微電網(wǎng)黑啟動(dòng)關(guān)鍵問題分析

王琳

摘 要 微電網(wǎng)在脫離大電網(wǎng)孤立運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)引起故障造成停運(yùn)，在這種情況下微電網(wǎng)黑啟動(dòng)是指不依靠其他網(wǎng)絡(luò)的幫助，通過微電網(wǎng)內(nèi)部具有黑啟動(dòng)能力的微電源帶動(dòng)不具有黑啟動(dòng)能力的微電源，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)重新啟動(dòng)恢復(fù)供電的過程。在微電網(wǎng)的黑啟動(dòng)過程中，仍然存在著一些大電網(wǎng)黑啟動(dòng)中的常見問題，如過電壓、發(fā)電機(jī)的自勵(lì)磁等，本文將對(duì)微電網(wǎng)黑啟動(dòng)狀態(tài)下的關(guān)鍵問題做出分析說明。

關(guān)鍵詞 微電網(wǎng) 等效模型 黑啟動(dòng)

中圖分類號(hào)：TM4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）05-0007-03

1 前言

電網(wǎng)黑啟動(dòng)，是指整個(gè)系統(tǒng)因外部或內(nèi)部故障停運(yùn)后，不依靠其他網(wǎng)絡(luò)的幫助能夠通過系統(tǒng)中有自啟動(dòng)能力的機(jī)組帶動(dòng)不具有自啟動(dòng)能力的機(jī)組，逐步擴(kuò)大恢復(fù)范圍實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力系統(tǒng)恢復(fù)正常供電的過程[1]。這一概念同樣適用于孤立運(yùn)行的微電網(wǎng)。微電網(wǎng)黑啟動(dòng)，是指整個(gè)微電網(wǎng)因故障停運(yùn)后，不依靠其他網(wǎng)絡(luò)的幫助，通過微電網(wǎng)內(nèi)部具有黑啟動(dòng)能力的微電源帶動(dòng)不具有黑啟動(dòng)能力的微電源，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)重新啟動(dòng)恢復(fù)供電的過程。

當(dāng)孤立運(yùn)行的微電網(wǎng)發(fā)生故障并引起癱瘓使系統(tǒng)不能正常運(yùn)行時(shí)，若能夠高效安全地使系統(tǒng)恢復(fù)供電，對(duì)保證系統(tǒng)供電可靠性和減少因中斷供電給用戶帶來的損失非常重要。黑啟動(dòng)是解決這一問題的關(guān)鍵，尤其在黑啟動(dòng)初期對(duì)系統(tǒng)能否自啟動(dòng)成功具有非常重要的意義[2]。下面對(duì)微電網(wǎng)中黑啟動(dòng)的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析，介紹了產(chǎn)生過電壓、自勵(lì)磁現(xiàn)象的原因，以及其對(duì)黑啟動(dòng)恢復(fù)速度的造成的影響，為黑啟動(dòng)技術(shù)方案的選擇提供依據(jù)。

2 過電壓問題

2.1 過電壓的產(chǎn)生

在實(shí)際運(yùn)行中，微電網(wǎng)不可避免的會(huì)受到如雷電、開關(guān)操作等因素的影響，使得微電網(wǎng)系統(tǒng)中的運(yùn)行電壓的值可能會(huì)高出額定電壓，系統(tǒng)中出現(xiàn)的這種情況是電磁擾動(dòng)引起的。一般在黑啟動(dòng)時(shí)，一些柴油發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等會(huì)成為黑啟動(dòng)的啟動(dòng)機(jī)組，那些受不穩(wěn)定因素影響的光伏源、風(fēng)能源等一般作為被啟動(dòng)的機(jī)組[3]。通常情況下，當(dāng)啟動(dòng)機(jī)組與被啟動(dòng)機(jī)組距離較遠(yuǎn)且線路較長時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生過電壓。因此，微電網(wǎng)系統(tǒng)中的電氣設(shè)備不僅要在額定電壓內(nèi)能夠正常工作，還應(yīng)該有一定的能夠承受過電壓的能力，這樣才能更好的使孤立微電網(wǎng)能夠維持正常運(yùn)行。

