CN111581856B - 一种基于孤立电网的黑启动流程建模与仿真模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统黑启动建模与仿真技术，具体涉及一种基于孤立电网的黑启动流程建模与仿真模拟方法，输入基础数据、公用参数数据；进行数据检查和潮流校验；方案定义和方案执行；判断结果是否稳定；判断是否执行完毕；完成仿真，方案定型并记录。该方法对黑启动建模所需基础数据以母线优先的方式进行有效组织，并对数据检查和潮流校验提出确切的步骤和方法，进而对拟定的文本方式的黑启动方案进行程序仿真，并且可以灵活调整仿真程序的执行步骤，发现现行标准下的方案的问题，提出针对性的调整优化方案。能够对方案的稳定控制提出确切的调试手段，保持系统的可靠性和稳定性。

Description

一种基于孤立电网的黑启动流程建模与仿真模拟方法

技术领域

本发明属于电力系统黑启动建模与仿真技术领域，尤其涉及一种基于孤立电网的黑启动流程建模与仿真模拟方法。

背景技术

“黑启动”是指电网由于故障而崩溃停运后或者机组即将进行首次投运时，系统全部停电或未送电，处于全“黑”状态。通过自身能力恢复机组厂用电源供应，并保证主电源机组顺利启动，最终实现整个系统的恢复和供电。黑启动成功的关键就是本侧电源点的启动。它几乎牵涉到了发电系统中的所有问题，乃至电力系统各个环节。它是20世纪80年代由美国学者首次提出，经过20多年探索，尤其是大电网下，通过既定的实际试验线路进行黑启动试验，通过不断尝试，已经形成了一套十分有效的黑启动流程方案，广泛应用于各大电厂，并成为电厂安全能力考核的重要内容。近年来，黑启动的研究，开始逐步转移到孤立电网以及含分布式能源的微电网。但对孤立电网的黑启动研究多基于理论研究的层面，重点研究多种黑启动电源之间的协调、黑启动过程的稳定性控制，稳定控制中一般包含系统电压、频率稳定问题，包括黑启动送电过程的发电机自励磁、线路过电压问题以及黑启动过程厂用电辅机的启动电流冲击引发的频率、电压问题，并配合了对应环节的仿真论证分析。然而对于孤立电网全环节的仿真试验目前仍处于空白，还未有针对孤立电网黑启动全过程的仿真验证与控制方案，孤立电网比较大电网而言，系统规模小，抗扰动能力弱，黑启动每个细分步骤都有可能出现问题，保险起见，应当进行全环节仿真校验，确保每个步骤都能够满足稳定性要求。对于孤立电网的工程试验也是基于大规模互联电网的既定方案加以修改，不确定性因素较多，无法得到充分校验。综上所述，目前，对于孤立电网而言的黑启动研究与试验仍存在以下问题：

(1)建模所需数据及其作用未能明确，缺乏条理性、规范性。

(2)停留在理论研究的层面较多，一般为了研究黑启动过程当中某个具体的问题，即对黑启动送电过程的发电机自励磁、线路过电压问题以及黑启动过程厂用电辅机的启动电流冲击引发的频率、电压问题，模型简化较多。

(3)对黑启动某个环节单独建模，全过程仿真仍属于空白，无法对实际试验方案校验提供支撑。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于孤立电网的黑启动流程建模与仿真模拟方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于孤立电网的黑启动流程建模与仿真模拟方法，包括以下步骤：

步骤1、输入孤立电网黑启动方案的基础数据和公用参数数据，包括母线数据、发电机数据、负荷数据、线路数据、变压器数据，并采用母线优先的模型搭建方法；

步骤2、进行数据检查、潮流校验，若未通过数据检查或者潮流校验不收敛，则返回步骤1；若通过潮流校验则进入步骤3；

步骤3、方案定义和方案执行，将文本描述的方案输入到仿真模型，转变成可执行的命令或者操作作业，若不稳定，进入步骤4(1)；若稳定，进入步骤5；

步骤4、(1)微调柴油机和辅机投入的顺序；有柴油机投入时先投入柴油机，异步电动机从大到小，从全压启动的辅机再到变频启动的辅机，或暂时退出公用负荷；若结果不稳定则进入步骤4(2)；若结果稳定则进入步骤5；

