浅谈电网黑启动试验

黄志刚 郑卫洪 郭凌旭

国网天津市电力公司调度控制中心 天津 300010

0 引言

天津电网是典型的受端电网，从电网潮流分布看属于华北电网横向通道东部，西电东送的落点区域。天津电网内，电源组成结构相对单一，火电为主要发电形式。水电、风电、光伏发电不仅总体的比例很低，且绝对容量较小。实际运行中，天津电网的短路水平较高，部分220kV线路采取断环备用方式，以限制短路水平。同时由于电力走廊的日益紧张，天津220kV以上输电线路同杆（塔）并架、电缆利用同一通道的现象较多，在应对极端天气和应对外力破坏方面基础薄弱。

另一方面，天津电网承担着为天津地区供电的重要任务。天津属于我国的直辖市，是环渤海及整个北方的重要经济、政治、文化、科技及军事中心。电网负荷中不仅包括大量的居民、工商业用电负荷，而且包括许多党政机关、军事设施及危险品生产企业的用电负荷。2014年末天津电网的日均最大负荷在11GW以上，日供电量在2亿kW·h以上。

长期以来，天津电网内由于缺少适宜的黑启动电源，电网黑启动准备工作进展相对缓慢，应对突发事件、严重灾害方面的能力较弱，一直是电网运行及应急工作中的软肋。

1 天津电网黑启动主要技术环节

电网黑启动的主要技术难点在于电源及路径选择、方式安排、发电机自励磁控制、元件过电压控制以及独立供电区域的频率控制。在查阅黑启动涉及电网元件特性的基础上，搭建了数字化的仿真模型，并利用电磁仿真和机电仿真技术进行了多次模拟推算，最终确定了天津电网黑启动电源及路径选择、方式安排，同时采用负荷分批投入等方法有效克服了发电机自励磁、元件过电压控制及独立供电区域的频率大幅波动问题。

1.1 天津电网黑启动电源及路径

天津滨海电厂坐落于滨海新区响螺湾商务区，紧临天然气储气站，具备作为天津电网“黑启动”电源具有天然优势。其厂内机组除包括一台38MW的燃气轮机，一台18MW的蒸汽轮机，还有3台1.4MW的自启动柴油发电机。

220kV的葛沽站与濒海电厂临近，其110kV出线中就有滨海电厂的并网线路（葛潮线），而且还有一条线路为天津军粮城电厂提供备用启动电源（本葛线）。

军粮城电厂7号机组，容量为200MW，可以利用本葛线供电的备用启动变提供的电源进行启动。

军粮城电厂7号机组若启动成功，不仅能够回复军粮城电厂机组运行，而且可以恢复天津220kV及500kV主网的供电，为天津电网内其它机组的启动和并网提供条件，使天津电网逐步恢复正常方式。

为不影响天津电网的正常运行，同时达到黑启动实际检验目的，2014年天津电网黑启动路径选择如下图1所示。

1.2 天津黑启动试验步骤安排

图1 天津黑启动路径图

通过方式比选，并结合电网调控实际，选择如下试验步骤：试验路径方式的导出→滨海电厂#1G自启动→试验线路零起升压→军粮城电厂＃2启动变充电→军粮城电厂#7G单带厂用电→军粮城电厂#7G厂用电切换→军粮城电厂#7G同期并网→军粮城电厂#7G厂用电恢复→相关方式恢复。

1.3 天津电网黑启动试验计算分析

1.3.1 发电机自励磁校验

依《电力系统设计技术规程》，对于发电机带空载长线时，不发生自励磁的判据，为：

其中

Wh：表示发电机的额定容量（MVA）；

QC：表示线路的充电功率（Mvar）；

Xd：表示发电机的等值同步电抗（包括升电压互感器的漏抗，以发电机为基准的标幺值）。

W/X反映了发电机的充电能力。

按照图1中的黑启动试验路径，依据典型参数，试验路径对地电纳之和为：

110kV线路按121kV考虑，由（式2）可以计算出线路充电功率总计为1.177MVar。

依据滨海电厂的实测报告，其直轴同步电抗Xd=2.0413（以发电机为基准的标幺值），升压变漏抗XT=0.08142（以发电机为基准的标幺值），则总电抗为

依发电机铭牌，发电机的有功功率为38.0MW，功率因数为0.85，额定容量为44.706MVA。则滨海电厂的充电容量为

满足《电力系统设计技术规程》要求，即发电机自励磁方面校验合格。

1.3.2 工频过电压校验

工频电压升高的幅度不仅影响操作过电压的幅值而且影响保护和电器的工作效果。天津电网黑启动工频过电压的控制，是以试验路径线路末端的稳态电压不超过系统正常运行的最高电压为准则。根据黑启动试验方案，要求控制滨海110kV母线电压和补偿深度，以使军粮城电厂110kV母线电压不超过121kV（过电压计算使用RTDS进行仿真）。

