华北电力科学研究院有限责任公司(北京100045)郭嘉阳等*
文章介绍了“黑启动”研究的主要内容，集中介绍了“黑启动”试验五个阶段，每个阶段对系统状态的影响。试验表明：①十三陵蓄能电厂4号机在低负荷下运行稳定,并具有较强的进相能力，能作为华北网“黑启动”启动电源；②在低负荷下，十三陵蓄能电厂水电机组和京能热电股份有限公司石景山热电厂火电机组并列运行时，两机组协调较好,均能维持电压、频率稳定，未出现小系统振荡现象；③全过程未发生异常过电压现象,实测数据与计算结果基本相符；④试验顺利进行，达到预期目标。关键词：华北电网“黑启动”试验研究
1国内外研究“黑启动”问题综述近年来世界范围内发生的几起大停电事故提醒我们，作为电力系统安全运行的重要措施之一，研究电力系统事故后的恢复问题即“黑启动”具有重大的理论实际意义。系统全部停电后，使其恢复供电是一件十分复杂而又耗费时间的事情。运行经验告诉我们，如果有充分而合理的事故恢复方案，帮助调度及生产运行人员采取适当的措施，就可以大大减少停电时间；反之，可能延长停电时间，甚至进一步造成设备损坏等严重后果。例如，1982年加拿大电力系统735kV电网事故后恢复过程中，由于空充长线而导致末端过电压倍数太高，超过设备的绝缘水平，造成变压器和避雷器损坏。而在意大利，电网停电后，根据系统恢复预案，将系统划分为几个子系统分别进行恢复，在满足一定条件后，将各个子系统进行并网，在30min内将系统完全恢复。“黑启动”问题的研究在我国处于起步阶段，华东电力局以即将投产的天荒坪抽水蓄能电站为起动电源，对系统恢复方案进行了计算分析。迄今为止，国内尚未有在实际电网进行“黑启动”试验的实例，而2000年5月5日华北电网利用十三陵蓄能电厂水电机组进行的“黑启动”试验在我国是首例成功的试验。
2利用十三陵蓄能电厂机组进行“黑启动”试验的研究2.1“黑启动”问题的研究内容1998年在华北电网中期发展规划的计算分析报告中，提出随着华北电网规模的不断扩大，负荷量和发电容量逐渐增大，存在着系统发生严重事故后全网失去稳定的可能性，引起了集团公司领导的重视。为了保证首都电网安全可靠供电，除了对运行方式、继电保护及安全稳定控制装置进行专门研究外，还应研究在最严重的情况(即由于发生灾难性事故而导致首都电网全停的情况)下如何快速恢复首都电网供电的措施。这个措施应该包括几套“黑启动”调度预案。进行“黑启动”，首先应保证有可靠的起动电源，水电机组如抽水蓄能机组作为起动电源最为方便，与火电机组相比较，水电机组的起动过程较快。十三陵蓄能电厂是华北电网第一调频、调峰厂，承担华北电网的紧急事故备用任务，其上池水位560m，蓄水量可供4台200MW机组连续满发电运行5h，机组性能先进，开机过程全部由计算机完成，机组“黑启动”时间为2min左右。因此，从机组起动速度、调节系统特性及可持续供电时间来看，十三陵蓄能电厂是比较理想的“黑启动”电源。有了起动电源后，应根据系统的结构特点，确定“黑启动”路径，即将系统划分为几个子系统，独立地进行恢复，然后在某一阶段通过调度联系，进行子系统并列，以加速系统的恢复过程。选择子系统应遵循以下原则：(1)起动路径尽量短；(2)尽量减少不同电压等级的变换；(3)尽量先起动大容量的机组；(4)尽量先起动离重要负荷近的机组。京能热电股份有限公司石景山热电厂(下称石热)有4台200MW火电机组，其单机容量在北京电网是最大的，在事故后恢复供电过程中，系统比较薄弱，抵御负荷冲击的能力弱,先起动大容量的机组有利于提高系统稳定性，能够给尽可能多的负荷供电，加快系统恢复过程。另外，石热位于北京西郊，处于北京重要负荷集中的地区。因此，选择石热作为“黑启动”的电源，具有实际意义。从北京电网的结构看，十三陵蓄能电厂—昌平站—清河站—石热是一条比较理想的“黑启动”路径。该路径所经变电站及线路均为220kV电压等级，无不同电压等级的变换，距离为91km。在确定“黑启动”试验子系统后，应研究“黑启动”过程中可能遇到的问题，并制定相应的对策。“黑启动”问题实际上是十三陵蓄能电厂水电机组经长距离高压线路对石热母线先进行空充，再对石热电厂起动备用变压器进行空充，然后逐步带上石热火电机组的厂用负荷，起动火电机组，最后十三陵蓄能电厂水电机组与石热火电机组并网。为了尽量缩短“黑启动”时间，整个起动路径通过中间变电站倒闸成为一条长线，十三陵蓄能电厂机组起动后，直接充电至石热母线，成为典型的单机带空载长线结构。在上述“黑启动”过程中，可能产生如下问题：(1)空充长线过程中，十三陵蓄能电厂水电机组是否会发生自励磁；(2)空充长线过程中，线路末端暂态过电压和工频过电压倍数是否在允许范围以内；
(3)在空充变压器过程中，是否会发生铁磁谐振；(4)在十三陵蓄能电厂水电机组逐步供电给石热火电机组厂用负荷过程中，十三陵蓄能电厂水电机组的进相运行能力及其调速系统和励磁调节系统的特性能否保证水电机组在小负荷状态下稳定运行，子系统的电压、频率是否在合理范围以内。(5)十三陵水电机组与石热火电机组并网后，由于水电、火电机组的调速系统和励磁调节系统特性相差比较大，水电机组调节速度快，火电机组调节速度慢，是否会引起子系统内发生低频振荡，造成机组有功功率摆动，甚至不能稳定运行。上述可能产生的问题必须先从理论上进行计算分析。2.2过电压及自励磁问题的离线计算2.2.1发电机的自励磁机组的自励磁是一种谐振现象。当输电线的长度增加时，线路的容抗Xc变小，如果Xc＜Xd时，即使发电机的励磁电流为零，由剩磁激发的发电机的端电压也会逐渐增大而稳定在某一定值，所建立电压的大小与线路长度和发电机参数有关。当发电机参数一定时，线路越长，电压越高，甚至会达到非常大的数值，危及系统的正常运行和设备的安全。发电机是否发生自励磁用以下两种方法判断：［方法一］发电机经升压变带空载线路，需将变压器的漏抗XT考虑进去，即Xc＞1.2(Xd＋XT)时，不产生自励磁。［方法二］KSe＞Qc为不产生自励磁的条件(式中：Se为发电机容量；Qc为线路充电容量；K为发电机的短路比)。对十三陵蓄能电厂至石热子系统的发电机自励磁离线计算结果如下：
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