基于光儲電站的電網(wǎng)黑啟動可行性分析

劉夢佳， 徐青山， 朱紅， 馬洲俊

(1.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2. 國網(wǎng)南京供電公司，江蘇 南京 210008)

0 引 言

近年來，隨著智能電網(wǎng)[1]的建設(shè)，對于電力系統(tǒng)的靈活性和可靠性提出了更高的要求。考慮到自然災(zāi)害和設(shè)備故障等因素，大面積停電事故仍難以避免[2-3]。為了將停電事故的影響控制在最小范圍內(nèi)，對電力系統(tǒng)發(fā)生大停電事故后的快速黑啟動策略進(jìn)行研究顯得尤為重要。一般來說，黑啟動過程[4]包括三個階段，即黑啟動階段、網(wǎng)架恢復(fù)階段[5]和負(fù)荷恢復(fù)階段。其中電網(wǎng)恢復(fù)首要解決的關(guān)鍵問題，就是黑啟動電源的選擇和啟動[6]。

隨著電網(wǎng)中分布式新能源滲透率的提高，傳統(tǒng)模式下依賴于單個發(fā)電站實現(xiàn)大片區(qū)電力恢復(fù)的黑啟動策略會造成效率低下、黑啟動時間過長等問題，因此學(xué)者將目光投向分布式電源。分布式電源既可以在配電網(wǎng)局部失電情況下實現(xiàn)部分電能恢復(fù)和負(fù)荷轉(zhuǎn)移，又可以在大規(guī)模停電后作為輔助黑啟動電源，加快系統(tǒng)恢復(fù)速度并增強(qiáng)局部系統(tǒng)穩(wěn)定性，在黑啟動環(huán)境下具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

光伏發(fā)電[7-9]作為一種清潔能源，由于其分布范圍廣，并網(wǎng)迅速，以及具有良好的自啟動能力，在參與電網(wǎng)黑啟動的過程中有著巨大的應(yīng)用潛力[10]。隨著光伏電站容量的增大，其成本也在逐漸降低，預(yù)計在不久的將來，能極大地重塑我國發(fā)電側(cè)市場模式，在容量上和地域上對電網(wǎng)黑啟動策略起到足夠的支撐作用。因此，對基于光儲電站黑啟動的可行性、啟動特性及恢復(fù)策略進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實意義。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生大規(guī)模停電時，光伏發(fā)電可向周邊負(fù)荷提供持續(xù)的電力供應(yīng)，形成微網(wǎng)系統(tǒng)，待系統(tǒng)主干網(wǎng)架恢復(fù)之后進(jìn)行并網(wǎng)；甚至可以將配有儲能系統(tǒng)的大容量光伏電站作為黑啟動電源，直接向火電機(jī)組廠用負(fù)荷及原動機(jī)供電，啟動沒有自啟動能力的發(fā)電機(jī)組，從而在一定程度上避免重要負(fù)荷的停電損失，并加快電網(wǎng)黑啟動進(jìn)程。

本文首先建立光伏電站及儲能模塊模型，利用MATLAB/Simulink平臺搭建仿真框架，并制訂孤島運行狀態(tài)下光儲系統(tǒng)參與黑啟動的控制策略，對光儲電站作為黑啟動電源的可行性進(jìn)行了分析與討論。最后，總結(jié)了光儲電站作為黑啟動電源的應(yīng)用條件，歸納了基于光儲發(fā)電的電網(wǎng)黑啟動綜合技術(shù)原則。

1 光儲電站黑啟動仿真框架設(shè)計

1.1 光儲電站黑啟動仿真框架

孤島運行狀態(tài)下，光儲電站作為主要黑啟動電源參與電網(wǎng)黑啟動，其仿真框架如圖1所示。光伏陣列與蓄電池并聯(lián)后通過逆變和濾波環(huán)節(jié)，帶動廠用機(jī)組發(fā)電或直接恢復(fù)周邊小負(fù)荷，逐步實現(xiàn)孤島運行狀態(tài)下局部電網(wǎng)的恢復(fù)。

本文采用兩級式光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得各級變換器分工明確，設(shè)計簡化。相比于沒有儲能系統(tǒng)的光伏電站，設(shè)備的需求和電廠的造價會有所上升，且經(jīng)過兩級變換，電能的損耗率也會有所增加。

