（电气工程专业论文）抽水蓄能电站黑启动应用研究.pdf

些! ! 皇垄奎兰三堡堡主童些兰垡笙奎：i l l 1l ii l lil li i il ( iill y 17 9 6 4 2 0 摘要 随着电网技术的发展，特高压电网建设将全面开展，电网安全问题变得尤为重 要。制定黑启动应急救援预案对于保证电网安全运行具有重要意义。本文概述了黑 启动的国内外研究现状，阐述了黑启动过程中的关键技术，并针对黑启动过程中存 在的自励磁和过电压等问题进行了理论分析和仿真计算；通过柴油发电机对抽水蓄 能电站内机组的黑启动试验，解决黑启动过程中存在的问题；通过启动某大型火电 厂机组，完成抽水蓄能电站在区域电网的黑启动试验；论文从蓄能电站内黑启动及 区域电网的黑启动试验获得的试验数据和实践经验，为电网制定应急救援预案具有 很强的现实参考意义。 关键词：黑启动自励磁过电压 a b s t r a c t w i t l lt h et e c h n i q u ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e rg r i d ，t h ec o n s t r u c t i o n so fe x t r a - h i g h v o l t a g ep o w e r 鲕dw i l ls t a r tr a p i d l ya c r o s st h ea b o a r d ，a n dt h es a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o no f t h e p o w e r 酣db e c o m e sv e r yi m p o r t a n t b l a c k - s t a r ts c h e m ei so n e o ft h ep r o g r a m st or e a l i z et h e a b o v er e q u i r e m e n t s i nt h i sp a p e r , w eg i v eag e n e r a lo v e r v i e wo ft h er e s e a r c hs t a t u s ，ad e t a i l d e s c r i p t i o no ft h ec r u c i a lt e c h n i q u e s ，a n ds o m et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o fs e l f - e x c i t a t i o na n do v e r - v o l t a g ea b o u tb l a c k - s t a r ta tf i r s t ；a n dab l a c k - s t a r te x p e r i m e n ti n t h er a n g eo fap u m p e d s t o r a g ep o w e rs t a t i o ni sa c c o m p l i s h e db yu t i l i z i n gd i e s e lg e n e r a t o r ： a n dt h e nab l a c k - s t a r te x p e r i m e n ti nt h er a n g eo fad i s t r i c tp o w e rg r i di sa c c o m p l i s h e db y u t i l i z i n gal a r g es c a l et h e r m o e l e c t r i c i t yu n i t t h ea b o v ee x p e r i m e n t a le x p e r i e n c ea n dr e s u l t s h a v er e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ef o rs e t t i n gu pt h es a l v a g ep r o g r a m st ot h ep o w e rg i r d k e yw o r d s ：b l a c k - s t a r ts e l f - e x c i t a t i o n o v e r - v o l t a g e 华北电力大学工程硕士专业学位论文 目录 第一章引言1 1 1 选题背景及其意义l 1 2 国内外研究动态2 1 3 课题研究内容2 第二章黑启动过程及关键技术分析。4 2 1 黑启动过程4 2 2 黑启动电源的确定4 2 3 黑启动机组的自励磁分析5 2 3 1 自励磁的物理过程5 2 3 2 自励磁判别方法6 2 4 黑启动过程中的过电压问剧3 1 8 2 4 1 空载线路的合闸过电压。8 2 4 2 工频过电压。1 0 2 4 3 谐振过电压1 2 2 5 黑启动恢复过程中注意的事项1 3 2 5 1 系统的低频振荡。