電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)方法研究

電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)方法研究摘要：電力系統(tǒng)發(fā)生大停電事故甚至全停后，如何快速可靠地進(jìn)行黑啟動(dòng)恢復(fù)，對(duì)于滿足用戶的供電需求、減少停電損失具有重要意義。概述了國(guó)內(nèi)外黑啟動(dòng)的研究歷程，歸納了黑啟動(dòng)過(guò)程的三個(gè)不同階段，總結(jié)了黑啟動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問題，最后結(jié)合電力系統(tǒng)的最新發(fā)展趨勢(shì)分析了黑啟動(dòng)有待深入研究的問題。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；黑啟動(dòng)；試驗(yàn)方法

1概述

所謂黑啟動(dòng)（Black-start），是指整個(gè)電力系統(tǒng)因故障停運(yùn)后，在無(wú)法依靠其它電網(wǎng)送電恢復(fù)的條件下，通過(guò)啟動(dòng)系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力的機(jī)組，帶動(dòng)沒有自啟動(dòng)能力的機(jī)組，逐步擴(kuò)大系統(tǒng)的恢復(fù)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)，由于電網(wǎng)規(guī)模較大，一旦出現(xiàn)故障，影響面也很大，容易由局部故障而影響全局，乃至發(fā)生惡性連鎖反映，造成災(zāi)難性的嚴(yán)重后果，這方面國(guó)內(nèi)外都有過(guò)慘痛的教訓(xùn)，如2003年美加8.14大停電事故就是典型的事例。電網(wǎng)發(fā)生電網(wǎng)瓦解或大面積停電事故，將給國(guó)民經(jīng)濟(jì)及電力系統(tǒng)本身都帶來(lái)了空前的損失。如果一個(gè)電網(wǎng)事前未進(jìn)行全網(wǎng)的黑啟動(dòng)方案研究，無(wú)任何黑啟動(dòng)措施，一旦發(fā)生了大面積停電或電網(wǎng)全網(wǎng)停電后，電網(wǎng)的復(fù)雜性和龐大性也使電網(wǎng)的恢復(fù)過(guò)程變得空前的復(fù)雜，運(yùn)行人員往往束手無(wú)策，恢復(fù)供電復(fù)雜而費(fèi)時(shí)，電網(wǎng)恢復(fù)非常緩慢，用戶停電時(shí)間延長(zhǎng)，停電的損失和影響擴(kuò)大，將給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活帶來(lái)極大的損失，甚至影響社會(huì)安定。若事先采取相應(yīng)措施，制定適當(dāng)?shù)膯?dòng)程序，可盡快恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行并大大減少停電時(shí)間。因此，鏡泊湖發(fā)電廠作為黑龍江省東部電網(wǎng)的黑啟動(dòng)源頭參加了黑龍江省東部電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)。水電機(jī)組作為啟動(dòng)電源最為方便，啟動(dòng)過(guò)程較快，從機(jī)組啟動(dòng)速度、調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性及可持續(xù)供電時(shí)間來(lái)看，是比較理想的黑啟動(dòng)電源。

2黑啟動(dòng)的主要研究?jī)?nèi)容

根據(jù)恢復(fù)不同時(shí)期電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以把黑啟動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段，即黑啟動(dòng)階段、網(wǎng)架重構(gòu)階段及負(fù)荷恢復(fù)階段。

2.1黑啟動(dòng)階段

在黑啟動(dòng)階段，黑啟動(dòng)電源向跳閘的具有臨界時(shí)間限制的機(jī)組提供電源，使其恢復(fù)發(fā)電能力，重新并入電網(wǎng)，并形成獨(dú)立的子系統(tǒng)。黑啟動(dòng)階段的關(guān)鍵在于如何選取黑啟動(dòng)電源、合理劃分子系統(tǒng)。

2.1.1黑啟動(dòng)電源的確定。黑啟動(dòng)電源主要包括三種類型。第一類黑啟動(dòng)電源是指本身具有自啟動(dòng)能力的機(jī)組，第二類黑啟動(dòng)電源為事故后殘存的機(jī)組或孤島，第三類黑啟動(dòng)電源為相鄰系統(tǒng)的支援。一般選擇第一類電源為黑啟動(dòng)電源，通常為水電機(jī)組或燃?xì)鈾C(jī)組?，F(xiàn)階段，隨著分布式電源的不斷接入，在電網(wǎng)發(fā)生大停電甚至全黑狀態(tài)時(shí)，某些分布式電源由于其微網(wǎng)運(yùn)行特性也可作為黑啟動(dòng)電源，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行供電恢復(fù)。

