（电气工程专业论文）宁波电网黑启动方案研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 由于长时间的大停电将会造成巨大的经济损失和恶劣社会影响，因此黑启动 是所有电力公司十分关注的问题。近年来，随着经济竞争和市场化的进行，电力 系统越来越接近稳定极限运行，同时系统的规模和复杂性日益增加，使得系统大 停电的风险大大增加。大停电后，要求系统能够快速可靠的恢复，因此建立有序、 可靠的黑启动方案是十分必要的。 本课题介绍了浙江电网黑启动的原则方案，并根据浙江省电力系统全停后的 恢复原则，提出了宁波电网黑启动的3 个可行方案。着重对其中的宁波区域黑启 动初始阶段与发电厂密切相关的问题进行了探讨和研究。 利用有关软件对3 种启动方式下可能遇到的有关问题进行了仿真计算，回答 了黑启动机组对线路充电时会否发生自励磁，发电机能否承受最大进相无功，空 载线路的合闸会否出现过电压，黑启动初期会否出现低频振荡，厂用大容量电动 机的起动会否造成电压和频率的大幅下跌等问题，并提出了相应的处理对策。 同时对黑启动方案中具有重要地位的燃气轮机组作了简单介绍，重点对黑启 动过程中，镇海电厂的燃气轮机组如何实现快速启动，缩短黑启动时间进行了专 门研究，并提出了可行的方法。 最后对宁波电网三种黑启动办法给出了能直接用于现场的运行操作方案。 关键词：电力系统黑启动恢复方案发电机励磁系统燃气轮机 浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t b l a c ks t a r ta n dr e s t o r a t i o no fp o w e rs y s t e m sf o l l o w i n gac o m p l e t eo rp a r t i a l b l a c k o u ti sa l la r e ao fm a j o rc o n c e r nf o ra l lp o w e ru t i l i t i e sd u et ot h eh i g hf i n a n c i a l a n ds o c i a li m p l i c a t i o n si n v o l v e d i nr e c e n ty e a r s d u et oe c o n o m i cc o m p e t i t i o na n d d e r e g u l a t i o n p o w e rs y s t e m sa r eo p e r a t e dc l o s e ra n dc l o s e rt ot h e i rl i m i t s a tt h es a l n e t i m e p o w e rs y s t e m sh a v ei n c r e a s e di ns i z ea n dc o m p l e x i t y b o t hf a c t o r si n c r e a s et h e r i s ko f m a j o rp o w e ro u t a g e s a f t e rab l a c k o u t ，p o w e r n e e d st ob er e s t o r e da sq u i c k l y a n d r e l i a b l ya sp o s s i b l e ，a n dc o n s e q u e n t l y ，d e t a i l e dr e s t o r a t i o np l a n s a r en e c e s s a r y 耵l i st a s kh a sa ni n 仃o d u c t i o no ff u n d a m e n t a lp r e c c p to fz h e j i a n ge l e c t i l e a l p o w e rs y s t e m b l a c ks t a r t ，a n da d v a n c e st h r e ed o a b l ep r o j e c t so f n i n g b oe l e c t r i c a ln e t b a s i n go f r e s t o r a t i o np r i n c i p l ea f t e rz h e j i a n gp r o v i n c ep o w e rs y s t e mb l a c k o u t s o m e i m p o r t a n tp r o b l e m sa r ed i s c u s s e da n ds t u d i e di nt h et a s k t h e s ei s s u e sm u s tb e c o n c e r d e d b yp o w e r s t a t i o nd u r i n gt h ef i r s ts t e po f b l a c ks t a r t s o m e p r o b l e m sm i g h ta p p r e ad u r