內蒙古電網(wǎng)水電黑啟動試驗仿真分析

邢華棟，原 帥，陶 軍，焦曉峰，張 謙，賈 斌，朱生華

（1.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.內蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點實驗室，呼和浩特010020）

0 引言

2004年內蒙古電網(wǎng)首次實施電網(wǎng)黑啟動現(xiàn)場試驗，用萬家寨水電機組作為黑啟動電源成功啟動準格爾電廠火電機組，但時過多年，準格爾電廠機組已退役，薛家灣電網(wǎng)結構發(fā)生了較大變化，因此原黑啟動方案對電網(wǎng)已不具有指導意義[1]。2011—2014年，雖然重新制訂了內蒙古電網(wǎng)黑啟動方案并通過仿真方法驗證了其可行性，但沒有進行現(xiàn)場試驗，因此，內蒙古電網(wǎng)亟需制訂新的黑啟動方案并進行現(xiàn)場試驗[2-3]。

近年來，國內逐漸將電網(wǎng)是否具有黑啟動能力作為電網(wǎng)安全的重要考核指標[4]。內蒙古電力（集團）有限責任公司加大了對電網(wǎng)黑啟動的研究工作，2016—2020年再次設計了內蒙古電網(wǎng)黑啟動方案，包括利用常規(guī)水電機組、抽水蓄能機組和具備甩負荷（Fast Cut Back，F(xiàn)CB）功能的火電機組進行電網(wǎng)黑啟動方案，結合內蒙古電網(wǎng)實際運行情況和可能發(fā)生的風險，建立了理論上切實可行的常規(guī)水電黑啟動方案，并準備進行現(xiàn)場試驗[5]。為了保證黑啟動試驗的順利實施，需提前對黑啟動系統(tǒng)進行仿真分析，本文重點研究單機空充線路、長線路空充主變壓器、啟動火電機組輔機、火電機組并網(wǎng)等操作對黑啟動系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定性的影響，為現(xiàn)場試驗提供指導。

1 黑啟動試驗方案

1.1 試驗系統(tǒng)構成

內蒙古電網(wǎng)利用常規(guī)水電機組進行電網(wǎng)黑啟動試驗，元件主要包括萬家寨水電站3號發(fā)變組和220 kV B號母線、220 kV萬松Ⅰ線、松樹灣220 kV 1號母線、松寧線、寧格爾變電站220 kV 2號和4號母線、大寧Ⅰ線、內蒙古能源發(fā)電準大發(fā)電有限公司（以下簡稱準大電廠）220 kV 1號母線和1號啟備變壓器及1號發(fā)變組、寧薛Ⅰ線、薛家灣220 kV 1號母線和1號主變壓器，系統(tǒng)結構示意圖見圖1。

圖1 黑啟動試驗系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of black start test system

1.2 試驗流程

（1）萬家寨水電站3號機組自啟動。

（2）3號機組穩(wěn)定運行后，經萬家寨水電站220 kV B號母線、220 kV萬松Ⅰ線、松樹灣220 kV 1號母線、松寧線、寧格爾變電站220 kV 2號和4號母線、220 kV寧薛Ⅰ線充電至薛家灣220 kV 1號母線，同時經220 kV大寧Ⅰ線充電至準大電廠220 kV 1號母線。

（3）薛家灣1號主變壓器充電。薛家灣1號變壓器逐步帶25MW負荷，然后準大電廠1號啟備變壓器啟動給準大電廠1號機組提供廠用電。

（4）準大電廠1號機組啟動，穩(wěn)定運行后經201開關同期并入黑啟動試驗系統(tǒng)，準大電廠增加出力，萬家寨水電站3號機組自動調頻，保持準大電廠1號機組運行工況穩(wěn)定。

（5）準大電廠出力達到30MW后，黑啟動試驗系統(tǒng)持續(xù)運行15min，黑啟動試驗結束。

1.3 調頻調壓方式

萬家寨水電站3號機組負責黑啟動試驗系統(tǒng)調頻，萬家寨水電站3號機組和準大電廠1號機組分別調壓，使各自的220 kV母線電壓控制在230 kV，準大電廠1號機組不參與一次調頻。

1.4 穩(wěn)定校核指標

根據(jù)電力系統(tǒng)相關規(guī)程[6-8]和各網(wǎng)省公司黑啟動試驗相關文獻[9-12]，對黑啟動試驗系統(tǒng)電壓和頻率做如下規(guī)定。

