２０１２年Ｏ８月 吉 林 电 力 Ａｕｇ．２０１２ 第４Ｏ卷 第４期（总第２２１期） Ｊｉｌｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．４（Ｓｅｒ．Ｎｏ．２２１） 水电机组带长线路黑启动仿真分析 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｔｓ Ｂｌａｃｋ Ｓｔａｒｔ ｗｉｔｈ Ｌｏｎｇ Ｌｉｎｅｓ 傅吉悦 ，徐印东 ，孙 勇 ，王绍然 ，李振元 ，姜 成 （１．吉林省电力有限公司，长春 １３００２１；２．长春工业大学，长春 １３００１２） 摘 要：黑启动过程中避免发电机组的自励磁和过电压问题是决定启动方案成功的关键因素之一。通过研究黑启 动过程中产生自励磁的原理和判定方法，提出一种简单有效的自励磁判别方法，以延边电网为例，对两江电站３号 机组空充２２０ ｋＶ江敦线能否产生自励磁进行了计算分析；在此基础上建立了两江电站的黑启动仿真模型，并利用 Ｍａｔｌａｂ软件对黑启动的暂态过程进行仿真，详细地模拟了黑启动的动态过程。 关键词：黑启动；自励磁；过电压；仿真分析 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ａｖｏｉｄ ｓｅｌｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｖｅｒ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｄｕｒｉｎｇ ｂｌａｃｋ ｓｔａｒｔ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ａ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ｓｔａｒｔ ｕｐ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｓｅｌｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｊｕｄｇｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，ａ ｓｉｍｐｌｅ ｓｅｌｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｊｕｄｇｉｎｇ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｄａｐｔｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｓ ｉｆ ｔｈｅ ｓｅｌｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ Ｌｉａｎｇｊｉａｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ａｉｒ ２２０ｋＶ Ｊｉａｎｇｄｕｎ ｌｉｎｅ．Ａ ｂｌａｃｋ ｓｔａｒｔｌ、ｕｐ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｂｌａｃｋ ｓｔａｒｔ ｕｐ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ Ｍａｔ ｌａｂ．Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｂｌａｃｋ ｓｔａｒｔ ｕｐ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． ● Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｌａｃｋ ｓｔａｒｔ；ｓｅｌｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ；ｏｖｅｒ ｖｏｌｔａｇｅ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ 中图分类号：ＴＭ３ｌ２；ＴＭ７７３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９—５３０６（２０１２）０４—０００５—０３ 随着电力系统规模的不断扩大，系统运行面临 构特点和迅速恢复系统的角度考虑，延边电网的每 的稳定破坏因素也越来越复杂。由于局部自然灾害 个地区应尽可能找到一个具备黑启动能力的发电机 引发的局部系统故障，严重威胁电网的运行安全，很 组。