1 3 2 5 2 频率、电压控制1 3 2 6 ，j 、结1 4 第三章利用柴油机进行抽水蓄能机组站内黑启动试验。1 5 3 1 黑气动设备及站内负荷1 5 3 1 1 黑启动电源。l5 3 1 2 黑启动负荷1 6 3 2 黑启动试验17 3 2 1 试验准备。1 7 3 2 2 试验步骤1 7 3 3 试验过程18 3 4 黑启动试验分析1 8 3 5 小结2 2 第四章区域电网的黑启动关键因素仿真计算2 3 4 1 山东电网概况2 3 4 2 黑启动试验子系统确定，2 3 4 2 1 子系统的选择2 3 4 2 2 黑启动路径选择2 4 4 3 子系统恢复过程研究2 4 4 3 1 电力系统仿真计算软件介绍2 4 4 3 2 自励磁计算与分析。2 5 4 3 3 过电压计算。2 6 4 3 3 1 工频过电压计算2 6 4 3 3 2 操作过电压计算2 8 4 3 3 3 空充变压器谐振过电压计算3 0 4 4 卅、结3 2 第五章区域电网的黑启动试验3 3 5 2 5 3 5 4 5 5 第六章 6 1 6 2 参考 型| 谢。”5 0 在校期间发表的学术论文和参加科研情况5 l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章引言 随着经济规模和电网技术的发展，电力行业通过联网和增加电力投资，不断扩 大电网规模，对经济发展和社会进步做出了巨大的贡献。2 0 0 9 年5 月2 2 日“特高压 输电技术国际会议”召开，标志着我国特高压技术将进入全面建设阶段。随着特高压 电网的建设，电网安全问题显得尤为重要。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、经 济合理的利用能源，实现输电的规模化效益。但随着电网的互联和电网覆盖范围的 扩大，局部电网某些个别问题，若处理不当或不能迅速消除时，很可能导致电网稳 定的破坏，产生连锁反应，波及临近区域，最终会造成大面积停电的重大系统事故， 甚至危及到整个电网的安全，这一系列的危害将对国家的经济安全造成严重影响， 其它行业的事故无法与之相比拟的【l l 。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，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 情况下，快速恢复电源是至关重要的，若无任何黑启动措施，无法在短时间内恢复 电力供应，使国民经济遭受的损失是无法计算的。如1 9 9 7 年7 月的纽约大停电， 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，当时的运 行水平和条件下，完全有能力制定相应的黑启动应急预案的，由于忽视了应急预案 的重要性，导致长时间的不能恢复供电，造成很大的经济损失。相反，法国电力公 司由于一开始就把制定黑启动应急救援预案作为电网安全的重要保证措施，在历次 大停电事故中占据了主动权，大大缩短了停电时间。因此，作为系统安全运行的重 要措施之一，研究电网全停后的恢复问题即黑启动变得由为重要【1 1 1 2 1 。 所谓黑启动( b l a c k s t a r t ) 是指整个电网发生垮网事故时，无法依靠其它电网送电 恢复系统运行的条件下，通过电网内具有自启动能力的机组给自身及无自启动能力 的机组提供厂用电，使机组逐个启动并网，进而逐步扩大电力系统恢复的范围，最 终恢复整个电力系统的过程【3 】。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 2 国内外研究动态 国外于上世纪7 0 年代末就开始了电网黑启动的研究，最初的研究也只是停留 在讨论恢复策略上。国家不同，采用的方法也不同，有向上恢复策略、下恢复策略、 向内恢复策略、向外恢复策略、共同恢复策略等。其目的是尽快地、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，出现了很多的新方法、新技术，如人 工神经网络和模糊控制等智能控制技术【4 l 。国外在黑启动研究不仅仅留在理论研究， 在实践中也取得了很大的成功，如意大利电力公司就成功的在大约3 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f 5 1 。 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的“我国电力大系统 灾变防治与经济运行的重大科学问题”科研项目，将电力系统恢复方案列为作为其中 子课题之一，标志着我国的黑启动研究的开始。此后关于电嘲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”研究成为各网、省电力公司 的重点课题之一1 6 j 。同时，国家电网公司也将电网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、省公司都加大了对电网的“黑启动”研 究工作的投入。