 华北电力大学硕士学位论文 亟d t = ( + + 兄l ) 鲁= q 一+ 冠) 。鲁= 嘞一峨+ 亿一t ) 厶】 矗鲁= 一亿一坞+ 乓+ 砭鲁 ( 4 - ) 不鲁= + 一坞 乃害= 鲁一慨一伤轳脚一1 ) 警= 仞一1 ) 张河湾水轮发电机在b p a 中励磁调节卡为f v 卡，其励磁调节系统由量测环节、 放大环节、反馈环节和励磁机组成，如图4 2 所示。水轮机励磁调节系统模型给出 发电机机端电压巧和励磁电压妇之间的传递函数关系2 。 反馈环节 图4 2 发电机励磁调节系统框图 黑启动机组通常选用水轮机，水轮机是以一定压力的水为工质的叶轮式发电 机。水轮机模型描述的是水轮机导水叶开度t 和输出机械功率只之间的动态关系。 电力系统分析中均采用简化的水轮机及其引水管道动态模型，通常只考虑引水管道 由于水流惯性引起的水锤效应，又称“水击一。水锤效应是指：稳态运行时，引水 管道中各点的流速一定，管道中各点的水压也一定。当导水叶开度突然变化时， 引水管道各点的水压将发生变化，从而输入水轮机的机械功率只也相应变化。在导 水叶突然开大时，流量增大的趋势反而使水压减小，水轮机瞬时功率不是增大而是 突然减小一下，然后再增加，反之亦然。张河湾水轮发电机在b p a 中调速器卡片类 型为g h 卡，调速系统如图4 3 所示。其中，为水锤效应时间常数，张河湾水轮发 电机的取值为o 5 【2 8 1 。 华北电力大学硕士学位论文 图4 3 水轮机及其调速系统传递函数框图 4 1 1 2 异步电动机模型 被启动发电机的辅机设备种类繁多且投入顺序有严格的规定，所以完全仿真启 动过程中的电压和频率是很困难的。因此，选择被启动发电机的辅机采用等效异步 电动机进行仿真。其详细数学模型见公式( 4 2 ) ，考虑d 、q 轴磁链的异步电动机为 五阶数学模型，网络节点导纳方程为i = 油，各参数的物理意义见文献【2 9 1 ，其简化 等值模型如图4 4 所示。 u p = r 凡+ 啬棚9 b 。j = r 气+ 去等卅 o = 尺，0 + 瓦1i d 9 a q r + 一q ) 纵 o = r + 瓦11 d q 厂a , 一佃一q ) ( 4 - 2 ) 9 q s = x b iq s 七x m qq s + iq 0 9 出= x i s i 缸+ x m q 缸+ i d , 、 9 旷= x i r i 矿七x m u 筘七iq r 、 9 静= x l r i 蜃r + x m q 缸+ l a , 、 2 h d 出a j , = 疋一无 图4 4异步电动机简化等值模型 2 7 华北电力大学硕士学位论文 4 1 2 河北南网黑启动电压和频率校验 结合河北南网黑启动方案的具体情况，选取张河湾抽水蓄能电厂作为黑启动电 源。以一号方案张河湾抽水蓄能厂启动裕华热电厂为例，进行厂用负荷启动时系统 电压和频率校验的详细仿真研究。利用