電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁仿真研究

鄭欒括，王躍超，趙 毅，劉 莉

(沈陽工程學(xué)院 a.電力學(xué)院;b.研究生部，遼寧 沈陽110136)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的增長，社會各方面對電能的需求越來越大，這促使了電力行業(yè)的飛速發(fā)展。機(jī)組容量的增大，輸電距離的增長，電壓等級的升高，給電網(wǎng)帶來了許多不穩(wěn)定因素［1-4］。盡管電力工作者在電力系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)過程中，十分注意系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，并采取了很多安全穩(wěn)定措施，但是由于影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的因素異常復(fù)雜，大停電事故仍舊不能徹底根除，嚴(yán)重停電事故會給人們的生產(chǎn)和生活造成巨大影響。大停電事故后，為快速恢復(fù)供電應(yīng)制定黑啟動(dòng)方案［5］。

所謂黑啟動(dòng)是指當(dāng)整個(gè)電力系統(tǒng)，因故障全部或大面積停電后，不依賴別的系統(tǒng)幫助，通過啟動(dòng)系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力的機(jī)組，帶動(dòng)無自啟動(dòng)能力的機(jī)組，并逐漸擴(kuò)大恢復(fù)供電的范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)供電的過程。一般將黑啟動(dòng)分為3個(gè)階段［6］。

1)黑啟動(dòng)初始階段

該階段包括水輪發(fā)電機(jī)的自啟動(dòng)、空載線路及變壓器充電，大型電機(jī)組啟動(dòng)等，此過程一般耗時(shí)30～60 min。這一階段主要是用系統(tǒng)中的黑啟動(dòng)電源向停止運(yùn)行的火電廠提供啟動(dòng)功率，使其能重新并入電網(wǎng)，恢復(fù)發(fā)電能力，并與黑啟動(dòng)電源一起，形成一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。

2)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)階段

這一階段通常歷時(shí)3～4 h。在這一階段里，將重新建立穩(wěn)定的輸電網(wǎng)絡(luò)。一方面，通過加強(qiáng)發(fā)電廠之間的聯(lián)系來提高廠用電可靠性，啟動(dòng)大型的帶基本負(fù)荷機(jī)組，來穩(wěn)定發(fā)電機(jī)運(yùn)行和系統(tǒng)電壓;另一方面，對一些子系統(tǒng)進(jìn)行重新并列，從而建立穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，為恢復(fù)負(fù)荷創(chuàng)造條件。這一階段主要涉及的問題有:發(fā)電機(jī)吸收無功，可能超過其進(jìn)相能力，且空載架空線可能產(chǎn)生大量無功電流。因此，為吸收無功，往往需要投入一定數(shù)量的負(fù)荷。

3)負(fù)荷恢復(fù)階段

此時(shí)，火電機(jī)組已經(jīng)啟動(dòng)并有一定的發(fā)電能力，且己建立較為穩(wěn)定的網(wǎng)架，發(fā)電機(jī)輸出有功功率和無功功率增加，可逐漸恢復(fù)負(fù)荷。這一階段涉及的主要問題有:如何使負(fù)荷的增量和系統(tǒng)的頻率特性相適應(yīng)，保持系統(tǒng)頻率和電壓在允許范圍內(nèi)，且使線路不過載。

1 發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁原理

現(xiàn)代電力系統(tǒng)在輸電距離、電壓等級、輸電容量上都得到了空前的發(fā)展，輸電線路的增長直接導(dǎo)致輸電線路的線與地、線與線間的電容增大，而在黑啟動(dòng)時(shí)輸電線路空載，黑啟動(dòng)機(jī)組空充輸電線路，相當(dāng)于向容性負(fù)載供電，容性負(fù)荷達(dá)到一定數(shù)量級之后所產(chǎn)生的容性電流會助磁使發(fā)電機(jī)端電壓升高，升高的端電壓又會引起容性電流的增長，如此循環(huán)往復(fù)，發(fā)電機(jī)的端電壓會逐漸增大，甚至?xí)p壞發(fā)電機(jī)及其他相關(guān)的電氣設(shè)備，發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁簡化電路如圖1所示。

圖1 黑啟動(dòng)發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁簡化電路

發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁問題的本質(zhì)是一種參數(shù)諧振現(xiàn)象，在正常的同步運(yùn)行情況下，水輪發(fā)電機(jī)同步電抗在xd～xq之間周期性變化，即每過1個(gè)周期，電抗將變動(dòng)2個(gè)周期;當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)(也包括汽輪發(fā)電機(jī))處于異步工作狀態(tài)時(shí)，電抗將在x'd～xq之間周期性變化，如果此時(shí)外電路具有容抗性質(zhì)，就可能在此電感周期性變化的回路中激發(fā)特殊過電壓，稱為參數(shù)諧振過電壓。

2 發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁判據(jù)

自勵(lì)磁的常規(guī)判據(jù)是通過聯(lián)立發(fā)電機(jī)與外電路的方程，經(jīng)數(shù)學(xué)變換后通過分析特征根來判斷發(fā)電機(jī)是否發(fā)生自勵(lì)磁，常用的有以下3種方法。

2)阻抗比較法。將邊界圓法中的2個(gè)公式化簡，就得出了阻抗比較法的公式為

式中，xC為線路等值容抗，xd為變壓器漏抗，xT為發(fā)電機(jī)同步電抗。

3)容量比較法。將阻抗比較法進(jìn)一步推導(dǎo)，得出判斷公式:

式中，kSC為發(fā)電機(jī)實(shí)際發(fā)出功率，QC為線路的無功功率。

以上3種判別方法判別簡單，適用于大規(guī)模的工程計(jì)算，簡化了自勵(lì)磁的計(jì)算，但因?yàn)椴荒茉敿?xì)刻畫發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁的程度，所以采用PSCAD/EMTDC軟件平臺進(jìn)行詳細(xì)的自勵(lì)磁仿真。

3 PSCAD/EMTDC自勵(lì)磁仿真

3.1 PSCAD/EMTDC 簡介

PSCAD/EMTDC，全稱 Power Systems Computer Aided Design，是世界上廣泛使用的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件，EMTDC是其仿真計(jì)算核心，PSCAD為EMTDC(Electromagnetic Transients including DC)提供圖形操作界面，最早版本的EMTDC由加拿大Dennis Woodford博士于1976年在曼尼托巴水電局開發(fā)完成。該款軟件提供了豐富的電力系統(tǒng)元件庫，能夠很好地解決交直流電力系統(tǒng)的相關(guān)問題，還能夠搭建電力電子及其控制電路，也允許用戶通過元件庫里提供的模塊組合或者用FORTRAIN語言編寫來定義新的模塊。

3.2 發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁仿真模型選擇

1)發(fā)電機(jī)模型。采用同步發(fā)電機(jī)同軸兩機(jī)或三機(jī)模型，發(fā)電機(jī)有勵(lì)磁機(jī)以及原動(dòng)機(jī)接口。

2)勵(lì)磁系統(tǒng)模型選擇。采用可控硅勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，傳遞函數(shù)框圖見圖2。

圖2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳遞函數(shù)

3)原動(dòng)機(jī)模型選擇。選用無彈性水柱無調(diào)壓池的水輪機(jī)。

4)變壓器模型選擇。根據(jù)太平哨電廠升壓變的具體情況選擇雙繞組變壓器模型。

5)線路模型選擇。計(jì)算線路的自勵(lì)磁需要使用分布參數(shù)模型，因此選用輸電線路的等效電路。

3.3 丹東電網(wǎng)黑啟動(dòng)線路及相關(guān)參數(shù)

以丹東電網(wǎng)黑啟動(dòng)線路為方針對象進(jìn)行研究，恢復(fù)路徑為:太平哨水電站3#水輪發(fā)電機(jī)經(jīng)2#主變升至220 kV，在經(jīng)過太寬線，寬鳳線，鳳丹1#線，金丹1#線后，將啟動(dòng)功率輸送到丹東金山熱電廠，黑啟動(dòng)線路如圖4所示。

圖3 原動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)

圖4 黑啟動(dòng)線路

仿真模型參數(shù)如下。

同步發(fā)電機(jī)參數(shù):型號 TS900/135-56，容量53 000 kVA，額定電壓 10.5 kV，額定電流 2 920 A，xd=0.779，x'd=0.269，x*d=0.183 4。

變壓器參數(shù):額定電壓 242±2×2.5%kV/10.5 kV，額定容量120 MVA阻抗電壓14.1%，短路損耗334 kW，空載損耗79 kW，空載電流0.24%。

輸電線路參數(shù):太寬線 LGJ-400C，長度67.271 km;寬鳳線 2 × LGJ-400，長度 89.802 km;鳳丹1#線2 ×LGJ-300，長度 36.326 km;金丹 1#線 2 ×LGJ-400，長度25.536 km。

3.4 發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁仿真算例

PSCAD/EMTDC搭建的自勵(lì)磁仿真模型見圖5，仿真結(jié)果如圖6所示，發(fā)電機(jī)未發(fā)生自勵(lì)磁。

圖5 PSCAD/EMTDC發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁仿真

圖6 發(fā)電機(jī)端電壓仿真結(jié)果

4 結(jié)語

黑啟動(dòng)初期的發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁問題是影響黑啟動(dòng)能否成功實(shí)施的重要因素之一。介紹了黑啟動(dòng)的基本概念和步驟，分析了自勵(lì)磁的原理并介紹了3種常用的自勵(lì)磁工程判據(jù)，以丹東電網(wǎng)黑啟動(dòng)路徑為對象，利用PSCAD/EMTDC搭建發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁仿真算例，仿真結(jié)果顯示所選黑啟動(dòng)電源與路徑不會發(fā)生自勵(lì)磁，證明了黑啟動(dòng)方案的有效性。

［1］胡學(xué)浩.美加聯(lián)合電網(wǎng)大面積停電事故的反思和啟示［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2003，9:2-6.

［2］姜世金，尚景剛，劉子軍，等.基于PSCAD/EMTDC的黑啟動(dòng)中發(fā)電自勵(lì)磁仿真［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009(2):79-84.

［3］魏智博.黑啟動(dòng)過程中網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)策略的研究［D］.保定:華北電力大學(xué)，2007.

［4］李 峰.黑啟動(dòng)綜述［J］.新疆電力技術(shù)，2013(2):62－65.

［5］梁海平，陳國榮，王麗莎，等.電網(wǎng)黑啟動(dòng)中發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁仿真研究［J］.河北電力技術(shù)，2010，5:10 －12+15.

［6］房鑫炎，郁惟鏞，熊惠敏，等.電力系統(tǒng)黑啟動(dòng)的研究［J］.中國電力，2000，1:40 －43.