然而，从延边电网的实际情况看，仅西部的两江 可能造成大范围停电事故。成功实施黑启动则能够 电站水电机组容量较大，经２２０ ｋＶ江敦线与敦化一 迅速恢复电网运行，减少由于停电所带来的巨大损 次变联结，具备黑启动地区主网的能力。 失＿ｌ１。］。黑启动是通过系统中具有启动能力的机组或 外来电源，带动无启动能力的机组，快速地逐步扩大 １ 自励磁物理过程及判据 系统的恢复范围。 在路径恢复过程中，经常会出现长距离输电线 １．１ 自励磁物理过程 路联系的情况，若此时启动电源容量过小，就很可能 同步电机的自励磁实质是定子电感与外电路容 发生白励磁现象。因此，校验黑启动过程中发电机是 抗参数发生的谐振现象。当发电机与长空载线路相 否发生自励磁现象是保证系统恢复供电的关键性问 连，相当于带有容性负荷，如发电机有剩磁，则机端 题，尤其对于水电容量比例较大的吉林省，对黑启动 会产生微小电压。此电压加在容性负荷上，系统将产 过程中自励磁问题的研究具有重要的现实意义。 生容性电流，该容性电流会对发电机产生助磁效应。 以延边电网为例。延边电网位于吉林电网东部， 随着励磁电流的增大，助磁效应随之增强，机端电压 一次网架薄弱，网内直调主力火电厂２座、水电站１ 会进一步会升高。系统中容性电流也将增大，助磁效 座，且网内小水电较多。延边电网经５００ ｋＶ林平 应加强，机端电压继续升高。这样的正反馈效应使机 线、平包线、２２０ ｋＶ松蛟（江敦）线与主网相连。电网 端电压不断升高，理论上可无限增大，从而破坏了系 黑启动成功的关键是黑启动电源，从延边电网的结 统稳定性。但随着电流的增大，电感线圈逐渐达到磁 收稿日期：２０１２—０５—１２ 作者简介：傅吉悦（１９８０一），男，硕士，工程师，从事电网调度运行管理工作。 ・５・ ２０１２年０８月 Ａｕｇ．２０１２ 第４０卷 第４期（总第２２１期） 饱和状态，电感Ｌ迅速变小，使回路自动偏离共振 条件，从而限制了共振过电压和过电流的幅值，使机 端电压不会无限增大。自励磁由系统参数决定，并与 运行电压有关。当同步电机发生自励磁时，定子电流 Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．４（Ｓｅｒ．Ｎｏ．２２１） 工程实用判据虽然较为粗略，但能满足黑启动 中对发电机自励磁判断的要求，且所需参数少，容易 获得，适合作为黑启动中的发电机自励磁判据。 的振荡频率决定于定子回路中的电感和电容，当定 子自励磁电流的频率为额定频率时，称为同步自励 磁。否则称为异步自励磁。 １．２ 自励磁判据 ２延边电网黑启动路径选择 以延边电网为例，网内火电大发时，若５００ ｋＶ 平包线故障跳闸，２２０ ｋＶ蛟敦（松蛟）线过载；若同 塔并架２２０ ｋＶ敦西甲、乙线同时故障跳闸，平延线 严重过载，地区电网内的主力火电机组将失稳，将有 可能造成大面积停电事故。 在延边电网系统瓦解全部停电的情况下，结合 延边电网的结构特点和网内部分发电机组所具有的 黑启动功能和能力来考虑和确定延边电网的黑启动 方案。延边电网的黑启动要按照从高电压（２２０ ｋＶ 自励磁分析属于小干扰稳定范畴，国内目前对 其产生的判别方法主要是理论分析上的状态空间法 和工程上利用罗斯判据得出的经验公式。对于详细 的同步电机数学模型，一般令发电机ｄ轴有ｄ、Ｆ、 Ｄ３个绕组，ｑ轴有ｑ、Ｑ、Ｈ３个绕组，状态空间法是 近年来发展起来的一种新方法Ｌ４ ］，该方法运用单机 无穷大系统模型选择相应绕组的电流ｉ 、ｉ 、ｉ 、ｉ。、 ｉ ｉＱ和电压“ Ｕｑ２为状态变量，其中“ Ｕｑ２为外电 路串联电容两端的电压，通过简化变形可得到状态 空间方程，简写为Ａ ＝ＢＸ，则自励磁状态方程表示 为Ｘ—ＣＸ，其中Ｃ—Ｂ／Ａ。 系统）到低电压顺序恢复主干网架和恢复主要发电 厂联络线的原则恢复或重构系统。 由延边电网内的水电站通过黑启动来提供启动 电源，给电网内更大容量的火力发电厂提供厂用电 系统能否发生自励磁通过系数矩阵Ｃ的特征 值即可判断，通过特征根的分布情况判断自励磁区。 判断自励磁的产生，即当系统全部特征根的实部为 来启动火力发电机组是延边电网全黑停电时黑启动 恢复或重建系统客观而现实的选择。 结合延边电网的结构特点，在延边电网全黑黑 启动时，由两江电站３号机组作为黑启动电源，因 此，试验系统包括两江电站、敦化变，采用工程实用 负时，系统将不发生自励磁；当系统全部特征根中出 现正实根时，系统将产生同步自励磁，此时系统中各 变量将单调增加；当系统特征根中出现实部为正的 的自励磁判据对两江电站零起升压过程进行分析， 系统接线见图１。 