王琳

摘 要 微電網(wǎng)在脫離大電網(wǎng)孤立運行時，可能會引起故障造成停運，在這種情況下微電網(wǎng)黑啟動是指不依靠其他網(wǎng)絡(luò)的幫助，通過微電網(wǎng)內(nèi)部具有黑啟動能力的微電源帶動不具有黑啟動能力的微電源，實現(xiàn)微電網(wǎng)重新啟動恢復(fù)供電的過程。在微電網(wǎng)的黑啟動過程中，仍然存在著一些大電網(wǎng)黑啟動中的常見問題，如過電壓、發(fā)電機的自勵磁等，本文將對微電網(wǎng)黑啟動狀態(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

中圖分類號：TM4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）05-0007-03

1 前言

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

當孤立運行的微電網(wǎng)發(fā)生故障并引起癱瘓使系統(tǒng)不能正常運行時，若能夠高效安全地使系統(tǒng)恢復(fù)供電，對保證系統(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。黑啟動是解決這一問題的關(guān)鍵，尤其在黑啟動初期對系統(tǒng)能否自啟動成功具有非常重要的意義[2]。下面對微電網(wǎng)中黑啟動的技術(shù)難點進行分析，介紹了產(chǎn)生過電壓、自勵磁現(xiàn)象的原因，以及其對黑啟動恢復(fù)速度的造成的影響，為黑啟動技術(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

在實際運行中，微電網(wǎng)不可避免的會受到如雷電、開關(guān)操作等因素的影響，使得微電網(wǎng)系統(tǒng)中的運行電壓的值可能會高出額定電壓，系統(tǒng)中出現(xiàn)的這種情況是電磁擾動引起的。一般在黑啟動時，一些柴油發(fā)電機、燃氣輪機等會成為黑啟動的啟動機組，那些受不穩(wěn)定因素影響的光伏源、風能源等一般作為被啟動的機組[3]。通常情況下，當啟動機組與被啟動機組距離較遠且線路較長時，就會產(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)操作或者繼電保護元件故障時做出跳閘動作的情況下產(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)黑啟動狀態(tài)下的過電壓問題是一個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)黑啟動時保證系統(tǒng)中每個用電設(shè)備的正常運行，使得系統(tǒng)能夠成功的恢復(fù)到正常運行狀態(tài)，下面分別對上述幾種情況進行分析。

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)黑啟動的過程中對空載或輕載的線路空充時，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，它存在時間的長短影響著系統(tǒng)中對過電壓裝置的保護和絕緣設(shè)計的要求。

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，當系統(tǒng)中電源供電時，系統(tǒng)中會產(chǎn)生容性電流，這個電流會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。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、電路保護措施和設(shè)備能否正常運行等。因此，我們需要高度關(guān)注工頻過電壓對系統(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)使得線路中各個節(jié)點的電壓和比電源電勢高，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線路參數(shù)的影響。我國的有關(guān)標準規(guī)定在超高壓線路中，工頻過電壓的值不允許超過其對應(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，但是在進入到黑啟動狀態(tài)的過程中，為了防止工頻過電壓對系統(tǒng)造成影響，應(yīng)按照以上計算結(jié)果對線路參數(shù)進行合理的配置，以確保黑啟動的順利完成。

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，多在黑啟動狀態(tài)時開關(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：空載合閘時容易產(chǎn)生過電壓;切除空載線路時也極易產(chǎn)生過電壓。

在微電網(wǎng)的黑啟動過程中，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，計劃性較強。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，此過程中會產(chǎn)生合閘過電壓。合閘過電壓持續(xù)時間不長，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，會使斷路器發(fā)生動作對微電網(wǎng)系統(tǒng)進行保護，不能夠成功合閘。如果此電壓沖擊過大，則會導(dǎo)致系統(tǒng)中設(shè)備損壞，甚至設(shè)備絕緣有可能被擊穿。在空載合閘時受影響最嚴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)生一個高頻震蕩回路，因此產(chǎn)生過電壓。所以，在微電網(wǎng)黑啟動過程中，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)黑啟動過程中過電壓對黑啟動產(chǎn)生影響導(dǎo)致啟動失敗，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 自勵磁

