（电力系统及其自动化专业论文）基于matlab的黑启动方案的仿真校验.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于m a t l a b 的黑启动方案的 仿真校验，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 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。 学位论文作者签名：塑塑堑 日 期：旌坦! ，2 匕 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：至亟蕴 日 期：迎毖! ： 2 导师签名： 日期：丝鱼! ! 尘 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电力系统发生大面积停电事故后的黑启动方案研究，是保证电力系统快速恢复 的重要课题。本文结合河北南网黑启动实际，对河北南网黑启动的过电压问题、发 电机自励磁问题、大容量厂用负荷投运时的电压和频率问题，以及启动初期水电、 火电并列运行小系统的振荡稳定性问题进行了理论分析和仿真研究。利用仿真软件 m 棚。a b s i m u l i n k ，对多套黑启动方案分别建立了符合系统实际的详细仿真模型并 进行仿真计算，基于仿真结果对这些黑启动方案的可行性进行了校验，从技术上验 证了所提出的黑启动方案的可行性，对河北南网黑启动方案制定有非常重要的参考 价值。 关键词：黑启动，过电压，自励磁，低频振荡，系统仿真 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho np o w e rs y s t e mb l a c k s t a r ta f t e rb l a c k o u ti sa ni m p o r t a n ts u b j e c tf o r e n s u r i n gt h er a p i dr e s t o r a t i o no fp o w e rs y s t e m s a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c eo ft h e b l a c k - s t a r ti nh e b e 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 np 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 f v o l t a g e a n d f r e q u e n c y w 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 dt h es t a b i l i t yo ff r e q u e n c yo s c i l l a t i o nd u r i n g t h ep a r a l l e lo p e r a t i o no ft h ep u m p e d s t o r a g eu n i ta n dt h et h e r m a lg e n e r a t o r b a s e do n m a t l a b s i m u l i n k ，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 es i m u l a t i o n r e s u l t sv e r i f yt 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 np 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 ft h eh e b e i s o u t h e r np o w e rg r i d w a n gl i s h a ( 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 db yp r o f g ux u e p i n g k e y w 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 ，l o w - f r e q u e n c yo s c i l l a t i o n ， s y s t e ms i m u l a t i o n 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 