电力系统黑启动试验方法研究

陈晓斌于泳朱春山

摘要：电力系统发生大停电事故甚至全停后，如何快速可靠地进行黑启动恢复，对于满足用户的供电需求、减少停电损失具有重要意义。概述了国内外黑启动的研究历程，归纳了黑启动过程的三个不同阶段，总结了黑启动过程中可能出现的问题，最后结合电力系统的最新发展趋势分析了黑启动有待深入研究的问题。

关键词：电力系统；黑启动；试验方法

1概述

所谓黑启动（Black-start），是指整个电力系统因故障停运后，在无法依靠其它电网送电恢复的条件下，通过启动系统中具有自启动能力的机组，带动没有自启动能力的机组，逐步扩大系统的恢复范围，最终实现整个系统的恢复。现代电力系统，由于电网规模较大，一旦出现故障，影响面也很大，容易由局部故障而影响全局，乃至发生恶性连锁反映，造成灾难性的严重后果，这方面国内外都有过惨痛的教训，如2003年美加8.14大停电事故就是典型的事例。电网发生电网瓦解或大面积停电事故，将给国民经济及电力系统本身都带来了空前的损失。如果一个电网事前未进行全网的黑启动方案研究，无任何黑启动措施，一旦发生了大面积停电或电网全网停电后，电网的复杂性和庞大性也使电网的恢复过程变得空前的复杂，运行人员往往束手无策，恢复供电复杂而费时，电网恢复非常缓慢，用户停电时间延长，停电的损失和影响扩大，将给国民经济和人民生活带来极大的损失，甚至影响社会安定。若事先采取相应措施，制定适当的启动程序，可尽快恢复系统运行并大大减少停电时间。因此，镜泊湖发电厂作为黑龙江省东部电网的黑启动源头参加了黑龙江省东部电网黑启动试验。水电机组作为启动电源最为方便，启动过程较快，从机组启动速度、调节系统特性及可持续供电时间来看，是比较理想的黑启动电源。

2黑启动的主要研究内容

根据恢复不同时期电力系统的特点，可以把黑启动过程分为三个阶段，即黑启动阶段、网架重构阶段及负荷恢复阶段。

2.1黑启动阶段

在黑启动阶段，黑启动电源向跳闸的具有临界时间限制的机组提供电源，使其恢复发电能力，重新并入电网，并形成独立的子系统。黑启动阶段的关键在于如何选取黑启动电源、合理划分子系统。

2.1.1黑启动电源的确定。黑启动电源主要包括三种类型。第一类黑启动电源是指本身具有自启动能力的机组，第二类黑启动电源为事故后残存的机组或孤岛，第三类黑启动电源为相邻系统的支援。一般选择第一类电源为黑启动电源，通常为水电机组或燃气机组。现阶段，随着分布式电源的不断接入，在电网发生大停电甚至全黑状态时，某些分布式电源由于其微网运行特性也可作为黑启动电源，对电网进行供电恢复。

2.1.2子系统划分。黑启动阶段，子系统的划分可看作将系统内的电厂、变电站及负荷划分为若干不同的分组，且每个分组中至少包含一个黑启动电源。在各个子系统内，利用黑启动电源向其他电源供电，并进行子系统重构。在进行子系统划分时，需要考虑以下原则：子系统划分应尽量避免电网结构的大幅变化；各子系统内必须包含具备自启动能力的机组；各子系统应具有足够的发电能力，满足恢复过程中电压、频率和负荷恢复的要求；各子系统内必须包含足够的负荷，保持恢复过程中的功率平衡；避免长距离大功率输电；系统间电气联系少；具备并网条件。

