儲能系統(tǒng)參與黑啟動應(yīng)用思路研究

王龍龍 劉沛森

【摘 要】文章介紹了黑啟動的概念及其重要意義，闡述了黑啟動過程的3個階段，通過分析黑啟動各個階段所面臨的主要問題，結(jié)合儲能技術(shù)調(diào)頻、調(diào)壓響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)勢，提出儲能在黑啟動各個階段參與應(yīng)用的思路。

【關(guān)鍵詞】儲能;黑啟動;調(diào)頻;調(diào)壓

【中圖分類號】TM614 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）10-0041-02

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，分布式電源的大量引入讓電網(wǎng)的運(yùn)行條件越來越復(fù)雜，加上網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱、裝置拒動、自然災(zāi)害、網(wǎng)絡(luò)攻擊等問題，使得電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨巨大挑戰(zhàn)。2005年9月26日，臺風(fēng)“維達(dá)”登陸海南省，對海南省電力設(shè)施造成嚴(yán)重破壞，使得全省范圍內(nèi)大面積停電。海南電網(wǎng)公司緊急啟動了黑啟動預(yù)案，成功實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的快速恢復(fù)，這是國內(nèi)迄今為止除演習(xí)以外的第一次黑啟動。

黑啟動（Black Start）是指整個系統(tǒng)因故障停電后，不依賴系統(tǒng)外電源的幫助，通過系統(tǒng)內(nèi)具有自啟動能力的機(jī)組先行啟動，然后帶動無自啟動能力的機(jī)組，逐漸擴(kuò)大系統(tǒng)供電范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)恢復(fù)供電的過程。黑啟動的背景是一種極端情況，即系統(tǒng)全部停電或大面積停電，黑啟動的過程中涉及發(fā)電、輸電和配電的各個環(huán)節(jié)。電網(wǎng)發(fā)生大面積停電事故后，如果不能夠在短時間內(nèi)恢復(fù)供電，國民經(jīng)濟(jì)將遭受巨大損失。

儲能作為一個新興產(chǎn)業(yè)，近年來在國內(nèi)發(fā)展迅速，目前已在各地區(qū)電力系統(tǒng)中有一定規(guī)模的投入。儲能系統(tǒng)具有充放電轉(zhuǎn)換靈活、功率因數(shù)可調(diào)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，這與黑啟動在某些方面的需求具有相契合的特點(diǎn)，因此儲能系統(tǒng)參與黑啟動應(yīng)用的研究，具有極其重要的理論意義和實(shí)際價值。

1 黑啟動過程

黑啟動是系統(tǒng)大停電事故后電力恢復(fù)的過程，其總體目標(biāo)是安全、快速地恢復(fù)電網(wǎng)供電，最大限度地減少電網(wǎng)大停電造成的影響。黑啟動的過程一般分為黑啟動初始階段、網(wǎng)架重構(gòu)階段和負(fù)荷恢復(fù)階段。

黑啟動初始階段：指利用系統(tǒng)中各個具有自啟動能力的黑啟動電源點(diǎn)向停運(yùn)的火力機(jī)組提供啟動電源，使其先行恢復(fù)啟動，繼而向電網(wǎng)供電，開始形成供各個電子系統(tǒng)的過程。網(wǎng)架恢復(fù)階段：指各個供電子系統(tǒng)內(nèi)的主力發(fā)電機(jī)組、重要變電站和輸電線路逐步恢復(fù)供電，并形成系統(tǒng)主網(wǎng)架的過程。負(fù)荷恢復(fù)階段：指各個供電子系統(tǒng)內(nèi)的大部分發(fā)電機(jī)組已經(jīng)啟動，具備一定的發(fā)電能力，并且已建立較為穩(wěn)定的網(wǎng)架之后，系統(tǒng)逐漸恢復(fù)負(fù)荷的過程。

2 應(yīng)用思路

目前，國內(nèi)學(xué)者針對儲能系統(tǒng)參與黑啟動的研究大多局限在黑啟動初始階段，而在網(wǎng)架恢復(fù)階段和負(fù)荷恢復(fù)階段的研究相對較少。

2.1 黑啟動初始階段

進(jìn)行黑啟動首先要保證可靠的黑啟動電源，然后通過它啟動附近的火電機(jī)組。水電機(jī)組和燃?xì)鈾C(jī)組因其廠用電負(fù)荷低、啟動速度快，是目前黑啟動電源的首選，然而水電機(jī)組受水資源分布限制，燃?xì)鈾C(jī)組運(yùn)行維護(hù)要求較高，故目前國內(nèi)電網(wǎng)面臨著黑啟動電源不足及分布不合理的實(shí)際問題。相對而言，儲能系統(tǒng)具有占地規(guī)模小、布點(diǎn)靈活等優(yōu)點(diǎn)，在黑啟動初始階段可有效替代成為黑啟動電源點(diǎn)。筆者認(rèn)為可以從以下兩個方面考慮。