1 1 课题研究目的及意义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3 1 2 3 黑启动过程中的主要技术问题4 1 3 本文的主要工作5 第二章黑启动过程中的过电压分析与仿真6 2 1 仿真工具m a t l a b s i m u l i n k 简介6 2 2 电力系统黑启动过电压的原理分析7 2 2 1 工频过电压7 2 2 2 操作过电压9 2 3 河北南网黑启动的过电压仿真计算与校验1 0 2 3 1 系统建模与仿真计算1 1 2 3 2 河北南网三组黑启动方案的过电压仿真与校验结果1 6 2 3 3 空充5 0 0 k v 线路最大允许线路长度分析，1 7 2 4 本章小结1 7 第三章黑启动机组对线路充电时的自励磁分析与仿真1 8 3 1 发电机自励磁的物理过程和特点1 8 3 2 发生自励磁的判据方法1 9 3 3 河北南网黑启动的自励磁仿真计算与校验2 1 3 3 1 黑启动自励磁的建模与仿真2 1 3 3 2 河北南网三组黑启动方案的自励磁仿真与校验结果2 5 3 3 3 空充5 0 0 k v 线路最大允许线路长度分析2 6 3 4 本章小结2 7 第四章黑启动中系统机电暂态过程的仿真与校验2 8 4 1 厂用大容量电动机启动对系统电压、频率影响的分析与仿真2 8 华北电力大学硕士学位论文目录 4 1 1 电动机启动对系统电压和频率影响的分析与建模2 8 4 1 2 张河湾电厂启动裕华热电时电压和频率仿真3 0 4 1 3 河北南网三组黑启动方案的电压和频率仿真与校验结果3 1 4 2 黑启动过程中低频振荡分析与仿真3 2 4 2 1 低频振荡原理分析3 2 4 2 2 黑启动时系统低频振荡的建模与仿真3 3 4 2 3 河北南网三组黑启动方案的低频振荡仿真与校验结果3 7 4 3 本章小结3 8 第五章结论3 9 参考文献4 0 致谢4 2 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 3 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究目的及意义 第一章引言 随着全国互联电网规模的不断扩大，交直流混合输电系统的出现使网络结构更 趋复杂，电力市场改革的进行使系统运行状态更加复杂多变，电力系统的安全稳定 问题日益突出。近几年来，无论是国内还是国外，大停电事故时有发生：美国1 9 9 6 年7 月2 日西部电网大停电事故中断了2 2 5 万用户的供电，系统被分成了5 个“孤 岛罗，该系统在一个月后即8 月1 0 日又发生了一起更大的大停电事故，系统被分 成了4 个“孤岛 ，受影响的用户达到7 5 0 万户；特别是2 0 0 3 年8 月1 4 日，美国 东部发生了有史以来最大的停电事故【1 j ，1 0 0 多个发电厂( 包括2 2 个核电厂) 、几 十条高压输电线停运，损失负荷达6 1 8 g w ，停电持续时间为2 9 h ，波及地域约 2 4 0 0 0 k m 2 ，受停电影响的人口约5 0 0 0 万，经济损失达3 0 0 亿美元。我国1 9 9 6 年也 发生过沙岭子电厂“五二八 事故、北京西部地区“一一九”事故、1 9 9 9 年山西 电网“七二零”事故、1 9 9 9 年7 月2 9 日台湾大停电事故造成中北部地区全部停电、 2 0 0 1 年辽宁电网“二二二”雾闪事故。虽然事故的规模和国外几次大停电事故相 比不算太大，但也足以给今后的电网安全稳定运行敲响警钟。电力系统发生大面积 停电事故后造成的损失与停电后的恢复方案有很大的关系，如果有预先编制好的、 合理的恢复方案，则可以大大缩短停电时间，减少停电损失。 2 0 0 1 年7 月，我国颁布实施的强制性电力行业标准电力系统安全稳定控制技 术导则专门新增了“电力系统全停后的恢复 这一章节，要求各电力公司结合本 系统实际制定适合的恢复方案( 包括黑启动方案) j 以便大停电后能快速有序地实 现系统的重建和对用户恢复供电1 2 j 。2 0 0 5 年7 月份，国务院又颁布了国家处置电 网大面积停电事件应急预案，此预案要求电力企业要建立快速高效的反应机制， 一旦发生事故要在第一时间内控制事故，阻止事故的蔓延。由于黑启动过程是在整 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，制定出的黑启动预案必需要通 过许多严格的技术校验才能作为一个安全有效的备选方案。 黑启动方案的校验主要包括以下四个方面的内容：发电机自励磁校验、空充输 电线路时的操作过电压校验、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问题的校验。