（1）黑啟動試驗系統(tǒng)頻率允許偏差-0.5～0.5Hz。

（2）發(fā)電廠的220 kV及以上高壓母線和變電站的220 kV及以上中壓母線，母線電壓允許偏差為額定電壓的-5%～10%。

（3）發(fā)電廠35～110 kV高壓母線和變電站35～110 kV中壓母線，母線電壓允許偏差為額定電壓的-10%～10%。

（4）工頻過電壓基準值1.0（p.u.）（即145.49 kV），相地工頻過電壓最大值均不超過1.3（p.u.），操作過電壓基準值為1.0（p.u.）（即205.76 kV），相地最大操作過電壓不超過3.0（p.u.）。

2 系統(tǒng)建模

為了能夠精確模擬黑啟動試驗系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)潮流、機電暫態(tài)過程和電磁暫態(tài)過程，黑啟動試驗系統(tǒng)建模應盡量做到精細化。電力系統(tǒng)分析軟件程序BPA只能進行穩(wěn)態(tài)潮流仿真和機電暫態(tài)仿真，無法進行電磁暫態(tài)仿真，因此不宜作為仿真軟件使用，但BPA中的電氣設備和控制系統(tǒng)模型的參數(shù)都是實測參數(shù)，因此，BPA可為本項目的建模提供設備參數(shù)和模型參考[13-15]。

使用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD建立黑啟動試驗系統(tǒng)模型，系統(tǒng)中發(fā)電機、輸電線路、變壓器等一次設備參數(shù)取自BPA計算文件數(shù)據(jù)，其中變壓器模型除了填寫B(tài)PA提供的參數(shù)外還應根據(jù)實際情況填寫飽和特性參數(shù)。薛家灣地區(qū)負荷用恒阻抗模型模擬，準大電廠輔機用異步電動機模型模擬，電動機參數(shù)根據(jù)實際異步電動機參數(shù)填寫。

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)和調速系統(tǒng)按照BPA相應的模型進行自定義建模。其中，萬家寨水電站3號機組控制系統(tǒng)模型包括勵磁系統(tǒng)FV模型、調速器GN模型、執(zhí)行機構GA模型和水輪機TV模型，準大電廠1號機組控制系統(tǒng)包括勵磁系統(tǒng)FV模型、調速器GJ模型、執(zhí)行機構GA模型和汽輪機TB模型。

仿真之前，需要證明PSCAD中搭建的各種模型的正確性。對于發(fā)電機、線路、變壓器和負荷模型，PSCAD元件庫中有相應模型，不需要驗證[16]。對于FV模型、GN模型、GJ模型、GA模型、TV模型和TB模型，需要自定義建模并進行驗證。在BPA中對機組出口做負荷投切仿真，使機組控制系統(tǒng)產生較明顯的擾動，從BPA機電暫態(tài)仿真結果中導出各模型輸入和輸出信號，將BPA模型輸入信號輸入PSCAD相應模型并進行仿真，對比PSCAD模型輸出信號與BPA模型輸出信號是否一致，如果一致，則證明PSCAD搭建的模型是正確的。

GN模型驗證曲線見圖2。圖2（a）中d為BPA仿真結果中GN模型的轉速偏差輸入信號，同時，d作為轉速偏差信號輸入PSCAD自定義搭建的GN模型；圖2（b）中P2為BPA仿真結果中GN模型的開度輸出信號，P1為PSCAD仿真結果中GN模型的開度輸出信號。兩種軟件的GN模型在相同輸入的情況下輸出信號完全一致，從而證明了PSCAD搭建的GN模型的正確性。經驗證，PSCAD中搭建的FV模型、GJ模型、GA模型、TV模型和TB模型也是正確的。

圖2 PSCAD與BPA的GN模型仿真結果對比Fig.2 GN model simulation result comparison between PSCAD and BPA

將控制系統(tǒng)、發(fā)電機、變壓器等模型組合起來，搭建發(fā)電機組模型。由于PSCAD發(fā)電機模型的基準功率為發(fā)電機額定容量200MVA，而調速系統(tǒng)模型的基準功率為發(fā)電機額定功率180MW；所以，發(fā)電機與調速系統(tǒng)之間的信號傳輸需要進行標幺值折算，發(fā)電機電磁功率輸入調速系統(tǒng)時應除以0.9或乘以1.111，調速系統(tǒng)的機械功率輸入發(fā)電機時應乘以0.9。最后，將發(fā)電機組、電網(wǎng)元件以及負荷組合起來，構建內蒙古電網(wǎng)黑啟動試驗系統(tǒng)模型。