i n gb l a c k s t a r t t h e s ei s s u e sa r es i m u l a t e da n d e a l c u l a t e du s e db yp s a s ps o f t w a r e a n dg i v eac o n c o l u t i o nt oa n s w e rs o m e q u e s t i o n s s u c ha si fi tw i l lb ec a u s e ds e l fe x c i t i n g ，i ft h eg e n e r a t o rh a ss u f f i c i e n tc a p a b i l i t y r e c e i v i n gi n c o m er e a c t i v ep o w e r , i fi t w i l lc a u s eo v e 卜v o h a g ew h e no t 5 1 i n ew i r e c h a r g e d ，i fi tw i l lt a k ep l a c el 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 ef i r s ts t a g eo f b l a c k s t a r t ，i fi tw i l lc a u s ev o l t a g ea n d 丘e q u e n c yd e c l i n ed u r i n gm o t o rs t a r t i n g m e a n t i m e t h et a s kp r o v i d e st h em e t h o dt or e s o l v et h e s ep r o b l e m s 。 i tg i v e ss o m e s i m p l ei n t r o d u c t i o no fg a st u r b i n et h a tp o s s e s ss i g n i f i c i a n tp o s i t i o n i nt h eb l a c ks t a r ts c h e m e s 1 1 1 et a s kb r i n g sf o r w a r dt h em e t h d so fs h o r t e n i n gs t a r t i n g t i m e a tl a s ti tg i v e sd e t a i lo p r a t i o ns c h e m e so f t h r e ek i n d so f b l a c ks t a r tp r o j e c t i tc a n b eu s e df o rs i t ed i r e c t l y k e y w o r d s ：e l e c t r i c a l p o w e rs y s t e m b l a c ks t a r tr e s t o r a t i o np l a n g e n e r a t o re x c i t i n gs y s t e mg a st u r t i n e 2 浙江大学硕士学位论文 第一章序论 近年来美国、加拿大及欧洲等国电力系统发生的大停电事故，引起了世界范 围的广泛关注。尽管我国多年来没有出现过欧美国家发生过的大规模的停电事 故，但绝不能说我们的电网稳定性己达到了很高的水平。相反，近年来随着经济 的高速发展，全国大部分电网的输电量达到了前所未有的持续增长，很多电网几 乎运行在极限状态。另方面，随着电网的规模越来越庞大、结构越来越复杂， 也使得造成大停电事故的风险更大。因此在研究不断提高电网运行安全性的同 时，对于如何在大停电事故后，迅速、可靠地恢复电力系统的正常运行，即系统 事故恢复的黑启动问题已成为电力系统研究的一个热点问题。 1 1 电力系统黑启动定义及制定黑启动预案的必要性和重要意义 电力系统黑启动定义为：系统全部停电后( 不排除孤立系统仍维持运行) ，迅 速恢复供电的方式。其内容包括系统中部分发电机组利用自身的动力资源( 柴油 机、水利资源等) 或利用外来电源使发电机组达到额定转速和建立正常电压，有 步骤地恢复电网运行和用户供电。 制定一个切实可行的电力系统黑启动预案，是非常必要的。因为技术、管理 和不可抗力等原因，电力系统总有可能发生灾变事故的。世界上发生的众多电力 灾害的教训告诉我们，随着电力系统规模的不断扩大，发生事故的因素增加，波 及的范围扩大，对国家安全、国民经济和人民生命财产造成的损失增加。尤其是 在电力市场建立的初期，市场运作规则尚未完全建立或不甚完善，各个市场主体 可能会出现片面追求自身最大利益而忽视电力系统安全的情况，成为事故诱发的 一个因素。同时我国正处在全国大联网中，由于缺乏管理大电力系统的经验，加 上从弱联到强联客观存在的网络上的过渡阶段，发生事故的几率有可能增加。另 一方面，人们对电能的依赖性越来越大，对电力供应的可行性越来越高，社会对 事故停电的可接受性越来越低。