第 1 章 绪论
1.1 课题背景及意义
电力已经成为现代社会必不可少的元素，社会各个行业的发展都与电力脱不了关系，电力是一个国家经济发展的重要动力，国家的发展水平很大程度上可以从这个国家电力的发展情况中判断出来。经济快速的发展、社会需求的不断提高使得人们对电力的要求也在提升，对电能质量、电压水平、频率范围、供电可靠性等提出越来越高的要求。现在的电网规模越来越大，电网的结构也在日益完善、以及保护和自动化装置的发展，现在电力系统抵抗外力或者内部各种故障的水平提升较大。并且电网的供电可靠性、电能质量、电压水平、频率范围、稳定性等也在提高。但不管电网的结构多么完善、电网安装有多么先进的保护自动化系统、现在的电网仍然有着保护不正确动作、短路、接地等故障等造成的停电潜在风险，大范围的恶劣天气、泥石流、地震等其他不可抗拒的外力都会造成大面积停电。并且因为电网结构的越来越复杂,电网之间的互联关系不断增强、长距离输电采取的直流技术不断发展、先进的安全保护自动化装置进入系统、越来越多分布式电源的接入、使得当今电网运行的环境更加具有不确定性，对安全的保障要求变得更加严厉。很多风险不仅难以防范甚至预判都有一定困难。所以局部电网的问题很可能快速影响到整个电网，从而造成事故扩大而引起的大面积停电的风险[1]。如果没有正确的处理局部电网出现的一些问题；则很有可能扩大故障的范围、波及到邻近区域，从而引发多米诺骨牌，事故不断的扩大，导致大面积停电甚至整个电网的崩溃，给电网本身、国民经济带来巨大的影响。国内外电网相继都出现了一些大停电事故，教训也相当深刻。发生在 03 年 8 月份的美加大停电，牵涉到美国整个东北部以及中部和西部地区，同时与美国电网联络的加拿大地区内的电力系统同样停电。此次停电面积之广、受累人数人多、负荷损失之大都是一个前所未有的程度。美国和加拿大的多个州和地区均受到这次停电波及，包括全球经济中心纽约等大型城市。本次停电造成两万四千多平方千米、直接或间接受到停电影响的人数达到达到五千多万，停电总时间达一天多之久，电网因这次停电造成的负荷损失约六万两千兆瓦，直接或间接造成了两千多亿（人民币）的经济损失，这次大面积停电在美国的供电历史上是最严重的。
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1.2 黑启动的概念和过程
黑启动的定义，是指因为某些故障或原因造成电力系统停运，整个电网全部失电(可以允许存在某些孤立的小电网带有小机组)，此时电网可以看做是全“黑”的一种方式，在这种方式下，不借助其他电网的联接或支援，利用自身电网中能够自启动的发电机组先行启动发电，以带动不能够自启动但在提供厂用电时可以启动的机组，再通过逐级送电，然后恢复整个电网的原运行方式。在发生大面积停电事故时，通过根据编制好的黑启动方案，处理故障的调度员能够按照黑启动方案迅速的采取措施，尽快的启动黑启动电源，逐步恢复供电，最终实现全电网的运行。这样就可以使得大面停电的损失降低至最小。大面积停电后能否尽快恢复，黑启动方案能否顺利执行，送电的路径十分重要，而送电路径的关键是黑启动电源的选择。普遍采取水电机组和抽水蓄能机组当做黑启动电源，因为与火电或者核电机组相比，水电场主要的设备就是水轮发电机。发电的原理比较简单，水轮机的结构也不复杂。并且还有着其他电厂不具备的优点就是不需要启动用电或需要的很少，同时可以快速的启动。在系统全停的情况下，时间是最重要的因素，启动时间短这一优势十分可贵。但实现水轮发电机发电的有一个关键问题，就是在停电后油槽油压要在允许的时间内（允许时间一般为半个小时左右），因为油槽油压控制着水轮机组导叶的开启，若不能满足要求则无法启动机组。另一个关键是水电机组距负荷中心普遍较远，接入电网需经过较长的高压线路，于是就可能出现自励磁现象以及过电压情况，但这种过电压情况并非不可避免，可以在黑启动送电的过程中按照需求及时的接入负载带上负荷，或者对恢复的路径进行变化等方法对一般的过电压情况进行控制。
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第 2 章 黑启动过程的主要问题分析
2.1 黑启动电源的选择