3 調速器控制參數(shù)優(yōu)化

黑啟動試驗系統(tǒng)的網(wǎng)架結構薄弱，頻率、電壓都處于極不穩(wěn)定的快速變化過程中，為維持孤網(wǎng)小系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，水電機組應具有孤網(wǎng)運行模式和合適的控制參數(shù)[17]。萬家寨水電站水輪機調速器允許修改的PID（比例積分微分控制器）參數(shù)有3個，即微分時間常數(shù)Td、比例增益Kp和積分時間常數(shù)Ti。

對黑啟動試驗方案中啟動火電廠輔機、公用變電站啟動負荷、被啟動火電機組并網(wǎng)等多種工況進行仿真，校核Td、Kp和Ti的不同組合，最終選出一組能夠適應所有工況的優(yōu)化參數(shù)（Td=3.5、Kp=1、Ti=8.2）。為了展示優(yōu)化效果，分別基于孤網(wǎng)模式原始參數(shù)（Td=1、Kp=2、Ti=12）和優(yōu)化參數(shù)，對薛家灣變電站啟動3MW恒阻抗負荷進行仿真，仿真結果見圖3。基于原始參數(shù)的系統(tǒng)頻率曲線呈現(xiàn)振蕩收斂趨勢，約50 s恢復到50 Hz附近；基于優(yōu)化參數(shù)的頻率曲線沒有振蕩，30 s即可恢復到50Hz附近。

圖3 參數(shù)優(yōu)化前后仿真結果對比Fig.3 Parameters comparison of simulation results before and after optimization

2020-11-06 ，為了驗證優(yōu)化參數(shù)的適用性，對萬家寨3號機組進行甩負荷試驗。機組并入電網(wǎng)運行，帶23.3MW負荷，手動將調速系統(tǒng)切換為孤網(wǎng)模式，確認機組運行穩(wěn)定，手動跳開主變壓器高壓側斷路器，使機組脫網(wǎng)，驗證調速系統(tǒng)在調節(jié)過程中是否正常穩(wěn)定。甩負荷試驗機端頻率錄波圖見圖4?？梢钥闯?，甩負荷后，機組頻率升至52 Hz，150 s后頻率穩(wěn)定在50 Hz，沒有發(fā)生振蕩，證明了優(yōu)化后的孤網(wǎng)模式參數(shù)可以維持孤網(wǎng)機組穩(wěn)定運行。

圖4 甩負荷試驗機端頻率錄波圖Fig.4 Frequency oscillogram of load rejection test

4 仿真分析

4.1 潮流仿真

根據(jù)黑啟動試驗流程，黑啟動試驗方案中有4個關鍵節(jié)點會造成系統(tǒng)較大的潮流變化，需進行仿真分析，穩(wěn)態(tài)潮流仿真結果見表1。

表1 黑啟動試驗穩(wěn)態(tài)潮流仿真結果Tab.1 Power flow simulation results of black start test

節(jié)點1：空充聯(lián)通線路。仿真結果為空充線路后，萬家寨3號機組調壓使220 kV母線電壓控制到230 kV時的潮流狀態(tài)。

節(jié)點2：薛家灣變電站帶負荷。仿真結果為薛家灣變電站帶負荷（25+j22）MVA且萬家寨3號機組調壓后的潮流狀態(tài)。

節(jié)點3：準大電廠啟動廠用負荷。仿真結果為準大電廠啟備變壓器帶負荷（10.0+j6.9）MVA且萬家寨3號機組調壓后的潮流狀態(tài)。

節(jié)點4：準大電廠1號機組并網(wǎng)帶負荷。仿真結果為準大電廠1號機組帶負荷30MW且萬家寨3號機組和準大電廠1號機組分別調壓后的潮流狀態(tài)。

黑啟動試驗過程中，各環(huán)節(jié)操作后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)潮流分布合理，節(jié)點電壓均在合格范圍內。其中，萬家寨水電站3號機組最大進相無功功率17Mvar，發(fā)生在萬家寨空充至薛家灣和準大電廠母線后，準大1號機組不存在進相運行情況。