微電網(wǎng)中的過電壓有兩種常見形式：操作過電壓和穩(wěn)態(tài)過電壓[4]。其中，操作過電壓指的是微電網(wǎng)系統(tǒng)中一些開關(guān)操作或者繼電保護(hù)元件故障時(shí)做出跳閘動(dòng)作的情況下產(chǎn)生的過電壓。穩(wěn)態(tài)過電壓包括工頻過電壓和諧振過電壓，其中諧振過電壓則是微電網(wǎng)系統(tǒng)中存在的一些震蕩回路產(chǎn)生的振蕩現(xiàn)象，而工頻過電壓通常是由于微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中某些輕載線路存在充電電流造成的。

微電網(wǎng)黑啟動(dòng)狀態(tài)下的過電壓問題是一個(gè)不可忽視的重要因素。為了能夠高效安全的抑制微電網(wǎng)系統(tǒng)中的過電壓情況，就要首先了解其產(chǎn)生的原因并且能夠較準(zhǔn)確的預(yù)測出過電壓的最大電壓值，這樣才能在系統(tǒng)黑啟動(dòng)時(shí)保證系統(tǒng)中每個(gè)用電設(shè)備的正常運(yùn)行，使得系統(tǒng)能夠成功的恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，下面分別對(duì)上述幾種情況進(jìn)行分析。

2.2 工頻過電壓

微電網(wǎng)中的工頻過電壓，就是在微電網(wǎng)黑啟動(dòng)的過程中對(duì)空載或輕載的線路空充時(shí)，微電網(wǎng)中本身存在的電容產(chǎn)生的無功使系統(tǒng)電壓增大的現(xiàn)象。工頻過電壓屬于微電網(wǎng)內(nèi)部存在的穩(wěn)態(tài)過電壓，它存在時(shí)間的長短影響著系統(tǒng)中對(duì)過電壓裝置的保護(hù)和絕緣設(shè)計(jì)的要求。

微電網(wǎng)中的電容效應(yīng)指的是微網(wǎng)中的電力輸電線路存在很多的電感、電容元件，并且通常容抗值比感抗值要大，當(dāng)系統(tǒng)中電源供電時(shí)，系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生容性電流，這個(gè)電流會(huì)使它流過的容抗電壓和感抗電壓的方向相反，這使得容抗電壓大于電源電勢(shì)。微電網(wǎng)系統(tǒng)中的工頻過電壓影響著很多因素，例如設(shè)備絕緣水平、電路保護(hù)措施和設(shè)備能否正常運(yùn)行等。因此，我們需要高度關(guān)注工頻過電壓對(duì)系統(tǒng)造成的影響。

微電網(wǎng)的空載電力線路，可視為由無數(shù)個(gè)電感電容元件組成的回路構(gòu)成的。電容效應(yīng)使得線路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓和比電源電勢(shì)高，從線路首端到末端總電壓逐步升高，線路最末端的電壓值最大。下面帶有空載線路的微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，等效電路如圖1所示。

在圖1中，ZS為微電源的等效阻抗，ZS為線路的等效阻抗，γ為線路的傳播系數(shù)，l為線路長度，空載線路末端電壓值受多個(gè)線路參數(shù)的影響。我國的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在超高壓線路中，工頻過電壓的值不允許超過其對(duì)應(yīng)相電壓的1.4倍。微電網(wǎng)系統(tǒng)中雖然不涉及超高壓線路，但是在進(jìn)入到黑啟動(dòng)狀態(tài)的過程中，為了防止工頻過電壓對(duì)系統(tǒng)造成影響，應(yīng)按照以上計(jì)算結(jié)果對(duì)線路參數(shù)進(jìn)行合理的配置，以確保黑啟動(dòng)的順利完成。

2.3 操作過電壓

微電網(wǎng)的操作過電壓通常發(fā)生在系統(tǒng)短路故障中，多在黑啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)開關(guān)操作的過程中產(chǎn)生，此電壓是暫態(tài)的，且衰減速度快。微電網(wǎng)系統(tǒng)的操作過電壓產(chǎn)生的常見情況如下：空載合閘時(shí)容易產(chǎn)生過電壓;切除空載線路時(shí)也極易產(chǎn)生過電壓。

在微電網(wǎng)的黑啟動(dòng)過程中，空載合閘情況極易引起過電壓，且多由于人為操作而產(chǎn)生，計(jì)劃性較強(qiáng)。微電網(wǎng)中的空載線路在合閘前電壓為0，合閘后上升到基波穩(wěn)態(tài)電壓，此過程中會(huì)產(chǎn)生合閘過電壓。合閘過電壓持續(xù)時(shí)間不長，但能夠產(chǎn)生較大的沖擊電壓，此沖擊電壓如果大到一定值，會(huì)使斷路器發(fā)生動(dòng)作對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，不能夠成功合閘。如果此電壓沖擊過大，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中設(shè)備損壞，甚至設(shè)備絕緣有可能被擊穿。在空載合閘時(shí)受影響最嚴(yán)重的就是空載線路的末端，因此我們只要檢測末端電壓即可。微電網(wǎng)系統(tǒng)中空載線路的等效模型如圖2所示。