2.2网架重构阶段

网架重构阶段需要充分利用黑启动阶段已经恢复的发电容量，通过依次启动重要机组及投入主要输电线路逐步建立稳定的网络架构，为负荷的全面恢复奠定基础。针对不同的恢复目标，网架重构可分为面向机组恢复的网架重构和面向负荷恢复的网架重构。面向机组恢复的网架重构，其主要目标是恢复未启动机组的供电；面向负荷恢复的网架重构，其主要目标是尽快恢复重要负荷的供电。网架重构实质上就是求解最优送电路径，不论是给未启动机组供电，还是给负荷供电。网架重构要求寻找网络中恢复供电节点到目标节点的最短供电路径，以便加速系统网架重构进程，缩短供电恢复时间。

2.3负荷恢复阶段

负荷恢复阶段要求全面快速地恢复负荷，逐步合并各子系统。其主要目标是尽快地恢复最多的负荷。约束条件主要包括电压、线路、变压器的热稳定以及系统频率。负荷的增加一般是离散的，希望在网络结构不变的情况下系统能恢复最多的负荷，并满足所有的约束。

3黑启动注意事项

3.1发电机自励磁

自励磁是指无励磁发电机带过大容性负荷状态下可能发生的一种现象。在电力系统进行黑启动时，由于系统内水电厂与火电厂分布距离通常较远，作为黑启动电源的水电机组需要通过较长空载线路对火电厂进行供电恢复。一旦线路合闸，会产生显著的电容效应，进而引发自励磁。为避免启动过程中自励磁现象的发生，在制订黑启动方案时需进行自励磁校验。黑启动过程中，一般通过增加系统无功负荷消除自励磁。

3.2过电压

黑启动过程中，通常选择水电机组作为启动机组，而被启动机组一般为火电机组，通常需要经过高电压、长距离的输电线路进行供电恢复，从而过电压情况比较严重。电压过高则会导致发电机欠励，甚至自励和不稳定，因而在黑启动过程中必须考虑过电压问题。黑启动过程中开关操作较为频繁，可能产生操作过电压，因而在判断黑启动方案的可行性时必须校验可能产生的操作过电压，看其是否在系统电压的允许范围内。正常运行状态下，三相不同期合闸产生的冲击电压最为严重，因而过电压评估一般考虑电源电压幅值最大且三相不同期合闸的情况。若这种情况下能够满足系统要求，采用该方案必然可以保证系统的稳定性。

3.3低频振荡

随着电网的不断互联，规模不断扩大，系统间电气距离愈来愈远，阻尼性能较差，易导致低频振荡的发生。黑启动恢复初期系统相对薄弱，且多为超高压远距离送电，易发生低频振荡。为保证系统频率的稳定，需要合理调整潮流分布或选择性加入PSS。

3.4系统稳定性

采取黑启动方案对大停电系统进行供电恢复后，系统结构比较脆弱，安全性和稳定性差，受到扰动时就可能发生失稳。在黑启动过程中，为避免系统受到扰动而失稳，电网再次解列，黑启动失败，因而有必要对系统的暂态稳定性进行评估。在黑启动方案稳定性评估中，参照《电力系统稳定导则》的要求，一般按单相短路接地的单一故障来考察方案重建小系统的稳定性。

3.5合环并网

黑启动过程中，各子系统成功恢复后需解决子系统的同步并网问题。在并网合环操作时会产生一定的合环电流，影响电网运行的安全性和稳定性，而合环电流过大甚至导致系统失稳、电网解列、黑启动失败。为保证黑启动的顺利进行，应对电网合环并网过程进行计算校核。根据我国电力调度规程规定，在合环并网时，分区运行的电网应满足相位要求、电压差在20%以内等条件。一般按照合环并网瞬间合环点两侧的电压和相角来计算合环冲击电流，并判断此时黑启动过程中各系统是否稳定。

4结语

总之，作为发电厂的运行管理操作人员，还应考虑到事故真正发生时可能遇到的紧急意外情况，如直流系统运行不可靠、事故照明异常、现场通讯中断等等不可预期的情况，只有平时做好充分的事故预想，才能在可能的黑启动过程中做到万无一失，确保电网安全快速的恢复，将国民经济和人民财产的损失降到最低。

参考文献

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