孤立微電網的黑啟動策略

孟 強，牟龍華，許旭鋒，朱國鋒

（同濟大學 電氣工程系，上海 201804）

0 引言

隨著世界經濟的迅速發(fā)展，對能源的需求急劇增加，微電網作為可再生能源利用方式之一受到了廣泛關注［1-2］。微電網既可與大電網聯網運行，又可以孤島方式運行，在滿足本地用戶對電能質量和供電安全要求的同時，可減少大量分布式電源滲入對電力系統的影響，具有較高的靈活性和可調度性［3-4］。

微電網的雙向潮流特性使得微電網保護的選擇性較難做到，微電網的并網和獨立運行則面臨著差異較大的短路故障電流，因此傳統配網保護策略不適用于微電網保護［5］；同時，微電網如何根據運行控制需要平滑地進行聯網和孤島運行模式切換，也給微電網的連續(xù)穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)［6］。所以，當微電網或者大電網一方發(fā)生故障時，保護元件未能正確動作，或者微電網運行模式切換失敗，將會導致整個微電網的癱瘓。倘若此時微電網能及時地進行黑啟動，再次恢復負荷供電時，將會大幅提升微電網供電可靠性，減少停電帶來的經濟損失。

微電網黑啟動，就是指在整個微電網因外部或內部故障停運進入全黑狀態(tài)后，不依靠大電網或其他微電網的幫助，僅通過啟動微電網內部具有黑啟動能力的微電源，進而帶動微電網內無黑啟動能力的微電源，逐步擴大系統的恢復范圍，最終實現整個微電網的重新啟動［7］。傳統大電網在發(fā)生系統癱瘓全黑時，由于大電網系統復雜，在黑啟動過程中的發(fā)電機自勵磁、空載線路充電過電壓和恢復初期小系統并列運行穩(wěn)定性等問題，多采用1個黑啟動電源啟動1臺被啟動機組的簡單黑啟動方案［8］。因此，傳統大電網黑啟動的研究多著重于黑啟動策略的評估方法，引入新的方法開發(fā)黑啟動決策支持系統，提高黑啟動方案的適應性等［9-10］。但是，微電網系統相對較小，結構簡單，再加上微電源的多樣性和多元性，使得微電網的黑啟動在黑啟動源的選擇、黑啟動方案的制定等方面有著很大的區(qū)別。隨著分布式電源的接入對傳統電網結構的改變，電網黑啟動的研究也逐步涉及到有分布式電源的電網的黑啟動研究，利用分布式電源的優(yōu)良特性，對大電網黑啟動提供相應的支持［11-12］。但是，對單獨的微電網的黑啟動研究還很少，所以本文從單個微電網出發(fā)，研究微電網黑啟動策略及黑啟動過程中的問題。

本文首先分析了微電源的黑啟動能力、參考源的選取及黑啟動過程中微電源控制方式的問題，提出一種基于3層多代理（Agent）系統的微電網黑啟動策略；然后，就黑啟動過程中的并聯波動問題，給出通過預同步和基于功率鎖定的模式切換方法進行優(yōu)化；最后，參照本課題組已投運的微電網實驗平臺，在MATLAB/Simulink平臺搭建由光伏、柴油發(fā)電機和蓄電池3種微電源組成的低壓微電網，通過3個黑啟動仿真實驗的對比，驗證所提出的黑啟動策略及優(yōu)化方案的有效性和可行性。

1 微電網及多代理系統組網結構

根據歐盟微電網項目提出的典型低壓微電網系統（Benchmark 0.4 kV）［13］，并結合本課題組的光 /柴 /儲微電網實驗平臺，設計了0.4 kV低壓微電網，如圖1所示：微電網和主網通過公共連接點（PCC）連接，在該處設置斷路器，通過PCC處斷路器的開閉控制微電網孤島運行和并網運行2種模式的切換。微電網內有4個負荷，在負荷2、3、4處分別接入蓄電池、柴油發(fā)電機和光伏3種微電源。

圖1 微電網結構Fig.1 Structure of microgrid

微電網的控制主要包括主從控制、對等控制和分層控制3種類型［14］，其中基于多Agent技術的分層控制從微電網全局出發(fā)，是解決微電網各單元協調運行的有效途徑，如圖1中虛線部分所示。本文采用3層控制結構，整個分層通過多Agent技術實現，通過獨立通信網絡進行信息交互，如圖2所示。

