張文峰 ，蘇 宇 ，王 寧 ，曾凱文 ，廖詩(shī)武 ，黎嘉明 ，龍 霏 ，文勁宇

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510600；2.華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

0 引言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)大停電事故頻發(fā)，給社會(huì)生活和生產(chǎn)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響［1-3］，研究制定科學(xué)、合理、快速的黑啟動(dòng)方案，開展電網(wǎng)黑啟動(dòng)試驗(yàn)，具有非常顯著的社會(huì)效益和安全意義。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)黑啟動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究［4-5］，開展了一系列黑啟動(dòng)試驗(yàn)［6-10］，這些試驗(yàn)有2個(gè)特點(diǎn)：都以小型火電、燃?xì)鈾C(jī)組或大型水電機(jī)組為黑啟動(dòng)電源，小型火電或燃?xì)鈾C(jī)組容量小，大型水電機(jī)組往往距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，這都將導(dǎo)致整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，不利于負(fù)荷的快速恢復(fù)，抽水蓄能機(jī)組是一種理想的黑啟動(dòng)電源，但抽水蓄能電站受地理?xiàng)l件限制，難以完全按照整個(gè)電網(wǎng)的黑啟動(dòng)需要進(jìn)行布點(diǎn)；當(dāng)系統(tǒng)電壓等級(jí)較高、傳輸線路較長(zhǎng)以及充電變壓器容量較大時(shí)，容易因?yàn)樽詣?lì)磁、過(guò)電壓等問(wèn)題導(dǎo)致線路空充失敗。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障導(dǎo)致大型火電機(jī)組與系統(tǒng)解列時(shí)，如果火電機(jī)組具備不停機(jī)不停爐的能力，即發(fā)電機(jī)組可以僅帶廠用電繼續(xù)運(yùn)行，則稱火電機(jī)組具備快速切負(fù)荷FCB（Fast Cut Back）功能，本文稱之為FCB機(jī)組［11-12］。當(dāng)故障清除后，F(xiàn)CB機(jī)組可以很快重新并網(wǎng)和升負(fù)荷，快速恢復(fù)供電。而且大型火電FCB機(jī)組由于容量大，安裝位置可以根據(jù)需要靈活布置，如果在電網(wǎng)全黑狀態(tài)下作為黑啟動(dòng)電源，可以快速恢復(fù)局部或整個(gè)電網(wǎng)。

廣東電網(wǎng)以大型火電FCB機(jī)組為黑啟動(dòng)電源，于2013年7月4日成功進(jìn)行了空充500 kV輸電線路的試驗(yàn)，為進(jìn)一步的電網(wǎng)恢復(fù)提供了條件。本文對(duì)該試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)字仿真分析，重點(diǎn)研究了空充線路過(guò)程中容易發(fā)生的自勵(lì)磁和過(guò)電壓現(xiàn)象，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了理論研究和仿真分析結(jié)果的正確性。

1 大型火電FCB機(jī)組空充500 kV線路試驗(yàn)介紹

試驗(yàn)采用的FCB機(jī)組為廣東銅鼓C廠6號(hào)機(jī)組，額定容量為1000 MW，額定電壓為27 kV，采用三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，該機(jī)組在與大電網(wǎng)脫開后能夠帶大約3%～10%的負(fù)荷（廠用電）孤島運(yùn)行3 min至數(shù)小時(shí)［13］。銅鼓電廠與500 kV圭峰變電站之間有4回聯(lián)絡(luò)線。整個(gè)試驗(yàn)包括3個(gè)部分：甩負(fù)荷試驗(yàn)、發(fā)變組帶線路零起升壓試驗(yàn)、發(fā)變組空載狀態(tài)90%額定電壓下空充線路試驗(yàn)。試驗(yàn)涉及的主要設(shè)備有銅鼓C廠6號(hào)機(jī)組、該機(jī)組的升壓主變、鼓峰丙線以及相應(yīng)開關(guān)設(shè)備，試驗(yàn)單線圖如圖1所示，其中，鼓峰丙線電壓等級(jí)為500 kV，長(zhǎng)度約為72 km。