华北、华东、吉林、安徽、江西、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试验，十三陵抽水蓄能水电厂启动l 台容量为 2 0 0 m w 的机组，仅需2 分1 5 秒，并通过“十三陵昌平变一清河变石热厂”长度为9 l 公里的2 2 0 k v 线路，成功的启动了石热厂的l 台2 0 0 m w 火机组，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，再将小统并入华北电网，历时l 小时 3 2 分钟【7j 。2 0 0 2 年1 月1 6 日，湖北省电网也用本省的抽水蓄能电厂进行类似的黑 启动试验j 。陕西电网于2 0 0 3 年8 月2 日、云南电网于2 0 0 3 年1 1 月9l i 、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【9 】【i0 1 。 2 0 0 5 年1 1 月6 日，经广东电网批准，广蓄电厂b 厂以7 号机作为黑启动机组，进 行了黑启动试验j 。 1 3 课题研究内容 本课题通过抽水蓄能电站黑启动应用研究，对于电力系统大面积停电恢复过程 中遇到的主要问题进行研究，例如发电机自励磁问题、空载过电压问题、低频振荡、 谐振过电压进行理论的阐述，并根据黑启动试验方案对自励磁、过电压问题进行仿 真计算，通过计算结果论证黑启动方案的可行性。通过这一系列问题的研究为电网 黑启动方案的制定奠定良好基础。 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 l 、本论将根据自励磁发生的原理，结合区域电网的黑启动试验，就自励磁发生 的条件进行分析，并通过自励磁的理论计算结果，论证黑启动方案的可行性； 2 、黑启动过程中可能会产生三种类型的过电压，即工频过电压、操作过电压和 谐振过电压。根据理论计算结果，对黑启动方案进行调整，以确保黑启动试验的顺 利完成： 3 、通过两步试验完成整个黑启动试验的研究工作：通过利用柴油发电机对电站 内水轮机组的黑启动试验，解决黑启动试验过程中存在的问题，为区域电网的黑启 动试验打下良好的基础；通过利用水轮机组启动某大型火电机组完成区域电网的黑 启动试验；经过上述两个阶段的黑启动试验的完成为电网制订应急救援预案提供现 实指导。 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 1 黑启动过程 第二章黑启动过程及关键技术分析 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，将系统划分为若干个子系统，独立地进行恢复，通过调度 中心，将恢复后的子系统并列，进而完成整个区域电网系统的恢复。子系统划分应 遵循以下原则【1 2 】： ( 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负荷。 具体要求有两个方面：用最小启动功率尽可能启动更多负荷【1 3j ；通过制定操作票， 实现操作步骤最少，启动时间最短。其具体过程可分为如下几方面【1 4 】0 7 1 ： 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，制定恢 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，可考虑将其 与“黑启动”机组相配合使用，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。首先完成各机组由零起升压，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，完成整个电网的重建； 6 、恢复系统剩余负荷，最终完成整个系统的恢复。 2 2 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 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 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：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o 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，优点突出。在火电机组中只有燃气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l o 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，省间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 引。 2 3 黑启动机组的自励磁分析 发电机自励磁是黑启动过程中需要注意的问题，本章从发生自励磁的物理过程 开始，结合抽水蓄能电站实际情况对黑启动过程中自励磁发生的条件进行了分析， 并介绍自励磁的判别方法。 