大型火电FCB机组空充500 kV线路试验研究

张文峰 ，苏 宇 ，王 宁 ，曾凯文 ，廖诗武 ，黎嘉明 ，龙 霏 ，文劲宇

（1.广东电网有限责任公司，广东 广州 510600；2.华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074）

0 引言

近年来国内外电力系统大停电事故频发，给社会生活和生产带来巨大的经济损失和恶劣的社会影响［1-3］，研究制定科学、合理、快速的黑启动方案，开展电网黑启动试验，具有非常显著的社会效益和安全意义。

自20世纪80年代以来，国内外学者对黑启动问题进行了大量的研究［4-5］，开展了一系列黑启动试验［6-10］，这些试验有2个特点：都以小型火电、燃气机组或大型水电机组为黑启动电源，小型火电或燃气机组容量小，大型水电机组往往距离负荷中心较远，这都将导致整个启动过程时间较长，不利于负荷的快速恢复，抽水蓄能机组是一种理想的黑启动电源，但抽水蓄能电站受地理条件限制，难以完全按照整个电网的黑启动需要进行布点；当系统电压等级较高、传输线路较长以及充电变压器容量较大时，容易因为自励磁、过电压等问题导致线路空充失败。

当电网发生严重故障导致大型火电机组与系统解列时，如果火电机组具备不停机不停炉的能力，即发电机组可以仅带厂用电继续运行，则称火电机组具备快速切负荷FCB（Fast Cut Back）功能，本文称之为FCB机组［11-12］。当故障清除后，FCB机组可以很快重新并网和升负荷，快速恢复供电。而且大型火电FCB机组由于容量大，安装位置可以根据需要灵活布置，如果在电网全黑状态下作为黑启动电源，可以快速恢复局部或整个电网。

广东电网以大型火电FCB机组为黑启动电源，于2013年7月4日成功进行了空充500 kV输电线路的试验，为进一步的电网恢复提供了条件。本文对该试验进行了详细介绍，对试验过程进行了数字仿真分析，重点研究了空充线路过程中容易发生的自励磁和过电压现象，通过与现场实测结果对比，验证了理论研究和仿真分析结果的正确性。

1 大型火电FCB机组空充500 kV线路试验介绍

试验采用的FCB机组为广东铜鼓C厂6号机组，额定容量为1000 MW，额定电压为27 kV，采用三机励磁系统，该机组在与大电网脱开后能够带大约3%～10%的负荷（厂用电）孤岛运行3 min至数小时［13］。铜鼓电厂与500 kV圭峰变电站之间有4回联络线。整个试验包括3个部分：甩负荷试验、发变组带线路零起升压试验、发变组空载状态90%额定电压下空充线路试验。试验涉及的主要设备有铜鼓C厂6号机组、该机组的升压主变、鼓峰丙线以及相应开关设备，试验单线图如图1所示，其中，鼓峰丙线电压等级为500 kV，长度约为72 km。