圖2 多代理結構Fig.2 Structure of multi-Agent

a.主網-微電網控制 GMGC（Grid-MicroGrid Control）層：主要負責根據主網與微電網的運行狀態(tài)需求控制微電網的孤島與并網運行切換及能量管理。

b.微電網中心控制 MGCC（MicroGrid Central Control）層：主要負責根據上層指令優(yōu)化微電網中各單元的運行狀態(tài)，并實時與下層控制器通信聯系，下發(fā)相應指令控制微電網各單元的運行。

c.微電源控制 μGC（micro-Generator Control）層和負荷控制LC（Load Control）層：主要負責直接控制微電源的運行、負荷的投切，實時上傳微電源及負荷的信息至上層。

2 微電網的黑啟動策略

2.1 微電源的黑啟動能力及參考源的選取

微電網的黑啟動主要就是依靠具有黑啟動能力的微電源進行黑啟動，進而帶動整個微電網的黑啟動，所以具有黑啟動能力的微電源有著舉足輕重的作用。在微電網中，各種微電源的能源由風力、太陽能、燃氣等清潔能源供給，其中直流微電源（如光伏）通過DC/AC（或DC/DC/AC）轉換為工頻交流電，交流微電源（如燃氣輪機）通過AC/DC/AC轉換為工頻交流電。理論上，在微電源電能轉換的直流側加裝適當的儲能設備，就能使該微電源具備黑啟動能力。但是，考慮到黑啟動微電源需要在一段時間內能獨立、穩(wěn)定帶負荷運行，一些能源供給具有較大波動或受較多因素影響的微電源是不適合作為黑啟動微電源的，如光伏微電源、風力發(fā)電微電源；而能源供給穩(wěn)定且微電源動態(tài)性能及抗擾動性能好的微型燃氣輪機、柴油發(fā)電機、燃料電池及大容量儲能單元是黑啟動微電源的首選。

在微電網的黑啟動過程中，微電網一定是脫離大電網運行在孤島模式下的，因此在分層控制的微電網中需要一個主參考源來提供系統的參考電壓及頻率。文獻［15］總結了主參考源應具備的特征，其中最重要的有：能快速實現自身的黑啟動；能夠提供穩(wěn)定的電壓及頻率；能快速跟蹤負荷變化以免產生大幅波動?？紤]到微型燃氣輪機、燃料電池及柴油發(fā)電機良好的負荷跟隨及抗擾動特性［16-17］，它們無疑是微電網黑啟動主參考源的最佳選擇。

2.2 微電源的控制方式

微電源的逆變器有多種的控制方式，本文主要采用U/f控制和PQ控制。U/f控制使微電源輸出恒定的電壓及頻率，本文采用文獻［18］所述電壓外環(huán)電流內環(huán)控制方式?；赿q變換的PQ控制通過電壓電流的解耦，得到dq坐標系下功率與電壓電流的關系，如式（1）所示。文獻［19］由式（1）設計了輸出恒定功率的PQ控制器，本文不再贅述。

由于微電源具有多樣性和多元性，微電網中可以包含多個具有黑啟動能力的微電源，在黑啟動過程中，可同時啟動這些微電源，建立多個小的網絡，再將這些網絡并聯組網，從而實現微電網的快速恢復供電。所以，各微電源在自啟動過程和并聯組網后并不是運行在某一控制方式下一成不變，而是會在不同的時期采用不同的控制方式，以滿足各個時期不同的需求。

a.有黑啟動能力的主參考源：在微電網黑啟動整個過程中始終運行在電壓控制方式下，為整個微電網提供穩(wěn)定的參考電壓和頻率，如柴油發(fā)電機、微型燃氣輪機。

b.有黑啟動能力的其他微電源：在自身帶一定負荷自啟動時，運行在電壓控制方式下，在自啟動后與主參考源并聯運行時切換至PQ控制方式，如蓄電池儲能設備、飛輪儲能。

c.沒有黑啟動能力的微電源：在黑啟動的最后階段，以主參考源提供的電壓和頻率為參考，以PQ控制方式啟動，并聯至微電網，例如光伏和風電微電源。

2.3 黑啟動策略

在傳統大電網中，電力恢復和黑啟動都是人工按照既定的程序進行手動操作的；然而，在微電網中，考慮到其系統規(guī)模小及其將來的大量應用，人工操作實施黑啟動是不合時宜的，此時，多Agent系統為解決組織實施黑啟動方案提供了有效的方法［20］。將設計好的黑啟動策略相應程序預先導入到多Agent系統中，當系統因為模式切換失敗或故障問題進入全黑狀態(tài)時，由MGCC Agent調用該程序，按照所設計的策略控制各Agent實施微電網黑啟動相應操作。黑啟動有串行恢復和并行恢復2種方法，其中同時啟動多個黑啟動微電源的并行恢復方法，恢復速度快，運行靈活，更符合微電網的結構特性。為快速恢復負荷供電，設計微電網黑啟動策略如圖3所示。