如果事先有了电力系统黑启动方案，一旦电力系 统发生大停电事故，就能够按照方案快速、可靠地恢复或重构一种新的稳定运行 浙江大学硕十学位论文 方式，及时恢复电力供应，从而使事故损失降低到最低限度。反之，在系统发生 大面积或全网停电的情况下，如果没有任何黑启动措施，将使得停电时间大大延 长，甚至在恢复系统时可能无从下手，不知所措。好的黑启动方案往往能快速安 全地恢复系统，在短时间内能向广大用户恢复供电，把停电带来的损失降低到最 小的程度，否则恢复过程缓慢，甚至造成系统恢复失败，造成巨大的社会危害。 因此，作为电力系统安全运行的重要措施之，研究系统大面积停电后的恢 复问题，从而制定切实可行的黑启动方案，对各级电网和电厂来说均十分关键。 1 2 黑启动的一般过程和恢复原则 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： a 黑启动初始阶段，一般历时3 0 m i n 一6 0 m i n 。这是本文要重点研究的部分。 在这一阶段，首先由起始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，使其能重新并入电网，恢复发电能力，形成个个独立的予系统。起始电源 分几类：第l 类是本身具有黑启动能力的机组，通常为水轮机和具有自启动能力 的燃气轮机；第2 类为事故后残存的机组或孤岛，它们通常为装有满负荷减载装 置的汽轮机，跳闸后带自身的厂用电运行，或是低频解列后形成的孤岛，另外还 有相邻系统的支援。由于后二类电源与系统事故后的状态有关，具有不确定的因 素，列入事先制定的恢复计划较困难。因此，目前绝大多数电网所制订的恢复计 划中只考虑第一类电源。具有临界时间限制的电源是指锅炉为带汽包类型的火电 机组，它们在跳闸后3 0 r a i n 一6 0 m i n 能热启动，超过这段时间后，需要2 h 一3 h 后才 能冷启动。需要提供应急电源的还有自身备用电源的变电站或抽水蓄能电站，在 这些厂站中，充油电缆需要保持一定的油压，室内、外有些设备需要加热或冷却 才能正常工作。 b 建立网络构架，通常历时3 h 一4 h 。在这一阶段，将建立稳定的输电网络构 架，投入主要的输电线路：各个子系统之间互联；恢复足够的负荷，以稳定发电 机的运行和系统电压：启动大型的带基本负荷机组，为大量的恢复负荷创造条件。 c 负荷恢复阶段。在这一阶段，由于系统可供给的有功和无功大大增加，负 荷的增加量应和系统的频率特性相适应，一次投入的负荷量不应使频率的下降值 超过0 5 h z ，更不能引起低率减载动作，同时也要与发电能力的增长相适应。 4 浙江大学硕七学位论文 1 3 燃气轮机在电网黑启动中的作用及应用前景 众所周知，燃气轮发电机组具有启动、加载快速的特点，从本世纪5 0 年代 开始逐渐登上发电工业舞台，在电力系统中作为紧急备用电源和调峰机组。上世 纪6 0 年代，欧美的大电网都发生过电网大面积瓦解的重大事故，促使人们加深 了对电网中必须配备一定数量的燃气轮发电机组的认识，因为燃气轮发电机组具 有快速“黑启动”的特性。 燃气轮发电机的运行方式一般可分为应急型、尖峰负荷型、中间负载型和基 本负载型四大类。对于担任应急或尖峰负载的燃气轮机，从零转速启动到满载出 力的时间不到5 m i n ，它的启动加载速率丝毫不亚于被认为理想的黑启动电源的 水电机组，且一次启动功率能保证大于9 5 。目前，我国投入运行的燃气轮机组 基本运行在基本负荷或中间负荷。通常从零转速启动到并网时间小于2 0 分钟， 加载至满出力的时间小于2 0 分钟。但在紧急情况下如果要求机组尽快投入运行， 只需改变启动、加载的几个控制参数，即可使机组处于应急启动方式，能使机组 从零转速启动到满载出力的时间控制在小于1 0 分钟，而不影响机组启动的稳定 性和成功几率。在机组正常启动中不采用这种快速启动方式，是因为对机组昂贵 的高温金属部件的寿命不利，一次应急方式的启动对机组寿命的影响相当于正常 启动8 次左右。但在紧急情况下，能加快电网的恢复时间，这些代价就变得微不 足道了。 作为最理想的黑启动电源，必须是不用外来电源即能快速自启动的机组，燃 气轮机的启动初期需要外部动力把机组带至一定的转速才能点火升速，国外较多 的燃气轮机使用柴油机作为燃机的起动机，完全不需要外界电源即能自启动。但 由于柴油机维护工作量较大，目前我国绝大部分燃气轮机，包括在浙江所有投用 的燃气轮机，采用电动机作为燃汽轮机的起动机，无法作为理想的黑启动电源， 在黑启动过程中一般被列为黑启动电源最先供电并入子网的机组。 作为黑启动的起始电源也可经是事故后残存的机组，跳闸后带自身的厂用电 运行。我国火电机组中，蒸汽轮发电机组占居绝大多数，蒸汽轮机在突甩高负荷 时，由于调速器响应较慢，会引起转速的突升，容易引起过速保护动作跳机。即 使与系统突然解列后，能避免立即跳机，汽轮机甩负荷时，往往会引起蒸汽温度 急剧下降，难以维持空载长时间运行。因此在电网发生故障，蒸汽轮机组与电网 浙江大学硕士学位论文 解列后，一般难以做到带自身厂用电维持3 0 0 0 转长时间运行，而即使有个别几 台能维护独立运行，由于幸存的几率极低，事先无法预知，因此难以列入事先制 定的恢复计划。 而燃气轮机具有快速的负荷响应特性，当系统发生故障紧急跳开发电机开 关，突甩负荷时，燃气轮机的燃料调节系统能够快速地控制进入燃烧器的燃料量， 在极短的时间内使转速稳定在3 0 0 0 转。