黑啟動系統自勵磁研究

郭江濤,劉　進,張　冬,郭　裊,徐冰亮,董爾佳

(1.國網黑龍江省電力有限公司,哈爾濱 150030; 2.黑龍江省電力科學研究院,哈爾濱 150030;3.國網黑龍江省電力有限公司 大慶供電公司,黑龍江 大慶 163458)

?

●電力系統及其自動化●

黑啟動系統自勵磁研究

郭江濤1,劉進2,張冬3,郭裊2,徐冰亮2,董爾佳2

(1.國網黑龍江省電力有限公司,哈爾濱 150030; 2.黑龍江省電力科學研究院,哈爾濱 150030;3.國網黑龍江省電力有限公司 大慶供電公司,黑龍江 大慶 163458)

發電機空載長輸電線路運行時,由于線路分布電容電流的助磁作用,通常會出現發電機自勵磁現象。如何有效避免黑啟動過程中發生機組自勵磁現象,是決定黑啟動恢復方案是否可行的關鍵因素之一。因此根據自勵磁產生的原因,提出了識別地方電網內水電自勵磁判據，研究了黑龍江電網制定不同黑啟動方案時,自勵磁現象對系統的影響。

黑啟動;自勵磁;地方電網;穩定運行。

隨著電網范圍和規模的不斷擴大,電網結構越來越復雜,電網跨區域關聯性日益增強,人們依賴電力的程度越來越大。這就要求電網具有較高的供電可靠性和較快的事故恢復能力,在電網發生大面積停電甚至是全部停電事故時,能快速恢復停電區域內的用電負荷,使電網在采取恢復動作后恢復到安全經濟運行的狀態。大停電事故后如何快速做好電網黑啟動方案,對電網安全經濟運行有重要意義[1]。

目前,中國各區域電網根據自身網絡狀況與電源分布情況,制定了相應的黑啟動預案,有的還做過黑啟動模擬試驗[2-3]。黑啟動方案中通常選擇自啟動能力的機組,如水輪機組和燃氣輪機組,待黑啟動機組啟動后再向不具有自啟動能力的機組送電。在黑啟動過程中極易發生自勵磁現象,因為系統啟動初期作為啟動電源的機組帶空載長線路,相當于帶了一個容性負荷,線路的容性充電功率很大,系統易滿足自勵磁發生的條件,所以在制定黑啟動方案時必須要考慮自勵磁現象[4-5]。為此,本文通過理論研究和結合實際,探討了地方電網內水電自勵磁判據,研究了自勵磁現象對系統的影響。

1　自勵磁判據

自勵磁現象產生的根本原因就是勵磁繞組電流為零時,過大的容性負荷使電壓自發上升,因此可以結合自勵磁現象產生的物理過程和發生現象,對黑啟動中的自勵磁問題本質進行近似分析。黑啟動方案中通常選取水輪機組作為啟動電源,典型水輪機組聯網結構如圖1所示,若忽略水輪機組阻尼繞組作用,并假定ω=1且維持恒定,簡化等效電路如圖2所示。

圖1　典型水輪機組聯網結構圖

圖2　自勵磁電路圖

通過阻抗比較法可知,發電機自勵磁產生條件為

Xq

自勵磁可以分為同步自勵磁和異步自勵磁兩類,水輪發電機為凸極式發電機,而一般凸極式同步發電機Xd≠Xq,通常產生的是同步自勵磁。汽輪發電機為隱極式發電機,通常產生的是異步自勵磁,所以Xc

Xc

判據所需參數Xc、Xd、XT的標幺值可由系統設備參數計算獲得,即

由上面公式可獲得

(1)式中:l為線路長度;Uk%為短路電壓百分比;Ud為發電機機端電壓;UT為變壓器額定電壓;UcN為線路基準電壓;UdN為發電機基準電壓;UTN為變壓器基準電壓;Pd發電機額定功率;PT變壓器額定容量。

本文用式(1)作為黑啟動自勵磁判據公式。

2　黑啟動路徑分析

電網黑啟動過程是一個復雜的過程,并不是預先準備好的一個理論最佳方案就能完成黑啟動過程,在實際電網運行工作中會遇到各種問題,所以在找到黑啟動最佳方案后還需要進行技術效驗,找到最優方案完成系統的黑啟動。

2.1黑龍江電網概況:

黑龍江電網運行管理電廠279座,總裝機容量為25033.11 MW。其中火電廠149座,裝機容量為19408.15 MW,占比77.53%;水電廠65座,裝機容量為978.11 MW,占比3.91%;風電場64座,裝機容量為4636.95 MW,占比18.52%;光伏電站1座,裝機容量為9.9 MWp,占比0.04%。黑龍江電網中,牡丹江電網鏡泊湖水電老廠配有35 kW柴油發電機一臺,柴油發電機啟動后帶鏡老廠400 V廠用電,具備自啟動能力,所以選擇鏡泊湖水電老廠作為黑龍江電網黑啟動電源。

