電力系統黑啟動

電力系統黑啟動指整個系統因故障停運後，不依賴別的網路的幫助，通過系統中具有自啟動能力的機組的啟動，帶動無自啟動能力的機組，逐步擴大電力系統的恢復範圍，最終實現整個電力系統的恢復。

基本介紹

• 中文名：電力系統黑啟動
• 外文名：Power system black start
• 對象：電力系統
• 原因：系統故障停運
• 目的：實現系統電力恢復
• 學科：電力科學

釋義

電力系統黑啟動指整個系統因故障停運後，不依賴別的網路的幫助，通過系統中具有自啟動能力的機組的啟動，帶動無自啟動能力的機組，逐步擴大電力系統的恢復範圍，最終實現整個電力系統的恢復。

發展歷程

電力系統黑啟動問題最初在20世紀80年代由美國學者提出，1998年國家科技部將電力系統恢複方案作為科研項目的子課題之一，標誌著我國黑啟動研究的開始。近年來國內逐漸將電網是否具有黑啟動能力作為考核電網是否安全的重要指標。各區域、省公司都加大了對電網黑啟動研究工作的投入，制定了與地區電網實際情況相適應的黑啟動方案，相繼進行了黑啟動試驗並獲得成功。如今新能源發電的占比越來越大，預計到2020年風電、光伏裝機容量將分別達到210GW和110GW，將新能源發電引入到黑啟動研究中成為了當下熱點，許多專家和學者提出了新思路並取得了初步成果。

內容介紹

大停電事故後的恢復，即電力系統恢復，其總目標是在系統全黑或部分停電的情況下安全、快速地恢復電網供電，最大限度地減少電網大停電的影響。電力系統的恢復過程分為黑啟動、網架重構和負荷恢復3個階段。黑啟動電源自啟動並向發電廠供電形成子系統，之後各子系統並列，通過區域內重要變電站及輸電線路逐步恢復系統主幹網架，最後進行大規模的負荷投入，實現電網恢復正常供電。電力系統恢復過程漫長且複雜，3個階段完成大約需要8～10h。

黑啟動階段的恢復操作主要包括啟動電源的自啟動、輸電線路充電、啟動發電廠大型機組、被啟動機組併網恢復發電能力及投入一定量的負荷以保證系統的穩定，整個過程大約歷時30～60min。

關鍵技術

黑啟動中的關鍵技術如圖所示。經過幾十年的不懈研究，圖中許多關鍵技術也逐漸成熟。這些關鍵技術不僅制約著黑啟動的成功，同時也影響著黑啟動的效果。在制定黑啟動方案時，選擇最佳的黑啟動電源、被啟動機組和最優的恢復路徑，直接決定了一個黑啟動方案的成敗。而在黑啟動現場實施過程中，運行人員則更加關心負荷的恢復以及面臨的安全問題。

黑啟動電源的選擇

進行黑啟動，首先要保證可靠的黑啟動電源，通過它來後續恢復其他機組和負荷。適合作為黑啟動電源的是在無外部電源條件下具有自啟動能力的機組，如常規水電、燃氣機組、新能源電源以及微電網等。當區域電網中黑啟動電源種類和數量較充足時，電源的最佳化選擇成為了關鍵問題。

目前，國內外對各類黑啟動電源特性的研究成果較多。水電機組和燃氣機組因其廠用電負荷低，啟動速度快，可在5～10min完成自啟動，成為黑啟動電源的首選。近年來，國內外利用常規的黑啟動電源多次成功進行了黑啟動現場試驗。試驗大多採用額定容量較大的水電機組來實施，充分印證了在面對電網突發性事故時水電機組是黑啟動電源的最佳選擇。

然而受地域資源條件的限制，如西北地區的水電站較少，不太可能選擇水電機組作為黑啟動電源。此時可以考慮將新能源電源作為黑啟動電源。風力/光伏發電的廠用電較少，啟動快速簡單，如果配置一定容量的儲能為風電/光伏提供外部穩定的電壓，風電/光伏便可恢復併網發電，並與儲能配合達到穩定的有功功率輸出效果。國外學者提出了一種風電黑啟動的思路，由雙饋風機和加在直流側的蓄電池構成黑啟動電源。

被啟動機組的選擇

被啟動電廠(機組)啟動成功後將作為主要電源向系統內其他電源及負荷供電，承擔後續的系統恢復任務，因此要優先考慮距離重要負荷較近的大型火電廠中的大容量機組。對於300MW以上的機組，由於廠用電較大，對小系統的衝擊較大，一般情況下也不予考慮，所以通常選擇300MW的火電機組作為被啟動機組。此外機組被成功恢復的可能性也要儘可能大。空載線路充電和空載變壓器投入產生的過電壓以及大型輔機啟動時對系統的電壓和頻率衝擊都會影響機組的成功恢復，因此在評價機組恢復成功率時需要將這些影響考慮在內。綜合考慮機組容量大小及恢復成功率來選擇被啟動機組。

黑啟動路徑的規劃

黑啟動路徑是否合理，直接影響系統恢復的速度。現代區域電網結構的複雜性使得路徑規劃問題變得尤為重要。黑啟動路徑應遵循最基本的路徑規劃原則，以儘快恢復地區電網主力電廠為目標，儘量減少啟動路徑的長度及不同電壓等級的變換，在最短時間內以最少的操作步驟恢復供電。實際上，被啟動機組恢復順序確定之後，相應的啟動路徑也就大致明確了。為了保證停機機組在規定時間內獲得啟動電源，在規劃中有時還需要考慮機組的啟動時間限制。