4.2 空充線路

充電前，萬松Ⅰ線、松寧線、寧薛Ⅰ線和大寧Ⅰ線已經處于聯(lián)通狀態(tài)，線路總長度88.7 km。對空充聯(lián)通狀態(tài)的輸電線路過程進行自勵磁和過電壓仿真校核。

4.2.1 自勵磁

發(fā)電機的自勵磁是一種諧振現(xiàn)象，根據(jù)GB/T 50064—2014《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》[8]（下文簡稱規(guī)程），發(fā)電機自勵磁可用式（1）進行判斷：

式中：WN為發(fā)電機額定容量，MVA；QC為線路充電功率，Mvar；Xd*為發(fā)電機等值同步電抗標幺值（包括升壓變壓器，以發(fā)電機容量為基準）。

校核計算萬家寨3號機組空充聯(lián)通線路自勵磁情況。發(fā)電機額定容量WN=200MVA，線路充電功率QC=17Mvar，對發(fā)電機和外部輸電系統(tǒng)參數(shù)折算后可知，發(fā)電機同步電抗=1.0575變壓器電抗=0.1244，發(fā)電機等值同步電抗標幺值=1.182，因此=20.09

空充聯(lián)通線路時薛家灣變電站220 kV母線三相電壓仿真波形見圖5，空充線路后母線電壓在0.5 s內達到正常值，發(fā)電機沒有發(fā)生自勵磁現(xiàn)象。因此，說明空充聯(lián)通線路時萬家寨3號機組不會發(fā)生自勵磁。

圖5 空充線路時薛家灣220 kV母線三相電壓仿真波形Fig.5 Three-phase voltage simulation waveform of Xuejiawan 220 kV bus during charging line

4.2.2 工頻過電壓

計算空充線路空載長線容升效應（K0）和線路末端單相短路（K1）兩種情況下的工頻過電壓，仿真結果見表2。

表2 工頻過電壓仿真結果Tab.2 Power frequency overvoltage simulation results

線路相地工頻過電壓最大值為1.1699（p.u.），依據(jù)規(guī)程，系統(tǒng)的工頻過電壓水平在線路斷路器的變電所側一般不宜超過1.3（p.u.）；線路斷路器的線路側不宜超過1.4（p.u.），仿真結果中工頻過電壓均小于1.3（p.u.），滿足規(guī)程要求。

4.2.3 操作過電壓

鑒于三相開關動作的不同期性（開關的不同期時間大約為5ms），在仿真計算中考慮開關預期合閘時間在一個周波內服從隨機均勻分布，開關三相不同期性在[-2.5，2.5]（單位為ms）內服從正態(tài)分布。在此基礎上，進行120次空充合閘仿真，根據(jù)正態(tài)分布的3σ規(guī)則和絕緣配合中使用的統(tǒng)計過電壓U2，操作過電壓仿真結果統(tǒng)計見表3。合空線操作過電壓相地最大值為2.6748（p.u.），滿足規(guī)程中相地操作過電壓不大于3.0（p.u.）的要求。

表3 操作過電壓仿真結果統(tǒng)計Tab.3 Simulation value of operation overvoltage results

4.3 空充主變壓器

變壓器為帶有鐵心的感性設備，其正常運行時的電感值很大。而在變壓器合閘過程中，由于變壓器鐵心飽和，其等值電感降低，可能與變壓器合閘回路中的電容共同作用發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象。影響變壓器鐵磁諧振的因素主要包括變壓器的伏安特性、線路參數(shù)、系統(tǒng)條件、開關操作的分散性等。

薛家灣變電站220 kV 1號母線空充主變壓器時的操作過電壓水平及衰減情況見表4，仿真波形見圖6?？梢钥闯觯覟匙冸娬驹诤峡罩髯儔浩鲿r無顯著的諧振過電壓產生，操作過電壓及暫時過電壓水平均在規(guī)程規(guī)定的限值范圍內，也在變壓器過勵磁承受范圍內。

圖6 合空載主變壓器仿真曲線Fig.6 Simulation waveform of charging transformer

表4 諧振過電壓水平及衰減情況Tab.4 Resonance overvoltage and attenuation

4.4 薛家灣變電站啟動負荷

薛家灣變電站負荷用恒阻抗模型模擬，當薛家灣主變壓器110 kV側投入4MW負荷時，系統(tǒng)最大頻率偏差0.5Hz，見圖7。因此，為了保證現(xiàn)場試驗系統(tǒng)頻率偏差≤0.5Hz，薛家灣每輪次投入的負荷量應≤4MW。