圖1 孤島運行狀態(tài)下光儲電站參與黑啟動的仿真框架

1.2 光儲電站的黑啟動運行控制策略

常見的分布式電源接口逆變器控制方法主要有PQ功率控制、下垂Droop[11]控制和恒壓恒頻V/f控制三種。在孤島運行狀態(tài)下，考慮到黑啟動過程中需要保持電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓及頻率穩(wěn)定，光儲電站交流側(cè)采用V/f控制策略[12]。圖2為本文使用的光儲電站V/f控制策略框圖。

圖2 孤島運行狀態(tài)下光儲電站V/f控制框圖

逆變器采用SPWM調(diào)制，由于孤島運行狀態(tài)下沒有電網(wǎng)提供電壓及頻率支撐，因此通過虛擬鎖相環(huán)及設(shè)定好的電壓參考值，在旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方案，保證交流側(cè)輸出的電壓和頻率穩(wěn)定在額定值，防止黑啟動失敗。

電流內(nèi)環(huán)比例控制器傳遞函數(shù)為k，電壓外環(huán)比例積分控制器傳遞函數(shù)為kup+kui/S，SPWM控制逆變器傳遞函數(shù)為kpwm，本文中取kpwm=Vdc/2。為了分開設(shè)計d軸和q軸的控制器，在強(qiáng)耦合系統(tǒng)中加入前饋解耦環(huán)節(jié)。則單軸逆變器S域控制框圖如圖3所示。

圖3 逆變器S域控制結(jié)構(gòu)框圖

選定d軸參考電壓ud-ref為基波幅值，q軸參考電壓ud-ref=0。在雙環(huán)控制方案中，電流內(nèi)環(huán)頻帶較寬，動態(tài)性能較好，能夠?qū)崿F(xiàn)實時跟蹤，相位裕度相對而言比較大，但是不如電壓環(huán)穩(wěn)定；而電壓外環(huán)相位裕度很大，超調(diào)量較小，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。采用電容電流內(nèi)環(huán)與電感電流內(nèi)環(huán)相比，系統(tǒng)穩(wěn)定性略有降低，但系統(tǒng)外特性更穩(wěn)定。

2 光儲電站參與黑啟動的可行性分析

2.1 仿真模型

孤島運行狀態(tài)下，光儲電站作為主要黑啟動電源進(jìn)行黑啟動過程的仿真模型如圖4所示。光儲電站交流側(cè)出口輸出電壓升壓至110 kV輸出，通過110 kV和10 kV線路傳輸，再降壓至380 V居民用電，逐步恢復(fù)區(qū)域電力。

圖4 孤島狀態(tài)下光儲電站黑啟動仿真模型

圖4仿真數(shù)據(jù)如下：光伏陣列輸出功率為6 000 kW，儲能模塊(鐵鎳電池)輸出功率為6 000 kW，110 kV和10 kV傳輸線路的正序阻抗為0.012 73+0.009 337j，零序阻抗為0.386 4+0.004 126 4j，長度為80 km以及15 km。

根據(jù)國家電力調(diào)度中心頒發(fā)的技術(shù)規(guī)范要求，黑啟動過程中頻率盡可能控制在49.5～50.5 Hz之間，電壓盡可能控制在0.9～1.1標(biāo)幺值之間。以此為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行光儲電站作為黑啟動電源的可行性仿真校驗。

2.2 空載線路充電對黑啟動過程的影響

在黑啟動初期階段，光儲電站需要先對空載線路進(jìn)行充電，此時主要考慮空充輸電線路的過電壓問題[13]。

黑啟動過電壓主要分為工頻過電壓和操作過電壓兩種[14]。在我國的高壓線路中一般規(guī)定線路側(cè)工頻過電壓不超過最高運行相電壓的1.4倍，母線上則不超過最高運行相電壓的1.3倍。在黑啟動過程中，操作過電壓一般出現(xiàn)在系統(tǒng)中各節(jié)點電壓從零過渡到工頻穩(wěn)態(tài)電壓的過程中。在沒有補償裝置的情況下，由于線路的電容效應(yīng)，線路末端的過電壓程度最高，因此一般在空載長線路末端進(jìn)行過電壓校驗。根據(jù)DL/T620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》標(biāo)準(zhǔn)，110 kV線路的允許最大過電壓倍數(shù)為3.0～3.5倍，10 kV線路的允許最大過電壓倍數(shù)約為4倍[15]。

本文對分段逐次合閘以及一次性合閘方式下的空載線路充電過程進(jìn)行仿真和分析。

1)分段逐次合閘方式

在分段逐次合閘方式下，0 s啟動光儲電站，待其出力穩(wěn)定之后于0.5 s對110 kV線路充電，1 s時接上10 kV空載線路。觀測到110 kV線路末端電壓、系統(tǒng)頻率波形以及A相電壓波形如圖5(a)所示。