2 3 1 自励磁的物理过程 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t 变小， 如果其小于发电机的同步电抗以时，即x 。 x d 时，充电特性与曲线无交点，不能发生自励磁；而当 t ( 丘+ x d ) 不会发生自励磁，考虑频率变化及相应的参数 误差，一般取安全系数c = i 2 ，即 k 1 2 ( x 。+ x d ) ( 2 2 ) 时就不会发生自励磁【2 ”。 3 、容量比较法 当自励磁时，- 0 ，e _ 0 ， l = 警= 笔则有，取发电机本身容量s c 为基准值，则发电机充电容量为p c = u n i 。 u z i v d 一= 七( 因取u 2 l ，则妻d = 尼) ，式 中k 为短路比，发电机充电能力的实际值为k s 。因此，只要发电机s 。乘以发电机的 短路比k 大于线路的充电容量q ，即 k s 。k c 系统不会发生自励f 2 4 1 。 2 4 黑启动过程中的过电压问题0 3 l 2 4 1 空载线路的合闸过电压 ( 2 3 ) 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。 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u ，的初始值和状态值不同，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 ( = 名) ，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 5 1 。 8 ( 2 - 4 ) 图2 - 3 空载线路合闸时等效电路 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 - 3 的等值电路来计算。其中“( f ) 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“( f ) 为幅值u 昭时合闸，此时可 近似看作是合闸于直流电源u 的振荡回路，根据图2 - 4 列出回路方程为： 由此导出： d d t + c 1 jf d f = u z g 。 工 i = c d u c d t ”三c 争= 口f ( 2 5 ) ( 2 6 ) 由初始条件仁。时，“。= o ，f = c 鲁= o ，解得“。= 【，醒1 - c o s c o o t ) 。当f = o 时，c o s 功。t ：一l ，即t = 三时合闸，u c 达最大值“咖麒= 2 u 裾。考虑到回路中的损耗，。 钒 实际振荡过程中线路上的电压要比2 u 昭要低。而影响空载合闸电压的因素有： 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 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末端装设避雷器或高 l 入入一2 w 车增 i + - l t ( a )( b ) 图2 4 空载线路合闸时的电压波形 ( a ) r = 0 ( b ) 酗自。 压并联电抗器1 2 6 】【27 1 。图2 - 4 为线路空载合闸时无损耗和有损耗时的波形图。 2 4 2 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，持续时间越 长，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越大。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e 的作用下，线 路中将存在容性电流。由于容性电流在感抗上的压降u ，与容抗上的压降u r 反向， 使得容抗上的电压u f 大于电源电势，即u ，= e + u ，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【2 引， 如图2 5 所示。 1 0 图2 - 5 线路合闸后稳态电压分布 由于均匀分布参数长输电线路的电压分布可知： u x = u 窖c o s 觚 m h s i n 似 ：e u g = c o s a l - x s i n a l z c 末端电压 【，窖 ( 2 7 ) ( 2 _ 8 ) ( 2 9 ) 其中，三为电源电势，6 9 为末端电压：莎，为线路上距离末端长度为x 处的电 压；口为相位系数，对于输电线路，通常口o 0 6 。k m ；z 。= i 百，z 。、y 。分别为 每公里线路的电抗和电纳值；x ，为电源电抗。令缈：留一孚，电压传递七：宰 厶c e 系数，则上式可改写为： 七= i u = 丽c o s 伊 ( 2 1 。) e c o s 吲+ 纠 由公式( 2 1 0 ) 可知，电源容量越小，即x ，越大，就越加剧线路末端电压的升 高，因为线路的电容电流流过工所产生的升压，线路首端电压高于电源电势，使线 路的工频过电压不断增长，犹如增加了线路长度，电源容量愈小，此情况愈严重2 9 1 。 图2 - 6 中的曲线给出了线路末端电压与线路长度的关系。