2.2黑啟動路徑一

傳統金融信用評估模型雖然可以在信用風險評估中具有一定評估作用，但是大數據的出現導致其數據出現了更多的信息維度。除了交易結構數據本身，還有大量的其他類型數據，如：企業水電數據、企業高管人員數據、相關企業信息數據等，上述數據均不兼容于傳統評估模型，導致最終信息出入較大，所以必須設計新的金融信用評估模型。這就需要利用大數據下的信用評估分析，原理如圖1所示。

設定黑啟動路徑一:黑啟動電源點為鏡老廠2號機組,被啟動電源點為牡二A廠7號機200 MW發電機組。

啟動路徑為:鏡老廠2號機—220 kV鏡老廠母線—220 kV鏡聯線—220 kV鏡新廠母線—220 kV鏡海線—220 kV林海變母線—220 kV林青甲線—220 kV青梅變母線—220 kV牡青甲線—220 kV牡二A廠母線—10.5 kV牡二A廠7號機,如圖3所示。

2.3黑啟動路徑二

設定黑啟動路徑二:黑啟動電源點為鏡老廠2號機組,被啟動電源點為七臺河600 MW發電機組。

啟動路徑為:鏡老廠2號機—220 kV鏡老廠母線—220 kV鏡聯線—220 kV鏡新廠母線—220 kV鏡海線—220 kV林海變母線—500 kV林海變—500 kV方林線—500 kV方正變母線—500 kV云方甲線—500 kV慶云變母線—500 kV七云甲線—500 kV七臺河廠母線—24 kV七臺河廠4號機,如圖4所示。

圖3　黑啟動路徑一

圖4　黑啟動路徑二

3　黑啟動不同路徑自勵磁分析

已知條件:鏡老廠2號機組型號TSK460/100-32;額定電壓11.00 kV;額定出力18.00 MW;額定功率因數0.90,電抗參數Xd=5.2030,Xd′=2.1500,Xd″=1.5490,X2=1.6400,X0=0.9980,Xq=3.7030,時間常數Td0=10.06 s。鏡老廠主變:型號SFPSB—50000/220,額定電壓及變比242(+1/-3)×2.5%/121/11 kV;容量SN=50/50/50×1 MVA;結線組別Y0/Y0/Δ-12-11;短路電壓UKⅠ—Ⅱ21.50%,UKⅠ—Ⅲ13.60%,UKⅡ—Ⅲ7.12%;短路損失PKⅠ—Ⅱ246.40 kW,PKⅠ—Ⅲ242.60 kW,PKⅡ—Ⅲ180.50 kW;空載損失P0=75.50 kW;空載電流I0=0.65%。牡二廠7號主變:型號SFP7—240000/220,額定電壓及變比242±2×2.5%/15.75 kV;容量SN=240×1 WVA;結線組別Yn/d11;短路電壓UKⅠ—Ⅲ13.5%;短路損失PKⅠ—Ⅲ594.1 kW;空載損失P0=160 kW;空載電流I0=0.264%。

根據已知計算知:XT(鏡老廠主變)=0.3291;Xd(鏡老廠2號機)=5.2030,XT(林海變)=0.020 28,XT(牡二廠7號主變)=0.0681。

3.1黑啟動路徑一

黑啟動路徑一上線路電抗值如表1所示。

表1　黑啟動路徑一上線路電抗(同一基準值下)Table 1　Line reactance on black start path1 (under same reference value)

1) 啟動路徑鏡聯線時,容抗Xc=Xc(鏡聯線)=179.83,Xc>Xd(鏡老廠2號機)+XT(鏡老廠主變)。

2) 啟動路徑鏡海線時,容抗Xc=Xc(鏡聯線)//Xc(鏡海線)=9.7065,Xc>Xd(鏡老廠2號機)+XT(鏡老廠主變)。

3) 啟動路徑林青甲線時,容抗Xc=Xc(鏡聯線)//Xc(鏡海線)//Xc(林青甲線)=6.6593,Xc>Xd(鏡老廠2號機)+XT(鏡老廠主變),系統不產生自勵磁現象。

4) 啟動路徑牡青甲線時,容抗Xc=Xc(鏡聯線)//Xc(鏡海線)//Xc(林青甲線)//Xc(牡青甲線)=6.6237,Xc>Xd(鏡老廠2號機)+XT(鏡 老廠主變),系統不產生自勵磁現象。

由計算結果可知,黑啟動路徑一啟動電源點為鏡老廠2號機組,被啟動電源點為牡二A廠7號機發電機組,系統不發生自勵磁現象。黑啟動路徑一,鏡老廠投入的線路雖然空載,但并不長,容性充電功率較小,經計算約為4.3363×10-2MVar,而鏡老廠發出無功約為3.3 MVar,遠大于線路充電功率,因此未發生發電機自勵磁。黑啟動過程中,當發電機初步穩定后,牡二廠A廠母線及時投入了部分負載,破壞了自勵磁所需要的長輸電線空載容性無功注入,避免了發電機自勵磁。