根据燃气轮机组甩满负载试验结果，一 般转速的超调量能控制在不超过5 ，调节时问不大于1 5 秒。另一方面，燃气轮 机组辅机系统简单，厂用电率不到0 5 ，机组可以在空载工况下连续运行。因 此在系统瓦解后，如果与系统及时解列，燃气轮机带自身厂用电维持3 0 0 0 转长 时间运行的成功几率极高。镇海燃气轮机电厂就有这方面的成功例子，镇海电厂 2 2 0 k v 二段母线曾发生接地故障，母差保护动作后，成功跳开当时该段母线上所 联的所有5 台机组及2 条出线开关。其中3 台汽轮机均跳机，而二台燃机在满载 工况下，成功地与系统解列带自身厂用电维持3 0 0 0 转运行。并且在母线故障排 除后，直接并入系统，首先向系统恢复供电。 我国的电力工业从9 0 年代初开始，在南方及东部沿海地区陆续引进一批燃 气轮机组，到2 0 0 0 年底我国燃气轮发电机组总装机容量达到8 g w 。近几年来， 随着西气的开发，我国部分地区缺电严重，建设周期远短于常规发电机组的燃气 轮联合发电机组正进入前所未有的建设期，人们期望这批正在建设和规划中的电 源能够有力地缓解目前严重的缺电局面。但在新上的燃气轮机电厂的规划中应充 分考虑它具有的理想黑启动电源的优势，在燃气轮电厂中选择一台燃气轮机的起 动机为柴油机对增加系统的黑启动电源数量有着积极的作用。 1 4 本文主要研究的内容 浙江省电力系统根据国家经贸委在2 0 0 1 年颁布的电力系统安全稳定导则 中对电力系统全停后的恢复要求，己初步制订了浙江电网的黑启动总体指导方 案。方案中确定了在恢复过程中，把浙江电网分为5 个独立的子系统。本文对其 中的宁波区域黑启动初始阶段的有关问题进行了探讨和研究，提出了3 种可能的 黑启动方式，并给出了实际的运行操作方案，以备突发之需。并利用有关软件对 浙江大学硕士学位论文 3 种启动方式f ，可能遇到的有关问题进行了仿真计算。回答了黑启动机组对线 路充电时会否发生自励磁，发电机能否承受最大进相无功，空载线路的合闸会否 出现过电压，黑启动初期会否出现低频振荡，厂用大容量电动机的起动会否造成 电压和频率的大幅下跌等问题，并提出了相应的处理对策。同时对燃气轮机在黑 启动过程中如何实现快速启动进行了专门研究，并提出了可行的方法。 浙江大学硕士学位论文 第二章浙江电网黑启动方案介绍 浙江电网近几年来随着建设进度的加快，电网结构有了较大的改善，电网的 稳定运行水平得到了不断的提高，至2 0 0 0 年底，在正常接线及快速主保护均投 入的情况下，浙江电网已经建立起稳定的第二道防线，基本解决了2 2 0 k v 及母线 正常方式下的三相短路稳定问题。但是最近几年里，由于浙江电网用电负荷的快 速增长，电源建设相对滞后，整个电网运行中几乎没有备用容量，发电机组长期 满负荷运行，部分电力设备超稳定限额运行的情况也较为严重，局部区域稳定问 题较为突出。这些问题处理不当可能会波及邻近区域，并可能诱发恶性连锁反应。 另外，多重故障的发生( 继电保护的拒动和误动) ，灾难性天气现象的出现以及人 员的失误等等，均可能成为电网瓦解或崩溃的诱发因素。 浙江省电力系统根据国家经贸委在2 0 0 1 年颁布的电力系统安全稳定导则 中对电力系统全停后的恢复要求，已初步制订了浙江电网的黑启动方案。 2 1 浙江电网黑启动电源的确定 黑启动的启动电源必须是无需外来电源即能自启动的机组，这是黑启动过程 中首先需要确定的重要问题。理想的黑启动电源同时具有启动过程快，负荷调节 响应抉的特点。 水力发电厂( 包括抽水蓄能电站) 的水轮发电机组应是黑启动电源的首选，与 火电，核电机组相比，水轮发电机组结构简单，没有复杂的辅机系统，厂用电少， 启动速度快，升降负荷快，因此是理想、方便的黑启动电源。 浙江2 2 0 k v 电网中属省调调度的水电厂有乌溪江水电厂、紧水滩电厂、珊溪 水电厂，根据相关资料确定及试验，以上电厂机组均具备自启动能力，可以将这 三个厂的水电机组作为主要的黑启动电源。 华东电网黑启动的主启动电源为坐落在我省的天荒坪抽水蓄能电厂，该厂顺 利启动并送电至5 0 0 k v 瓶窑变后，可作为我省北部电网的启动电源，从而加速这 一负荷集中地区的快速恢复。 浙江2 2 0 k v 以下系统中有较多的水电机组，但大多容量较小。从容量及区域 浙江大学硕士学位论文 考虑，接在2 2 0 k v 奉化变的溪口抽水蓄能电厂也是比较理想的黑启动电源。另外， 通过一条1 l o k v 线路与大陆相联的舟山电网如果在主网瓦解后尚维持区域运行， 也可作为主网的黑启动电源。 2 2 浙江电网黑启动过程中的子系统的选择 有了起动电源后，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，即先建立初期独立小电网，然后在某一个阶 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： a 启动路径尽量短； b 尽量减少不同电压等级的变换； c 尽量先启动大容量的机组； d 尽量先启动离重要负荷近的机组。 