2022, Vol. 40
2. 内蒙古自治区电力系统智能化电网仿真企业重点实验室, 呼和浩特 010020;
3. 内蒙古电力调度控制中心, 呼和浩特 010010;
4. 黄河万家寨水利枢纽有限公司, 山西 忻州 036412
2. Inner Mongolia Enterprise Key Laboratory of Smart Grid Simulation of Electrical Power System, Hohhot 010020, China;
3. Inner Mongolia Power Dispatching and Control Center, Hohhot 010010, China;
4. Y. R. Wanjiazhai Water Muli-Purpose Dam Project Co., Ltd., Xinzhou 036412, China
电网黑启动能力是考核电网是否安全的重要指标[1-2]。近年来，国内各大电网公司都不同程度地实施了以水电机组为启动电源的黑启动试验[3-9]，为我国黑启动事业积累了成功经验，但也暴露出了一些问题，如2005-12-04某电网公司实施黑启动试验时，由于机组采用手动调频模式，试验系统频率偏低且波动很大，导致机组欠励限制器动作，严重限制了机组进相深度，使系统充电功率无法平衡，最终造成线路过电压保护动作跳闸[3]。2012-11-20某电网以抽水蓄能机组空充500 kV长线路时，由于合闸操作过电压激发了系统自振频率上的线性谐振，导致合闸2 s后发电机励磁保护跳闸[4]。
某区域电网黑启动试验吸取前述经验教训，水电机组全程自动调频[10]。同时为了避免火电机组并网后负荷过低不能稳定运行，要求在启动火电机组之前启动一定量的公用变电站负荷，在黑启动试验筹备阶段，对黑启动孤网小系统进行了建模和仿真，对机组自励磁、系统过电压、系统频率稳定性等问题进行了全方位论证[11-14]，为黑启动试验的实施提供了重要参考；为了确保水电机组的孤网调频能力能够满足黑启动试验的要求，对水轮机调速系统孤网模式控制参数进行了仿真优化，并利用机组甩负荷试验验证了优化参数的适用性[15-18]。在准备充足的前提下，2021-03-29，该区域电网实施了以水电厂为启动电源的电网黑启动试验，本文论述了试验过程，并对试验进行了总结。
1 黑启动试验概况 1.1 试验目的（1）验证W水电厂发电机组的自启动能力；
（2）测试黑启动过程中发电机组自励磁、变压器励磁涌流及试验系统过电压、铁磁谐振等数据；
（3）验证黑启动试验系统电网继电保护、电厂涉网保护配合是否合理；
（4）验证黑启动试验系统负荷启动与稳定运行能力；
（5）验证Z火电厂发电机组热态启动与并网能力；
（6）验证黑启动试验系统的频率控制和电压调节能力；
（7）验证黑启动电源系统准同期并网能力。
1.2 系统构成电网黑启动试验的系统包括：W水电厂3号机组和220 kV B母、WSⅠ线、S变电站220 kV 1号母线、SN线、N变电站220 kV 2号和4号母线、ZNⅠ线、Z火电厂220 kV 1号母线和1号启备变压器及1号机组、NXⅠ线、X变电站220 kV 1号母线和1号主变压器，系统结构示意图见图 1。
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| 图 1 黑启动试验系统结构示意图 Figure 1 Schematic diagram of black start test system |
（1）W水电厂3号机组自启动；
（2）3号机组稳定运行后，经W水电厂220 kV B母、220 kV WSⅠ线、S变电站220 kV 1号母线、SN线、N变电站220 kV 2号和4号母线、220 kV NX Ⅰ线充电至X变电站220 kV 1号母线，同时经220 kV ZN Ⅰ线充电至Z火电厂220 kV 1号母线；
（3）X变电站1号主变压器充电，并逐步带负荷25 MW；
（4）Z火电厂1号启备变压器充电，为1号机组提供厂用电，逐一启动辅机；
（5）Z火电厂1号机组启动，稳定运行后经201断路器同期并入黑启动试验系统，逐步增加出力至30 MW；
