分布式電源在地方電網(wǎng)黑啟動中的可行性研究

杜 俊 蘇海智

金華電業(yè)局 浙江 金華 321017

0 引言

隨著我國電網(wǎng)發(fā)展的日益完善，結構日益復雜,發(fā)生永久性故障導致電網(wǎng)大面積停電的可能性也越來越大。各地電網(wǎng)針對容易出現(xiàn)大面積停電事故都制定了詳細的黑啟動方案，但黑啟動方案的關鍵點即黑啟動電源，其中最常用的水電廠，在枯水期及水資源匱乏地區(qū)，既要滿足居民及工業(yè)用水，又要保證電力供應，壓力非常大，時常二者無法兼顧。此時新能源的特性便凸顯出來，帶有儲能裝置的風能發(fā)電廠及太陽能發(fā)電廠等分布式電源能夠較好地避免外力因素的影響，并很好地作為黑啟動電源。

1 分布式電源介紹

分布式電源（distributed generation，DG）是指功率不大（一般幾十kW到幾十MW）、建設在負荷中心附近的、模塊式采用先進信息控制技術的智能發(fā)電形式，具有環(huán)保、經(jīng)濟、高效、開停機方便、負荷調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)勢。雖然DG具有不可比擬的優(yōu)越性，但由于其種類繁多，數(shù)學模型及在電網(wǎng)中承擔的任務不盡相同，所以不能按照常規(guī)電源進行處理。一般通過DG能否作為系統(tǒng)的黑啟動電源來劃分，可分為黑啟動分布式電源 （black-start DG，BDG）與非黑啟動分布式電源（non black-start DG，NBDG）。BDG包括聯(lián)合發(fā)電機組、無源逆變器及他勵發(fā)電機組等，還包括帶有儲能裝置的風能發(fā)電及太陽能發(fā)電。這類可作為系統(tǒng)的黑啟動電源。NBDG包括他勵發(fā)電機組和不帶有儲能裝置的風能發(fā)電及太陽能發(fā)電等，該類DG不能作為系統(tǒng)的黑啟動電源。

2 黑啟動方案分析

電網(wǎng)黑啟動是指整個系統(tǒng)因故障停運后，不依賴其他網(wǎng)絡的幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力機組的啟動，帶動無自啟動能力的機組，逐步擴大電力系統(tǒng)的恢復范圍，最終實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)恢復的過程［1］。對于地市級供電公司來說，電網(wǎng)管轄范圍以城市為主，一般沒有或很少有大型水電廠或大容量燃煤機組，主要以小容量燃煤、燃油機組、小型水電廠發(fā)電機為主。地方電網(wǎng)的黑啟動能力與這些機組的自啟動能力有很大關系。以往主要是利用本地能夠自啟動的水電廠或火電廠孤島運行或帶小網(wǎng)運行，逐步恢復地方電網(wǎng)的重要負荷，甚至啟動本地所有機組并恢復整個地方電網(wǎng)的供電。因水力發(fā)電廠結構簡單，廠用電少，啟動速度快常常成為黑啟動電源的首選，然而隨著DG與常規(guī)電力系統(tǒng)并網(wǎng)技術的逐漸成熟，DG的作用及優(yōu)勢日益凸現(xiàn)，并逐漸取代水力發(fā)電廠，使其開始成為黑啟動電源的首選。