空载或轻载长 线路的电容效应往往会导致在充电过程中释放大量的无功功率，可能造成发电机自 励磁和线路末端的工频过电压，引起相应保护动作，延误恢复。同时，空充输电线 1 华北电力大学硕+ 学位论文 路合闸过程属于分布参数电路的电磁暂态过程，即波过程。在暂态过程中形成的过 电压波可以从线路传播到变压器、发电机或者空载线路的末端，其作用时间虽然十 分短暂，但是情况严重时会导致断路器合闸失败，甚至绝缘设备被击穿从而延误系 统的恢复。黑启动初期一般采用水电机组作为启动电源来启动其它的火电机组，当 火电机组被启动以后，水电机组和火电机组并列运行时，由于水电、火电机组的调 节系统特性相差较大，可能引起子系统内的低频振荡，造成机组有功功率波动，甚 至不能稳定运行。 m a t l a b 在电力系统中的应用越来越广泛，其仿真分析工具箱( s i m u l i n k ) 可 以用来很方便、迅速地建立电力系统的各种模型，并且可以利用这些模型建立复杂 的系统仿真模型，其强大的计算能力和编程能力为提高仿真计算的效率和灵活性、 分析和仿真电力系统的各种动态过程提供了一个强有力的手段。多数情况下，这些 模型可以取得较好的仿真效果。然而，因为其模型都是普遍适用的简易模型，没有 针对性。因此，在精确研究某一实际系统时，程序中原有的模型已不能完全满足要 求，有必要建立一个符合实际系统特殊需要的模型。为此，本文针对河北南网的实 际情况，建立完全符合实际的新的励磁系统模型、原动机及其调速系统模型、p s s 模型等，以保证仿真结果与实际相吻合，使仿真结果更具可靠性和实用性，对河北 南网黑启动方案的制定提供重要的技术依据，同时本文工作对基于m a t l a b 的黑 启动仿真研究具有普遍的参考价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 黑启动问题的研究现状 自上个世纪8 0 年代起，特别是1 9 7 7 年纽约大停电之后，电力系统大停电问题 便逐渐引起了人们的重视，国外学者开始进行黑启动问题的研究【3 - 5 】。在相关的研究 中，黑启动过程中所需解决的问题被辩明，结合具体系统研究各种不同的黑启动方 案。文献【6 】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。文献【7 】对希腊h c l l i c 电力系统的一次大停电事故进行了恢复仿真研 究。 在我国，黑启动问题的研究处于起步阶段，并逐步引起了国内电力系统工作者 的重视，开始进行这方面的研究。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【引，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。华北电网对黑启动方案【9 】进行了比较详细而全面的 研究，不仅对恢复方案进行了计算分析，并且于2 0 0 0 年5 月5 日利用十三陵水电 2 华北电力大学硕士学位论文 机组进行了具体的“黑启动”试验。其它部分网、省局，如华中电网【1 0 l 、天津电网 【1 1 】、江西电网【1 2 1 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。 针对黑启动初期的主要技术问题，即发电机自励磁、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，很多文献都做了相应的分析研究。文献1 1 3 选 择了一种目前在工程上应用较多的、比较简单直观的方法作为黑启动研究的自励磁 问题的近似判据，并且以水轮机做作为黑启动电源进行了黑启动中自励磁的暂态过 程的仿真计算。文献1 1 4 完成了电力系统黑启动过程中空载合闸过电压仿真计算的 数学模型的建立和对三相同期合闸情况的仿真计算，其结果通过e m t p 的校验，证 明了其有效性。文献【1 5 】针对被启动电厂厂用负荷启动过程中存在电压和频率稳定 的问题，给出了小系统各元件的详细模型，对大型辅机启动时对小系统的冲击及带 负荷时对系统频率的影响进行了数值仿真计算，通过仿真计算校验了黑启动方案的 可行性。文献【1 6 对黑启动初期水电、火电并列运行小系统的低频振荡问题进行了 详细的原理分析，并建立了低频振荡仿真计算的数学模型。 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，恢复过程时间较长而且比较复杂，通常将整 个过程分为三个阶段：黑启动阶段、网络重构阶段和负荷恢复阶段【1 7 j 。 ( 1 ) 黑启动阶段 一般历时3 0 - - 6 0 分钟。