根据上述确定的黑启动电源及浙江电网的具体情况，在浙江电网黑启动方案 中将浙江电网分为5 个独立的子系统，分别为乌溪江区域、紧水滩( 包括珊溪) 区域、浙北区域、宁波溪口区域、舟山区域，这些子系统具有各自的启动电源， 同时并行地进行恢复操作，任何一个子系统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。 2 3 浙江电网系统恢复总原则 由于系统发生全停事故的几率极小，一般来说，大部分电网运行人员缺乏足 够的电网全停的事故处理经验，因此有必要确定系统恢复的总原则，以使系统恢 复有条不紊地进行。 3 浙江电网全停后，根据浙江电网分区原则，将浙江电网分为上述5 个独立的 子系统，这些子系统具有各自的启动电源，同时并行地进行恢复操作，任何 一个子系统恢复不成功，均不影响其它子系统的恢复进程。 b 各子系统区域的黑启动电源厂站的现场运行人员应自行拉开所有2 2 0 k v 出线 开关，其它失电的2 2 0 k v 厂站应拉开母联开关或母分开关，并在每组母线 上保留一个可能来电的电源开关，其它电源开关全部拉开，这样有助于简化 浙江大学硕士学位论文 网络结构和实现快速恢复。1 i o k v 及以下母线由各地区调度根据各自地区电 网的情况确定是否采取以上类似的策略。 c 在恢复系统的最初阶段，现场值班人员可按照相关规程中的操作顺序独立拉 开线路和主变2 2 0 k v 开关，而不要求必须通过调度中心进行协调，以减少调 度中心压力及减少事故处理中可能发生的因通讯通道或远动信息失灵带来的 困难，以加速系统恢复。 d 各启动子系统中具有自启动能力的机组启动后，为确保稳定运行和控制母线 电压在规定范围，需及时地接入一定容量的负荷，并尽快向本子系统中的其 它电厂送电，以加速全系统的恢复。 e 子系统内机组的并列。具有自启动能力的机组恢复发电后，应创造条件尽快 带动其它机组启动。根据机组特性合理安排机组恢复顺序，尽快完成各机组 之间的同期并列。 f 子系统间的并列。各子系统之间在事先确定的同期点实现同期并列，逐渐完 成全系统的恢复。 g 黑启动过程中2 2 0 k v 线路考虑所有高频保护正常投入，一般也不进行保护定 值的更改。 浙江人学硕上学位论文 第三章宁波区域黑启动方案的研究 3 1 宁波电网概况 3 1 1 宁波电网总体结构情况 宁波电网现有5 0 0 k v 天一变1 座，2 2 0 k v 变电所1 3 座。截至2 0 0 2 年底，宁 波电网3 0 0 0 千瓦及以上地方电厂总装机容量为7 2 7 1 8 m w 。主网电源点三个： 5 0 0 k v 天一变、镇海电厂、宁绍三回联络线( 桑屯2 4 5 4 、屯上2 3 1 9 、宁上2 3 0 8 ) 。 之外，宁波电网与外部联络的还有江南变的两回l l o k v 交流联网线路：城江1 9 2 5 、 南城1 9 2 6 以及跃龙变的跃三1 8 4 8 线( 正常空充到对侧三门变) 。 3 1 2 地区重要厂站情况 5 g o r y 天一变和北仑电厂、镇海电厂是宁波地区的最主要电源点，处于优先 重要地位。其中北仑发电厂有5 台单机容量为6 0 0 m w 的燃煤锅炉蒸汽轮发电机， 总容量为3 0 0 0 m w 。镇海电厂有4 台单机容量为2 0 0 m w 的燃煤锅炉蒸汽轮发电机 和1 套3 0 0 m w 的燃气轮联合循环机组，包括2 台单机容量为i o o m w 的燃气轮发电 机和l 台1 0 0 m w 的余热锅炉蒸汽轮发电机。 黑启动方案的制订中应首先考虑黑启动机组先向该二电厂送电，提供启动大 机组的厂用电源，启动大机组后逐步恢复系统。同时，宁波地区各2 2 0 k v 变电站 均担负着所在区域的电源供应任务，地位相对比较重要。其中，宁西变、新乐变 作为市区2 2 0 k v 电源点尤为重要。 3 1 3 黑启动电源考虑 系统全停后恢复的顺利实现关键在于启动电源，即具有无需外来电源即能自 启动的机组，这是黑启动过程中首先需要确定的重要问题。 地区电网中水力发电厂( 包括抽水蓄能电厂) 由于发电机结构简单，没有复 杂的辅机系统，厂用电少，启动速度快，因此是理想、方便的启动电源。另外与 系统解裂运行的大型自备电厂机组也是非常情况下，地区电网的比较理想的启动 电源。 浙江大学硕士学位论文 目前宁波2 2 0 k v 以下系统中有较多的水电机组，但大多容量较小。从容量及 区域考虑，接在2 2 0 k v 奉化变的溪口抽水蓄能电厂的2 台单机容量为4 0 m w 抽水 蓄能机组是比较理想的黑启动电源；在与系统解列后，如果镇海电厂的二台燃气 轮机发电机能维持带厂用电可靠运行，则是最理想的黑启动电源；另外，通过一 条l i o k v 线路与大陆相联的舟山电网如果在主网瓦解后尚维持区域运行，也可作 为宁波区域的黑启动电源。宁波区域网络结构如图3 1 所示。 图3 i 宁波区域网络结构图 3 2 宁波区域恢复第一方案 由于燃气轮机具有快速的负荷响应特性，当系统发生故障紧急跳开发电机开 关，突甩负荷时，燃气轮机的燃料调节系统能够快速地控制进入燃烧器的燃料量， 在极短的时间内使转速稳定在3 0 0 0 转。在与系统解列后能带厂用电可靠运行， 并且镇海的2 台燃气轮机在实际运行中均有成功的例子。因此第一方案选择黑启 动电源为镇海电厂的# 7 、# 8 燃气轮发电机。 方案一的启动电源为镇海电厂的# 7 、# 8 燃气轮发电机。