1.1 試驗(yàn)前運(yùn)行方式

a.6號(hào)機(jī)組按試驗(yàn)要求的負(fù)荷條件正常運(yùn)行，機(jī)組保護(hù)、自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、安全穩(wěn)定裝置等均正常投入。

b.開關(guān)5041在合閘運(yùn)行狀態(tài)，開關(guān)5042、5043、5051、5052處于熱備用狀態(tài)，其他500 kV設(shè)備運(yùn)行方式依調(diào)度令正常運(yùn)行。

c.廠用電源可靠，備用變壓器處于熱備用狀態(tài)，機(jī)組跳閘后的保安電源、直流系統(tǒng)均能自動(dòng)投入，事故應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)處于備用狀態(tài)。

d.試驗(yàn)前銅鼓C廠運(yùn)行值班員確認(rèn)上述一、二次設(shè)備在規(guī)定狀態(tài)與位置。

1.2 發(fā)變組帶線路零起升壓試驗(yàn)

a.6號(hào)機(jī)組打閘（斷開開關(guān)806），廠用電切至4號(hào)高備變。

圖1 試驗(yàn)電氣主接線圖Fig.1 Primary wiring diagram for test

b.退出開關(guān)5042、5043重合閘，手動(dòng)斷開開關(guān)5042、5043。

c.退出開關(guān)5041、5042重合閘，手動(dòng)斷開開關(guān)5041、5042。

d.合上開關(guān)806、5042，6號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器置手動(dòng)調(diào)節(jié)方式，手動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)、主變、線路緩慢升壓，直至額定電壓。

e.降發(fā)電機(jī)電壓至最低，斷開開關(guān)5042、勵(lì)磁開關(guān)。

1.3 發(fā)變組空載狀態(tài)90%額定電壓下空充線路試驗(yàn)

a.將6號(hào)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)恢復(fù)至正常的自動(dòng)工作方式，合上勵(lì)磁開關(guān)，發(fā)電機(jī)電壓升至90%額定電壓。

b.手動(dòng)合上開關(guān)5042，對(duì)鼓峰丙線充電。

c.斷開開關(guān)5042，鼓峰丙線失電。

d.合上開關(guān)5051，由大電網(wǎng)對(duì)鼓峰丙線充電，同期合上開關(guān)5052、5043。

e.確認(rèn)發(fā)變組系統(tǒng)正常，機(jī)組具備并網(wǎng)條件，向中調(diào)提出并網(wǎng)申請(qǐng)，經(jīng)中調(diào)同意后，準(zhǔn)同期合上開關(guān)5042。

f.同期合上開關(guān)5041，空充線路試驗(yàn)結(jié)束。

2 空充線路過(guò)程中自勵(lì)磁特性分析

2.1 自勵(lì)磁實(shí)用判據(jù)

發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁是指同步電機(jī)定子回路由于電樞反應(yīng)的助磁作用而產(chǎn)生定子電流、電壓幅值自發(fā)增大的現(xiàn)象，其本質(zhì)是發(fā)電機(jī)定子電感與外電路容抗參數(shù)配合時(shí)發(fā)生的參數(shù)諧振［14-15］。研究表明，同步發(fā)電機(jī)組的自勵(lì)磁可分成反應(yīng)同步自勵(lì)磁、推斥同步自勵(lì)磁以及異步自勵(lì)磁3類，不同類型的自勵(lì)磁在產(chǎn)生條件和發(fā)展過(guò)程方面有著顯著的區(qū)別［16］。

工程上較常采用速算法或者阻抗法對(duì)發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁進(jìn)行校驗(yàn)。速算法判據(jù)如表1所示，表中Q為發(fā)電機(jī)組的萬(wàn)千伏安容量，L為線路的百千米長(zhǎng)度。阻抗法判據(jù)如式（1）所示［17］。

表1 速算法判據(jù)Table 1 Criteria of quick calculation method

其中，XC為線路容抗；Xd、Xq分別為發(fā)電機(jī) d 軸、q 軸電抗。

速算法判據(jù)對(duì)線路容抗估算較為粗略，而阻抗法判據(jù)則只能針對(duì)反應(yīng)同步自勵(lì)磁進(jìn)行判別，且未考慮線路等值電阻的影響，鑒于此，本文提出了更為全面和實(shí)用的自勵(lì)磁工程判據(jù)。

設(shè)發(fā)電機(jī)外電路由工頻容抗XC和損耗電阻R串聯(lián)組成，其等值電路如圖2所示，圖中，X′d為發(fā)電機(jī)d軸瞬變電抗。

圖2 系統(tǒng)等值電路Fig.2 Equivalent circuit of system

對(duì)于反應(yīng)同步自勵(lì)磁，其邊界條件如式（2）所示，由式（2）可得自勵(lì)磁區(qū)域如圖 3（a）所示。

對(duì)于推斥同步自勵(lì)磁，其邊界條件如式（3）所示，由式（3）可得自勵(lì)磁區(qū)域如圖3（b）所示。

對(duì)于異步自勵(lì)磁，其邊界條件如式（4）所示。

對(duì)于每一個(gè)特定的轉(zhuǎn)差s，式（4）均為一個(gè)橢圓方程，長(zhǎng)軸平行于R軸，中心點(diǎn)在XC軸上。轉(zhuǎn)差從0到1連續(xù)取值的過(guò)程中，橢圓的中心點(diǎn)向下移至坐標(biāo)原點(diǎn)，長(zhǎng)軸單調(diào)減小至0，所有橢圓覆蓋的區(qū)域即為異步自勵(lì)磁區(qū)域，如圖3（c）所示。