2)一次性合閘方式

在一次性合閘方式下，0 s啟動光儲電站，在0.5 s直接對110 kV和10 kV空載線路一起充電。觀測到110 kV線路末端電壓、系統(tǒng)頻率波形以及A相電壓波形如圖5(b)所示。

圖5 空載長線充電的不同合閘方式對黑啟動過程的影響

3)仿真結(jié)果對比與分析

將兩種合閘方式的仿真結(jié)果進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，由于工頻過電壓是穩(wěn)態(tài)分量，所以合閘操作上的差異對工頻過電壓沒有影響，兩種方案最終得到的工頻過電壓系數(shù)均在1.02左右。但是，分段逐次合閘產(chǎn)生的操作過電壓系數(shù)(約為1.28)遠(yuǎn)大于一次性合閘(約為1.06)。這是考慮到斷路器的操作復(fù)雜性，在對兩段輸電線路進(jìn)行一次性合閘操作時，只需要進(jìn)行一次斷路器動作，操作步驟少，三相不同期合閘的可能性小，其所導(dǎo)致的過電壓也相應(yīng)較小。反之，雖然分段逐次合閘的充電能量總和等于一次性合閘的能量，進(jìn)而使該種情況下能量震蕩幅值減小，使可能出現(xiàn)的過電壓幅值減小，但是由于逐次充電需要兩個斷路器各動作一次，其三相不同期合閘的可能性較單次合閘大，這對實際操作中過電壓的影響可能很大。

與此同時，分段逐次合閘動作之后大約0.06 s，即三個工頻周期內(nèi)，A相諧波基本衰減完；而一次性合閘動作后一個工頻周期內(nèi)，A相諧波就已經(jīng)衰減完畢，其余兩相諧波情況與A相類似。這是由于空載長線路的分布參數(shù)特性，使得空載長線合閘充電時初期的三相過電壓可以看成是由工頻穩(wěn)態(tài)分量以及各次諧波疊加而成的。各次諧波分量因為線路的等效電阻值迅速衰減至零，且諧波次數(shù)越高，衰減速度越快。因此，在黑啟動環(huán)境下對空載長線路一次性合閘充電較為合理。

2.3 帶動廠用輔機(jī)對黑啟動過程的影響

考慮光儲電站對線路空充后帶廠用輔機(jī)運行的情況，其仿真模型略有修改，如圖6所示。仿真過程中先啟動光儲電站，然后于0.8 s對10 kV空載線路充電，待系統(tǒng)穩(wěn)定之后，在1.3 s降壓至6 kV并投入異步電動機(jī)負(fù)載。該異步電動機(jī)的仿真參數(shù)如下：輸出功率為5 600 kW，額定工作電壓為6 kV，額定頻率為50 Hz，額定電流為620 A，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

圖6 投輔機(jī)狀態(tài)下的系統(tǒng)仿真模型

通過改變光伏陣列輸出的最大功率Pmax與儲能模塊的輸出功率Pbattery，對投輔機(jī)狀態(tài)下的黑啟動系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得出的10 kV線路末端電壓波形以及系統(tǒng)頻率波形如圖7所示。

圖7 投輔機(jī)狀態(tài)下不同光伏儲能配置的10 kV線路電壓及系統(tǒng)頻率變化曲線

由圖7可以看出，投輔機(jī)狀態(tài)下，光伏和儲能協(xié)同輸出，使得電壓逐步恢復(fù)穩(wěn)定水平。當(dāng)光伏和儲能輸出功率充足時，系統(tǒng)恢復(fù)良好，黑啟動成功。但隨著儲能出力的降低，由于系統(tǒng)控制尚不能實現(xiàn)完全無差，因此頻率波動水平明顯上升，電壓恢復(fù)趨勢變緩，黑啟動時間變長。當(dāng)光伏陣列出力進(jìn)一步減少至3 600 kW時，由圖7(c)可以看出，系統(tǒng)頻率波動最高已達(dá)到0.3 Hz，超出黑啟動的規(guī)定范圍，且電壓恢復(fù)過程十分緩慢，無法滿足黑啟動要求。

通過多次仿真可知，當(dāng)光儲電站出力：輔機(jī)容量約為7∶5時，整個系統(tǒng)達(dá)到黑啟動環(huán)境下的臨界狀態(tài)，若輔機(jī)容量繼續(xù)增大或光儲電站出力繼續(xù)減小，則會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率嚴(yán)重波動且波形畸變，電壓也難以維持在規(guī)定水平之內(nèi)，導(dǎo)致黑啟動過程失敗。

