一种考虑单电源带动多种辅机的黑启动建模方法与流程

1.本发明涉及电力系统安全运行领域，具体涉及一种考虑单电源带动多种辅机的黑启动建模方法。


背景技术：

2.大停电是电力系统一直以来面临的严重威胁，随着电力系统规模的日益扩大、间歇性新能源的高比例接入以及社会对电力供应依赖程度的不断提高，大停电事故造成的影响也越来越大，黑启动作为大停电事故的安全防御重要措施之一，对于减轻恢复负荷负担、加快电力系统恢复速度、减小大停电事故带来的恶劣影响具有重要意义。
3.黑启动过程是电网运行的一种非正常的特殊运行方式，在电力系统大范围失电的情况下，依靠选定的自启动机组维持电压和频率的稳定并带动其他无自启动能力的机组恢复供电。整个过程分为黑启动阶段、网络重构阶段、负荷恢复阶段三个阶段，在黑启动阶段成功后，下一步是送电给启动电源的附近电厂，带动其辅机运行，使附近电厂的电源尽快开机形成一个相对于单一电源更稳定的多电源小系统。由于黑启动工况复杂，会出现意想不到的事故和问题，尤其是黑启动电源启动具备供电能力后带动相邻电厂启动实现以点带面的电网恢复过程中，有必要对整个过程进行仿真分析以提前发现潜在故障，从而制定应对措施。然而目前已有的对电力系统黑启动方案仿真建模的研究仅侧重于考虑黑启动阶段的空充母线的过电压问题，郭袅、祖光鑫在《基于adpss电磁暂态仿真的黑龙江电网供电能力恢复初期过电压问题研究》中针对黑龙江电网搭建黑启动路径的电磁暂态仿真模型，并计算分析了恢复供电过程中的220kv母线过电压情况。未发现黑启动电源启动后带动附近电厂辅机启动过程进行仿真分析的文献，而实际黑启动试验表明在带动附近电厂辅机过程中电动机将消耗巨大的功率，导致系统的电压和频率受到巨大冲击，严重影响对黑启动结果的评价。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供了一种考虑单电源带动多种辅机的黑启动建模方法，本发明在已有的黑启动建模基础上增加了对单电源带动火电厂多种主要辅机的建模研究，分别建立了锅炉给水泵、凝结水泵、送风机、引风机、磨煤机的电磁暂态模型，对黑启动成功后带动火电厂多个辅机运行的过程进行仿真计算，将计算结果纳入黑启动方案的评价，该方法可以丰富对黑启动试验方案的评价依据，大大提高黑启动仿真建模的准确性和参考价值。具体技术方案如下：
5.一种考虑单电源带动多种辅机的黑启动建模方法，包括以下步骤：
6.s1：根据黑启动方案搭建单电源带动多种辅机的黑启动多源小系统模型，包括单电源模型、若干空充母线模型、辅机模型；所述单电源模型、若干空充母线模型、辅机模型依次连接，其中辅机模型包括锅炉给水泵、凝结水泵、送风机、引风机、磨煤机的电磁暂态模型；
7.s2：制定单电源对黑启动多源小系统模型进行分段启动的仿真方案，在各空充母线模型和辅机模型中加入时控元件，分别设置时控元件的开断时刻，用于模拟黑启动多源小系统模型中各元件的启动顺序；
8.s3：对建立的单电源带动多种辅机的黑启动多源小系统模型进行电磁暂态仿真计算，根据仿真输出的黑启动电源的发电机的机端电压、定子电流是否超过额定值，判断仿真方案中的发电机组是否会产生自励磁；
9.根据仿真输出各空充母线电压是否超标，判断仿真方案中的各段空载线路是否会产生过电压；
10.根据辅机的极端电压及系统频率判断仿真方案中的黑启动多源小系统模型是否会发生低频振荡。
11.优选地，所述凝结水泵的建模过程如下：
12.由电动机微分方程可得式(1)：
[0013][0014]
式中，ka为电动机传递系数，tm为电动机时间常数，u(t)为t时刻电动机端电压，为t时刻电动机转子的转速；
[0015]
对上式进行拉普拉斯变换得到传递函数并考虑电动机到水泵间的齿轮传递，得到传递函数如式(2)：
[0016][0017]