2 台燃机与系统解 列后，可以迅速通过镇海电厂2 2 0 k v 母线向同厂的4 台2 0 0 m w 燃煤机组提供启动 2 浙江大学硕士学位论文 电源，同时通过新乐变、江南变向邻近的北仑电厂的任何2 台6 0 0 m w 燃煤机组提 供启动电源。考虑镇海电厂4 台2 0 0 m w 机组的厂用电率为6 计算，启动功率一 共大约为4 8 m w 左右，北仑电厂的2 台6 0 0 】i f l j 机组的厂用电率为6 计算，启动功 率一共大约为7 2 m w 左右，基于燃机具有快速的负荷响应特性，2 0 0 m w 的燃机容 量足够能满足大机组启动容量的要求。如果在与系统解列后，只有一台燃机成功 维持带厂用电运行，则不考虑向北仑电厂供电。首先向另台燃机和镇海电厂4 台2 0 0 m w 机组提供厂用电，快速启动第二台燃机，待二台燃机并列后，再向北仑 电厂供电。宁波区域恢复第一方案的恢复路径如图3 2 所示。 圈竺卜圉竺- 圈1 卜_ 制卜叫l 图3 2 宁波区域恢复第方案的恢复路径 3 3 宁波区域恢复第二方案 在系统崩溃前，如果镇海电厂的二台燃气轮机组没有连接在电网上，( 如处 于调停、备用状态) 或在系统崩溃后由于种种原因，二台燃气轮机带自身厂用电 维持运行均不成功，则应选择第二方案。 宁波区域恢复第二方案的启动电源为溪口抽水蓄能电厂2 台4 0 m w 机组。主 要目的是为了启动镇海电厂# 7 、# 8 两台燃机。考虑镇海# 7 、# 8 机每台机组 容量为i o o m w ，厂用电率仅为2 ，启动功率一共大约只要4 m w 左右，完全能满足 容量要求。分析中视奉化为调频点。宁波区域第二方案的恢复路径如图3 3 。 l j 江大学硕士学位论文 困可叫网可矿圈 图3 3 宁波区域恢复第二方案的恢复路径 3 4 宁波区域恢复第三方案 舟山电网通过一条l i o k v 线路与大陆相联，如果在主网瓦解后，舟山电网尚 维持区域运行，也可作为主网的备用黑启动电源。如果第一、第二方案恢复均不 成功，可以考虑第三方案，或可与第二方案同步进行，提高恢复可靠性和灵活性。 舟山区域系统恢复方案比较简单，充电到镇海电厂就可以与宁波溪口方案进 行同期并列。同时考虑送北仑厂用保安电源。舟山区域系统恢复路径见图3 4 。 图3 4 宁波区域恢复第三方案的恢复路径 一 lljl一斟一 i 圈 圈4团 2 浙江大学硕士学位论文 第四章宁波区域黑启动阶段应该考虑的问题 4 1 黑启动机组对线路充电时的自励磁问题 同步发电机自励磁是无励磁发电机在过大的电容负荷下电压自发上升的现 象，建立的电压可能很高。如图4 1 所示，由于发电机剩磁作用，机端会有1 个 幅值较小的电压【“，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。增大励磁电流，升高端电压，随着发电机电压的升高， 系统中的容性电流也将增大，助磁效应增强，u o 又将上升。如此反复，机端电 压将越来越高，但由于实际存在磁路饱和，机端电压不会无限增大。 婶 x 五 “。 i 图4 1 产生自励磁的电路及稳定边界 ( b l 由于此时无外加励磁电流，系统容性电流充当励磁电流，所以有以下关系式 u o2 e q2 l a ( x a d + x c ) 1 5 浙江大学硕士学位论文 由于转子铁心渐趋饱和，x a d 渐小，x 。d + x 。也渐小，u 。最终将稳定在某 一值上，即最后有一个稳态结果。因此，由于饱和的存在，所谓同步自励磁就是 在电容性负荷条件下，发电机发出反应功率并建立对应于某饱和直轴同步电抗 ( 饱和x 。) 值的稳态运行方式。如x 。小于非饱和x 。不多，自励磁电压并不高。 发电机自励磁现象实质是参数谐振，设在一同步发电机的定子中有一组稳定 正序电流流过，其综合向量为t 。如果发电机能送出电磁功率，以平衡输电系统 电阻中的功率损耗，则会发生同步自励磁。 根据参数谐振概念得到其稳定边界 ) 【c ( x 。+ x 。) 2 2 + r 2 = ( x 。- x 。) 2 2 用图形表示即为图4 1 ( b ) 中半圆m 。这一半圆圆心坐标为 ( o ，( x r x 。) 2 ) ， 而其半径为( x c x d 2 。半圆内第1 部分是不稳定区。当代表输电系统参数点( r ， x c ) 落于半圆m 内时，系统发生同步自励磁。 黑启动初始阶段，在起始电源启动后，即通过事先确定的路径向远方的大容 量热力电厂提供厂用电源，通常二者距离较远，输电线路较长，这样当黑启动发 电机空载带长线路时，就相当于带了1 个很大的容性负荷，当发电机容性负荷达 到某值以上时，如前所述，容性电流产生的助磁引起发电机电压升高大于励磁控 制电压的作用，升高的发电机电压又引起容性电流增长，如此正反馈造成发电机 电压不可抑制地升高，破坏了系统的稳定性。其造成的后果会导致黑启动机组跳 闸，黑启动失败；更严重的情况，线路上承受过电压的设备，和发电机会出现绝 缘损坏故障。另一方面，系统如果未到自励磁边界，也必须注意发电机进相无功 会否引起发电机低励限制动作，否则应降低低励限制曲线，或取消低励限制，同 时还得校验进相无功是否会超过发电机极限容量。 自励磁由系统参数决定，与运行电压无关。增加系统无功负荷将消除自励磁。 增加系统有功负荷对自励磁无明显影响。 