在選定黑啟動電源后，我們進一步對黑啟動方案展開分析。在制定黑啟動方案時，一般先將系統(tǒng)劃分成幾個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)依靠本區(qū)域內(nèi)的黑啟動電源分別同時獨立啟動，然后再將整個電網(wǎng)逐步連接，完成全網(wǎng)由黑啟動到正常供電的運行。通常在故障發(fā)生后DG可分為兩種情況，存留的分布式電源（Surviving Distributed Generation，SDG）和分離的 分 布 式 電 源 （NON SurvivingDistributed Generation，NSDG）。SDG是故障發(fā)生后仍和公共電網(wǎng)保持并網(wǎng)運行的DG，而NSDG是在故障發(fā)生后與公共電網(wǎng)分離的DG。故障發(fā)生時，當DG與公共電網(wǎng)分離后，DG仍繼續(xù)向所在的獨立電網(wǎng)輸電，該獨立運行的電網(wǎng)稱為孤島。根據(jù)IEEE 929-2000［2］標準，DG系統(tǒng)應盡量避免孤島的出現(xiàn)。主要考慮以下問題：1）對電網(wǎng)負載或人身安全的危害。用戶或線路修試人員不一定知道分布式供電系統(tǒng)的存在。2）供電質(zhì)量問題。沒有大電網(wǎng)的支持，分布式供電系統(tǒng)難以符合各方面的需求，如電壓波動、頻率波動及諧波等技術指標。3）電力公司對電網(wǎng)的管理要求。因為孤島狀態(tài)脫離了電力管理部門的監(jiān)控而獨立運行，是不可控和高隱患的。4）系統(tǒng)安全運行問題。孤島運行增加了系統(tǒng)保護和控制難度，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定難以保證。所以按照此標準，在故障下，必須跳開饋線上所有DG，如部分DG未能跳開，通過孤島檢測裝置檢測到孤島后控制DG跳閘。該標準最大的問題是供電可靠性低。也與我們的要求不符。我們要求在系統(tǒng)大面積停電時，DG能快速提供電源，獨立啟動各子系統(tǒng)，然后再將整個電網(wǎng)逐步連接，完成全網(wǎng)由黑啟動到正常供電的運行。而孤島就是一個小的子系統(tǒng)，是快速恢復的一個重要環(huán)節(jié)。所以我們選用IEEE 1547-2003標準，該標準不再禁止有意識的孤島存在，而是鼓勵供電方和用戶盡可能通過技術手段實現(xiàn)孤島運行，并在經(jīng)濟方面達成共識［3］。DG并網(wǎng)最常用的模式是斷路器接口模式，其基本模型見圖1。該模式下，斷路器1的動作時間小于斷路器2，發(fā)生故障后，斷路器1先于2跳閘，DG直接進入孤島運行模式給A供電。當需要再次并網(wǎng)時，只需對該孤島用斷路器同期并列既可。該模式能避免對用戶A的供電中斷，對供電可靠行要求高的用戶較為適用。

圖1 斷路器接口模式

在此基礎上還延伸出多用戶孤島運行模式，即故障后DG在給當?shù)赜脩艄╇姷幕A上，還可根據(jù)自身的容量裕度給饋線上的其他負荷供電。

3 DG作為黑啟動電源的條件及啟動步驟

3.1 條件

1）電網(wǎng)可實現(xiàn)遠程控制，并能自動完成故障檢測與隔離操作。

2）所有DG均可控，且其操作狀態(tài)可實時監(jiān)測。

3.2 根據(jù)DG并網(wǎng)模式，我們可制定以下恢復步驟

1）故障發(fā)生后對故障饋線上的DG，若為NBDG，為保證電能質(zhì)量，直接跳開其出口斷路器；對BDG，斷開并網(wǎng)斷路器，采用斷路器接口的孤島運行模式為當?shù)赜脩艄╇?。當BDG的容量小于當?shù)赜脩舻呢摵晒β蕰r，需進行甩負荷操作。非故障饋線上的DG可繼續(xù)保持并網(wǎng)運行。

2）故障定位、隔離后，搜索失電區(qū)域，采用傳統(tǒng)的配電網(wǎng)故障恢復算法進行處理，區(qū)別僅在于潮流計算中需要考慮DG的影響。

3）若網(wǎng)絡中還有未恢復區(qū)，轉(zhuǎn)步驟4，否則轉(zhuǎn)步驟5。

4）考慮故障饋線上所有的BDG，對未恢復區(qū)搜索恢復路徑，若找到，進入多用戶孤島運行模式，否則維持當前的運行狀態(tài)。對每個孤島建立無自啟動能力電廠的廠用電快速通道。

5）對網(wǎng)絡中所有的NSDG（包括孤島運行單元和跳開的DG單元）進行同期操作，再次并網(wǎng)。在此階段，繼續(xù)搜索最優(yōu)開關策略，如果開關狀態(tài)有變化，則在并網(wǎng)完成后對開關狀態(tài)進行調(diào)整，否則，保持當前狀態(tài)。

6）故障清除后，恢復到故障前的運行方式。

恢復策略是否可行以及子系統(tǒng)的劃分和快速通道的制定等我們也可以通過帶DG的潮流計算來證明。現(xiàn)在配電網(wǎng)潮流計算一般都用直接法，前代回退法和牛頓拉夫遜法［4］。本文以牛頓拉夫遜法來實現(xiàn)分布式發(fā)電系統(tǒng)三相潮流計算。對于內(nèi)燃機和傳統(tǒng)燃氣輪機等分布式電源一般采用同步發(fā)電機，因此可以處理成PV節(jié)點。光伏發(fā)電、部分風力發(fā)電機組、微型燃氣輪機和燃料電池等分布式電源一般通過逆變器接入電網(wǎng)，所以可以看做PI節(jié)點。而大多數(shù)風力發(fā)電機組采用異步發(fā)電機，所以可以看做 P恒定，V 不定，Q 受 P、V 限定的 P、Q （V）節(jié)點。