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 u g e 2 0 0 4 0 06 0 0 8 0 01 0 0 01 2 0 0 1 4 0 0 k m 图2 - 6 线路末端电压与电路长度的关系 曲线1 和2 分别是等等于0 和0 3 8 时， 曲线和 分别是鲁等于和 时， 二 中，工频电压已升至1 3 2 倍【3 0 】1 3 3 。 2 4 3 谐振过电压 半的倍数，可见在4 0 0 k m 长的线路 e 谐振过电压是指电力系统中发电机、变压器、电压互感器等非线性元件和系统 中的电容元件组成的很多复杂振荡回路，在一定条件下发生谐振引起的过电压。谐 波谐振过电压通常由变压器等非线性元件的投入引起，当恢复变压器或连接有变压 器的线路时，变压器的励磁电流将产生各次谐波。在最不利情况下，当系统阻抗和 线路电容在某次谐波频率下达到并联谐振条件时，在变压器励磁涌流的作用下产生 很高的电压，变压器端电压的升高导致铁心饱和程度的加大，进一步造成励磁涌流 各次谐波分量的增大，因而造成电压的进一步上升。通常系统在恢复初期最容易产 生谐波谐振过电压，由于此时系统的阻尼较小，谐波谐振过电压的持续时间很长， 甚至可稳定存在，直到破坏谐振条件为止。当谐波谐振过电压过于严重时会引起继 电保护动作，甚至造成避雷器的损坏和系统故障等，因此必须通过电磁暂态仿真等 对谐波谐振过电压问题进行全面的分析和研究。 1 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 5 黑启动恢复过程中注意的事项 2 5 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o 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1 7 j 。 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 ) 调整发电机转速或电磁功率，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。合理分布潮流，可有效避免系统的低频振荡。 2 5 2 频率、电压控制 在黑启动过程中，保持系统频率和电压稳定至关重要，每一步操作都要监控频 率和重要节点电压水平，否则容易导致黑启动失败。 l 、黑启动过程中，应当按照负荷的重要等级，并考虑电网的稳定及恢复速度 有序恢复，在负荷恢复的过程中，系统频率应控制在4 9 5 - 5 0 5 h z 之间； 2 、负荷恢复过程中，电压应控制在0 9 1 1 p u 之间。在我国2 2 0 k v 高压线路 中一般要求工频过电压不超过1 3 p u ；合闸过电压通常衰减比较快，其最大值一般 小于工频稳定电压的2 倍；在电力设备绝缘设计中根据过电压保护规程对操作过电 压倍数作如下规定：对于2 2 0 k v 及以下系统允许承受小于3 0 p u 的操作过电压， 5 0 0 k v 系统不宜大于2 0 p u ； 3 、负荷恢复过程中，系统应留有一定的旋转备用容量，旋转备用容量一般不 低于系统发电负荷的3 0 ： 4 、采用外网黑启动时，其容量较大、安全稳定余度越高，故黑启动的同时即 可恢复部分负荷；采用内部自启动电源进行黑启动时，其容量较小、启动及恢复速 华北电力大学工程硕士专业学位论文 度较慢、安全稳定余度较低，故黑启动的同时可恢复的负荷要根据机组的容量及运 行要求，密切配合调度人员和电厂运行人员逐步恢复，不能操之过急。 5 、为了保证电网的电压水平，要求电网中的无功补偿设备能根据电压情况进 行必要投切，避免远距离输送无功功率【3 4 1 。 2 6 小结 “黑启动”的过程主要分为确定黑启动机组、划分小系统、负荷恢复三个步骤， 为加快系统恢复速度，应尽可能的选择多个具备“黑启动”能力的机组进行黑启动。 而“黑启动”是否成功除了确定具有黑启动能力的机组外，还要考虑黑启动过程产生 的自励磁和空载过电压问题，只有这两个问题解决后才能进行后续问题的研究。而 负荷的恢复过程中关键节点电压、频率的监测，使其控制在合理范围内，是保障“黑 启动”试验顺利进行控制的重点。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第三章利用柴油机进行抽水蓄能机组站内黑启动试验 泰山抽水蓄能电站装机容量为4 x 2 5 m 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 。电站 以二回2 2 0 k v 约2 3 k m 的架空输电线接入泰安电网。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 撑、3 撑主变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 群、3 撑主变1 5 7 5 k v 侧。 