在按照圖3所示策略完成微電網黑啟動并穩(wěn)定運行之后，根據大電網的運行狀態(tài)及需要，由GMGC Agent協調控制微電網的并網運行，恢復微電網與大電網的正常運行狀態(tài)。

圖3 微電網黑啟動策略流程圖Fig.3 Flowchart of microgrid black-start strategy

3 微電源模式切換及預同步

并行恢復的黑啟動方式能快速靈活地恢復負荷的供電，但是其最大的問題是黑啟動微電源的同期并列問題，若微電網在此過程中產生大幅波動，可能會直接導致黑啟動的失敗。非主參考源的模式切換問題和兩微電源并聯時的同步問題是該過程中的2個主要問題。

3.1 模式切換

有黑啟動能力的非主參考微電源并聯至主參考源時，要從U/f控制模式切換至PQ控制模式，以主參考源提供的電壓及頻率為參考，運行在輸出恒定功率模式下。在并聯運行前，主參考源（如柴油發(fā)電機）多未滿負荷運行，留有一定裕度，用來緩沖因并聯產生的沖擊。在系統完成黑啟動恢復供電后，要求主參考源運行在額定負荷附近，在保證風力、光伏等輸出最大功率的情況下，使儲能設備盡量少地輸出功率或者轉換為充電模式。因此要求儲能微電源在并聯前后的輸出功率有較大變化，由式（1）可知，當電壓不變的情況下，若要使功率發(fā)生較大變化，輸出電流就要發(fā)生較大變化。

模式切換主要是通過切換2個不同的控制器來實現，如圖4所示，通過打開K1、合上K2實現U/f到PQ控制模式的轉換。然而，模式切換時較易產生振蕩，嚴重時會導致切換失敗。分析產生振蕩的原因，發(fā)現是由切換前后兩控制器狀態(tài)不匹配造成的。而功率變化引起的電流突變會使控制器的輸入值發(fā)生突變，導致兩控制器的狀態(tài)不匹配，從而在控制器切換過程中產生很大振蕩。

圖4 基于功率鎖存的模式切換Fig.4 Mode switching based on power latch

為解決控制器狀態(tài)不匹配導致模式切換振蕩大的問題，本文提出基于功率鎖存的模式切換方法，如圖4所示。將采集的電壓、電流信號同時輸入到兩控制器，以及輸入到功率鎖存器中計算實時的功率值，作為PQ控制的參考功率，2種模式工作原理如下：

a.U /f控制模式時，開關 K1閉合、K2打開，由功率鎖存器計算的功率提供參考，同時運行PQ控制器，以保證控制器狀態(tài)一致；

b.切換至PQ控制模式時，開關K1打開、K2閉合，由功率鎖存器計算切換前微電源的輸出功率并鎖存，為切換后的PQ控制提供參考功率，使模式切換前后微電源輸出功率、輸出電流不變，控制器的狀態(tài)在切換前后保持一致。

這樣便保證了黑啟動中微電源并聯組網的順利進行。同時，為解決儲能微電源的輸出功率問題，在黑啟動完成后再根據微電網整體最優(yōu)進行功率調整，由MGCC Agent給出參考功率值，并控制K3轉換選擇該參考值，完成微電源輸出功率的調整。

3.2 預同步

傳統發(fā)電機并聯時要求幅值相同、相位相同、頻率相同，2個微電源的并聯也是如此，而其中以相位相同尤為重要。在傳統旋轉發(fā)電機的并聯中，由于發(fā)電機的旋轉特性，在相位相差較小時，可以通過自身的調節(jié)達到并聯同步運行。但是在微電源中，主要是通過電力電子裝置，經過整流逆變得到工頻交流電，所以相位差對于2臺微電源的并聯成敗影響較大。因此，在微電源并聯之前，進行預同步顯得尤為重要。

為使2個微電源能順利實施并聯，可對待同步微電源進行預同步操作，如圖5所示。在并聯前，待同步微電源的參考值根據自身U/f控制提供，在需要進行并聯時，先由MGCC Agent控制開關K將參考值轉換為由主參考源實時提供，以此來實現與主參考源的同步運行，然后在兩微電源穩(wěn)定運行后再實施合閘并聯，這樣大幅降低了并聯運行時帶來的沖擊，增加了并聯的成功率。