合閘前的系統(tǒng)是穩(wěn)定的，電容的電壓初值一般是0。合閘瞬間，電容處于充電狀態(tài)，電容與電感在合閘產(chǎn)生一個(gè)高頻震蕩回路，因此產(chǎn)生過電壓。所以，在微電網(wǎng)黑啟動(dòng)過程中，應(yīng)該使系統(tǒng)能夠承受此電壓值。

綜上所述，為了防止微電網(wǎng)黑啟動(dòng)過程中過電壓對(duì)黑啟動(dòng)產(chǎn)生影響導(dǎo)致啟動(dòng)失敗，通常采取以下措施：

（1）在線路的末端加裝避雷針或高壓并聯(lián)電抗器等設(shè)備;

（2）變壓器繞組加裝低壓電抗器，能夠控制過電壓的幅值;

（3）降低母線電壓值。

3 自勵(lì)磁

當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)中有容性負(fù)荷且達(dá)到一定值時(shí)，產(chǎn)生助磁并引起微電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)電壓的升高，而發(fā)電機(jī)電壓的升高又會(huì)增大容性負(fù)荷的助磁，如此關(guān)系類似正反饋，發(fā)電機(jī)電壓會(huì)越來越大。作為黑啟動(dòng)微電源的發(fā)電機(jī)，例如本文中的柴油發(fā)電機(jī)，會(huì)與空載長線路連接，線路中的對(duì)地電容相當(dāng)于容性負(fù)荷，如果此負(fù)荷大到一定值時(shí)，必然會(huì)引起發(fā)電機(jī)電壓的升高。發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁的特點(diǎn)如下：

（1）不需要單獨(dú)加電源為共振提供能量，由發(fā)電機(jī)提供即可。在自勵(lì)磁發(fā)生的開始階段，如果共振回路中有剩余的能量，例如發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子切割磁感線的過程中會(huì)產(chǎn)生少量感應(yīng)電壓，或者微電網(wǎng)電力線路中的電容中殘留微量電壓，都可以使自勵(lì)磁共振持續(xù)進(jìn)行。

（2）在實(shí)際微電網(wǎng)系統(tǒng)的電力線路中電阻存在著損耗，每次在設(shè)備參數(shù)發(fā)生變化時(shí)都會(huì)引起較大的能量，這部分能量可以抵消補(bǔ)償電阻中的能量損耗，并隨著共振的過程積累的越來越多，造成更嚴(yán)重的自勵(lì)磁現(xiàn)象。

（3）自勵(lì)磁現(xiàn)象發(fā)生之后，隨著電路中電流的增加，電感線圈達(dá)到磁飽和狀態(tài)，電感會(huì)迅速減小，使系統(tǒng)脫離共振條件，這樣自勵(lì)磁的電壓和電流值會(huì)趨于平衡達(dá)到穩(wěn)定值，避免無限制增大。

微電網(wǎng)黑啟動(dòng)過程中遇到長距離輸電時(shí)，電容效應(yīng)容易引起自勵(lì)磁現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致微電網(wǎng)系統(tǒng)中部分節(jié)點(diǎn)電壓過高，使逆變器和用電設(shè)備的絕緣安全受到威脅，這是一種極其不穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，在制定微電網(wǎng)黑啟動(dòng)方案時(shí)，為了避免自勵(lì)磁現(xiàn)象的發(fā)生，需要研究自勵(lì)磁發(fā)生的條件。

根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的特性可知，自勵(lì)磁發(fā)生的條件是輸電線路的特性曲線和發(fā)電機(jī)的充電特性曲線存在交點(diǎn)。當(dāng)兩曲線相切時(shí)只有一個(gè)交點(diǎn)，此時(shí)XC=Xd，是自勵(lì)磁發(fā)生的臨界條件。當(dāng)XC>Xd時(shí)，輸電線路的特性曲線和發(fā)電機(jī)的充電特性曲線沒有交點(diǎn)，此時(shí)不能夠發(fā)生自勵(lì)磁;當(dāng)XC