（6）黑启动试验系统持续运行20 min；
（7）黑启动试验系统在W水电厂同期并网。
2 试验准备 2.1 发电机组运行方式W水电厂三机运行，其中3号机组用于黑启动试验系统，另两台机组用于正常运行系统；Z火电厂双机运行，1号机组用于黑启动试验系统，2号机组用于正常运行系统。
2.2 电网安全稳定控制黑启动试验期间，该区域电网500 kV、220 kV系统不安排输变电设备检修；电网控制极限按黑启动试验期间临时控制极限执行。
2.3 黑启动试验要求（1）将黑启动试验系统所属线路保护定值修改为黑启动试验期间临时定值，重合闸退出运行，防止重合于故障对黑启动电源造成冲击。
（2）W水电厂水电站3号机组、Z火电厂1号机组修改发变组相关保护定值，确保在（50±0.5）Hz内机组能够稳定运行，发变组保护在保障设备安全的前提下，尽可能提升保护定值适应性，避免试验期间频率、电压波动引起机组跳闸。
（3）黑启动试验前，W水电厂210开关同期试验已完成且同期功能正常。试验期间，W水电厂3号机组、Z火电厂1号机组的AGC、AVC功能退出运行，Z火电厂高周切机装置退出运行。
（4）当黑启动试验系统或正常运行系统发生故障、振荡、过电压等异常情况时，应立即暂停黑启动试验，同时向调控中心汇报。若能够明确异常原因并及时解决，则继续进行黑启动试验，否则停止试验。
3 黑启动试验过程 3.1 系统形成过程Z火电厂形成黑启动试验系统过程如下：1号机组解列停机，启备变转冷备用，隔离1号机组厂用系统，退出厂用备自投，退出高周切机装置，退出1号机组AVC、AGC功能，黑启动元件隔离倒闸操作（黑启动试验系统中的线路和母线为联通状态），修改1号发变组、启备变保护定值等。
W水电厂形成黑启动试验系统过程如下：隔离3号机组厂用系统，退出厂用备自投，退出3号机组AVC、AGC功能，3号机组停机备用，黑启动元件隔离倒闸操作，修改3号发变组保护定值，3号机组自启动并带厂用电（203开关保持冷备用状态）等操作。
N变电站、S变电站、X变电站形成黑启动试验系统过程如下：黑启动元件隔离倒闸操作（黑启动试验系统中的线路和母线为联通状态），修改线路保护定值等。
3.2 系统线路充电W水电厂3号机组机端电压升至15.09 kV后，合203断路器给B母充电。W水电厂合252断路器，经220 kV B母给WSⅠ线、S变电站220 kV 1号母线、SN线、N变电站220 kV 2号和4号母线、NXⅠ线、X变电站220 kV 1号母线、ZNⅠ线、Z火电厂220 kV 1号母线充电。W水电厂3号机组电压有效值、电流有效值、励磁电压、励磁电流、有功、无功和频率在空充后1 s内实测数据如图 2所示，机端电压从15.4 kV经0.022 s升高至15.98 kV后开始降低；无功功率从1.04 Mvar经0.075 s降至-19.56 Mvar进相状态，最终稳定在-18.38 Mvar进相状态，机组励磁系统调节正常。
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| 图 2 空充联通线路时W水电厂3号机组实测曲线 Figure 2 Measured curve of No.3 unit in W hydraulic power plant as charging the connecting idle-load lines |
空充联通线路过程中，X变电站母线电压最高，其相地工频过电压为145.63 kV（1.001（p.u.）），相地操作过电压为525.94 kV（2.556（p.u.）），满足规程要求[19]。前期仿真阶段，该工况下X变电站工频过电压为0.993（p.u.），操作过电压为2.675（p.u.），仿真结果与实测结果基本一致。
3.3 X变电站1号主变压器充电X变电站合201断路器，空充1号主变压器，1号主变压器三相电压、三相电流以及零序电流1 s内实测波形如图 3所示。
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| 图 3 空充X变电站1号主变压器实测曲线 Figure 3 Measured curve of main transformer 1 in X substation as a charging up made in |