2.1.2子系統(tǒng)劃分。黑啟動(dòng)階段，子系統(tǒng)的劃分可看作將系統(tǒng)內(nèi)的電廠、變電站及負(fù)荷劃分為若干不同的分組，且每個(gè)分組中至少包含一個(gè)黑啟動(dòng)電源。在各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)，利用黑啟動(dòng)電源向其他電源供電，并進(jìn)行子系統(tǒng)重構(gòu)。在進(jìn)行子系統(tǒng)劃分時(shí)，需要考慮以下原則：子系統(tǒng)劃分應(yīng)盡量避免電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的大幅變化；各子系統(tǒng)內(nèi)必須包含具備自啟動(dòng)能力的機(jī)組；各子系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的發(fā)電能力，滿足恢復(fù)過(guò)程中電壓、頻率和負(fù)荷恢復(fù)的要求；各子系統(tǒng)內(nèi)必須包含足夠的負(fù)荷，保持恢復(fù)過(guò)程中的功率平衡；避免長(zhǎng)距離大功率輸電；系統(tǒng)間電氣聯(lián)系少；具備并網(wǎng)條件。

2.2網(wǎng)架重構(gòu)階段

網(wǎng)架重構(gòu)階段需要充分利用黑啟動(dòng)階段已經(jīng)恢復(fù)的發(fā)電容量，通過(guò)依次啟動(dòng)重要機(jī)組及投入主要輸電線路逐步建立穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為負(fù)荷的全面恢復(fù)奠定基礎(chǔ)。針對(duì)不同的恢復(fù)目標(biāo)，網(wǎng)架重構(gòu)可分為面向機(jī)組恢復(fù)的網(wǎng)架重構(gòu)和面向負(fù)荷恢復(fù)的網(wǎng)架重構(gòu)。面向機(jī)組恢復(fù)的網(wǎng)架重構(gòu)，其主要目標(biāo)是恢復(fù)未啟動(dòng)機(jī)組的供電；面向負(fù)荷恢復(fù)的網(wǎng)架重構(gòu)，其主要目標(biāo)是盡快恢復(fù)重要負(fù)荷的供電。網(wǎng)架重構(gòu)實(shí)質(zhì)上就是求解最優(yōu)送電路徑，不論是給未啟動(dòng)機(jī)組供電，還是給負(fù)荷供電。網(wǎng)架重構(gòu)要求尋找網(wǎng)絡(luò)中恢復(fù)供電節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最短供電路徑，以便加速系統(tǒng)網(wǎng)架重構(gòu)進(jìn)程，縮短供電恢復(fù)時(shí)間。

2.3負(fù)荷恢復(fù)階段

負(fù)荷恢復(fù)階段要求全面快速地恢復(fù)負(fù)荷，逐步合并各子系統(tǒng)。其主要目標(biāo)是盡快地恢復(fù)最多的負(fù)荷。約束條件主要包括電壓、線路、變壓器的熱穩(wěn)定以及系統(tǒng)頻率。負(fù)荷的增加一般是離散的，希望在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不變的情況下系統(tǒng)能恢復(fù)最多的負(fù)荷，并滿足所有的約束。

3黑啟動(dòng)注意事項(xiàng)

3.1發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁

自勵(lì)磁是指無(wú)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)帶過(guò)大容性負(fù)荷狀態(tài)下可能發(fā)生的一種現(xiàn)象。在電力系統(tǒng)進(jìn)行黑啟動(dòng)時(shí)，由于系統(tǒng)內(nèi)水電廠與火電廠分布距離通常較遠(yuǎn)，作為黑啟動(dòng)電源的水電機(jī)組需要通過(guò)較長(zhǎng)空載線路對(duì)火電廠進(jìn)行供電恢復(fù)。一旦線路合閘，會(huì)產(chǎn)生顯著的電容效應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)自勵(lì)磁。為避免啟動(dòng)過(guò)程中自勵(lì)磁現(xiàn)象的發(fā)生，在制訂黑啟動(dòng)方案時(shí)需進(jìn)行自勵(lì)磁校驗(yàn)。黑啟動(dòng)過(guò)程中，一般通過(guò)增加系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷消除自勵(lì)磁。