式中，ω(s)为拉普拉斯变换后发电机转子转速，u(s)为拉普拉斯变换后发电机端电压，i为齿轮传动比；由于q(s)h＝ηω(s),故传递函数也可以写为式(3)：
[0018][0019]
式中，q(s)为拉普拉斯变换后的凝结水泵出口流量，η为水泵传递系数。
[0020]
优选地，所述锅炉给水泵的建模过程如下：
[0021]
锅炉给水泵的功率与扬程存在如式(4)所示关系：
[0022][0023]
式中，δp为给水泵功率变化量，h为给水泵的扬程，ρ为水的密度，g为重力加速度，由于δp＝δwmf，故经拉普拉斯变换可得到式(5)：
[0024][0025]
式中，mf为电动机阻力矩，kf为阻力矩比例系数，δw为转速变化量；在额定转速情况下，泵的扬程和流量的关系可用式(6)进行拟合：
[0026]
h＝α βq γq2；
ꢀꢀ
(6)
[0027]
式中，q为锅炉给水泵流量，α、β、γ为常系数，由实际的泵特性决定；进行线性化处理后可得式(7)：
[0028][0029]
式中，k
ei
为分段线性化后第i段的流量扬程比例系数，不同的段其k
ei
值不同。
[0030]
优选地，所述送风机、引风机的建模过程如下：
[0031]
所述送风机、引风机通过改变入口挡板开度调节送风、引风流量，故传递函数为式(4)：
[0032][0033]
式中，λ为送风机或引风机效率，ka为电动机传递系数，tm为电动机时间常数，i为齿轮传动比，q(s)为拉普拉斯变换后的凝结水泵出口流量，u(s)为拉普拉斯变换后发电机端电压。
[0034]
优选地，所述磨煤机的建模过程如下：
[0035]
所述磨煤机包括研磨机构和煤粉分离器，所述研磨机构用一阶惯性环节表示如下：
[0036][0037]
式中，ma(s)为拉普拉斯变换后进入研磨机构的煤粉量，m0(s)为拉普拉斯变换后进入分离器的煤粉量，tc为制粉惯性时间常数。
[0038]
磨煤机的煤粉分离器用于煤粉分离，其动态过程可用下式表示：
[0039]
m0(s)＝kbmb(s)；
ꢀꢀ
(10)
[0040]
式中，mb(s)为分离器出口的的煤粉量，kb为煤粉循环系数；
[0041]
结合电动机微分方程，得到传递函数如下：
[0042][0043]
其中，ka为电动机传递系数，tm为电动机时间常数，i为齿轮传动比，u(s)为拉普拉斯变换后发电机端电压。
[0044]
优选地，所述步骤s1还包括验证建立的辅机模型的准确性，具体为：记录各辅机启动后的有功出力，并与现场实测的各辅机有功出力进行对比，相对误差在设置范围内，则判断建立的辅机模型准确，若是相对误差不在设置范围内，则需重新建立对应的辅机模型。
[0045]
优选地，所述步骤s2中设置时控元件的开断时刻的方法具体为：从单电源模型到辅机模型的时控元件的开断时刻依次增加。
[0046]
优选地，所述步骤s3中采用波形图的方式展示黑启动过程的暂态响应特性。
[0047]
本发明的有益效果为：本发明针对黑启动成功后带动附近电厂的辅机阶段进行建模，建立了黑启动多源小系统模型，并从发电机自励磁、空载线路过电压及带动辅机过程中的低频振荡三个主要方面进行黑启动方案分析评估，用波形图的方式明确展示黑启动过程中的暂态响应特性，仿真结果作为判断模型对应的黑启动方案是否安全的可靠的有力依据。本发明基于已有的黑启动建模仿真分析母线过电压问题，通过对火电厂多种主要辅机进行建模，增加了对黑启动方案中黑启动电源启动具备供电能力后带动相邻电厂启动的电
网恢复过程的仿真分析，实现了对黑启动方案全过程的潜在风险发掘，填补了已有建模仿真在分析过程及内容上的不足，大大提高黑启动仿真建模的全面性、准确性和参考价值。
附图说明
[0048]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0049]