共轭复根时，变量ｉ 和ｉ 将会以增幅振荡的方式失 去稳定，此时ｉ 和ｉ 正负交变，即异步自励磁。 为简化计算，在工程上通过罗斯判据得到下面 公式作为黑启动过程中研究自励磁问题的近似 判据。 发电机经升压变带空载线路，计及变压器漏抗， ３ 机 ２ 工 批嵛 厂 ２２ｑ ２２０ ｋｖ江敦线 ２ 机 —Ｉ 机 （１０２．７８ ｋｍ） 则满足式（１）时，将产生自励磁。 Ｘ ＋ＸＴ＜Ｘ ＜Ｘｄ＋ＸＴ （１） 一 敦化 式中： 为线路容抗，Ｘ 为发电机直轴同步电抗， 为发电机交轴同步电抗，Ｘｔ为变压器漏抗。 由于水轮机为凸极机，而一般凸极同步发电机 两江电站 ６６ ｋＶ ｘ 与Ｘｕ差别较大，大多发生同步自励磁现象，因此 ＜（ ＋Ｘ ）时产生的异步自励磁情况不作考虑。 图１ 系统接线示意图 为了可靠地脱离自励磁区域，应留有适量裕度。因 此，黑启动小系统自励磁判据见式（２）、式（３）。 Ｘ ＞１．２（Ｘｄ＋ＸＴ） （２） ３ 黑启动过程中的自励磁与过电压仿真 计算 ３．１ 自励磁仿真计算 试验过程中须考察在空充长线过程中，两江电 Ｋ５ ＞Ｑ （３） 式中： 为发电机容量；Ｑ 为线路充电容量；Ｋ为发 电机的短路比。 ・６’ ２０１２年０８月 第４０卷 第４期（总第２２１期） 站机组防止自励磁的能力；线路末端瞬时过电压和 工频过电压倍数是否在允许范围以内。试验过程为 两江电站３号机组（２０ Ｍｗ）带空载长线路（２２０ ｋＶ 江敦线１０２．７８ ｋｍ）进行零起升压，系统参数（以 １ＯＯ ＭＶＡ为基准）：２号主变电阻Ｒ 一Ｒ。一 ０．００６ ４；正、零序电抗Ｘｌ—Ｘ。一０．１８０ ７； 变比７ 一１．１；空载电流为３Ｏ．４％；空载损耗为 ２８．７１ ｋＷ；短路损耗为１１４．６ ｋＷ。２２０ ｋＶ江敦线 Ｒ１—０．０１７ ２；电抗Ｘｌ一０．０９０ ２；电纳Ｂ１／２— ０．０７０ ０；零序电阻尺（ 一０．０００ ０；Ｘ０—０．２９０ ０： Ｂ。／２—０．０４７ ６。 采用前述黑启动中的发电机自励磁判据，对两 江电站３号机组带２２０ ｋＶ江敦线零起升压的自励 磁问题进行了计算。从表１计算结果可以判定，延边 电网由两江电站３号机组带２２０ ｋＶ江敦线零起升 压过程中发电机组不会产生自励磁。 表１ ３号机组带江敦线零起升压自励磁计算结果 根据系统模型及参数，对两江电站３号机组空 充江敦线进行仿真计算，空充江敦线时，发电机励磁 电流波形如图２所示，定子电流波形如图３所示（图 中电流均为标幺值）。仿真结果表明：在零起升压过 程中，不会发生发电机自励磁现象。 蓬 图Ｚ空充时３号机组励磁电流 ３．２过电压仿真计算 对两江电站３号机组空充江敦线过程中的过电 压进行仿真，仿真结果为极限瞬时操作过电压数值 小于２２０ ｋＶ额定值的３倍，满足《交流电气装置过 电压保护和绝缘配合》的有关规定，操作过电压在容 许范围之内，不会对系统绝缘有所威胁。由仿真计算 Ａｕｇ．２０１２ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．４（Ｓｅｒ．Ｎｏ．２２１） ０．０ｌ０ ０．０ｏ５ 喜 ｏ 一０．００５ －０．０１０ —０．Ｏｌ５ ｌ 图３空充时３号机组自励磁定子电流 结果可见，空充江敦线时，Ｕ、Ｖ、ｗ三相过电压最大 值分别达到３１０ ｋＶ、３３５ ｋＶ和２３７ ｋＶ。 ４ 结论 黑启动过程中，选择简单有效的自励磁判据，可 以快速、直观地对自励磁问题进行校验，为快速制定 黑启动方案，合理选择黑启动路径提供了科学、有效 的理论依据。利用Ｍａｔｔａｂ软件对黑启动的暂态过程 进行仿真，有效模拟黑启动的动态过程，为运行人员 提供了直观地理解，为发电机保护的整定和辅助装 置的参数校正提供了有效的工具。 参考文献 １］ 梁海平，陈国荣，王丽莎．电网黑启动中发电机自励磁 仿真研究口］．河北电力技术，２０１０，２９（５）：１０—１５． Ｌ２］ 韩 俊，徐 政．基乇状态空间分析法的多机系统次同 步谐振和自励磁研究［Ｊ］．电网技术，２０１１，３５（６）：８７— ９３． ［３］Ｓｉｎｇｈ Ｇ Ｋ．Ｓｅｌｆ—ｅｘｃｉｔｅｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ： ａ ｓｕｒｖｅｙ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２００４ （６９）：１Ｏ７—１１４． ［１］崔文进，陆超，夏祖华．与长线相联的发电机自励磁 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