（1）輔助火電機(jī)組黑啟動。火電機(jī)組啟動時需要一定容量的廠用電，而廠用設(shè)備中一般都有一些大容量的輔機(jī)，這些輔機(jī)多為異步電動機(jī)，在啟動時產(chǎn)生的沖擊會引起其供電系統(tǒng)較大的電壓和頻率跌落，故一般其啟動電源都從附近的發(fā)電廠或變電站引接。如果為火電機(jī)組配置足夠容量的儲能系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)啟動速度快，同時合理安排各輔機(jī)的恢復(fù)順序，將大大提高黑啟動的恢復(fù)效率。例如，國家電投珠海橫琴熱電有限公司投資的20 MW·h的儲能項(xiàng)目已經(jīng)啟動，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)2019年投產(chǎn)，建成后將是世界首例采用儲能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)F級燃機(jī)黑啟動的項(xiàng)目。

（2）輔助風(fēng)電機(jī)組黑啟動。一般黑啟動電源會優(yōu)先考慮啟動火電機(jī)組，但隨著風(fēng)電機(jī)組的可調(diào)節(jié)性能日漸增強(qiáng)，通過合理的策略和方法利用風(fēng)電場自身的啟動能力，同時結(jié)合風(fēng)電場內(nèi)無功補(bǔ)償設(shè)備、小容量儲能系統(tǒng)的合理配置，使得將風(fēng)電機(jī)組作為黑啟動電源具備了一定的可行性。國內(nèi)對此方面的研究較多，例如有學(xué)者提出了混合儲能與風(fēng)力發(fā)電相結(jié)合的黑啟動方案，并通過搭建仿真模型，仿真分析驗(yàn)證了該方案的可行性[1]。還有學(xué)者建立了儲能系統(tǒng)和風(fēng)電機(jī)組的多工況仿真模型，通過分析研究提出了黑啟動初期風(fēng)儲火系統(tǒng)的分層協(xié)調(diào)控制策略[2]。

2.2 網(wǎng)架重構(gòu)階段

網(wǎng)架重構(gòu)初期，黑啟動機(jī)組工作于一種特殊的運(yùn)行方式，即孤網(wǎng)運(yùn)行方式，系統(tǒng)頻率、電壓都處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)。黑啟動機(jī)組啟動后系統(tǒng)中可能會產(chǎn)生多種類型的過電壓，主要有工頻過電壓和操作過電壓兩種。目前，國內(nèi)針對該階段儲能參與黑啟動的研究較少，筆者認(rèn)為可以從以下兩個方面考慮。

（1）降低工頻過電壓。工頻過電壓是指黑啟動機(jī)組空充長線路時，線路上的容性電流增大而導(dǎo)致的電壓升高，容性電流的助磁作用還會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)端電壓升高，從而產(chǎn)生自勵磁，危及發(fā)電機(jī)和線路絕緣?？刂乒ゎl過電壓一般采取在線路上裝設(shè)并聯(lián)電抗器、增加感性負(fù)荷來抵消容性電流，削弱電容效應(yīng)，從而降低工頻過電壓。儲能系統(tǒng)由于其儲能變流器具備功率因數(shù)超前0.9～滯后0.9范圍內(nèi)動態(tài)可調(diào)的能力，可以考慮在黑啟動機(jī)組空充長線路時調(diào)節(jié)其功率因數(shù)，以感性負(fù)荷或容性電源投入系統(tǒng)，幫助系統(tǒng)吸收過多的無功功率，有效削減電容電流，降低工頻過電壓，保護(hù)發(fā)電機(jī)和線路的設(shè)備安全。

（2）穩(wěn)定操作過電壓。操作過電壓是指空載線路合閘到電源上引起的暫態(tài)過電壓，合閘過程中線路發(fā)生高頻振蕩，振蕩電壓由零值過渡到由電容效應(yīng)決定的工頻穩(wěn)態(tài)電壓值期間可能會出現(xiàn)電壓越限的情況。儲能系統(tǒng)由于其調(diào)頻、調(diào)壓響應(yīng)速率快，調(diào)節(jié)精度高，在各段線路合閘到黑啟動電源上時，可根據(jù)需求快速響應(yīng)并調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓、頻率，有效維持黑啟動初期各個供電子系統(tǒng)的穩(wěn)定。

國內(nèi)也有學(xué)者分析了黑啟動過程中的操作過電壓問題，通過建立空充輸電線路的貝瑞龍模型和變壓器等效模型，對不同的空充輸電線路方案進(jìn)行過電壓校驗(yàn)，為風(fēng)儲黑啟動路徑及方案的制訂提供了重要參考[3]。

2.3 負(fù)荷恢復(fù)階段

為了最大限度地降低大電網(wǎng)停電造成的國民經(jīng)濟(jì)損失，必須加快電網(wǎng)負(fù)荷恢復(fù)速度，對于規(guī)模較大的電網(wǎng)，建議采取并行恢復(fù)模式，即將電網(wǎng)劃分為若干子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)內(nèi)黑啟動電源同時啟動，待各個子系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行穩(wěn)定后再進(jìn)行同期并網(wǎng)。