當微電網(wǎng)系統(tǒng)中有容性負荷且達到一定值時，產(chǎn)生助磁并引起微電網(wǎng)中發(fā)電機電壓的升高，而發(fā)電機電壓的升高又會增大容性負荷的助磁，如此關(guān)系類似正反饋，發(fā)電機電壓會越來越大。作為黑啟動微電源的發(fā)電機，例如本文中的柴油發(fā)電機，會與空載長線路連接，線路中的對地電容相當于容性負荷，如果此負荷大到一定值時，必然會引起發(fā)電機電壓的升高。發(fā)電機自勵磁的特點如下：

（1）不需要單獨加電源為共振提供能量，由發(fā)電機提供即可。在自勵磁發(fā)生的開始階段，如果共振回路中有剩余的能量，例如發(fā)電機的轉(zhuǎn)子切割磁感線的過程中會產(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，都可以使自勵磁共振持續(xù)進行。

（2）在實際微電網(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)生變化時都會引起較大的能量，這部分能量可以抵消補償電阻中的能量損耗，并隨著共振的過程積累的越來越多，造成更嚴重的自勵磁現(xiàn)象。

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

微電網(wǎng)黑啟動過程中遇到長距離輸電時，電容效應(yīng)容易引起自勵磁現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致微電網(wǎng)系統(tǒng)中部分節(jié)點電壓過高，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)黑啟動方案時，為了避免自勵磁現(xiàn)象的發(fā)生，需要研究自勵磁發(fā)生的條件。

根據(jù)同步發(fā)電機的特性可知，自勵磁發(fā)生的條件是輸電線路的特性曲線和發(fā)電機的充電特性曲線存在交點。當兩曲線相切時只有一個交點，此時XC=Xd，是自勵磁發(fā)生的臨界條件。當XC>Xd時，輸電線路的特性曲線和發(fā)電機的充電特性曲線沒有交點，此時不能夠發(fā)生自勵磁;當XC

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，發(fā)電機是經(jīng)過變壓器與空載線路相連的，產(chǎn)生自勵磁的條件應(yīng)當改為XC<（Xd+XT），其中XT為變壓器的漏抗。在實際使用過程中，由于發(fā)電機、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，即自勵磁發(fā)生的條件可以改為XC<1.2（Xd+XT）。

根據(jù)自勵磁的發(fā)生條件判據(jù)可知，自勵磁是否發(fā)生以及自勵磁產(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，自勵磁的端電壓越大，因此可以據(jù)此分析出自勵磁的影響因素：

（1）發(fā)電機電抗值過大引起自勵磁;

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

（3）運行頻率升高引起自勵磁現(xiàn)象。

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

（1）使用并聯(lián)電抗器增大發(fā)電機電抗值;

（2）采用多臺發(fā)電機帶動一條大容量的輸電線路;

（3）降低運行頻率。

4 微源的黑啟動速度

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

變壓器的電壓與啟動時間的關(guān)系如下：

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

5 總結(jié)

微電網(wǎng)黑啟動主要是針對系統(tǒng)發(fā)生故障進入全黑狀態(tài)時，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)黑啟動中的常見問題。微電網(wǎng)系統(tǒng)一般是利用傳感器對微電網(wǎng)母線電壓進行檢測，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，當檢測到的電壓值小于此設(shè)定值時，認為微電網(wǎng)處于斷電狀態(tài)，立即發(fā)送指令給控制中心，采用黑啟動程序自行恢復(fù)供電。

與微電網(wǎng)的正常運行狀態(tài)供電不同，微電網(wǎng)黑啟動是一個由低壓電向高壓電的逆向過程，對于過電壓、自勵磁、黑啟動恢復(fù)時間等問題是黑啟動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問題的產(chǎn)生、判據(jù)、所能造成的危害以及相對應(yīng)的防范措施，為黑啟動第一階段的順利進行提供了理論支持和技術(shù)保障。

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