圖5 預同步結構Fig.5 Structure of pre-synchronization

4 仿真分析

為驗證本文所提出的微電網黑啟動策略的可行性和優(yōu)化方案的有效性，在MATLAB/Simulink平臺搭建圖1所示微電網模型。微電網中有柴油發(fā)電機（μG1）、蓄電池（μG2）、光伏（μG3）3 個微電源，其中μG1和μG2都具有黑啟動能力，且μG1作為微電網黑啟動的主參考源，μG3不具有黑啟動能力。負荷1、2、3、4 分別為 1 kW、3 kW、4 kW、2 kW。

假設系統因故障或其他原因進入全黑狀態(tài)，在0 s時刻啟動預先設計好的黑啟動策略：

a.使具有黑啟動能力的μG1和μG2分別帶負荷3和負荷2自啟動，建立2個網絡；

b.將2個網絡并聯組網，同時μG2切換至PQ運行模式；

c.將μG3及相應負荷4和負荷1以PQ運行模式并聯至微電網；

d.對微電網整體進行優(yōu)化，調整各微電源的輸出功率。

為驗證本文所提出的優(yōu)化方案，設計3個對比實驗如下。

實驗1：初始時刻μG1和μG2自啟動，相位差為30°，不對 μG2進行預同步，0.2 s時直接與 μG1并聯組網，2個微電源輸出的有功功率如圖6所示。可以看出，在μG2未進行預同步就直接并聯的情況下，功率波動非常大，相應的電壓、電流波動也會較大，過大的暫態(tài)沖擊可能會引起微電源的保護動作，關閉微電源，從而導致并聯失敗，黑啟動無法進行。同時，在穩(wěn)定后，系統功率依然有較大的波動，不利于系統的穩(wěn)定運行。

圖6 μG1和μG2的輸出有功功率Fig.6 Active power outputs of μG1and μG2

實驗2：0.1 s時對μG2進行預同步，但是未進行功率鎖存，且將μG2的PQ控制參考功率設為2 kW，兩微電源的輸出有功功率如圖7所示。在0.2 s之前兩微電源穩(wěn)定運行，由圖可以看出在0.2 s進行并聯時，系統產生很大的暫態(tài)波動，這一過程中極易引起保護動作，從而導致并聯失敗，黑啟動無法進行；0.3 s后趨于穩(wěn)定，但μG1、μG2輸出功率分別在5 kW、2 kW附近波動，波動幅度也較大，系統運行穩(wěn)定性較差。

圖7 μG1和μG2的輸出有功功率Fig.7 Active power outputs of μG1and μG2

實驗3：0.1 s時對μG2進行預同步，0.2 s時將其與μG1并聯并采用功率鎖存切換至PQ控制模式；系統穩(wěn)定后，在0.5 s將μG3并聯至微電網，參考功率為3 kW；系統穩(wěn)定后，在0.8 s對系統進行優(yōu)化，將μG2輸出功率降為2 kW。實驗所得3個微電源的輸出功率如圖8、9所示。在模式切換進行功率鎖存和預同步后，很好地減小了μG1與μG2的并聯暫態(tài)沖擊，且響應速度快，系統穩(wěn)定后的輸出平穩(wěn)。在最后階段對系統進行優(yōu)化時，各微電源功率轉換響應快，而且穩(wěn)定。圖9所示為3個微電源的輸出無功功率，由于系統無功為0，穩(wěn)定時，3個微電源輸出無功在0附近波動，幅值小于200 var，系統穩(wěn)定運行。

圖8 3個微電源的輸出有功功率Fig.8 Active power outputs of three microsources

圖9 3個微電源的輸出無功功率Fig.9 Reactive power outputs of three microsources

由以上3個實驗可以看出，在采用了功率鎖存和預同步后，μG2的模式切換更加順利，暫態(tài)沖擊明顯減小，從而保證了本文所提微電網黑啟動策略的有效性。

5 結論

本文提出了一種基于多Agent的微電網黑啟動策略，通過分析該策略中微電源并聯組網可能產生較大波動，對此提出了控制策略優(yōu)化方案。仿真分析結果表明，該控制策略能夠快速穩(wěn)定地實現微電網的黑啟動，通過模式切換和預同步的優(yōu)化，黑啟動過程中系統的穩(wěn)定性得到了大幅提高。下一階段，將在實驗室0.4 kV光/柴/儲低壓微電網實驗平臺上，以柴油發(fā)電機為主參考源、蓄電池儲能設備為具有黑啟動能力的微電源、光伏為不具有黑啟動能力的微電源進行黑啟動實驗，進一步驗證本文所提的微電網黑啟動策略，并通過實驗完善該黑啟動策略，使之切實可行。