黑启动阶段属于系统恢复初期阶段，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 电时的电压和频率稳定及启动初期水电、火电并列运行小系统的低频振荡等。该阶 段是从电磁暂态过程、机电暂态过程到准稳态的恢复过程。 ( 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。这一阶段涉及的主要问题是避免发电机吸收的无功超过 3 华北电力大学硕士学位论文 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。 ( 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之 后，系统可供给的有功和无功会大大增加，此时便可逐渐恢复负荷。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。 1 2 3 黑启动过程中的主要技术问题 通过对黑启动过程的阶段划分可以看出，黑启动初期是决定系统能否迅速恢复 发电能力的关键阶段，其主要任务是充分利用系统内有限的自启动容量，带动其它 具有临界时间限制的机组快速启动。在这一阶段主要涉及到以下几个技术问题： ( 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白发上 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，此时发电机 机端自发建立的电压值可能很高。 ( 2 ) 空载线路时的过电压问题 在黑启动的初期必须要对空载线路进行充电，充电路径通常是由发电机，变压 器和线路组成的一条串联路径，一般情况下线路总长度较长，电压等级较高，过电 压情况比较严重【1 8 l 。此间过电压由两部分组成：工频过电压和操作过电压。其中， 操作过电压是指当断路器进行操作或发生系统故障时，电力系统从一种稳定工作状 态过渡到另一种稳定工作状态的过程中所产生的暂态性质的过电压；工频过电压是 由空载长线路的电容效应引起的，为稳态性质过电压，一般幅值较小。 ( 3 ) 启厂用负荷过程中系统的电压和频率稳定问题 由于我国燃气轮机较少，黑启动机组通常选用水轮机，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电压和频率冲击较大。 ( 4 ) 恢复初期的低频振荡问题 发电机经输电线并列运行时，在扰动情况下会发生转子间的相对摇摆，并在缺 乏阻尼时引起持续振荡，此时输电线上的功率也发生相应振荡，由于频率较低称为 低频振荡。黑启动过程一般采用水电机组作为启动电源来启动火电机组，当火电机 组被启动以后，水电机组和火电机组并列运行时，由于水电、火电机组的调节系统 特性相差较大，可能引起子系统内的低频振荡，造成机组有功功率摆动，甚至不能 稳定运行。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 4 华北电力大学硕士学位论文 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。 1 3 本文的主要工作 从黑启动的基本过程和覆盖的主要技术问题可以看出，黑启动是一个受到大量 约束限制的多阶段、多目标、非线性的优化问题【1 9 】。面对这种发电机停运、电网解 列、负荷停电，甚至调度通信系统无法正常工作的系统全黑状态，即便是经验丰富 的调度人员面对大量故障信息，也很难在短时内做出准确判断并给出处理措施。在 这种情况下，制定实用可行的黑启动方案及完备灵活的预案执行措施非常必要1 2 。 通过对黑启动过程的阶段划分可看出，黑启动初期是决定系统能否迅速恢复发 电能力的关键阶段。本文所做的工作是本课题组研究工作的一部分，是有关河北南 网黑启动方案相关技术问题的校验，属于黑启动恢复初期的研究，具体包括空充输 电线路的过电压、发电机自励磁、水电机组远距离启动火电机组厂用电时的电压和 频率稳定及启动初期水电、火电并列运行小系统的低频振荡等相关问题的校验。并 且，针对河北南部电网的实际情况，对河北南网三套黑启动方案进行详细的建模仿 真，力求仿真结果更实用、更可靠，基于仿真结果对黑启动方案的可行性进行校验。 论文的主要工作包括： ( 1 ) 参照抽水蓄能机组黑启动的研究方法，根据张河湾抽水蓄能电厂的实际 情况，讨论了将张河湾电厂机组作为黑启动电源，经长距离高压线路向其它火电厂 送电过程中，系统可能出现的过电压问题。建立符合系统实际的详细仿真模型并进 行仿真计算。 ( 2 ) 建立详细的实际系统仿真模型，对张河湾抽水蓄能电厂空充火电厂过程 中系统可能出现的自励磁问题进行仿真计算。其中，涉及到建立实际系统发电机的 原动机及其调速器模型等。 ( 3 ) 建立实际系统机电暂态过程的详细仿真模型，对张河湾电厂机组启动火 电厂的厂用负荷，在火电厂机组成功启动之后的合适时刻进行并列操作，实现张河 湾电厂水电机组与火电机组的并网运行这一过程进行仿真计算。其中，涉及到建立 实际系统发电机的调速系统模型、励磁系统模型、电力系统稳定器模型等。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章黑启动过程中的过电压分析与仿真 2 1 仿真工具m a t l a b s i m u l i n k 简介 图2 - 1 是系统仿真的一般步骤。对于结构复杂的系统，如果借助专门的仿真软 件可大大提高仿真的速度和准确性。本文所采用的仿真软件是m a t l a b 中的可视化仿 真工具s i m u l i n k 。应用s i m u l i n k 的突出优点是：无需进行各种仿真算法的研究，也 不需要根据算法进行复杂的编程，而可以直接利用s i m u l i n k 强大的仿真功能来完成 整个系统的建模仿真，将研究工作重点放在问题本身的解决方法上面，这也是本文 工作的一个特点所在。 实际系统 上 i 建立系统的原始数学模型 士 建立仿真模型 上 仿真系统组态 上 仿真试验 上 输出仿真试验结果 士 仿真结果分析与结论 图2 - 1 仿真步骤示意图 m a t l a b 是美国m a t h w o r k s 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数 据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。s i m u l i n k 是 m a t l a b 中的一种可视化仿真工具，是基于m a t l a b 的框图设计环境，实现动态 系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字 控制以及数字信号处理和其他工程学科的建模和仿真中。s i m u l i n k 可以用连续采样 时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，即系 统中的不同部分具有不同的采样速率。s i m u l i n k 建模与一般程序建模相比更为直观， 操作也更为简单，不必记忆各种参数、命令的用法，只要用鼠标就能完成非常复杂 的工作。 6 华北电力大学硕士学位论文 s i m u l i n k 提供了动态系统建模、分析和仿真的交互环境，能够实现交互建模、 交互仿真，并允许用户扩展仿真环境等功能。s i m u l i n k 的专用模型库提供了一些专 用元件集，使得s i m u l i n k 的功能进一步扩展。s i m u l i n k 的专用模型库包含有： c o m m u n i c a t i o n sb l o c k s e t ( 通信模块库) 、d s pb l o c k s e t ( 数字信号处理模块库) 、 s i r ep o w e rs y s t e m s ( 电力系统模块库) 等。专用模型库为解决具体的工程问题提供 了更为快速、准确和简洁的途径，避免了用s i m u l i n k 提供的基本模块来构造模型的 繁琐。而电力系统模块库中几乎集成了组成电力系统涉及到的所有元件，如单相兀 形集中参数传输线路、交流电压源、r l c 负载支路、断路器等，而且与之相联系的 机械、热力、控制系统及其它设备规律的分析均包含其中。电力系统模块库的仿真 结果的可靠性已被加拿大魁北克电站的运行、试验数据所证实。 2 2 电力系统黑启动过电压的原理分析 电力系统由于受外部( 雷电等) 及内部( 开关操作、断线或接地故障等) 的各 种原因的影响，系统中的某些部分会出现高于额定工作电压的过电压，这是一种电 磁扰动现象1 2 1 。由于黑启动过程中作为启动机组的发电厂通常都是水力发电厂或者 抽水蓄能电厂，而作为被启动机组的发电厂大部分都为火力发电厂，地理位置上的 距离使得由输电线路等组成的充电路径较长、电压等级较高，因而过电压情况会比 较严重。此间过电压由两部分组成：工频过电压和操作过电压【2 2 1 。电气设备的绝缘 长期耐受着工作电压，同时还必须能够承受一定幅度的过电压，这样才能保证电力 系统安全可靠地运行。 研究各种过电压的起因、预测其幅值，并采取相应的措施加以限制，对保证黑 启动过程中设备安全和黑启动过程的顺利实施具有重要意义。因而，在制定黑启动 方案时必须考虑过电压问题f 2 3 2 4 1 。 2 2 1 工频过电压 电力系统正常或故障时可能出现超过最大工作相电压、频率为工频的电压升 高，这种现象称为工频过电压。