【摘要】分析了制訂黑啟動(dòng)方案所要考慮的若干主要原則，根據(jù)黑啟動(dòng)的不同階段，論述了在各個(gè)階段可能出現(xiàn)的不正常運(yùn)行問題。

【關(guān)鍵詞】黑啟動(dòng)方案;制定原則;不正常運(yùn)行

黑啟動(dòng)(black-start)的定義是指電力系統(tǒng)發(fā)生大停電事故甚至是整個(gè)系統(tǒng)停運(yùn)、電網(wǎng)架構(gòu)發(fā)生變化后，按照預(yù)先制定的黑啟動(dòng)方案，利用系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組或系統(tǒng)外電源，帶動(dòng)系統(tǒng)中其他的發(fā)電機(jī)組，快速重建電網(wǎng)架構(gòu)，在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)對(duì)負(fù)荷的供電。黑啟動(dòng)方案是指由電力部門考慮本地區(qū)電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)組、負(fù)荷實(shí)際情況以及各子網(wǎng)連接關(guān)系，預(yù)先制定并通過計(jì)算評(píng)估、模擬校驗(yàn)的一種恢復(fù)負(fù)荷供電的實(shí)施方案。該方案能夠快速、有序地為電網(wǎng)構(gòu)建一種新的穩(wěn)定運(yùn)行方式。

1制定原則

制定黑啟動(dòng)的方案首先要選擇黑啟動(dòng)電源，一般來說，水電機(jī)組或燃?xì)鈾C(jī)組是最理想的黑啟動(dòng)電源:水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輔助系統(tǒng)簡(jiǎn)單，能夠在較短時(shí)間到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài);燃?xì)鈾C(jī)組需要的廠用電少，其冷態(tài)啟動(dòng)約需要30分鐘，在緊急情況下進(jìn)行的熱態(tài)啟動(dòng)僅需15分鐘。制定黑啟動(dòng)方案需要考慮的主要原則有:

(1)黑啟動(dòng)方案要求盡量減少電壓等級(jí)的轉(zhuǎn)換，這個(gè)原則直接決定該方案的優(yōu)劣程度。電壓的頻繁轉(zhuǎn)換，會(huì)增加電壓損耗和三相不同時(shí)合閘的概率，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算，黑啟動(dòng)電源和被啟動(dòng)電廠之間經(jīng)過的電壓轉(zhuǎn)換次數(shù)不應(yīng)該超過3次。

(2)盡可能縮短經(jīng)過的輸電線路長(zhǎng)度。在負(fù)荷沒有恢復(fù)供電前，電網(wǎng)中的變壓器處于空載運(yùn)行狀態(tài)，輸電線路長(zhǎng)度越短，電容效應(yīng)越小，這樣可避免產(chǎn)生數(shù)值過高的工頻過電壓進(jìn)而引發(fā)操作過電壓。

(3)先啟動(dòng)離重要負(fù)荷近的發(fā)電機(jī)組，保證重要負(fù)荷快速恢復(fù)供電。

2不正常運(yùn)行問題

一般來說，可以將黑啟動(dòng)過程分為三個(gè)階段:黑啟動(dòng)階段、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)階段、負(fù)荷恢復(fù)階段，各階段都會(huì)出現(xiàn)發(fā)生概率最大的不正常運(yùn)行問題。

2.1黑啟動(dòng)階段的同步發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁問題和過電壓?jiǎn)栴}

黑啟動(dòng)階段是第一個(gè)階段，一般歷時(shí)30到60分鐘。在這一階段，大系統(tǒng)被拆散形成局部的子系統(tǒng)，在子系統(tǒng)內(nèi)由黑啟動(dòng)電源向停運(yùn)的具有臨界時(shí)間限制的發(fā)電機(jī)組供電，使其快速恢復(fù)發(fā)電能力，并等待時(shí)機(jī)進(jìn)行全網(wǎng)重構(gòu)。在這一階段，黑啟動(dòng)方案需要完成的工作是選擇黑啟動(dòng)電源和劃分子系統(tǒng)，同時(shí)需要考慮可能出現(xiàn)的同步發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁問題和過電壓?jiǎn)栴}。黑啟動(dòng)電源可以為本網(wǎng)電源:有些發(fā)電機(jī)組具有自啟動(dòng)能力，有些發(fā)電機(jī)組在事故后形成運(yùn)行孤島，它們都具備作為黑啟動(dòng)電源的條件;還可以是外網(wǎng)電源，由鄰近的正常系統(tǒng)提供支援。近年來分布式電源發(fā)展迅速，某些微網(wǎng)運(yùn)行特征符合要求的分布式電源，也可作為黑啟動(dòng)電源。對(duì)子系統(tǒng)的劃分，可以看作是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各類型發(fā)電廠、變電站的分組，子系統(tǒng)一般包含有黑啟動(dòng)電源，能夠保證一定的發(fā)電能力，用以滿足電壓、頻率的各項(xiàng)參數(shù)要求。