浙江大学硕士学位论文 在宁波区域的黑启动三个方案中，第二方案是由宁蓄电站( 溪口抽水蓄能机 组) 向镇海燃机供电，启动镇海燃机；筛三方案是由舟山电厂( 汽轮发电机) 向 镇海燃机供电，启动镇海燃机；由于这二条线路均较长，必须计算自励磁和发电 机进相范围。而第一方案是由同一电厂的镇海燃机向连接在同一母线上的镇海煤 机提供厂用电，由于没有传输线路，因此不存在自励磁和燃机发电机的进相问题。 4 2 空载线路的过电压问题 恢复超高压架空线时必须考虑几个过电压问题：持续工频过电压主、操作过 电压和谐振过电压。持续工频过电压是由于轻载输电线路充电电流引起，电压过 高会导致发电机欠励、甚至自励和不稳定。前面发电机自励磁即属工频过电压。 操作过电压是电力系统内部过电压的另一种类型，它是由系统中断路器操作和各 种故障产生的过渡过程引起的。常见的操作过电压有中性点不接地系统中电弧按 地过电压主、空载线路合闸过电压、切除空载线路过电压。谐振过电压指在电力 系统中铁芯电感元件，如发电机、变压器、电压互感器等非线性元件和系统中的 电容元件组成许多复杂的振荡回路，如果满足一定的条件，就可能发生谐振，常 常引起严重的，持续时间较长的过电压。 图4 2 等值电路 在计划性合闸前，线路上不存在接地，系统是对称的，线路上初始电压为零， 在合闸瞬间暂态过程中，电源电压通过系统等值电感k ，对空载线路的等值电容 i j i 江大学硕士学位论文 c ，充电，回路中将发生高频振荡过程。其等值电路如图4 2 所示，考虑最严重情 况，合闸瞬间电源电压瞬时值为幅值e 时合闸，其回路方程为： l s d i d t + i c ，i d t = e i = c ，d u 。d r 由此导出：u 。+ l s c ，d u 。a t = u 。 由初始条件t = o 时，u 。( 0 ) = 0 ，i = c 。d u 。d t = o ， 解得u c = e 。( 卜c o s o d ：当t = j i o 时，c o s ( 1 ) o t = - i ，即合闸后儿( 1 ) o 时刻，u 。 达最大值= 2e 。当考虑回路中存在损耗时，实际振荡过程中线路上的电压要比2 e 。低。 在2 2 0k v 线路上合空载线路时的冲击较小，一般不会达到线路相电压的3 倍， 而在线路设计中，2 2 0 k v 及以下电力系统的绝缘水平设计倍数3 5 u 中，故不会威 胁绝缘。尽管宁波区域黑启动初始阶段的输电线路均为2 2 0 k v 及以下电压等级， 但从安全角度考虑，宁波电网在系统恢复时还是应根据具体情况尽可能采取投低 抗、切电容、双回线只充一回、充短线路、低电压等级线路等措施来限制线路末 端的高电压。 4 3 黑启动初期低频振荡问题 无自启动能力的大容量热力发电机组( 通常为蒸汽轮发电机组) ，在接受来 自远方的黑启动机组提供的电源，启动成功后，下步要考虑的问题是尽快把发 电机组并入系统，提供负荷，以形成一个多电源的小系统。此时可能出现低频振 荡问题，其实质是远距离送负荷，系统缺乏足够的阻尼。 大电网互联电抗大小与系统阻尼性能成反比，系统间电气距离越近，其阻尼 性能越好：反之，阻尼性能变差，易出现低频振荡。黑启动初期系统较弱，多为超高 压远距离重负荷送电，因此容易发生低频振荡。这可通过投运参数整定恰当的电 力系统稳定器( pss ) 达到阻尼功率振荡的目的，提高电力系统动态品质。当 浙江大学硕上学位论文 自动电压调节器( avr ) 退出时系统仍然振荡，一般是由于网架结构不合理引 起的，例如功率输送距离较远、负荷较大等。因此，合理调整潮流分布及将机组p ss 投入可有效抑止和消除振荡。 在宁波区域的黑启动三个方案中，第二方案是由宁蓄电站( 溪口抽水蓄能机 组) 向镇海燃机供电，启动镇海燃机；第三方案是由舟山电厂( 汽轮发电机) 向 镇海燃机供电，启动镇海燃机；由于这二条线路均较长，当镇海燃机启动成功后， 与宁蓄机组或舟山机组并列构成小系统后，应考虑低频振荡问题，计算弱网的小 干扰稳定性。 根据各工况下的阻尼比情况，可采取的应对策略如下：( 1 ) 并网发电机励磁 调节器尽量不投快速励磁，或适当减小调节器放大倍数，同时机组的pss 尽可 能投入。( 2 ) 由于电网间的联系电抗与系统的阻尼性成反比，因此要尽可能先给 附近的机组供电。( 3 ) 若发生低频振荡，可通过调整网络结构即调整潮流来进行 控制。 4 4 厂用大容量电动机起动过程对电压和频率的影响 黑启动初始阶段的主要任务是尽快启动远方的黑启动起始电源，通过事先确 定的最优化传输线路，向靠近负荷中心的无自启动能力的大容量热力发电机组 ( 通常为蒸汽轮发电机组) ，提供厂用启动电源，使尽快启动系统中的主力机组。 不管以往的国内外理论研究，还是众多的区域电网的现场黑启动试验的实际经 验，都认为在这阶段，最主要的问题是电厂辅助系统中的大容量感应电动机的 起动过程，容易引起电压的大幅度下降。如果起始电源容量不足，线路阻抗过大 和电厂辅助电动机容量过大，在电机的启动过程中，可能会由于未端电压的突然 下降造成其它厂用电设备的异常工作和电机保护动作，严重的情况会使电动机过 热烧毁，使黑启动失败。