3.2過(guò)電壓

黑啟動(dòng)過(guò)程中，通常選擇水電機(jī)組作為啟動(dòng)機(jī)組，而被啟動(dòng)機(jī)組一般為火電機(jī)組，通常需要經(jīng)過(guò)高電壓、長(zhǎng)距離的輸電線路進(jìn)行供電恢復(fù)，從而過(guò)電壓情況比較嚴(yán)重。電壓過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)欠勵(lì)，甚至自勵(lì)和不穩(wěn)定，因而在黑啟動(dòng)過(guò)程中必須考慮過(guò)電壓?jiǎn)栴}。黑啟動(dòng)過(guò)程中開關(guān)操作較為頻繁，可能產(chǎn)生操作過(guò)電壓，因而在判斷黑啟動(dòng)方案的可行性時(shí)必須校驗(yàn)可能產(chǎn)生的操作過(guò)電壓，看其是否在系統(tǒng)電壓的允許范圍內(nèi)。正常運(yùn)行狀態(tài)下，三相不同期合閘產(chǎn)生的沖擊電壓最為嚴(yán)重，因而過(guò)電壓評(píng)估一般考慮電源電壓幅值最大且三相不同期合閘的情況。若這種情況下能夠滿足系統(tǒng)要求，采用該方案必然可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3低頻振蕩

隨著電網(wǎng)的不斷互聯(lián)，規(guī)模不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)間電氣距離愈來(lái)愈遠(yuǎn)，阻尼性能較差，易導(dǎo)致低頻振蕩的發(fā)生。黑啟動(dòng)恢復(fù)初期系統(tǒng)相對(duì)薄弱，且多為超高壓遠(yuǎn)距離送電，易發(fā)生低頻振蕩。為保證系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，需要合理調(diào)整潮流分布或選擇性加入PSS。

3.4系統(tǒng)穩(wěn)定性

采取黑啟動(dòng)方案對(duì)大停電系統(tǒng)進(jìn)行供電恢復(fù)后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較脆弱，安全性和穩(wěn)定性差，受到擾動(dòng)時(shí)就可能發(fā)生失穩(wěn)。在黑啟動(dòng)過(guò)程中，為避免系統(tǒng)受到擾動(dòng)而失穩(wěn)，電網(wǎng)再次解列，黑啟動(dòng)失敗，因而有必要對(duì)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。在黑啟動(dòng)方案穩(wěn)定性評(píng)估中，參照《電力系統(tǒng)穩(wěn)定導(dǎo)則》的要求，一般按單相短路接地的單一故障來(lái)考察方案重建小系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.5合環(huán)并網(wǎng)

黑啟動(dòng)過(guò)程中，各子系統(tǒng)成功恢復(fù)后需解決子系統(tǒng)的同步并網(wǎng)問題。在并網(wǎng)合環(huán)操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的合環(huán)電流，影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，而合環(huán)電流過(guò)大甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)、電網(wǎng)解列、黑啟動(dòng)失敗。為保證黑啟動(dòng)的順利進(jìn)行，應(yīng)對(duì)電網(wǎng)合環(huán)并網(wǎng)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算校核。根據(jù)我國(guó)電力調(diào)度規(guī)程規(guī)定，在合環(huán)并網(wǎng)時(shí)，分區(qū)運(yùn)行的電網(wǎng)應(yīng)滿足相位要求、電壓差在20%以內(nèi)等條件。一般按照合環(huán)并網(wǎng)瞬間合環(huán)點(diǎn)兩側(cè)的電壓和相角來(lái)計(jì)算合環(huán)沖擊電流，并判斷此時(shí)黑啟動(dòng)過(guò)程中各系統(tǒng)是否穩(wěn)定。

4結(jié)語(yǔ)

總之，作為發(fā)電廠的運(yùn)行管理操作人員，還應(yīng)考慮到事故真正發(fā)生時(shí)可能遇到的緊急意外情況，如直流系統(tǒng)運(yùn)行不可靠、事故照明異常、現(xiàn)場(chǎng)通訊中斷等等不可預(yù)期的情況，只有平時(shí)做好充分的事故預(yù)想，才能在可能的黑啟動(dòng)過(guò)程中做到萬(wàn)無(wú)一失，確保電網(wǎng)安全快速的恢復(fù)，將國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民財(cái)產(chǎn)的損失降到最低。

參考文獻(xiàn)

[1]劉艷.電力系統(tǒng)黑