3 1 黑气动设备及站内负荷 3 1 1 黑启动电源 保安配电 # 1 机组自用盘杞机组自用盘 图3 - 1 柴油机系统接入图 1 5 配电盘 配电盘 自用盘 华北电力大学工程硕士专业学位论文 表3 1 柴油机技术参数 发电机类型户内强迫空冷水箱闭循环电气调速柴油发电机 额定功率6 5 0 k w额定输出电压 1 0k v 额定频率 5 0 h z 功率因素0 8 ( 滞后) 性能等级 1 2 ( x d + x r + x i i + x 1 2 ) = 1 4 2 4 4 ，不会有自励磁发生。 天园线电纳b 1 2 = 0 0 4 0 4 6 5 ，此时系统累计容抗x ，= 4 4 5 9 ，累计电抗增加到 x 。+ x r + x + x ：+ x = 1 2 2 3 。因此，当泰抽厂# l 机组经# l 主变、蓄泰i 线、泰 天i 线空充天园线时，x 。 1 2 ( x d + x r + x i i + x 1 2 + x 1 3 ) = 1 4 6 7 6 ，不会有自励磁发生。 高园线电纳b 1 2 = o 0 1 0 9 4 5 ，此时系统累计容抗降到x ，- 4 0 6 2 9 ，累计电抗增 加到x d + x7 + x i i + x 1 2 + x 1 3 + x 1 4 = 1 2 3 3 6 。因此，当泰抽厂# l 机组经# 1 主变、蓄 泰i 线、泰天i 线、天园线空充高园线时，x 。 1 2 ( x d + x r + x i l + x 1 2 + x 1 3 + x 1 4 ) 华北电力大学工程硕士专业学位论文 = 1 4 8 0 3 ，不会有自励磁发生。 石高i 线电纳b l 2 = o 0 1 0 8 4 9 ，此时系统累计容抗降到z = 3 7 3 3 ，累计电抗增 加到x d + k + 五i + 五2 + 墨3 + x 1 4 + 墨5 = 1 2 3 8 8 。因此，当泰蓄1 # 机组经1 # 主变、 蓄泰i 线、泰天i 线、天园线、高园线空充石高i 线时，以 1 2 ( 蜀+ x r + 五l + x 1 2 + x 1 3 + x 1 4 + x 1 5 ) = 1 4 8 6 6 ，不会有自励磁发生。 石横乙站0 5 启备变主抗x r ：= 0 0 4 3 2 4 3 ，此时系统累计容抗仍保持为以= 3 7 3 3 ，累计电抗增加到x d + x r + 五l + x 1 2 + 五3 + x 1 4 + 墨5 + 坼2 = 1 2 8 2 。因此，当泰 抽厂# l 机组经# 1 主变、蓄泰i 线、泰天i 线、天园线、高园线和石高i 线空充石 横乙站0 5 撑启备变时，以 1 2 ( x d + x r + x l i + x 1 2 + x 1 3 + x 1 4 + 墨5 + x r 2 ) = 1 5 3 8 4 ，不 会有自励磁发生。 自励磁指标的总体校验过程如图4 2 所示： 4 3 3 过电压计算 4 3 3 1 工频过电压计算 图4 2自励磁校验表 空充3 6 3 2 5 k m 、2 2 0 k v 蓄泰i 线和4 6 5 9 k m 、2 2 0 k v 天园线时，工频过电压和 操作过电压能否控制在允许的范围是黑启动成功与否的关键。 当线路空载时，各母线的稳态电压能控制在额定电压4 1 的下降范围内。如 华北电力大学工程硕士专业学位论文 - _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ i - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ l - _ _ _ _ - - _ _ - - _ - _ - _ _ - - _ - - _ _ _ i _ - _ - _ _ _ - - - _ - _ _ _ _ _ - - _ - _ 。_ - _ 。i - - 。 下图4 3 所示： 稿躲汕加坡1 3 融 天嗽油囊天瑚1 3 2 恤 图4 - 3 工频电压计算 o o - - j o i s 2 如果带石横厂用电2 0 + j 2 0 m v a ，此时计算结果如下图4 - 4 所示，鲁石横乙站0 5 号母线，即石横厂用电母线的电压明显偏低，需要电压调整措施。 图4 - 4 工频电压调整计算图 2 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 如果保持其它变压器的分接头在3 档上，则需把石横厂启备变的分接头调到1 5 档以上时，石横厂用电母线的电压才能达到合理的水平，如下图4 5 所示： ：i e f - 磁4 盯h高匿线1 3 t 3 细天目鳢循5 9 m 4 3 3 2 操作过电压计算 图4 - 5 工频电压调整计算图 对于空载线路合闸操作过电压校验，本文按照分段空充线路和一次空充全部线 路两种情况进行仿真校验。 泰安抽水蓄能电站黑启动成功后， 主变、蓄泰i 线、泰天i 线、天园线、 按照设定的供电路径，依次对泰山电站l # 高园线、石高i 线和石横电厂启备变充电。 仿真结果显示没有出现合闸操作过电压，文中给出空充小系统中两条最长线路，即 蓄泰i 线和天园线时的仿真结果。 空充蓄泰i 线时，如图4 - 6 所示，过电压倍数为1 2 7 ，在允许范围之内，母线 电压经短时波动迅速稳定在额定电压附近。 