黑啟動階段的負荷恢復

大停電後系統恢復初期，需要及時接入一定負荷以保證系統的頻率和電壓水平，維持系統的功率平衡。負荷恢復應當在調度的統一指揮下按輪次有序恢復，根據負荷恢復的優先次序和數量，優先保證各級電力調度機構、通信部門、黨政機關、重點廠礦企業的保全負荷等重要負荷的供電，同時兼顧電網的穩定及恢復速度進行負荷的有序投切。

對於黑啟動過程中的負荷恢復，不同的恢復要求決定著恢復負荷的優先等級與數量。為了平衡發電機組出力，要求在儘可能小的有功功率需求下儘快恢復重要等級高的負荷；為了防止空載線路充電時出現過電壓，線上路兩端投入適量無功負荷，同時注意時刻監測線路的過負荷情況，一旦出現及時停用部分負荷。

黑啟動安全校驗

電力系統黑啟動涉及發電機自啟動、線路與變壓器充電、電廠輔機啟動、機組併網、負荷投入等操作。由於恢復初期系統比較薄弱，為保證恢復操作的安全性並確保系統黑啟動成功，需要對上述操作進行安全校驗。

研究展望

今後，電力系統黑啟動的研究熱點和發展趨勢應集中在以下幾點。

新能源黑啟動

如今，風電/光伏發電正在逐步成為主力電源，這使得將其作為黑啟動電源成為可能。新能源黑啟動的關鍵在於儲能與新能源電源的配合，儲能在風電/光伏系統中的配置問題以及如何協調二者共同穩定運行是今後的研究重點。

風儲/光儲系統的結構不同，相應的儲能容量配置也會不同，雖然有學者根據電池儲能系統的有功功率與無功功率的輸出極限初步確定了其容量配置，但對這樣確定的依據沒有進行充分論證。今後可以綜合考慮黑啟動時間以及對儲能有功功率、無功功率的需求，來最佳化儲能的容量配置。

研究有效的儲能與風電/光伏的協調運行控制策略，使得風電/光伏系統能夠由併網運行狀態快速切換至黑啟動狀態，可以實現儲能型風電/光伏系統的自啟動並保持恆定的功率輸出。當機組啟動後與黑啟動電源並列運行形成小系統，找到一種合適的黑啟動電源調控策略對於維持黑啟動電源穩定輸出、保證小系統的穩定也同樣重要。

輔助決策技術

電力系統恢復過程中既包括客觀的分析校驗，又需要調度人員主觀的判斷與決策。研究並開發恢復中的各類輔助決策技術可以有效地規避因經驗不足導致實施恢復的過程中發生人為錯誤，對提升電力調度部門的恢複決策水平具有積極意義。

近年來，人們更加倚重人工智慧來輔助電力系統恢復。依靠智慧型的專家系統將恢復策略和約束條件表示成規則，可以根據系統的當前狀態在短時間內給出系統恢復的最優方案。黑啟動方案的自動生成與評估系統可以針對某一實際電網的具體狀態自動生成一組黑啟動方案，利用有效性評估方法和由專家經驗建立的知識庫對方案組中的各個方案進行評估排序，為調度人員提供一個科學、直觀的決策依據。建議下一步應不斷借鑑電網運行經驗和理論研究新成果豐富並完善黑啟動方案的評估指標，得到更能精確反映實際情況的方案排序結果以提高該評價指標體系的工程實用性，並將這些新的最佳化評估指標引入到黑啟動方案評估系統之中。

擴展黑啟動方案

目前所制定的黑啟動方案及各級電網成功實施的黑啟動試驗都是一個黑啟動電源啟動一台被啟動機組的簡單黑啟動方案。若能同時成功啟動多台機組，則可為系統後續恢復提供更大的功率支持，從而大大加快系統的恢復進程。因此，人們提出了一種擴展黑啟動方案，即在黑啟動階段以一個黑啟動電源同時啟動多台機組的恢復策略。

實際上，某些黑啟動電源如大型的抽水蓄能電站能提供較大的初始啟動功率且有較好的進相運行能力，完全可以做到在黑啟動階段同時啟動多個電廠的機組並形成穩定的初始小系統。因此，擴展黑啟動方案作為簡單黑啟動方案的發展與延伸，將成為今後黑啟動方案制定中的研究熱點。簡單黑啟動中涉及的關鍵技術，都應該在擴展黑啟動方案的背景下加以考慮。

黑啟動實施操作

原則上以事先編制好的黑啟動預案來指導黑啟動的實施，但在實際現場中可能會面臨許多突髮狀況，需要運行人員依據經驗對預案做出調整，可見實際操作與方案編制之間存在差異。

例如，2005年9月26日，海南全省發生大面積停電事故。海南電網公司緊急啟用事先編制好的黑啟動預案，歷時4小時恢復主網和主力電廠以及重要負荷的供電。然而在實際黑啟動實施過程中，其中2套方案中的黑啟動電源因出線故障送電失敗，不能採用；最具備併網條件的黑啟動電源，由於黑啟動過程中各操作控制配合不當也未能最先成功併網發電。

鑒於黑啟動實際操作與黑啟動預案編制存在差異，為了保證黑啟動的成功率，有必要事先建立多套黑啟動方案，每套方案都應該經過試驗/仿真檢驗，做到詳細完備。同時要求現場運行人員操作規範，配合準確，並能夠根據當前線路及各機組狀況及時靈活地調整黑啟動方案，保證黑啟動順利進行。