结合元件典型参数以及图1所示路径，经计算只要控制滨海110kV母线电压不超过118kV（滨海电厂无功补偿不超过-1.1Mvar），就可保证军粮城电厂110kV母线稳态电压不超过118.3kV；满足其不超过121kV的要求。

1.3.3 操作过电压校验

如图 2 所示，设电源电势 e（t）=Emcos（ωt+θ），由于合闸后的过渡过程与合闸时电源的相位角有关，为考虑最不利情况，假设电源电压e（t）为Em时合闸。

其中，发电机用无穷大电源和次暂态电抗来表示。发电机的额定电压取10.5kV；合闸电流取54.76A（由1.3.2得出）；依发电机实测参数，发电机的正序电抗X′d=0.6383Ω，零序电抗X0=0.2756Ω。

输电线路参数按如下表1取值：

图2 操作过电压RTDS来仿真接线图

经计算电压仿真结果如图3、图4所示：

图3 滨海电厂操作过电压仿真图

表1 葛潮线、本葛线线路参数

从分析计算结果知，滨海电厂110kV侧断路器合闸时，葛沽110kV母线A相对地电压最大瞬时值为195.98kV，B相对地电压最大瞬时值为197.24kV，C相对地电压最大瞬时值为140.92kV；葛沽110kV侧断路器合闸时，新军厂110kV母线电压A相对地电压最大瞬时值为188.29kV，B相对地电压最大瞬时值为140.82kV，C相对地电压最大瞬时值为135.53kV。其暂态过程中的仿真曲线如图3、4所示。根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T 620—1997），对110kV线路操作过电压要求小于3.0 p.u即296.388kV即可，可见满足要求。

图4 葛沽站操作过电压仿真图

1.3.4 负荷投入过程中的电压和频率校核

军粮城电厂厂用负荷包括：给水泵电机、循环泵电机、灰浆泵电机、冲灰泵电机、除尘泵电机、甲碎煤机电机等，负荷共约20MW。显然一次投入全部负荷极有可能导致因频率波动过大造成黑启动系统的崩溃。因此采用负荷分批投入的方法，其中首次投入按5.5MW考虑，其计算波形如图5所示，其电压和频率计算数值如表2所示。

表2 首次负荷投入的电压和频率计算数值

2 天津电网黑启动主要过程

2.1 黑启动试验方式的导出（约3小时）

2.1.1 滨海电厂向市调报：天然气气源、自启动柴油机均满足启动条件，＃1机变组设备状况良好，具备试验条件。#2机变组备用，02小车拉出中。100、01、101开关拉开中。

图5 首次负荷投入的电压和频率图

2.1.2 军粮城电厂向市调报：＃7G具备厂用电切换条件。＃2启动变负荷已倒走，100乙开关拉开中。

2.1.3 市调令滨海调度、城南调度将试验路径上的潮音寺、上刘庄站相应负荷到走，线路侧开关和刀闸拉开。

2.1.4 市调令务本站：拉开113、拉开113-2刀闸。

2.1.5 市调令葛沽站：合上146开关、拉开146开关。

2.1.6 市调令葛沽站：拉开114开关，拉开114－2刀闸，拉开116开关，拉开116－2刀闸。

2.1.7 市调令葛沽站：合上114－6、116-6刀闸，拉开146－6刀闸。

2.2 黑启动试验进行

电网黑启动试验按如下过程进行：滨海电厂#1G启动试验（约30分钟）；滨海电厂＃1G零起升压为线路充电（约5分钟）；军粮城电厂＃2启动变充电试验（约10分钟）；军粮城电厂#7机组单带厂用电（约10分钟）；军粮城电厂#7机组厂用电切换（约15分钟）；军粮城电厂#7机组并网 （约5分钟）；军粮城电厂#7G厂用电恢复（约10分钟）以及相关方式回复。

3 黑启动试验结果及意义

2014年10月24日13∶11，军粮城电厂 7号机组成功与主系统恢复并网，标志着天津电网黑启动试验取得获得圆满成功。本次试验的成功意味着天津电网“黑启动”电源建设取得了阶段性成果。不仅提高了天津电网应对和处置大面积停电事故的能力，也为天津电网的安全稳定运行奠定了更为坚实的基础。同时为以火电为主的电网进行黑启动探索出了一条可行之路。

［1］梁海平，陈国荣，王丽莎，贾京华，王勇，顾雪平.电网黑启动中发电机自励磁仿真研究 ［J］.河北电力技术，2010，29（5）.

［2］ Ivan V.W.Hunt.，“DIESEL ENGINE GENERATORS FOR BLACK START AND SUPPLY EMERGENCIES”，《Electrical Engineers Association Annual Conference》，Auckland，2000，（6）：16-17。

［3］国网天津市电力公司内部资料.2014年度天津电网运行方式［R］.2014.