X变电站220 kV母线操作过电压236.624 kV（1.15（p.u.）），满足规程要求[19]。前期仿真阶段，该工况下X变电站母线操作过电压为1.17（p.u.），仿真结果与实测结果基本一致。
X变电站主变压器容量为120 MVA，主变励磁涌流情况如表 1所示，励磁涌流衰减过程中未发生突增现象，充电过程中未发生变压器铁心饱和引起的铁磁谐振。
| 表 1 空充X变电站1号主变压器时励磁涌流及衰减情况 Table 1 Magnetizing inrush current and attenuation of main transformer 1 in X substation as a charging up made in |
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根据仿真计算结果，为防止启动负荷过程中系统频率偏差超出±0.5 Hz，X变电站每次启动负荷不大于4 MW。X变电站逐步启动25 MW负荷耗时约1 h，W水电厂3号机组导叶开度指令、导叶开度、有功功率和频率实测曲线如图 4所示，频率波动范围49.554~50.287 Hz，满足频率波动范围要求，调速器根据系统频率偏差自动调整开度指令，导叶开度跟随开度指令动作，调速系统调节正常。
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| 图 4 X变电站启动负荷过程中W水电厂3号机组实测曲线 Figure 4 Measured curve of unit 3 in W hydraulic power plant during starting load of X substation |
Z火电厂空充1号启备变压器过程中，由于启备变压器容量（50 MVA）较小，且系统已接带负荷25 MW，因此对W水电厂发电机组冲击不大，暂态过程时间也较短。
Z火电厂启备变压器带电后，启动1号机组辅机。较大容量的辅机有给水泵（5400 kW）、引风机（4000 kW）和一次风机（1800 kW）等。启动过程中，引风机对系统的频率和电压冲击最大，频率最低降至49.36 Hz，6 kV母线电压最低降至5.31 kV，系统各元件运行正常；其他辅机启动引起的频率偏差均不超过0.5 Hz。
试验前仿真阶段，建立了给水泵异步电动机模型，并对其启动过程进行了仿真分析，但实际运行中给水泵启动过程对系统的冲击远不及引风机，见表 2，引风机启动引起的系统频率偏差为-0.64 Hz，导致6 kV段电压跌落1.01 kV；给水泵启动引起的系统频率偏差为-0.33 Hz，导致6 kV段电压跌落1.05 kV。
| 表 2 Z火电厂引风机、给水泵启动对系统的影响比较 Table 2 Comparison of influence of induced draft fan start- up and feed pump on the system in Z power plant |
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引风机与给水泵启动过程中有功功率和频率实测曲线如图 5所示。由图 5（a）可以看出，辅机启动过程有功功率呈现出阶跃上升—缓慢上升—阶跃下降的特点。异步电机启动过程中的有功功率主要用于转子加速，在异步电动机通电后，由于转子堵转导致电流很大，有功功率阶跃上升，随着转速的增大，有功功率缓慢上升以维持转子的加速状态，当转子达到额定转速或目标转速后停止加速，此时有功功率阶跃式下降。由图 5（b）可以看出，由于系统频率偏差不大，因此水轮机调速系统调节速度比较缓慢，辅机启动过程中系统频率一直呈现下降趋势，直至辅机启动完成频率才得以上升。引风机启动过程中有功功率为4~7 MW，给水泵启动过程中有功功率为4~6 MW，两者数值相差不大，但由于引风机启动时间明显比给水泵更长，这就造成系统频率下降时间更长，频率下降幅度更大。