图1为本发明的方法流程图
[0050]
图2为本发明实施例中建立的黑启动多源小系统模型示意图；
[0051]
图3为本实施例中建立的凝结水泵模型图；
[0052]
图4为本实施例中建立的锅炉给水泵模型图；
[0053]
图5为本实施例中建立的送风机或引风机模型图；
[0054]
图6为本实施例中建立的磨煤机模型图；
[0055]
图7为给水泵仿真的有功出力曲线与现场实测的有功出力曲线对比图；
[0056]
图8为凝结水泵仿真的有功出力曲线与现场实测的有功出力曲线对比图；
[0057]
图9为引风机仿真的有功出力曲线与现场实测的有功出力曲线对比图；
[0058]
图10为送风机仿真的有功出力曲线与现场实测的有功出力曲线对比图；
[0059]
图11为广西某片区电网黑启动试验系统模型图；
[0060]
图12为本实施例中a电厂1#机的机端电压仿真图；
[0061]
图13为本实施例中a电厂1#机的定子电流仿真图；
[0062]
图14为本实施例中母线i的电压曲线仿真图；
[0063]
图15为本实施例中母线ii的电压曲线仿真图；
[0064]
图16为本实施例中母线iii的电压曲线仿真图；
[0065]
图17为本实施例中b电厂辅机机端电压的仿真图；
[0066]
图18为本实施例中模型的系统频率的仿真图。
具体实施方式
[0067]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0068]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0069]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0070]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0071]
如图1所示，一种考虑单电源带动多种辅机的黑启动建模方法，包括以下步骤：
[0072]
s1：根据黑启动方案搭建单电源带动多种辅机的黑启动多源小系统模型，包括单电源模型、若干空充母线模型、辅机模型；所述单电源模型、若干空充母线模型、辅机模型依次连接，其中辅机模型包括锅炉给水泵、凝结水泵、送风机、引风机、磨煤机的电磁暂态模型。如图2所示，以a电厂作为黑启动的单电源模型，以b电厂的锅炉给水泵、凝结水泵、送风机、引风机、磨煤机等作为辅机。a电厂作为黑启动电源，b电厂作为另一电源，构成黑启动多源小系统模型，用于模拟a电厂(黑启动电源)带动b电厂的辅机，b电厂的辅机启动之后带动b电厂启动的过程。
[0073]
其中，凝结水泵的建模过程如下：
[0074]
由电动机微分方程可得式(1)：
[0075][0076]
式中，ka为电动机传递系数，tm为电动机时间常数，u(t)为t时刻电动机端电压，为t时刻电动机转子的转速；
[0077]
对上式进行拉普拉斯变换得到传递函数并考虑电动机到水泵间的齿轮传递，得到传递函数如式(2)：
[0078][0079]
式中，ω(s)为拉普拉斯变换后发电机转子转速，u(s)为拉普拉斯变换后发电机端电压，i为齿轮传动比；由于q(s)h＝ηω(s),故传递函数也可以写为式(3)：
[0080][0081]
式中，q(s)为拉普拉斯变换后的凝结水泵出口流量，η为水泵传递系数。凝结水泵模型如图3所示，图中，k
ω
为转速调节系数。
[0082]
锅炉给水泵的建模过程如下：
[0083]
锅炉给水泵与凝结水泵原理相似，但锅炉给水泵的功率与扬程存在如式(4)所示关系：
[0084][0085]
式中，δp为给水泵功率变化量，h为给水泵的扬程，ρ为水的密度，g为重力加速度，由于δp＝δwmf，故经拉普拉斯变换可得到式(5)：
[0086][0087]