产生工频过电压升高的主要原因有：空载线路的电 容效应、不对称接地故障、发电机突然甩负荷等。所谓电容效应，是指在电感、电 容的串联回路中，当容抗大子感抗时，在电源电动势e 的作用下，容性电流在感抗 上的压降觇把容抗压降u c 抬高的一种现象，即u c = e + 觇。 黑启动过程中，具有自启动能力的发电机空充长距离输电线路时，空载长线路 可看作由无穷多个电感一电容的串联链形回路组成，电容效应使得线路上的各点电 压高于电源电压，而且愈往空载线路末端，电压升高越严重。工频电压升高的大小 将直接影响操作过电压的幅值、保护电器的工作条件、电气设备绝缘及其运行性能。 7 华北电力大学硕士学位论文 因而，在黑启动过程中空载线路的工频过电压问题，必须予以充分重视。 工频电压升高计算的等值电路如图2 2 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 l 图2 2 工频电压升高计算的等值电路图 其中z s 是电源的等值阻抗；z c 是输电线路的特性阻抗；y 和z 分别是线路的传 播系数和长度。输电线路偏微分方程为： 一丝o x = 匕里a t + 彤 uu 一尝= c 0 詈脚 ( 2 1 ) 其中，尺o 、o 、g o 和c o 分别为单位长度线路的电阻、电感、电导和电容。求解 公式( 2 - 1 ) ，得到沿线电压： 州 警c h ( r x ) 黧心 2 ， 其中打。，j ，分别为线路末端电压和电流，由上式可求得线路首端电压d ，和电 流j ，的计算公式，电源电势三。z 。j 。+ d 。，而对于空载长线路有j ：= o ，由以上条件 可得到： u 2 一 f 1 + 乏1 t 删 ， 其中z ca厝矗巾、(ro+j唧colo)(go+jojco) e ( 2 - 3 ) 当线路长度不长时，一 q c 系统就不会发生自励磁。 1 9 华北电力火学硕士学位论文 ( 2 ) 阻抗判别法 由同步电机自励磁的物理过程表明，只有输电线路的外特性与发电机充电特性 曲线有交点时，才能产生自励磁现象。两曲线相切时，即x c = x d ( x d 为发电机的直轴 同步电抗，也是发电机充电特性曲线的斜率) ，为发生自励磁现象的临界点。当x 。 x d 时，充电特性曲线与线路的外特性曲线无交点，不能发生自励磁。而当x c ( x d 极力。考虑到机组参数、线路、变压器等元件参数的误差， 为了可靠地脱离自励磁区域，在实际使用该判据时，应留有适量裕度，一般取系数 k = 1 2 ，即x c 1 2 似力时不会发生自励磁。 ( 3 ) 边界条件法 计及空载电势e 。t 0 ，可列出d 、q 轴方向上各量之问的关系为： d 辅责祸： i c = iq x q + i d 气 q 轴方向： i , t x 。+ j g r x ；l 为使l 、有非零解，应有：o d 一工。) o 。一工。) + = o ，即： ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 化一半) 2 + = ( 孚) 2 ( 3 4 ) 公式( 3 - 4 ) 说明，当代表外电路参数的点( 毛，t ) 落在如图3 - 2 所示的半圆m 内 时，就会有能量的积累，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 轴的同步电感系数毛与不相等所致，也称为反应同步 自励磁。 ! 图3 2 同步电机的同步自励磁区 华北电力大学硕士学位论文 进一步考虑电机转子上励磁绕组等闭合绕组的影响，与上述分析过程相似，可 得如图3 2 所示的半圆咒： 化一下x q + x d ) 2 + ；( 孚) 2 ( 3 5 ) 公式( 3 - 5 ) 式说明，当代表外电路参数的点落在如图3 - 2 所示的半圆n 区域内 时，也将发生同步自励磁。由于此时是由q 轴的与d 轴的t 不相等所致，因而称 为推斥同步自励磁。由于电机磁路的饱和，推斥同步自励磁并不能持续。当外电路 参数落在半圆n 内时，实际发生的往往是异步自励磁。 3 3 河北南网黑启动的自励磁仿真计算与校验 虽然利用特征值分析法研究自励磁问题能准确无误地分清可能发生的自励磁 类别，但一旦发生自励磁，无法判明磁路饱和的严重程度，且由推斥同步自励磁向 异步自励磁转化的暂态过程也不能反映，因此必须计及电机的磁路饱和进行暂态过 程的建模仿真，从而获取定量直观的判断依据。本文选用建模仿真的方法对2 3 中 采用的三套黑启动方案分别建立系统模型并进行自励磁过程仿真。同样，由于这三 套方案的黑启动机组都为张河湾抽水蓄能电厂机组，建立模型的过程是一致的，本 文只对张河湾电厂启动裕华热电厂方案的自励磁建模与仿真过程进行介绍。 3 3