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)是經(jīng)過變壓器與空載線路相連的，產(chǎn)生自勵(lì)磁的條件應(yīng)當(dāng)改為XC<（Xd+XT），其中XT為變壓器的漏抗。在實(shí)際使用過程中，由于發(fā)電機(jī)、電力線路以及變壓器等設(shè)備的參數(shù)存在一定的誤差，應(yīng)留有一定的裕度，通常情況下應(yīng)留有20%的容量，即自勵(lì)磁發(fā)生的條件可以改為XC<1.2（Xd+XT）。

根據(jù)自勵(lì)磁的發(fā)生條件判據(jù)可知，自勵(lì)磁是否發(fā)生以及自勵(lì)磁產(chǎn)生之后端電壓的大小，歸根結(jié)底是XC、XT、Xd的比較，XC比Xd小的越多，自勵(lì)磁的端電壓越大，因此可以據(jù)此分析出自勵(lì)磁的影響因素：

（1）發(fā)電機(jī)電抗值過大引起自勵(lì)磁;

（2）輸電線路長度增加或者采用分裂導(dǎo)線，導(dǎo)致自勵(lì)磁現(xiàn)象的發(fā)生;

（3）運(yùn)行頻率升高引起自勵(lì)磁現(xiàn)象。

如果在黑啟動(dòng)的初期，黑啟動(dòng)電源通過空載長線路向機(jī)組充電的過程中發(fā)生自勵(lì)磁現(xiàn)象，則難以控制發(fā)電機(jī)的電壓，可能導(dǎo)致某些節(jié)點(diǎn)電壓超過允許值，引起線路中的電氣設(shè)備保護(hù)動(dòng)作，致使黑啟動(dòng)失敗。因此，在研究以上判據(jù)的基礎(chǔ)上，需要對(duì)自勵(lì)磁進(jìn)行防范和抑制。針對(duì)上述的影響因素，制定下面的限制措施：

（1）使用并聯(lián)電抗器增大發(fā)電機(jī)電抗值;

（2）采用多臺(tái)發(fā)電機(jī)帶動(dòng)一條大容量的輸電線路;

（3）降低運(yùn)行頻率。

4 微源的黑啟動(dòng)速度

微電網(wǎng)黑啟動(dòng)狀態(tài)下的變壓器建立電壓過程中，由于微電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，母線電壓幅值增加過快可能會(huì)導(dǎo)致配電變壓器出現(xiàn)磁通飽和的現(xiàn)象使其勵(lì)磁電流過大，容易發(fā)生停機(jī)故障。因此，對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間TS的取值需要加以約束。

變壓器的電壓與啟動(dòng)時(shí)間的關(guān)系如下：

為保證在任意時(shí)刻鐵心剩磁都不飽和，應(yīng)該滿足，這一結(jié)果限制了黑啟動(dòng)微源啟動(dòng)速度，因此在微電網(wǎng)黑啟動(dòng)過程中，應(yīng)充分考慮到微電源的黑啟動(dòng)時(shí)間問題，以便正確選擇黑啟動(dòng)方案。

5 總結(jié)

微電網(wǎng)黑啟動(dòng)主要是針對(duì)系統(tǒng)發(fā)生故障進(jìn)入全黑狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)能夠自行恢復(fù)斷電，但是如何判斷微電網(wǎng)是否處于斷電狀態(tài)，是微網(wǎng)黑啟動(dòng)中的常見問題。微電網(wǎng)系統(tǒng)一般是利用傳感器對(duì)微電網(wǎng)母線電壓進(jìn)行檢測，根據(jù)不同的微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)立不同的電壓值作為判斷條件，當(dāng)檢測到的電壓值小于此設(shè)定值時(shí)，認(rèn)為微電網(wǎng)處于斷電狀態(tài)，立即發(fā)送指令給控制中心，采用黑啟動(dòng)程序自行恢復(fù)供電。

與微電網(wǎng)的正常運(yùn)行狀態(tài)供電不同，微電網(wǎng)黑啟動(dòng)是一個(gè)由低壓電向高壓電的逆向過程，對(duì)于過電壓、自勵(lì)磁、黑啟動(dòng)恢復(fù)時(shí)間等問題是黑啟動(dòng)過程中必須要慎重考慮的問題。本文簡明扼要的分析了以上三個(gè)問題的產(chǎn)生、判據(jù)、所能造成的危害以及相對(duì)應(yīng)的防范措施，為黑啟動(dòng)第一階段的順利進(jìn)行提供了理論支持和技術(shù)保障。

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