含分布式電源的牛頓-拉夫遜法三相潮流求解方程為

J為雅克比矩陣，△S為節(jié)點的三相有功和無功功率不匹配列向量，△V為節(jié)點三相電壓的修正列向量；

對△S的計算要針對不同節(jié)點類型進行處理：

（1）PQ節(jié)點和能轉(zhuǎn)換成PQ節(jié)點的節(jié)點（PI節(jié)點和P、Q（V）節(jié)點）需要得到至少本次迭代為恒定數(shù)值的有功和無功功率的給定值Pip和Pip，則第k次迭代的△S（k）的計算如下：

其中：i=1，2，…，n-1；p=a，b，c。

（2）PV節(jié)點和能轉(zhuǎn)換為PV節(jié)點的節(jié)點，只需要得到至少本次迭代為恒定數(shù)值的有功功率和電壓幅值的給定值Pip和Vip，其對應的△U為0。則k次迭代的△S（k）的計算只需計算其有功功率部分：

其中：i=1，2，…，n-1；p=a，b，c。

解方程（1）即可得△V列向量。用計算得到的△V的值來修正各節(jié)點的電壓值，進行下一步迭代，直至滿足收斂判據(jù)。

4 算例分析

如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)故障模式

1）當B點發(fā)生故障，斷路器1、2斷開，隔離故障，檢測到NBDG，斷開斷路器3，檢測到BDG斷開斷路器4，對用戶A直接送電，并計算A的負荷，當BDG容量小于負荷時，甩負荷。

2）隔離故障點B后搜索失電區(qū)域，檢測到用戶A失電后，用公式 （2）、（3）計算節(jié)點的PQ和PV。搜索對A用戶供電的快速通道，如容量不夠，限制A用戶負荷后通過BDG恢復送電。

3）將NBDG并網(wǎng)運行，調(diào)整運方。

4）清除故障，恢復運行方式。

5 黑啟動過程中需注意以下問題

1）事故發(fā)生后明確發(fā)電廠或變電所的一、二次設備初始狀態(tài)。

2）恢復過程中電源點機組的啟動和用戶端負荷的恢復交替進行，并保留一定的出力裕度。黑啟動過程中，多個用電設備同時啟動，會產(chǎn)生一個瞬時沖擊，需要加以注意。

3）黑啟動過程中應將逆功率保護臨時改信號，待機組穩(wěn)定運行并帶一定負荷后再恢復。

4）事故后交流消失，注意節(jié)約直流電源，關閉不必要的設備，盡量延長直流供電時間。

5）正確選擇快速通道上主變調(diào)壓系統(tǒng)的操作機構。

6）選擇同期裝置可靠的并列點。

7）協(xié)調(diào)調(diào)度關系，統(tǒng)一指揮權。

6 結語

國際能源的緊缺，新能源技術的不斷進步，促使了分布式發(fā)電技術的迅猛發(fā)展。無論從節(jié)能方面還是提供系統(tǒng)安全性和靈活性角度，分布式發(fā)電系統(tǒng)都是傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的一個重要補充。由于地方電網(wǎng)設備較多，DG類型較復雜，設備的調(diào)度權限相對繁冗，因此其黑啟動方案的制定也是一個甚為復雜的過程。本文對DG作為黑啟動電源及恢復策略展開了詳細的分析敘述，并指出了黑啟動方案中應注意的一些問題。但由于我國的分布式發(fā)電技術尚處起步階段，故而僅對DG在地方電網(wǎng)黑啟動方案中的應用進行粗略的探討，并不成熟，許多工作還有待進一步的深入研究。

［1］熊惠敏，房鑫炎，郁惟鏞等.電力系統(tǒng)全網(wǎng)停電后的恢復——黑啟動綜述 電力系統(tǒng)及其自動化學報，1999，11（03）：12-17.

［2］IEEE Std 929-2000 IEEE recommended practice for utility interface of photovoltaic(PV)system.2000.

［3］ZEINTELDIN H H,BHATTACHARYA K,EI-SAADANY EF,et al.Impact of intentional islanding of ditributed generation on electricity market prices.IEE Proceedings-C,2006，153（02）:147-154.

［4］陳海焱，陳金富，段獻忠.含分布式電源的配電網(wǎng)潮流計算［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30（01）：35-40.