(2)根据不稳定的的原因进行电压或者频率校验，调整发电机调压器和调速器参数，再返回步骤1重新执行；

步骤5、判断全部分步方案是否执行完毕；若全部分步方案已执行完毕，则进行步骤6；若全部分步方案未执行完毕，则返回到步骤3，完成下一步方案的定义和执行；

步骤6、完成仿真全过程，方案定型和记录。

本发明的有益效果：(1)建模更加有条理、采用了母线优先的模型搭建方法，数据有效性得以体现

(2)还原实际现场运行工况，模型基本上1:1还原现场。

(3)对整个黑启动系统进行建模，涉及黑启动全过程、全环节，考虑因素更加全面、细致，由于整个系统已经构建，因此能够对黑启动各种可能存在的问题进行模拟。

附图说明

图1为本发明一个实施例孤立电网黑启动流程建模与仿真方法流程图；

图2为本发明一个实施例黑启动建模数据库内容示意图；

图3为本发明一个实施例励磁控制器传递函数；

图4为本发明一个实施例调速器控制器传递函数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例一种基于孤立电网的黑启动流程建模与仿真方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤①输入一个孤立电网实际黑启动方案的基础数据和参数数据，包括母线、发电机数据、负荷数据、线路数据、变压器数据，并采用母线优先的模型搭建方法，完成后进入步骤②；

步骤②进行数据检查并校验潮流，若数据检查不通过或者潮流校验不收敛，则返回步骤①；若通过校验，进入步骤③；

步骤③方案定义和方案执行，对文本描述的方案输入到仿真模型，转变成可执行的命令或者操作作业，若不稳定，进入步骤④；若结果稳定，进入步骤5；

步骤④若步骤③结果不稳定，在步骤④中，应首先进入步骤④-(1)：

(1)调整方案。具体做法是微调柴油机和辅机投入的顺序，原则是有柴油机投入时先投入柴油机，异步电动机从大到小，从全压启动的辅机再到变频启动的辅机，并且必要时可暂时退出公用负荷，为柴油机预留足够的备用容量。若结果稳定则进入步骤⑤，若不稳定则进入步骤④-2：

(2)若步骤④-(1)执行完仍然不稳定时，需要根据不稳定的的原因进行电压或者频率校验，调整发电机调压器和调速器参数，再返回步骤①重新执行。因为要保证所有方案步骤采用同一控制器参数，在修改控制器参数以后，所有方案必须重新执行。

步骤⑤判断是否全部分步方案已执行完毕，若否，则进行下一步方案，回到步骤③，完成下一步方案的定义和执行。若完毕，则进行步骤⑥

步骤⑥仿真全过程执行完毕，方案定型和记录。

具体实施时，1、数据输入和模型构建

数据分类，根据孤立电网所含的设备及元件，尤其注重柴油机控制器和负荷模型。将所需要构建的模型数据如图2所示，对建模各部分数据的说明和分析如下：

A.母线数据

母线优先原则是指将所有建模过程涉及到的母线确定下来之后，其他元件都直接或间接与母线相连接，对此将母线数据先行确定，将使接下来的建模工作更有条理。另外，需要输入母线电压上下限，根据厂用电电能质量要求，交流母线电压波动范围在标称电压的95％～105％之间。

B.发电机数据

实例中发电机数据主要是黑启动源和被启动电源，假定孤立电网中黑启动源为柴油机，柴油机是黑启动中常用的黑启动源，被启动电源为火电机组。发电机数据包括同步机参数、调压器参数、调速器参数，其中：

a.同步机参数

主要是指发电机的内部特性参数，必需的参数包括发电机d轴同步电抗X_d、暂态电抗X′_d、次暂态电抗X″_d，q轴同步电抗X_q、暂态电抗X′_q、次暂态电抗X″_q，发电机负序电抗X₂，发电机转子惯性时间常数T_j，其中T_j＝2H，H为发电机惯性常数。

b.调压器参数

调压器参数是根据发电机励磁系统及其调节器的传递函数，如图3所示，选定常规的励磁控制模型。其中包括量测环节放大倍数Kr、时间常数Tr(s)；放大环节放大倍数Ka、时间常数Ta(s)；反馈环节放大倍数K_f、时间常数T_f(s)；励磁机时间常数Te，励磁电压上限、励磁电压下限分别为E_fdmax、E_fdmin，单位为标幺值。

c.调速器参数

根据孤立电网中发电机通常是以汽轮机为主，常规的调速器数据在实例中主要包括调差系数δ_i(％)、伺服机构时间常数Ts(s)、调速器死区ε，配压阀行程上限σ_max和下限σ_min、汽门开度上限μ_max和下限μ_min、蒸汽容积时间常数T₀、水锤效应时间常数T_w(柴油机为0)、汽轮机过热系数α、汽轮机中间过热时间常数T_rh、硬负反馈放大倍数K_i，具体结构如图4所示。