3.2黑啟動路徑二

黑啟動路徑二上線路電抗值如表2所示。

表2　黑啟動路徑二上線路電抗(同一基準值下)Table 2　Line reactance on black start path 2 (under same reference value)

1) 啟動路徑鏡聯線時,容抗Xc=Xc(鏡聯線)=179.83,Xc>Xd(鏡聯廠2號機)+XT(鏡老廠主變),系統不產生自勵磁現象。

2) 啟動路徑鏡海線時,容抗Xc=Xc(鏡聯線)∥Xc(鏡海線)=9.7065,Xc>Xd(鏡聯廠2號機)+XT(鏡老廠主變),系統不產生自勵磁現象。

3) 啟動路徑方林線時,容抗Xc=Xc(鏡聯線)∥Xc(鏡海線)∥Xc(方林甲線)=0.40212,Xc

由計算結果可知,黑啟動路徑二啟動電源點為鏡老廠2號機組,被啟動電源點為七臺河發電機組在空充到方林線時,系統發生自勵磁現象。黑啟動路徑二,啟動方林線時,線路184.04 km,線路長度很長,容性充電功率較大,因此發生發電機自勵磁。

4　結　語

發電機自勵磁現象是空載長輸電線電容電流助磁作用的正反饋引起的參數諧振現象。文中采用計及線路電抗、發電機電抗和變壓器漏抗對自勵磁的影響,推導出自勵磁判據表達式。結合黑龍江電網的實際運行情況,對黑啟動這種特殊情況和系統自勵磁情況進行了分析,對黑啟動路徑的制定以及自勵磁現象進行了研究,可指導黑啟動控制策略的確定。

[1] 賀家李,賀繼紅,王小玲,等. 發電機自勵磁發生根源及其對特高壓輸電線運行的影響[J]. 電力系統自動化,2011,35(23):52-58,98.

HE Jiali, HE Jihong, WANG Xiaolin, et al. Cause of generator self-excitation and its influences on operation of uhv transmission lines[J]. Automation of Electric Power Systems，2011,35(23):52-58,98.

[2] 程時杰,曹一家,江全元. 電力系統次同步振蕩的理論與方法[M]. 北京:科學出版社,2009.

CHENG Shijie, CHAO Yijia, JIANG Quanyuan. Theory and method of power system subsynchronous oscillation[M]. Beijing: Science Press，2009.

[3] 黃楊,張毅威,閔勇,等. 水電群孤網后的安全穩定特性及控制策略[J]. 電力系統自動化,2012,36(9):1-5.

HUANG Yang, ZHANG Yiwei, MIN Yong, et al. Security and stability characteristics and control strategies for isolated hydropower groups[J]. Automation of Electric Power Systems，2012,36(9)：1-5.

[4] 劉艷,顧雪平,趙書強,等. 基于MATLAB的電力系統黑啟動發電機自勵磁仿真研究[J]. 華北電力技術,2005(4):14-18.LIU Yan, GU Xueping, ZHAO Shuqiang, et al. Simulation of generator's self-excitation in power system black start based on matlab[J]. North China Electric Power，2005(4)：14-18.

[5] 張華,李旻,丁理杰. 對地方電網小水電自勵磁判斷方法的探討[J]. 電力系統保護與控制,2013,41(20):112-117.

ZHANG Hua, LI Min, DING Lijie. Study on self-excitation judgment method for small hydro-generator in local grid[J]. Power System Protection and Control，2013，41(20)：112-117.

[6] 張培高,李興源,李政. 孤網頻率穩定與控制策略研究[J]. 電力系統保護與控制,2012,40(15):143-149.

ZHANG Peigao, LI Xingyuan, LI Zheng. Research on frequency stability and control strategy in isolated power grid[J]. Power System Protection and Control，2012,40(15):143-149.

(責任編輯郭金光)

Research on self-excitation for black start system

GUO Jiangtao1, LIU Jin2, ZHANG Dong3, GUO Niao2, XU Bingliang2, DONG Erjia2

(1.State Grid Heilongjiang Electric Power Company Limited,Harbin 150030,China; 2.Heilongjiang Electric Power Research Institute,Harbin 150030,China; 3.Daqing Power Supply Company, State Grid Heilongjiang Electric Power Company Limited, Daqing 163458, China)

The self-excitation of generator operating with long line often occurs due to optimized magnetism of line distribution capacitance current. How to effectively prevent unit self-excitation during black start, therefore, is one of the key factors to determine if black start is feasible. This paper proposed the criterion for regional network hydropower self-excitation according to its cause, and studied the influence of self-excitation on Heilongjiang power grid with different plans of black start.

black start; self-excitation; regional power grid; stable operation

2016-03-21;

2016-04-08。

郭江濤(1964—),男,高級工程師,主要從事電力調度生產運行工作。

TM761+.11

A

2095-6843(2016)04-0283-04