3 光儲系統(tǒng)黑啟動綜合技術(shù)原則

根據(jù)上述仿真結(jié)果，歸納出基于光儲發(fā)電的電網(wǎng)黑啟動綜合技術(shù)原則。電網(wǎng)黑啟動應(yīng)首先確定停電的地區(qū)、范圍和狀況，然后依次確定本區(qū)內(nèi)電源或外部電網(wǎng)幫助恢復(fù)供電的可能性。確認(rèn)完畢后，盡快按照黑啟動方案恢復(fù)電網(wǎng)。

制訂光儲電站參與的電網(wǎng)黑啟動方案之前應(yīng)確保天氣狀況良好且相對而言較為穩(wěn)定，光照以及溫度適宜，防止因外界環(huán)境變化過大，導(dǎo)致在黑啟動過程中光儲電站對系統(tǒng)造成過大沖擊，最終導(dǎo)致黑啟動失敗的情況。

光儲電站參與的電網(wǎng)黑啟動方案應(yīng)能快速有序地實現(xiàn)電源和負(fù)荷的恢復(fù)?；謴?fù)方案中應(yīng)包括組織措施、技術(shù)措施、恢復(fù)步驟和恢復(fù)過程中應(yīng)注意的問題，電網(wǎng)保護(hù)、通信、遠(yuǎn)動、開關(guān)和穩(wěn)定控制裝置均應(yīng)滿足自啟動和恢復(fù)過程中的特殊要求。

在恢復(fù)過程中應(yīng)注意有功、無功功率平衡，防止發(fā)生電壓和頻率的大幅度波動，必須考慮電網(wǎng)恢復(fù)過程中的穩(wěn)定問題，合理投入繼電保護(hù)和安全自動裝置，防止誤動而中斷或延誤電網(wǎng)恢復(fù)。

1)光伏電站選擇原則

(1)優(yōu)先選擇自身配有儲能裝置的光伏電站，如果沒有，在參與電網(wǎng)黑啟動過程中應(yīng)調(diào)用一定容量的儲能車配合光伏電站，逐步恢復(fù)電網(wǎng)供電。

(2)優(yōu)先選擇容量較大、調(diào)節(jié)性能好和調(diào)整速度快的光伏電站。

(3)優(yōu)先選擇接入較高電壓等級的光伏電站。

(4)優(yōu)先選擇距離負(fù)荷中心較近的光伏電站。

2)儲能裝置選擇原則

(1)優(yōu)先選擇容量較大、出力較為穩(wěn)定的儲能裝置。

(2)具有足夠的調(diào)頻容量，以滿足系統(tǒng)負(fù)荷增、減最大的負(fù)荷變量。

(3)具有足夠的調(diào)整以及響應(yīng)速度，以適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷增、減最快的速度需要。

3)光伏電站啟動原則

光伏電站由于其自身特性，更適合作為輔助黑啟動電源參與電網(wǎng)的黑啟動恢復(fù)過程。此時，在光伏電站啟動前周邊電網(wǎng)應(yīng)已恢復(fù)到一定強(qiáng)度，能夠承受光伏部分啟動時對周邊電網(wǎng)的電壓沖擊及功率、頻率沖擊，確保順利啟動，避免已恢復(fù)電網(wǎng)的再次停電。

4 結(jié)束語

光伏發(fā)電作為一種清潔能源，分布范圍廣、并網(wǎng)迅速和成本越來越低，從地域上和容量上均體現(xiàn)了作為黑啟動電源的極大潛力。本文基于MATLAB/Simulink仿真平臺，針對孤島運行狀態(tài)下光儲電站作為主要/輔助黑啟動電源進(jìn)行黑啟動的情況進(jìn)行仿真，分析兩種狀態(tài)下光儲電站作為黑啟動電源的可行性。通過研究兩種情況下的仿真結(jié)果，認(rèn)為光儲電站更適合作為輔助黑啟動電源參與電網(wǎng)黑啟動過程。并基于研究成果，歸納出了基于光儲發(fā)電的電網(wǎng)黑啟動綜合技術(shù)原則，可以為黑啟動方案的制訂和現(xiàn)場試驗提供參考。

但本文在研究過程中仍有很多地方未考慮周全，使得該仿真系統(tǒng)還有待于進(jìn)一步研究和完善。今后可以在黑啟動環(huán)境下光儲電站的控制策略優(yōu)化與光儲電站參與黑啟動過程的動態(tài)擾動過程進(jìn)行進(jìn)一步的研究與分析。