2.1.1同步發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁黑啟動(dòng)階段，發(fā)電機(jī)組存在一定的自勵(lì)磁現(xiàn)象，其定義是指由于存在過大的容性負(fù)載，無勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)端產(chǎn)生高壓的一種不穩(wěn)定現(xiàn)象。電網(wǎng)中各發(fā)電廠之間有一定的地理距離，黑啟動(dòng)機(jī)組向相鄰的發(fā)電機(jī)組恢復(fù)供電，必然要經(jīng)過較長(zhǎng)的空載線路，就相當(dāng)于發(fā)電機(jī)帶了一個(gè)容性負(fù)載。線路合閘，會(huì)產(chǎn)生較為明顯的電容效應(yīng)，引起發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁，在輸出端產(chǎn)生一個(gè)高壓值。發(fā)電機(jī)參數(shù)一定時(shí)，電壓值隨著線路長(zhǎng)度的增加而升高，可能會(huì)導(dǎo)致黑啟動(dòng)失敗甚至危害電氣設(shè)備、操作人員和電網(wǎng)運(yùn)行的安全。自勵(lì)磁現(xiàn)象與運(yùn)行電壓無關(guān)，僅與系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)，通常采用削減自勵(lì)磁效果或改變系統(tǒng)參數(shù)的方式來控制自勵(lì)磁現(xiàn)象造成的影響，例如增加系統(tǒng)無功功率能夠有效消除自勵(lì)磁、在線路兩側(cè)安裝并聯(lián)電抗器以補(bǔ)償容抗。

2.1.2工頻過電壓和操作過電壓工頻過電壓屬于穩(wěn)態(tài)性質(zhì)的過電壓，由空載線路的電容-電感效應(yīng)、線路不對(duì)稱接地故障等因素影響產(chǎn)生，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)但是電壓幅值較小，不會(huì)影響到正常電氣絕緣的設(shè)備。操作過電壓是一種暫態(tài)過電壓。在電力系統(tǒng)中存在諸多由容性和感性元件構(gòu)成的復(fù)雜振蕩回路，當(dāng)系統(tǒng)中的開關(guān)設(shè)備進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)從一種穩(wěn)定狀態(tài)經(jīng)過振蕩轉(zhuǎn)換成另一種穩(wěn)定狀態(tài)，由此會(huì)產(chǎn)生操作過電壓。在正常運(yùn)行情況下，三相不同時(shí)合閘產(chǎn)生的過電壓最為嚴(yán)重，黑啟動(dòng)方案要嚴(yán)格防止出現(xiàn)這種情況。

2.2網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)階段的低頻振蕩問題

網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)階段是第二個(gè)階段，一般歷時(shí)1到2小時(shí)，該階段利用黑啟動(dòng)階段已經(jīng)恢復(fù)的發(fā)電容量，依次啟動(dòng)大容量發(fā)電機(jī)組，恢復(fù)主要輸電線路的功能。在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)階段，主要面對(duì)的是低頻振蕩問題。黑啟動(dòng)電機(jī)組與被啟動(dòng)的大容量電機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)，受到微小擾動(dòng)后可能會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)子間的相對(duì)搖擺，在缺乏阻尼或零、負(fù)阻尼時(shí)引起持續(xù)振蕩，此時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較脆弱，會(huì)引發(fā)振蕩的聯(lián)鎖反應(yīng)，波及輸電線路和正常的電氣設(shè)備。為保證系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，可加入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)，大幅提高系統(tǒng)阻尼水平，起到抑制低頻振蕩的作用。

2.3負(fù)荷恢復(fù)階段的合環(huán)電流問題

負(fù)荷恢復(fù)階段的目標(biāo)是以最短的時(shí)間恢復(fù)對(duì)負(fù)荷的供電，這也是黑啟動(dòng)的最終目標(biāo)。這一階段中，在保證全網(wǎng)電壓、頻率，輸電線路、電氣設(shè)備熱穩(wěn)定動(dòng)穩(wěn)定等電力運(yùn)行參數(shù)的前提下，子系統(tǒng)進(jìn)行快速合并，各類型負(fù)荷逐步獲得電能，最終形成完整穩(wěn)定的供電網(wǎng)絡(luò)。在黑啟動(dòng)的負(fù)荷恢復(fù)階段，各子系統(tǒng)在合并時(shí)，由于合環(huán)開關(guān)兩側(cè)的母線、輸電線路的電壓或等效阻抗不同，在合環(huán)過程中會(huì)引起一定的環(huán)流，合環(huán)電流過大，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定造成影響，造成系統(tǒng)失穩(wěn)、再次解裂甚至黑啟動(dòng)失敗。因此，我國(guó)電力部門調(diào)度章程規(guī)定，為限制合環(huán)電流，運(yùn)行的電網(wǎng)子系統(tǒng)在合環(huán)時(shí)應(yīng)滿足相位要求、電壓差在20%以內(nèi)等條件。在實(shí)際操作中，通過改變變壓器分接頭調(diào)整變比、改變無功裝置、調(diào)整系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的電力參數(shù)，都可以減小合環(huán)電流，提高合環(huán)的成功率。

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作者：曹磊 單位：國(guó)網(wǎng)河北保定供電公司