圖3 同步電機(jī)的自勵(lì)磁區(qū)域Fig.3 Self-excitation area of synchronous machine

綜合式（2）—（4），可得自勵(lì)磁區(qū)域如圖 3（d）所示。

由圖3（d）可知，若發(fā)電機(jī)組參數(shù)和線路參數(shù)滿足式（5），則機(jī)組對(duì)線路充電時(shí)將不會(huì)發(fā)生任何形式的自勵(lì)磁。

2.2 自勵(lì)磁特性分析

廣東銅鼓C廠6號(hào)機(jī)組參數(shù)：發(fā)電機(jī)d軸同步電抗 Xd=2.614 p.u.，q 軸同步電抗 Xq=2.484 p.u.，d 軸瞬變電抗X′d=0.264 p.u.，電樞電阻Ra=8.22×10-4p.u.，主變電阻 RT=5.59×10-4p.u.，主變電抗 XT=0.163 p.u.。鼓峰丙線實(shí)測(cè)參數(shù)為：容抗XB=27.975 p.u.，線路電阻 RL=6.9×10-3p.u.，線路電抗 XL=0.089 p.u.。不計(jì)廠用電的情況下，機(jī)端等值阻抗Zin為：

式（6）中，XC＞Xd，由自勵(lì)磁判據(jù)式（5）可知發(fā)電機(jī)不存在自勵(lì)磁危險(xiǎn)。

若將充電線路按原型號(hào)參數(shù)進(jìn)行等比例延長(zhǎng)，外部等值容抗隨線路長(zhǎng)度變化如圖4所示，縱軸為標(biāo)幺值。

從圖4中可以看出：外部等值容抗隨線路增長(zhǎng)而下降，理論計(jì)算表明當(dāng)線路長(zhǎng)度為原長(zhǎng)度的5.03倍（362 km）時(shí)，機(jī)組將開始進(jìn)入自勵(lì)磁危險(xiǎn)區(qū)域，但鼓峰丙線實(shí)際長(zhǎng)度僅72 km，因此現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)機(jī)組不會(huì)發(fā)生自勵(lì)磁現(xiàn)象，且留有極大的裕度。

圖4 外部等值容抗與線路長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.4 Relationship between external equivalent capacitance and line length

當(dāng)計(jì)及廠用電時(shí)，其機(jī)端等效電阻更大，機(jī)端等效容抗也將更大，因此總體上更容易躲開自勵(lì)磁區(qū)域。

為了檢驗(yàn)6號(hào)機(jī)組是否會(huì)發(fā)生機(jī)組自勵(lì)磁，在空充線路試驗(yàn)之前，進(jìn)行了零起升壓試驗(yàn)。零起升壓試驗(yàn)中，各測(cè)量點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示，表中，UG為額定電壓。

表2 零起升壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of voltage boost test

試驗(yàn)結(jié)果顯示，各測(cè)量點(diǎn)電壓、電流、發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功均隨時(shí)間平穩(wěn)增加，始終處于安全運(yùn)行狀態(tài)。理論分析與試驗(yàn)結(jié)果表明，廣東銅鼓C廠6號(hào)機(jī)組黑啟動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生自勵(lì)磁現(xiàn)象。

3 空充線路過(guò)程中過(guò)電壓特性分析

3.1 FCB機(jī)組空充線路仿真模型

為了校核黑啟動(dòng)試驗(yàn)是否對(duì)電網(wǎng)、電廠產(chǎn)生沖擊，需要在試驗(yàn)前對(duì)本試驗(yàn)可能產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行校核，確認(rèn)所有可能沖擊均處于設(shè)備耐受范圍內(nèi)，才能進(jìn)行試驗(yàn)。本文在PSCAD/EMTDC軟件平臺(tái)上搭建大型FCB機(jī)組空充500 kV線路的仿真模型，如圖5所示，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了仿真研究。

圖5 模型結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Model structure

主要元件模型簡(jiǎn)介如下。

a.汽輪機(jī)模型。

試驗(yàn)涉及的銅鼓C廠6號(hào)機(jī)組是FCB機(jī)組，在與大電網(wǎng)脫開后可帶廠用電負(fù)荷孤島運(yùn)行。傳統(tǒng)的再熱凝汽式汽輪機(jī)經(jīng)典模型適用于穩(wěn)態(tài)或者小干擾情況下的汽輪機(jī)工況仿真，但不適用于脫網(wǎng)后孤島運(yùn)行這種劇烈變化的工況仿真，本文所采用的汽輪機(jī)模型如圖6所示，圖中，QIP表示中壓缸蒸汽流量。在傳統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，本文采用的汽輪機(jī)模型增加了調(diào)門快關(guān)系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)，可用于仿真上述試驗(yàn)過(guò)程［18］，且汽輪機(jī)參數(shù)均為實(shí)測(cè)參數(shù)。