負(fù)荷恢復(fù)階段涉及的主要問題：①控制負(fù)荷的增加量與系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)壓特性相匹配;②并行恢復(fù)模式下各子系統(tǒng)的同期并網(wǎng)問題。目前，國內(nèi)針對該階段儲能參與黑啟動的研究較少，筆者認(rèn)為可以從以下兩個方面考慮。

（1）穩(wěn)定系統(tǒng)頻率。黑啟動電源啟動后必須接入一定量的負(fù)荷，以保證黑啟動電源的最低負(fù)荷運(yùn)行水平，按照負(fù)荷分類及大小來說，恢復(fù)過程中應(yīng)逐步恢復(fù)直配小負(fù)荷、直配大負(fù)荷和電網(wǎng)負(fù)荷。調(diào)節(jié)機(jī)組出力與負(fù)荷大小就能控制系統(tǒng)頻率，進(jìn)而會影響負(fù)荷恢復(fù)的速度。一方面，儲能系統(tǒng)適合作為火電機(jī)組或風(fēng)電機(jī)組的黑啟動電源，在火電機(jī)組或風(fēng)電機(jī)組成功自啟動后，儲能系統(tǒng)也可考慮作為其直配小負(fù)荷用于穩(wěn)定前期機(jī)組的出力;另一方面，儲能系統(tǒng)AGC調(diào)節(jié)能力優(yōu)越，電網(wǎng)負(fù)荷恢復(fù)階段各電網(wǎng)側(cè)儲能系統(tǒng)可有效降低電網(wǎng)功率供需逆差，穩(wěn)定系統(tǒng)頻率。

（2）協(xié)助同期并網(wǎng)。并行恢復(fù)模式下，由于各個子系統(tǒng)是相互獨(dú)立的孤網(wǎng)，重新閉合聯(lián)絡(luò)線后勢必會導(dǎo)致潮流分配不合理，進(jìn)而使聯(lián)絡(luò)線兩端各個子系統(tǒng)的相角差偏離，甚至?xí)?dǎo)致該條聯(lián)絡(luò)線的繼電保護(hù)裝置動作，阻止同期并網(wǎng)。在極端的情況下，可能導(dǎo)致黑啟動初期剛剛建立的小系統(tǒng)完全崩潰，再次全黑。

儲能系統(tǒng)由于其技術(shù)特殊性，既可作為電源進(jìn)行放電，也可作為負(fù)荷進(jìn)行充電。當(dāng)電網(wǎng)配置了一定規(guī)模的儲能系統(tǒng)后，儲能系統(tǒng)可根據(jù)調(diào)度指令有效減少各子系統(tǒng)潮流逆差，降低聯(lián)絡(luò)線兩端母線的相角差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)順利同期并網(wǎng)。

3 應(yīng)用前景

本文充分借鑒國內(nèi)儲能參與和電網(wǎng)黑啟動應(yīng)用的研究方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)黑啟動在各個階段中面臨的主要難點(diǎn)，結(jié)合儲能技術(shù)的優(yōu)勢，全面分析并梳理了儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)黑啟動各個階段中應(yīng)用的研究思路，其主要應(yīng)用前景如下：？譹？訛儲能系統(tǒng)可結(jié)合風(fēng)電及火電機(jī)組實(shí)現(xiàn)黑啟動，有效補(bǔ)充了黑啟動電源的數(shù)量，有望解決各地區(qū)電網(wǎng)黑啟動電源不足及分布不合理的實(shí)際問題。？譺？訛通過儲能系統(tǒng)提供更多的黑啟動電源點(diǎn)，這為黑啟動的并行恢復(fù)提供了可能，并行恢復(fù)可有效提升黑啟動恢復(fù)效率，減少停電時間，降低經(jīng)濟(jì)損失。？譻？訛儲能系統(tǒng)由于其調(diào)節(jié)性能的優(yōu)越性，在黑啟動各階段都能對系統(tǒng)恢復(fù)提供積極的輔助措施，有效地提高了黑啟動效率和成功率。？譼？訛在目前電力市場環(huán)境下，大部分地區(qū)黑啟動輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制尚未明確，無法提高各機(jī)組提供輔助服務(wù)的積極性，如何設(shè)計(jì)公平并具備激勵效果的協(xié)調(diào)補(bǔ)償機(jī)制是后期推廣應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]潘道成.配置儲能系統(tǒng)的風(fēng)電場在局域電網(wǎng)黑啟動中的應(yīng)用研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2014.

[2]劉力卿.儲能型風(fēng)電場作為電網(wǎng)黑啟動電源的控制技術(shù)研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2017.

[3]田武，劉莉，王剛，等.基于風(fēng)儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)黑啟動過電壓研究[J].電氣應(yīng)用，2017（15）：42-46.