1.1 试验前运行方式

a.6号机组按试验要求的负荷条件正常运行，机组保护、自动励磁调节器、安全稳定装置等均正常投入。

b.开关5041在合闸运行状态，开关5042、5043、5051、5052处于热备用状态，其他500 kV设备运行方式依调度令正常运行。

c.厂用电源可靠，备用变压器处于热备用状态，机组跳闸后的保安电源、直流系统均能自动投入，事故应急柴油发电机处于备用状态。

d.试验前铜鼓C厂运行值班员确认上述一、二次设备在规定状态与位置。

1.2 发变组带线路零起升压试验

a.6号机组打闸（断开开关806），厂用电切至4号高备变。

图1 试验电气主接线图Fig.1 Primary wiring diagram for test

b.退出开关5042、5043重合闸，手动断开开关5042、5043。

c.退出开关5041、5042重合闸，手动断开开关5041、5042。

d.合上开关806、5042，6号发电机励磁调节器置手动调节方式，手动对发电机、主变、线路缓慢升压，直至额定电压。

e.降发电机电压至最低，断开开关5042、励磁开关。

1.3 发变组空载状态90%额定电压下空充线路试验

a.将6号发电机励磁系统恢复至正常的自动工作方式，合上励磁开关，发电机电压升至90%额定电压。

b.手动合上开关5042，对鼓峰丙线充电。

c.断开开关5042，鼓峰丙线失电。

d.合上开关5051，由大电网对鼓峰丙线充电，同期合上开关5052、5043。

e.确认发变组系统正常，机组具备并网条件，向中调提出并网申请，经中调同意后，准同期合上开关5042。

f.同期合上开关5041，空充线路试验结束。

2 空充线路过程中自励磁特性分析

2.1 自励磁实用判据

发电机自励磁是指同步电机定子回路由于电枢反应的助磁作用而产生定子电流、电压幅值自发增大的现象，其本质是发电机定子电感与外电路容抗参数配合时发生的参数谐振［14-15］。研究表明，同步发电机组的自励磁可分成反应同步自励磁、推斥同步自励磁以及异步自励磁3类，不同类型的自励磁在产生条件和发展过程方面有着显著的区别［16］。

工程上较常采用速算法或者阻抗法对发电机自励磁进行校验。速算法判据如表1所示，表中Q为发电机组的万千伏安容量，L为线路的百千米长度。阻抗法判据如式（1）所示［17］。

表1 速算法判据Table 1 Criteria of quick calculation method

其中，XC为线路容抗；Xd、Xq分别为发电机 d 轴、q 轴电抗。

速算法判据对线路容抗估算较为粗略，而阻抗法判据则只能针对反应同步自励磁进行判别，且未考虑线路等值电阻的影响，鉴于此，本文提出了更为全面和实用的自励磁工程判据。

设发电机外电路由工频容抗XC和损耗电阻R串联组成，其等值电路如图2所示，图中，X′d为发电机d轴瞬变电抗。

图2 系统等值电路Fig.2 Equivalent circuit of system

对于反应同步自励磁，其边界条件如式（2）所示，由式（2）可得自励磁区域如图 3（a）所示。

对于推斥同步自励磁，其边界条件如式（3）所示，由式（3）可得自励磁区域如图3（b）所示。

对于异步自励磁，其边界条件如式（4）所示。

对于每一个特定的转差s，式（4）均为一个椭圆方程，长轴平行于R轴，中心点在XC轴上。转差从0到1连续取值的过程中，椭圆的中心点向下移至坐标原点，长轴单调减小至0，所有椭圆覆盖的区域即为异步自励磁区域，如图3（c）所示。

图3 同步电机的自励磁区域Fig.3 Self-excitation area of synchronous machine

综合式（2）—（4），可得自励磁区域如图 3（d）所示。

由图3（d）可知，若发电机组参数和线路参数满足式（5），则机组对线路充电时将不会发生任何形式的自励磁。

2.2 自励磁特性分析

广东铜鼓C厂6号机组参数：发电机d轴同步电抗 Xd=2.614 p.u.，q 轴同步电抗 Xq=2.484 p.u.，d 轴瞬变电抗X′d=0.264 p.u.，电枢电阻Ra=8.22×10-4p.u.，主变电阻 RT=5.59×10-4p.u.，主变电抗 XT=0.163 p.u.。鼓峰丙线实测参数为：容抗XB=27.975 p.u.，线路电阻 RL=6.9×10-3p.u.，线路电抗 XL=0.089 p.u.。不计厂用电的情况下，机端等值阻抗Zin为：

式（6）中，XC＞Xd，由自励磁判据式（5）可知发电机不存在自励磁危险。

若将充电线路按原型号参数进行等比例延长，外部等值容抗随线路长度变化如图4所示，纵轴为标幺值。

从图4中可以看出：外部等值容抗随线路增长而下降，理论计算表明当线路长度为原长度的5.03倍（362 km）时，机组将开始进入自励磁危险区域，但鼓峰丙线实际长度仅72 km，因此现场试验时机组不会发生自励磁现象，且留有极大的裕度。

图4 外部等值容抗与线路长度的关系Fig.4 Relationship between external equivalent capacitance and line length

当计及厂用电时，其机端等效电阻更大，机端等效容抗也将更大，因此总体上更容易躲开自励磁区域。

为了检验6号机组是否会发生机组自励磁，在空充线路试验之前，进行了零起升压试验。零起升压试验中，各测量点的实测数据如表2所示，表中，UG为额定电压。

表2 零起升压试验数据Table 2 Experimental data of voltage boost test

试验结果显示，各测量点电压、电流、发电机有功、无功均随时间平稳增加，始终处于安全运行状态。理论分析与试验结果表明，广东铜鼓C厂6号机组黑启动时不会发生自励磁现象。