黑启动电源是电网全停后能否顺利完成黑启动的关键。黑启动电源按种类可以分为两种：即具备自启动能力的黑启动机组以及本系统之外的电源。黑启动机组是指具有自启动能力的机组，可以不依靠外部供电的支持实现启动，能够快速的在系统全停之后恢复发电。最常用也是最简单的是抽水蓄能机组：抽水蓄能机组本质结构就是发电机-电动机的简单组合，能够在负荷较低时利用系统的供电抽水，将电能转化为水的势能；负荷较大时放水发电，将水的势能转化为电能。抽水蓄能机组并需要极小的厂用电负荷就可以实现启动。机组能够抽水储存能量，在需要黑启动时通过带动电动机转变为电能，恢复供电。普通的水电机组如果能够利用手动或直流电源打开闸门进行发电也能够黑启动电源，也具备启动时间短、需要较少厂用电的能力。依据众多水电机组运行经验，3-5 分钟内就可以完成水电机组的冷启动，启动功率大概占额定有功功率的 0.5%。根据这些特性来看，在系统全停时电源匮乏的情况下水电机组这一优点能够满足恢复初期的快速要求。火电机组里，除燃气轮机外基本都不能够做黑启动电源；因为只有燃气轮机能够在没有厂用电的时候进行快速启动，这一过程大概需要 20 分钟，在特殊方式下能够在 7-8 分钟内实现热启动。但是其它火电机组，必须提供启动功率才能启动，而启动功率就需要厂用电的保障。同时热启动需要的时间也随着机组越大也需要的越长。30 分钟能够启动 10 万千瓦的机组，大概需要 6%启动功率；需要 50 分钟启动 20 万千瓦的火电机组，大概也1.2 万千瓦的启动功率；；启动 60 万千瓦的机组甚至需要大概 90 分钟，并且需要的4.5%左右的启动功率，也就是 2.7 万千瓦左右。如此大的启动功率是很难实现自启动的。系统外电源是另一种比较重要的黑启动电源。如果自身的电网内不存在具备自启动能力的发电机组，只有依靠外界联络来提供电力，在这种情况下系统外电源就十分关键。有时候也可以通过系统外的电源来加快黑启动的进度。由于黑启动过程中仍然存在很多不确定性，如果黑启动电源点不能完成启动，如果可以通过系统外电源送电至原制定好的启动路径，则可以使得启动过程不被打乱。在黑启动电源的选择上有着以下规则[6]：一、选择启动快、结构简单、易于操作的机组；二、尽量选择直调电厂，若无直调电厂可考虑用户自备的电源；三、尽量能为高电压等级电厂最快提供启动功率的电厂；四、优先考虑能够最快带动其他电厂启动的电厂；五、优先选择负荷中心或离负荷中心最近的电厂。
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2.2 自励磁问题
机组自励磁本质上可以看做是谐振现象，如果发电机带有负荷，若负荷呈容性，一般空载长线路负荷为容性。在系统参数满足谐振的情况下。即当所带负载的容抗小于或等于发电机和变压器感抗时，在发电机剩磁与电容电流助磁将共同作用下，将不断抬高发电机的机端电压。空载长线路或者电容补偿过大的线路直接接于发电机时容易发生自励磁。随着输电线路越长，线路的容抗 Xc也会降低，当这一容抗值比发电机的同步电抗 Xd小时，（Xc<Xd），即使没有发电机的励磁电流，发电机机端电压受剩磁作用同样会升高到某一值。其产生电压的幅值与线路长度以及发电机参数有关[7]。电压的幅值随着线路的增长而变高，如果这一电压值过高的话将对发电机的运行以及电气设备安全带来威胁。发电机自励磁的有着以下几点特性：一，自励磁所需的能量不需要单独的电源而是由发电机产生。只要回路中有微小的感应电压，哪怕是电容两端的残压，都能够促成自励磁的产生。二，因为实际中，电网存在有一定的损耗电阻，所以参数的变化需要足够大，才能补偿电阻的损耗，并在回路中储能，使得自励磁持续发展。三，在发生自励磁现象时，理论上电路中电压与电流的幅值可以是无限大的。但在实际当中，电流增大能够电感线圈处于磁饱和，导致电感 L 减小，参数发生变化，电路便不再形成共振，于是使得自励磁产生的电压和电流幅值并非是无限变大。
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第 3 章 分布式电源在电网黑启动中的可行性...........15
3.1 分布式发电定义 ...... 15
3.2 分布式电源分类 ...... 15
3.3 分布式电源的原理 ........... 18
3.4 分布式电源在电网黑启动中的可行性 ...... 20#p#分页标题#e#