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| 图 5 引风机与给水泵启动过程实测曲线 Figure 5 Measured curves during startup of induced draft fan and feed pump |
虽然给水泵额定容量大于引风机额定容量，但引风机启动对系统频率冲击更大，结合试验现场工况分析原因如下：
（1）引风机为轴流风机，静叶与动叶间存在冲角，通流间隙较大，启动过程需联动开起出口阀，引风机通流断面大，烟风阀门严密性较汽水阀门差，使得启动时扭矩偏大，因此引风机启动过程属于带负载启动，因此启动功率较大且时间较长。
（2）给水泵启动过程中，泵出口阀处于关闭状态，仅再循环调节阀全开，但流量较小，因此启动负载非常小，近乎空载启动；由于给水泵额定功率比引风机大，因此启动功率与引风机相当，但启动时间明显缩短，仅为3 s。
3.6 火电机组并网带负荷 3.6.1 机组并网Z火电厂1号机组辅机全部启动后，1号机组点火电启动，达到额定转速后，实施自动准同期并网，1号机组并网时的有功、无功功率和系统频率如图 6所示。机组并网瞬间初负荷最高升至12.19 MW，系统频率最高上升至51 Hz，之后系统频率振荡衰减，约60 s后频率偏差恢复至±0.5 Hz，机组有功功率稳定在9 MW左右。并网后，火电机组和水电机组均能维持电压、频率稳定，由于是同期并列，系统电压和无功受到的冲击很小，未因调速系统特性的差异而发生振荡。
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| 图 6 Z火电厂1号机组并网实测曲线 Figure 6 Measured curve of grid connection of unit 1 in Z power plant |
根据试验前仿真结果，建议将初负荷设为0或2 MW，Z火电厂折中将初负荷设定值由10 MW修改为3 MW。但在并网瞬间，虽然高调门开度增量很小，由于中压调门开度流量特性不良，瞬间由中间位置直接全开，导致瞬间负荷增量达到12.19 MW，系统频率最高升至51 Hz。建议黑启动时机组取消初负荷，减小并网瞬间对系统频率的冲击；停机后进行DEH混合仿真，确定初负荷取消后并网瞬间阀位低限不影响运行人员手动操作。
3.6.2 机组升负荷Z火电厂1号机组负荷调整速率为5 MW/min，在机组升负荷过程中，机组频率波动范围49.727~ 50.252 Hz，机组振动、汽轮机轴瓦温度等重要参数均在正常范围内，机组运行稳定。
3.7 黑启动试验系统运行Z火电厂升负荷至30 MW后，黑启动试验系统连续运行20 min。运行过程中W水电厂3号机组、Z火电厂1号机组运行稳定，系统频率波动范围49.692~50.287 Hz，在允许范围内。
3.8 黑启动试验系统并入主网W水电厂3号机组调速器保持孤网自动状态，手动调整3号机组励磁使B母与A母电压相等，W水电厂210断路器采用自动准同期并网。并网瞬间，频率和电压没有明显冲击，系统状态过渡平稳，W水电厂各系统设备运行正常，Z火电厂1号机组并网后仍采用阀位手动控制方式，并网期间1号机组运行正常。
4 结论本文论述了某区域电网利用常规水电机组实施电网黑启动的试验过程，对启动过程中的实测数据进行了分析，得出如下结论。
（1）W水电厂和Z火电厂设备在黑启动试验时无系统外电源，通过W水电厂3号机组启动并充电至电网，为Z火电厂1号机组提供启动电源，1号机组成功点火、冲车、并网、带负荷，黑启动系统稳定运行20 min，证明该试验方案切实可行。
（2）本次黑启动试验采用W水电厂3号机组调速系统在孤网模式下调整电网频率的控制方式，试验期间全过程自动调节，Z火电厂1号机组采用手动阀位控制，不参与系统调频。这种频率控制方式不论在带负荷阶段，还是Z火电厂启动大功率辅机、锅炉点火、升温升压、汽机冲车、发电机并网、带负荷、黑启动试验系统并入大网过程，系统频率始终控制在平稳状态，频率波动在较小范围内，证明该方案切实可行。
（3）黑启动试验过程中电压和频率波动与前期仿真结论一致，验证了仿真模型的正确性。
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