圖7 薛家灣投入4MW恒阻抗負荷引起的系統(tǒng)頻率偏差仿真曲線Fig.7 Simulation curve of frequency deviation caused by 4MW constant impedance load input by Xuejiawan

4.5 啟動廠用輔機

準大電廠最大功率輔機為給水泵，其額定功率為5.4MW，啟動給水泵過程仿真結果見圖8，啟動最大電流約3.005 kA，6 kV母線電壓由6.05 kV跌落至5.07 kV，電壓最大降低16.3%。系統(tǒng)最大頻率偏差-0.57Hz，2.5 s后頻率偏差恢復至±0.5Hz以內，給水泵全程啟動時間為3.7 s。

圖8 準大電廠給水泵啟動仿真曲線Fig.8 Frequency oscillogram of feed pumb start?up in Zhunda Power Plant

準大電廠所有變頻輔機變頻器低電壓保護定值見表5。從表5可知，準大電廠380 V輔機變頻器低壓保護定值較高為0.84（p.u.），即電壓跌落16%時變頻器低電壓保護啟動，延時5 s后跳閘，啟動給水泵電機時雖然會引起變頻器低電壓保護啟動，但未到5 s即可恢復，不會引起保護動作，建議現(xiàn)場試驗時調節(jié)啟備變壓器分接頭，提高6 kV和380 V母線電壓。給水泵啟動時系統(tǒng)最大頻率偏差-0.57Hz，但超出-0.5Hz的時間僅為2.5 s，不會引起機組保護裝置動作。

表5 準大電廠變頻器低電壓保護定值Tab.5 Setting value of low voltage protection of frequency converter in Zhunda power plant

4.6 火電機組并網(wǎng)

準大電廠機組自動準同期裝置并網(wǎng)條件為斷路器兩側電壓差定值≤0.04（p.u.）（即線電壓≤8.8 kV），頻率差值≤0.15Hz，導前時間0.08 s?；痣姍C組在并網(wǎng)后為了防止機組逆功率運行，常常設置一個最小開度，使機組并網(wǎng)后立刻帶初負荷。由于黑啟動試驗系統(tǒng)容量很小，火電機組并網(wǎng)后帶初負荷造成系統(tǒng)頻率較大波動，分別對準大電廠1號機組并網(wǎng)后不帶初負荷、帶10MW初負荷和帶20MW初負荷3種情況進行仿真，見圖9。

圖9 準大機組并網(wǎng)仿真曲線Fig.9 Grid connection simulation curve of Zhunda unit

從圖9可知，不帶初負荷時，并網(wǎng)后最大頻率偏差為-0.16Hz；帶10MW初負荷時，并網(wǎng)后最大頻率偏差為0.92 Hz，超出0.5 Hz時間約19 s；帶20 MW初負荷時，并網(wǎng)后最大頻率偏差為1.78 Hz，超出0.5 Hz時間約25 s。建議在黑啟動試驗時，準大電廠機組應取消初負荷，減小并網(wǎng)瞬間對系統(tǒng)頻率的沖擊，同時適當放大逆功率保護定值和時延，避免機組升負荷之前逆功率保護動作。

5 結論

本文基于PSCAD搭建了內蒙古電網(wǎng)常規(guī)水電黑啟動試驗小系統(tǒng)模型，并通過PSD-BPA驗證了模型的正確性；基于萬家寨3號機組孤網(wǎng)模式優(yōu)化參數(shù)，對黑啟動試驗方案進行了潮流和動態(tài)仿真，得出如下結論。

（1）萬家寨水電站3號機組以孤網(wǎng)模式運行，在低負荷工況下能夠維持試驗系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，并具有較強的進相能力，可作為內蒙古電網(wǎng)黑啟動電源。

（2）黑啟動過程中機組未出現(xiàn)自勵磁現(xiàn)象，各廠站母線電壓未超過規(guī)定限值。

（3）為保證試驗系統(tǒng)頻率偏差在±0.5Hz以內，薛家灣變電站每輪次投入的負荷量不應超過4MW。

（4）為避免準大機組并網(wǎng)后系統(tǒng)頻率產生較大波動，機組應取消并網(wǎng)初負荷。