n【警h嗽簟 图4 - 6 蓄泰i 线空载非同期合闸操作过电压波形 空充天园线时，如图4 7 所示，c 相电压最高，其最大值达到3 1 0 5 9 1 k v ，为 过电压的1 5 2 倍，在允许范围之内，之后母线电压经短时波动迅速稳定在额定电压 附近。 图4 - 7 天园线空载非i 一期合闸操作过电压波形 2 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 在黑启动试验之前，泰山站、天平站、桃园站、高余站开关闭合，形成1 1 4 5 5 7 k m 的2 2 0 k v 长线路。泰安抽水蓄能电站黑启动成功后，按照设定的供电路径，依次对 泰山电站# 1 主变、长线路和石横电厂启备变充电。 空充长线路时，如图4 8 所示，c 相电压最高，达到3 2 1 2 7 7 k v ，母线电压经短 时波动迅速稳定在额定电压附近。为过电压的1 5 6 倍数，不会发生合闸操作过电压。 图4 - 8长线路空载操作合闸过电压波形 4 3 3 3 空充变压器谐振过电压计算 黑启动过程中谐振过电压相关的主要问题是发电机启动后从低压侧空充主变 压器，对于许多扩大单元接线的电厂情况则更加严重，其原因是发电机容量比较小， 对于小机充大主变这种情况，发电机及其脆弱的厂用电系统很难承受励磁涌流的冲 击而造成紧急停机。励磁涌流的产生机理可以用利用理想电压源和变压器来进行解 释。但处于黑启动初期的发电机控制系统及其厂用电系统动态特性的复杂性制约了 精确的数学方法在该问题的应用1 4 。 励磁涌流的大小主要与主变容量、剩磁、送端电压以及合闸角有关，孤岛系统 中的发电机台数仅仅会影响以上因素中的送端系统的电压幅值，发电机台数的增加 会令整个孤岛系统转子系统的转动惯量增大，这使得孤岛系统耐受电磁功率暂态变 化的能力变强；另一方面，发电机台数的增加令孤岛系统的等效电抗变小，这使得 孤岛系统对送端系统电压的稳定能力变强，这也减少了机端电压变化对孤岛系统内 的发电机和电动机稳定运行的影响。总之，增加发电机台数并不能显著改变励磁涌 流的大小，但却能有效地增强孤岛系统承受励磁涌流冲击的能力。因此，本文选择 最严重的一种运行方式校验励磁涌流对系统的影响【4 2 1 。 仿真计算泰蓄l 群机组开机后，空载充电2 2 0 k v 泰山电站3 0 0 m v a 变压器和石 横乙站3 7 0 m v a 启备变，是泰蓄黑启动初期系统两种最可能发生变压器励磁涌流和 谐振过电压的情况。仿真结果分别如图4 9 、4 1 0 所示。空载充电2 2 0 k v 泰山电站 3 0 0 m v a 变压器时，最高电压为1 9 3 7 0 1 k v ；空载充电2 2 0 k v 石横乙站3 7 0 m v a 变 压器时，最高电压为2 0 7 6 2 0 k v ，两种运行方式过电压水平均处于安全范围内。 图4 - 9 空载充电泰山电站3 0 0 m v a 变压器 图4 - 1 0 空载充电石横乙站3 7 0 m v a 变压器 3 l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 4 小结 1 、通过对黑启动方案进行了自励磁验算，泰安抽水蓄能电站1 # 机组黑启动石 横电厂5 # 机组过程中不会发生自励磁： 2 、对泰安抽水蓄能电站黑启动过程进行了工频过电压、操作过电压和谐振过 电压的计算结果进行分析如下： 1 ) 工频过电压校验：建议将石横乙站0 5 # 启备变的分接头分别调至1 5 档： 2 ) 操作过电压校验：经过对线路分段充电和一次性全部充电两种黑启动方式 的过电压仿真计算与分析，结果表明操作过电压幅值在允许范围内； 3 ) 谐振过电压校验：通过对空充泰山电站l 撑主变和石横乙站0 5 # 启备变过程 的仿真计算，结果表明充电过程中不会发生谐振过电压。 3 2 5 1 1 系统要求 l 、初始状态 黑启动调度操作方案中应根据其路径方案明确各黑启动机组、被启动机组的初 始状态，以及各厂站上的初始状态。对各厂站的黑启动初始状态安排中，要有防止 非同期合闸的操作及措施。黑启动机组、被启动机组的初始状态应保证直流及安全 控制回路正常，机组的各参数正常，并具备黑启动条件。黑启动路径中各变电站应 按照预定方案设定黑启动机组的初始运行状态，可以直接由外部受电，并可作为下 一级厂站的电源1 4 3 l 。 2 、二次系统 1 ) 直流系统电网黑启动过程中，各调度机构及电站应加强对直流系统的监视 和维护，采取减少直流负荷的措施，延长直流电源的供电时间，一般情况下应大于 4 小时。若变电站停电时间过长，直流电源已耗尽，将会造成断路器和隔离开关等 设备无法进行自动操作，从而导致黑启动时间延长、延缓整个电网的恢复过程； 2 ) 电力通信。在电网黑启动过程中，各级调度机构及厂站应保持通信畅通， 若不能直接联系，可以通过第三方联系。但系统全停时，通信系统应立即按照应急 机制启动通信应急预案，保证调度电话和继电保护通道的畅通； 3 ) 继电保护电网黑启动过程中，各保护应充分考虑系统电源问题，以保证在 黑启动过程中快速切除故障。对继电保护的要求为：重合闸应退出运行：过电压保 护必须投入：低电压和低周保护( 低周保护是当电源频率低于设定值时，保护电路就 动作，并发出报警信号) 停用； 4 ) 安全自动