因此在黑启动方案中必须合理安排电厂大容量电动机的 浙江火学硕士学位论文 启动顺序，尽量避免2 台及以上的电动机同时启动的情况，并应计算最大容量电 动机启动过程中的电压和频率响应能否满足要求。 电压的下降幅度及持续时间与许多因素有关：感应电机的启动电流( 通常为 电机额定电流的7 倍) 、感应电机的负载特性( 风机、泵等) 、起始电源发电机容 量和调节特性以及输电路径中变压器和线路的阻抗。因此对每一台电机的起动都 必须单独进行仿真计算，验证能否安全运行。 在宁波区域的黑启动方案中，第一方案为镇海电厂i o o m w 燃机启动同厂的 2 0 0 m w 机组，当2 0 0 m w 机组的一台5 5 m w 给水泵投入后，燃机是否有足够的调压 能力以维持厂用母线电压在0 8 p u 以上，从而保证已投入的其它辅机不至于因电 压过低而跳闸。第二方案中，为溪口抽水蓄能电厂4 6 m w 机组启动镇海电厂i o o m w 燃机( 供电路径为3 2 k m 的2 2 0 k v 线路+ 6 0 3 k m 的ll o k v 线路) ，要考虑的是当 镇海燃机的一台1 5 k w 的启动马达投入后，溪口抽水蓄能电厂4 6 m w 机组是否有 足够的调压能力以维持镇海燃机的厂用母线电压在o 8 p u 以上。在第三方案中， 为舟山电网启动镇海电厂l o o m w 燃机，同样要考虑的是当镇海燃机的一台1 5 1 1 1 的启动马达投入后，舟山1 2 5 m w 机组是否有足够的调压能力以维持镇海燃机的厂 用母线电压在0 8 p u 以上。 4 5 黑启动阶段的时间及相互配合问题 黑启动各阶段的时间及相互配合火力机组热态启动所需的时间与厂用电中 断的时间成正比，因此，尽量缩短电厂自启动及黑启动供电路径的操作时间。对于 保持电厂机炉的较高参数、提高机组热态启动的成功率、缩短启动时间，起着至 关重要的作用。系统中，厂站均采用蓄电池组作为事故备用电源，其可持续供电时 间有限。一旦厂站失去操作电源而无法操作，将严重影响系统恢复。 浙江大学硕士学位论文 第五章镇海燃机黑启动计算 5 1概述 宁波电网黑启动实施的最佳方案是本文第三节提出的第一方案，即当镇海燃 机在事故中通过解列保持独立运行时，向同厂的其它4 台2 0 0 m w 机组供电，启动 2 0 0 m w 机组。由于该方案的启动方式不存在黑启动电源的启动问题和输电过程的 种种问题。因此对本文第4 节提出的黑启动过程中通常需要考虑的问题第一方案 均不存在，也不必进行专门的计算。 本节主要研究宁波电网黑启动后备的第二、第三方案的启动方式与励磁系统 有关的问题：电压调节范围、励磁控制方式、自励磁、投线路的电压超调、低励 限制、同期参数、弱网的小干扰稳定性等。第二方案是由宁蓄电站( 溪口抽水蓄 能机组) 向镇海燃机供电，启动镇海燃机。第三方案是由舟山电厂( 汽轮发电机) 向镇海燃机供电，启动镇海燃机；再由镇海燃机启动镇海其他机组，并且向北仑 电厂提供厂用电，启动北仑机组。 5 2黑启动初期需要考虑的因素 1 ) 电压调节范围。自动励磁电压调节器给定调节范围般为- 4 - 1 0 额定电压。( 舟 山机组和镇海燃机均为此值，宁蓄机组不详) 为满足快速启动，黑启动电源 建立的系统电压应尽量满足在此范围内并列。特殊的情况需要特别安排，如 果与正常运行无冲突，可以将调节范围按照黑启动条件重新设定。 2 ) 励磁调节方式。当励磁调节器有双自动通道时可以不考虑手动方式的使用； 当调节器装备一个自动和一个手动通道时需要考虑在自动通道故障时使用手 动通道。一个系统中必须有足够的运行于自动方式的机组。 3 ) 同期范围。发电机同期装置有的存在电压范围要求，比如镇海燃机的并列点。 浙江大学硕士学位论文 通用的范围是1 0 额定电压。 4 ) 进相范围。黑启动时发电机进相程度小于低励限制则不必为黑启动改变低励 限制值，有利于快速开机。低励限制是大电网内发电机励磁系统的功能，一 般按照并网后机组静稳定极限，并留有一定余量后决定，低励限制动作后提 高励磁减少发电机的进相程度。黑启动中发电机带长线进相运行，低励限制 动作后增加励磁提高电压，进一步增加线路的容性容量增加发电机的进相程 度，导致发电机过电压。因此需要了解黑启动过程中机组进相情况，了解与 原来设定的低励限制有无冲突，确定对低励限制的处理方法。 5 ) 接入地方感性负荷以减少线路容性的影响。同时要考虑负荷接入点的电压不 能越出规定的范围，以免影响负荷正常工作。 6 ) 为了迅速启动，争取实现单台机、单回路送出方案。为了减少线路电容对电 压的提升作用，要减少回路数，减短送电距离，切除不必要的线路。 7 ) 自励磁。当发电机容性负荷达到某值以上时，容性电流产生的助磁引起发电 机电压升高大于励磁控制电压的作用，升高的发电机电压又引起容性电流增 长，如此正反馈造成发电机电压不可抑制地升高，破坏了系统的稳定性。自 励磁由系统参数决定，与运行电压无关。增加系统无功负荷将消除自励磁。 增加系统有功负荷对自励磁无明显影响。 8 ) 励磁失去对发电机电压控制作用的另一种情况是，因为容性电流过大，发电 机励磁电压等于零从而失去了对发电机电压的控制作用。只要不满足自励磁 条件，这种情况会引起发电机电压偏高，但不会形成发电机电压正反馈。增 加有功负荷可以改善励磁对电压的控制作用。 9 ) 控制投容性负荷瞬间发电机电压最大值小于1 1 0 。控制的方法可