图中Kδ表示量测环节的放大倍数，它与调差系数的关系是：

C.交流线数据

单位公里的正序电阻r₁(Ohm/km)、单位公里的正序电抗x₁(Ohm/km)、单位公里的正序电纳b₁(10^-6Siem/km)、单位公里的零序电阻r₀(Ohm/km)、单位公里的零序电抗x₀(Ohm/km)、单位公里的零序电纳b₀(10^-6Siem/km)，建模时需要根据既定单位长度参数以及输入线路长度，并换算成标幺值，标幺值换算公式见公式(2)

零序数据同理，只需把正序公式中的相应量替换成零序即可。

D.变压器数据

变压器所需数据变压器含抽头侧额定电压(主抽头电压V_N)、各侧母线基准电压参数V_B、变比T_k、变压器额定容量S_N、系统基准容量S_B、短路损耗ΔP_s、短路电压百分数V_s％或者V_d％、空载损耗ΔP₀、空载电流百分数I₀％。通过以上数据可以计算出线路的正序电阻R₁、电抗X₁、电导G_m、电纳B_m。

E.负荷数据

负荷数据主要是对感应电动机模型的有关参数，包括转子电阻R₂、转子电抗X₂、定子开路转子回路时间常数T′_d01、转子惯性时间常数T_j1、定子电抗X₁、初始滑差S₀、阻力矩系数K_α、阻力矩次幂p，另外还包括负荷有功和功率因数。

其余负荷只需要设置有功功率和功率因数即可。

2、数据检查和潮流校验

I.数据检查

主要是保证步骤①当中各个部分数据符合规则，数据检查主要从一下方面进行：

i.查看发电出力和负荷功率的统计数据，判别全网发电和负荷是否基本平衡；

ii.系统中是否有孤立的发电机、负荷节点；

iii.注意填写时正确区分标幺值和有名值；特别是在输入发电机和负荷时，输入的实际值和选定的单位(有名或标幺值)不一致；

iv线路参数填写是否正确；如支路参数未输入，交流线、变压器的阻抗值为0；可在潮流作业定义画面中点击“数据修改”，通过“筛选零阻抗元件”按钮功能查找电阻、电抗均为0的元件，将其阻抗改为实际值；

v.变压器变比是否填写正确，并列运行变压器变比差别是否过大；

vi.系统中是否存在与系统联系薄弱，同时带重负荷的节点。

II.潮流校验

主要保证源荷平衡，若潮流计算是对实际电网潮流状态的仿真计算，则当输入的网架结构和系统运行方式与实际一致时，潮流计算应能正常收敛，且计算得到的电网状态应和实际电网状态相符。如果在潮流计算时出现不收敛或收敛的结果与实际电网状态出入很大，原因可能是所输入的潮流数据不正确或不合理，需从以下方面进行分析和处理：

i.返回I数据检查环节，进行相应数据的检查；

ii.更换计算方法，加大迭代次数上限；

iii.由迭代过程信息中的最大误差母线查找与该母线相连的元件的相关数据，包括：

a.线路参数；

b.变压器阻抗和变比；

c.发电出力和负荷；

iv.在大发电厂或大负荷母线上增设PV点或Vθ点；

在有一定无功功率储备的发电厂和有一定无功功率电源的变电所母线可增设为PV节点。全网PV节点应在网络上按地区均匀分布，邻近的地点设多个PV节点时，应注意各母线的电压幅值应设置合理，否则也可能影响潮流计算的收敛性；

v.增大允许误差(不应大于0.01)以获得结果报表，进一步查找原因；

vi.潮流数据填写时应注意无功功率的就地平衡。.

3、黑启动方案定义和执行

I.稳定优先型方案

根据实例假定，系统黑启动电源为柴油机，黑启动方案主要是启动厂用大型辅机，大部分辅机是异步电动机，大功率设备启动时，需严格计算系统本身容量与现场公用负荷容量，考虑黑启动电源容量问题。在黑启动电源冗余容量充足情况下，尽量避免柴油机发电机组出力太小，式子(3)是直接全压启动一台异步电动机时所需的柴油机数量。

其中，N表示为了启动异步电动机单独需要的柴油发电机台数，P_f表示待启动的异步电动机的平稳运行时候的功率，I_st表示异步电动机启动电流倍数，可按7计算，I_N表示额定运行电流；P_s表示柴油机正常运行输出功率，通常保守认为只能达到额定出力的60～70％，K_l表示柴油机强励倍数，实例中可取值为2。

在此之前，计及其他已经投入的负荷所需的柴油机台数，现场下一时刻柴油机数量为

N_t＝N_t-1+N (4)