式中，mf为电动机阻力矩，kf为阻力矩比例系数，δw为转速变化量；在额定转速情况下，泵的扬程和流量的关系可用式(6)进行拟合：s是拉普拉斯变换中的频域变量。
[0088]
h＝α βq γq2；
ꢀꢀ
(6)
[0089]
式中，q为锅炉给水泵流量，α、β、γ为常系数，由实际的泵特性决定；进行线性化处理后可得式(7)：
[0090][0091]
式中，k
ei
为分段线性化后第i段的流量扬程比例系数，不同的段其k
ei
值不同。可得锅炉给水泵模型如图4所示。
[0092]
送风机、引风机的建模过程如下：
[0093]
所述送风机、引风机通过改变入口挡板开度调节送风、引风流量，故传递函数为式(4)：
[0094][0095]
式中，λ为送风机或引风机效率，ka为电动机传递系数，tm为电动机时间常数，i为齿轮传动比，q(s)为拉普拉斯变换后的凝结水泵出口流量，u(s)为拉普拉斯变换后发电机端电压。送风机或引风机的模型如图5所示。tf为风量流经挡板的时间常数，kd为风机挡板调节系数。
[0096]
磨煤机的建模过程如下：
[0097]
所述磨煤机包括研磨机构和煤粉分离器，所述研磨机构质量大、惯性大，用一阶惯性环节表示如下：
[0098][0099]
式中，ma(s)为拉普拉斯变换后进入研磨机构的煤粉量，m0(s)为拉普拉斯变换后进入分离器的煤粉量，tc为制粉惯性时间常数。
[0100]
磨煤机的煤粉分离器用于煤粉分离，其动态过程可用下式表示：
[0101]
m0(s)＝kbmb(s)；
ꢀꢀ
(10)
[0102]
式中，mb(s)为分离器出口的的煤粉量，kb为煤粉循环系数；
[0103]
结合电动机微分方程，得到传递函数如下：
[0104][0105]
其中，ka为电动机传递系数，tm为电动机时间常数，i为齿轮传动比，u(s)为拉普拉斯变换后发电机端电压。磨煤机模型如图6所示。
[0106]
验证建立的辅机模型的准确性，具体为：记录各辅机启动后的有功出力，并与现场实测的各辅机有功出力进行对比，相对误差在设置范围内，则判断建立的辅机模型准确，若是相对误差不在设置范围内，则需重新建立对应的辅机模型。如图7-10所示，
[0107]
s2：制定单电源对黑启动多源小系统模型进行分段启动的仿真方案，在各空充母线模型和辅机模型中加入时控元件，分别设置时控元件的开断时刻，用于模拟黑启动多源小系统模型中各元件的启动顺序。设置时控元件的开断时刻的方法具体为：从单电源模型到辅机模型的时控元件的开断时刻依次增加。例如图2中，时控元件添加情况包括：
[0108]
步骤a，黑启动阶段，由a电厂作为启动电源并投入厂用电负荷，频率控制采用小网自动模式，进行孤网运行5分钟，孤网运行的时间可根据现场设置。
[0109]
步骤b，网络重构阶段，空充小系统中的各段母线模型中，变压器1和空充各段母线
的连线上加入时控元件1，设置初始状态为断开，第一次关合时间为80s。
[0110]
步骤c，负荷恢复，启动b电厂辅机。模型中空充各段母线和变压器#2的连线上加入时控元件2，设置初始状态为断开，第一次关合时间为150s。
[0111]
s3：对建立的单电源带动多种辅机的黑启动多源小系统模型进行电磁暂态仿真计算：
[0112]
(1)针对空载线路问题，同步发电机的自励磁现象是指发电机在过大的电容负荷下电压自发上升的现象，是由于同步发电机电枢反应的助磁作用而产生定子电流，此时机端建立的电压值升高，可根据仿真输出的黑启动电源的发电机的机端电压、定子电流是否超过额定值，判断仿真方案中的发电机组是否会产生自励磁；
[0113]
(2)针对空载线路过电压问题，根据仿真输出各空充母线电压是否超标，判断仿真方案中的各段空载线路是否会产生过电压；
[0114]
(3)针对带动辅机过程中的低频振荡问题，根据辅机的极端电压及系统频率判断仿真方案中的黑启动模型是否会发生低频振荡。具体采用波形图的方式展示黑启动过程的暂态响应特性。