3 空充线路过程中过电压特性分析

3.1 FCB机组空充线路仿真模型

为了校核黑启动试验是否对电网、电厂产生冲击，需要在试验前对本试验可能产生的问题进行校核，确认所有可能冲击均处于设备耐受范围内，才能进行试验。本文在PSCAD/EMTDC软件平台上搭建大型FCB机组空充500 kV线路的仿真模型，如图5所示，对试验过程进行了仿真研究。

图5 模型结构图Fig.5 Model structure

主要元件模型简介如下。

a.汽轮机模型。

试验涉及的铜鼓C厂6号机组是FCB机组，在与大电网脱开后可带厂用电负荷孤岛运行。传统的再热凝汽式汽轮机经典模型适用于稳态或者小干扰情况下的汽轮机工况仿真，但不适用于脱网后孤岛运行这种剧烈变化的工况仿真，本文所采用的汽轮机模型如图6所示，图中，QIP表示中压缸蒸汽流量。在传统模型的基础上，本文采用的汽轮机模型增加了调门快关系统、旁路系统，可用于仿真上述试验过程［18］，且汽轮机参数均为实测参数。

图6 汽轮机结构图Fig.6 Turbine structure

b.励磁系统模型。

铜鼓C厂6号机组励磁调节器为ABB公司的UNITROL 5000型，其励磁系统模型采用FQ型励磁模型①汤涌，卜广全，印永华，等.中国版BPA暂态稳定程序用户手册（3.0版）.2004.。

c.线路模型。

黑启动过程中，给空载输电线路充电的过程属于分布参数电路的电磁暂态过程，即波过程。在仿真模型中，采用小损耗贝杰龙输电线路模型仿真模拟该波过程。在线路首末两端加装避雷器，在断路器两端并联均压电容。

d.其他元件模型。

发电机采用六阶模型；PSS采用IEEE PSS2A模型；厂用电采用恒功率等效模型；变压器采用3个单相双绕组变压器。

充分计及线路分布参数、各部分电容电感、避雷器的影响，考虑励磁系统详细建模，并根据断路器参数设定可能不同期合闸时间范围，结合以最极限合闸相角的选取，可以充分评估黑启动过程所可能产生的最恶劣情况，并在确保模型校核结果准确的前提下不导致仿真模型过于复杂。

3.2 空充线路试验过电压特性分析

500 kV电压等级操作过电压的国家标准如表3所示［19-20］。

表3 500 kV电压等级操作过电压国家标准Table 3 National standard of operating overvoltage of 500 kV power system

利用图5所示模型对空充过程进行数字仿真，仿真时长为80 s，仿真步长为100 μs，各测量点仿真试验结果与实际空充线路试验的实测结果数据对比如表4所示。

表4 仿真结果和实测数据对比Table 4 Comparison between simulative results and measured data

空充线路过程中，主变高压侧电压、机端电压、厂用电6 kV母线电压、励磁电压的试验波形与仿真波形对比分别如图7—10所示。

从试验结果可见：主变高压侧暂态过程持续约4个周期，发电机机端与6 kV侧暂态过程持续约1.5个周期，符合国家标准。暂态过程结束后，各侧电压进入稳态，整个过程中各测量点的暂态电压均在正常范围内。同时，实测波形与仿真波形进行对比，曲线吻合良好，证实了仿真校核方法与模型的正确性。

图7 主变高压侧电压波形Fig.7 Waveforms of voltage at high-voltage side of main transformer

图8 发电机机端电压波形Fig.8 Waveforms of generator terminal voltage

图9 厂用电母线电压波形Fig.9 Waveforms of auxiliary power bus voltage

图10 励磁电压波形Fig.10 Waveforms of excitation voltage

4 结语

以大型火电机组作为黑启动电源有2个重要的优点：机组容量大、机组安装位置可以根据需要进行配置，这可以大幅加快系统的黑启动过程。广东电网以一台1000 MW的火电FCB机组为黑启动机组，对一条500 kV线路进行了空载充电，结果表明FCB机组可以作为黑启动机组。本文详细介绍了试验过程，对试验过程中可能出现的自励磁和过电压等问题进行了理论分析和数字仿真，现场试验的实测结果证明了理论分析与数字仿真结果的正确性。