上述是最保险的措施，然而，若现场柴油发电机数量不能始终满足上述条件时，需要灵活调整，可调整方案，采取经济型方案。

II.经济型方案

通常，柴油机出力要满足额定功率60％～70％，上限可以保证柴油机不处于重载，避免备用不足，下限可避免柴油机处于深度备用，降低效率。仿真中以满足功率需求为基本前提，假设要求柴油机数量尽可能比稳定优先型方案少，则可以稍微提高长期正常运行下的出力百分数，即高于70％，同时又要保证系统稳定。在该种方案下，按照既定的辅机启动顺序投入，并逐步投入柴油机，保证柴油机出力百分比维持在合理范围。

III.方案层次

方案层次说明的是黑启动全过程把不同辅机投入的流程步骤细化为了若干个部分，每个部分可定义一个方案，方案内部若有多个操作步骤，原则上均可做出调整，方案之间由于流程工艺有比较严格的物理关系顺序，无法做出大的调整。因此不做方案之间顺序的调换。

4、方案和控制器参数调整

该环节为步骤④-(1)，首先重新调整方案，当进行到某一步骤，该步骤若有柴油机投入，则先投入柴油机，有全压启动辅机投入时，先投入大功率辅机，再投入小功率辅机，再投入变频器启动辅机，必要时尝试退出公用负荷，待异步电动机成功启动后再恢复，可增强系统抗冲击负荷能力，具体的优先级顺序为柴油机＞全压启动大型辅机>小型全压启动辅机>变频辅机>公用负荷。若此时系统结果仍然是不稳定，则转入步骤④-(2)。

当步骤④-(1)进行完毕之后仿真结果仍然不稳定，应则进行到该步骤过程中，应通过系统运行结果，判断是电压不稳定还是频率不稳定，若是电压不稳定，应将调试对象确定为柴油机励磁系统及其调节器上，如图3所示。一般，当异步电动机投入时，系统电压下降幅度较大，励磁系统的作用是维持发电机或者其他控制点的电压在给定水平，提高暂态稳定。在同一转子功角下，随时间常数增加，电压倍数增加，超调量相应增大，可提高应对冲击的能力。因此，调节励磁系统调节器时，应当逐步调整放大环节参数，即放大环节放大倍数Ka、时间常数Ta(s)，

若是频率不稳定，则调整对象为调速器，根据图4所示，首先调整参数为调差系数δ_i(％)，调差系数反映发电机应对负荷变化的能力，即应对负荷变化能力越强，调差系数越大。若是频率降低超过稳定裕度，则正向调节调差系数。通常柴油发电机调差系数在3％～5％之间，初始值可设置为3％，与正常运行下无冲击的实际情况符合，调整时可先调整为5％，进而判断结果是否稳定。若仍不稳定，则重复步骤④，若是结果稳定，则进入步骤⑤。

步骤⑤是进行下一个方案的定义和调整，基本方法如步骤③和④，在所有方案都定义或者调整完毕，并且全程结果都能保持稳定的情况下，即可结束黑启动建模与仿真的全过程，方案即可定型，黑启动仿真完成。

本实施例能够对黑启动建模所需基础数据以母线优先的方式进行有效组织，并对数据检查和潮流校验提出确切的步骤和方法，进而对拟定的文本方式的黑启动方案进行程序仿真。并且还能够灵活调整仿真程序的执行步骤，发现现行标准下方案的问题，提出针对性的调整优化方案。能够对方案的稳定控制提出确切的调试手段，保持系统的可靠性和稳定性。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (1)

1.一种基于孤立电网的黑启动流程建模与仿真模拟方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、输入孤立电网黑启动方案的基础数据和公用参数数据，包括母线数据、发电机数据、负荷数据、线路数据、变压器数据，并采用母线优先的模型搭建方法；

步骤2、进行数据检查、潮流校验，若未通过数据检查或者潮流校验不收敛，则返回步骤1；若通过潮流校验则进入步骤3；

步骤3、方案定义和方案执行，将文本描述的方案输入到仿真模型，转变成可执行的命令或者操作作业，若不稳定，进入步骤4(1)；若稳定，进入步骤5；

步骤4、(1)微调柴油机和辅机投入的顺序；有柴油机投入时先投入柴油机，异步电动机从大到小，从全压启动的辅机再到变频启动的辅机，或暂时退出公用负荷；若结果不稳定则进入步骤4(2)；若结果稳定则进入步骤5；

(2)根据不稳定的原因进行电压或者频率校验，调整发电机调压器和调速器参数，再返回步骤1重新执行；

步骤5、判断全部分步方案是否执行完毕；若全部分步方案已执行完毕，则进行步骤6；若全部分步方案未执行完毕，则返回到步骤3，完成下一步方案的定义和执行；

步骤6、完成仿真全过程，方案定型和记录。

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