[0115]
广西某片区电网黑启动试验系统仿真全过程如图11所示，仿真试验步骤如下：
[0116]
(1)模拟由a电厂#1机作为黑启动电源，机组启动送电至a电厂110kv#1m母线，a电厂1#机频率控制采用自动模式(频率给定)，在110kv侧逐步投入20mw负荷，孤网运行60s；
[0117]
(2)模拟a电厂1#机切换为手动模式(有功功率恒定在20mw)，在原有20mw继续接入15mw负荷；时控元件1设置初始状态为断开，第一次关合时间为80s；
[0118]
(3)模拟a电厂1#机带35mw负荷进入稳态；
[0119]
(4)模拟空充母线i；时控元件2设置初始状态为断开，第一次关合时间为150s；
[0120]
(6)模拟空充母线ii；时控元件3设置初始状态为断开，第一次关合时间为300s；
[0121]
(7)模拟空充母线iii；时控元件4设置初始状态为断开，第一次关合时间为450s；
[0122]
(8)模拟启动b电厂1#机辅机：锅炉给水泵一台、引风机一台、送风机一台、磨煤机六台；时控元件5设置初始状态为断开，第一次关合时间为600s。
[0123]
仿真结束后分析结果如下：
[0124]
(1)黑启动阶段发电机自励磁问题：
[0125]
a电厂1#机带有功负荷35mw，容性无功10.5mvar，在黑启动阶段，a电厂1#机的机端电压、定子电流如图12和图13所示。a电厂1#机发电机额定参数如表1所示：
[0126]
表1 a电厂#1机发电机参数
[0127]
型号sf114-78/12830额定功率：114mw额定定子相电压：9.09kv额定定子相电流：2.76ka功率因数：0.875励磁电压：458v励磁电流：1300a
[0128]
由图表对比可知，a电厂1#机定子相电压及相电流在黑启动阶段完成后逐步稳定，且不超过额定值，此黑启动试验方案中发电机组不会产生自励磁。
[0129]
(2)网络重构阶段空载线路过电压问题：
[0130]
母线i、母线ii、母线iii的仿真电压曲线如图14-16所示：
[0131]
在电力设备绝缘设计中，过电压保护规程对操作电压的倍数规定如表2所示。
[0132]
表2过电压保护规程对操作过电压的倍数规定
[0133]
电压等级操作过电压的倍数规定30-65kv及以下系统4.0110-145kv系统(非直接接地)3.5110-220kv系统(直接接地)3.0330kv系统(直接接地)2.8500kv系统(直接接地)2.0
[0134]
由图表对比可知，此黑启动试验方案中各段空载线路不会产生超过规定倍数的过电压。
[0135]
(3)负荷恢复阶段低频振荡问题：
[0136]
经仿真计算得出，在b电厂辅机并入系统后，b电厂辅机机端电压及系统频率发生如图17-18所示变化，仿真结果证明，系统频率在负荷恢复后稳定在50hz且b电厂辅机投入后电压很快稳定下来，此黑启动试验方案中不会发生低频振荡。
[0137]
本发明基于已有的黑启动建模仿真分析母线过电压问题，通过对火电厂多种主要辅机进行建模，增加了对黑启动方案中黑启动电源启动具备供电能力后带动相邻电厂启动的电网恢复过程的仿真分析，实现了对黑启动方案全过程的潜在风险发掘，填补了已有建模仿真在分析过程及内容上的不足，大大提高黑启动仿真建模的全面性、准确性和参考价值。
[0138]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0139]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
[0140]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。