第 4 章 宿州电网黑启动方案设计....23
4.1 宿州电网现状介绍 ........... 23
4.2 宿州电网黑启动电源选择 ........ 23
4.3 研究内容 ......... 24
4.4 启动策略与路径 ...... 24
4.5 系统全停恢复应确认的情况 .... 25
4.5.1 判断电网处在全停模式 ........... 25
4.5.2 全停恢复应确认的情况 ........... 25
4.6 本章小结 ......... 26
第 5 章 宿州电网黑启动方案的校验.........27
5.1 发电机自励磁分析 ........... 27
5.2 过电压分析 ..... 28
5.3 黑启动初期的稳定性分析 ........ 29
5.4 通讯问题及调度命令 ....... 29
5.5 本章小结 ......... 30
第 5 章 宿州电网黑启动方案的校验
5.1 发电机自励磁分析
自励磁产生受到变压器参数的影响，在分析计算中需要将变压器漏抗 xT 计入发电机电抗中。同时在计算中需要考虑一些元件在参数上的误差，如发电机组、变压器以及线路等，所以在使用上述的公式时，一般留有一定的裕度以实现可靠的不再自励磁范围内，宿州电网黑启动方案中，“宿东水电厂一姬村变一汇源电厂”这一恢复路径经过自励磁判据的分析在在黑启动过程中不会发生自励磁。但在实际黑启动过程中仍需加强对极端电压的控制、注意励磁调节。保障系统中枢电压点的电压在合格范围内[33]。黑启动过程中有三种过电压是必须考虑分析的，那就是连续额定工频电压、操作过电压以及谐振过电压。黑启动电源成功的启动后，就会对空载线路进行充电。从地调的方向考虑的话，是不存在接地这一阻碍的。因为三相接线的对称性，所以在空载线路的操作过电压分析上可以采取对单相单独计算的方式[34]。本文主要对“宿东水电厂→220kV 姬村变→汇源电厂”这一启动路径进行空载操作过电压计算。一般采用容量法来校核空载线路末端电压。根据宿东电厂及姬村变以及之间线路的参数：宿东水电厂机组纵轴暂态电抗 XD=0.292，姬村变 XT=0.115. 线路 XL=0.187经计算：宿东电厂 110kV 母线电压为 1.05，姬村变 110kV 母线电压为 1.07，汇源电厂 110kV 母线电压为 1.08。宿州电网黑启动方案中，“宿东水电厂一姬村变一汇源电厂”这一恢复路径电压等级为 110kV。并且路径长度仅 9.6km，不存在明显的电容效应，所以过电压的倍数较低，所以这一路径内的设备绝缘水平都可以达到要求。但为了防止对空载设备进行合闸操作时产生的一些其他的非正常原因的过电压，在技术条件允许的情况下尽量使宿东电厂的机组极端电压在最小值。并且需要使用同期装置并入电网。
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总结
伴随着电网的快速发展，电网也不可能避免的会出现各种故障。尤其是一些大型发电机、枢纽变电站、关键联络线的故障、可能引起系统稳定的破坏，如果引发了事故的扩大，就可能造成大面积的停电，甚至出现本文所说的系统全“黑”的情况出现。对国家和地区带来巨大的经济损失，还可能威胁到人身的安全。宿州电网的结构近些年不断的完善，尤其是 220kV 网架已非常坚强。但作为一个受端电网，仍存在全停的风险。所以制定宿州电网黑启动方案有着十分的必要性。本文对宿州电网黑启动方案研究和应用做了详细的介绍，主要有以下内容:1、对国内外黑启动研究情况进行简单介绍，对黑启动过程及的各种技术难点做了阐述。并对分布式电源在黑启动中的可行性做了初步探索。2、根据宿州电网的网架结构及实际情况，确定了宿东电厂为宿州黑启动电源，“宿东水电厂一 220kV 姬村变一汇源电厂”为启动路径，按照操作原则详细制定了宿州电网黑启动方案，确定了恢复过程。3、通过对黑启动路径在自励磁、过电压、系统稳定性等方面的计算分析来验证了方案的可行性。总之,本文对黑启动的过程以及问题做了细致的分析与研究；对电网在进行黑启动时的要求和注意事项做了阐述。完整的制定了针对宿州电网实际的可行的黑启动方案。
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参考文献（略）