圖6 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Turbine structure

b.勵(lì)磁系統(tǒng)模型。

銅鼓C廠6號(hào)機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為ABB公司的UNITROL 5000型，其勵(lì)磁系統(tǒng)模型采用FQ型勵(lì)磁模型①湯涌，卜廣全，印永華，等.中國(guó)版BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序用戶手冊(cè)（3.0版）.2004.。

c.線路模型。

黑啟動(dòng)過(guò)程中，給空載輸電線路充電的過(guò)程屬于分布參數(shù)電路的電磁暫態(tài)過(guò)程，即波過(guò)程。在仿真模型中，采用小損耗貝杰龍輸電線路模型仿真模擬該波過(guò)程。在線路首末兩端加裝避雷器，在斷路器兩端并聯(lián)均壓電容。

d.其他元件模型。

發(fā)電機(jī)采用六階模型；PSS采用IEEE PSS2A模型；廠用電采用恒功率等效模型；變壓器采用3個(gè)單相雙繞組變壓器。

充分計(jì)及線路分布參數(shù)、各部分電容電感、避雷器的影響，考慮勵(lì)磁系統(tǒng)詳細(xì)建模，并根據(jù)斷路器參數(shù)設(shè)定可能不同期合閘時(shí)間范圍，結(jié)合以最極限合閘相角的選取，可以充分評(píng)估黑啟動(dòng)過(guò)程所可能產(chǎn)生的最惡劣情況，并在確保模型校核結(jié)果準(zhǔn)確的前提下不導(dǎo)致仿真模型過(guò)于復(fù)雜。

3.2 空充線路試驗(yàn)過(guò)電壓特性分析

500 kV電壓等級(jí)操作過(guò)電壓的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)如表3所示［19-20］。

表3 500 kV電壓等級(jí)操作過(guò)電壓國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)Table 3 National standard of operating overvoltage of 500 kV power system

利用圖5所示模型對(duì)空充過(guò)程進(jìn)行數(shù)字仿真，仿真時(shí)長(zhǎng)為80 s，仿真步長(zhǎng)為100 μs，各測(cè)量點(diǎn)仿真試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際空充線路試驗(yàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。

表4 仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 4 Comparison between simulative results and measured data

空充線路過(guò)程中，主變高壓側(cè)電壓、機(jī)端電壓、廠用電6 kV母線電壓、勵(lì)磁電壓的試驗(yàn)波形與仿真波形對(duì)比分別如圖7—10所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可見：主變高壓側(cè)暫態(tài)過(guò)程持續(xù)約4個(gè)周期，發(fā)電機(jī)機(jī)端與6 kV側(cè)暫態(tài)過(guò)程持續(xù)約1.5個(gè)周期，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。暫態(tài)過(guò)程結(jié)束后，各側(cè)電壓進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，整個(gè)過(guò)程中各測(cè)量點(diǎn)的暫態(tài)電壓均在正常范圍內(nèi)。同時(shí)，實(shí)測(cè)波形與仿真波形進(jìn)行對(duì)比，曲線吻合良好，證實(shí)了仿真校核方法與模型的正確性。

圖7 主變高壓側(cè)電壓波形Fig.7 Waveforms of voltage at high-voltage side of main transformer

圖8 發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓波形Fig.8 Waveforms of generator terminal voltage

圖9 廠用電母線電壓波形Fig.9 Waveforms of auxiliary power bus voltage

圖10 勵(lì)磁電壓波形Fig.10 Waveforms of excitation voltage

4 結(jié)語(yǔ)

以大型火電機(jī)組作為黑啟動(dòng)電源有2個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)：機(jī)組容量大、機(jī)組安裝位置可以根據(jù)需要進(jìn)行配置，這可以大幅加快系統(tǒng)的黑啟動(dòng)過(guò)程。廣東電網(wǎng)以一臺(tái)1000 MW的火電FCB機(jī)組為黑啟動(dòng)機(jī)組，對(duì)一條500 kV線路進(jìn)行了空載充電，結(jié)果表明FCB機(jī)組可以作為黑啟動(dòng)機(jī)組。本文詳細(xì)介紹了試驗(yàn)過(guò)程，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的自勵(lì)磁和過(guò)電壓等問(wèn)題進(jìn)行了理論分析和數(shù)字仿真，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果證明了理論分析與數(shù)字仿真結(jié)果的正確性。