考慮可行性評(píng)估的光伏黑啟動(dòng)儲(chǔ)能配置分析

李翠萍，王藝茗，李軍徽，張哲深，黃建文，陳培毅

（1.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東北電力大學(xué)），吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司蒼南縣供電公司，浙江 蒼南 325800）

0 引言

近年來(lái)，隨著電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性也受到了更多的考驗(yàn)，局部的波動(dòng)或者誤操作可能會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)造成巨大的影響［1-2］，甚至造成大規(guī)模的停電事故［3-5］，對(duì)國(guó)家和社會(huì)造成極大的影響［6］，因此提前制定黑啟動(dòng)方案是維護(hù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提之一［7］。

目前世界范圍內(nèi)的黑啟動(dòng)方案依舊以水電機(jī)組及火電機(jī)組為主［8-9］，主要過(guò)程是通過(guò)水電機(jī)組恢復(fù)火電機(jī)組輔機(jī)，進(jìn)一步恢復(fù)使發(fā)電廠(chǎng)形成供電子系統(tǒng)［10］。然而以我們國(guó)家西北等地區(qū)為例，水電資源較為匱乏，僅通過(guò)火電機(jī)組輔機(jī)自行啟動(dòng)，耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)［11］，而西北地區(qū)的風(fēng)光資源十分豐富［12-13］，因此通過(guò)新能源參與黑啟動(dòng)方案逐漸成為現(xiàn)階段的研究對(duì)象［14-15］。

但由于光伏固有的隨機(jī)性、波動(dòng)性等［16］特點(diǎn)，獨(dú)自作為黑啟動(dòng)電源可能難以保證黑啟動(dòng)的可靠性，而儲(chǔ)能以其快速響應(yīng)、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)可以彌補(bǔ)光伏系統(tǒng)的缺點(diǎn)［17］，同時(shí)可以使其輔助新能源供電快速穩(wěn)定地完成恢復(fù)任務(wù)?，F(xiàn)階段對(duì)于新能源系統(tǒng)完成黑啟動(dòng)的可行性做了以下研究：文獻(xiàn)［18］通過(guò)將黑啟動(dòng)負(fù)荷需求進(jìn)行分析，構(gòu)建功率評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了風(fēng)光儲(chǔ)黑啟動(dòng)的可行性評(píng)估方法；文獻(xiàn)［19-20］將微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過(guò)典型場(chǎng)景的概率函數(shù)求取，從而確定微電網(wǎng)黑啟動(dòng)的可行性；文獻(xiàn)［21］通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)出力概率分析提出了通過(guò)儲(chǔ)能輔助風(fēng)電場(chǎng)完成自啟動(dòng)等過(guò)程的方案，驗(yàn)證了儲(chǔ)能對(duì)于新能源黑啟動(dòng)的可行性；文獻(xiàn)［22-23］建立了孤島運(yùn)行狀態(tài)下的光儲(chǔ)黑啟動(dòng)控制策略，從而進(jìn)行可行性分析；文獻(xiàn)［24］分析了不同溫度和光照強(qiáng)度的輸出特性，并考慮儲(chǔ)能在不同環(huán)境下的被影響程度，進(jìn)而確定考慮環(huán)境適應(yīng)性的控制策略，驗(yàn)證光儲(chǔ)黑啟動(dòng)可行性；文獻(xiàn)［25-26］主要從儲(chǔ)能輔助風(fēng)光系統(tǒng)承擔(dān)黑啟動(dòng)任務(wù)時(shí)儲(chǔ)能容量配置的方法進(jìn)行研究。上述文獻(xiàn)都進(jìn)行了新能源黑啟動(dòng)的可行性分析，從光儲(chǔ)、風(fēng)儲(chǔ)、風(fēng)光儲(chǔ)等方面通過(guò)設(shè)計(jì)控制策略，驗(yàn)證了黑啟動(dòng)可行性，但是場(chǎng)景劃分可以更加精細(xì)，在此基礎(chǔ)上儲(chǔ)能的配置可以進(jìn)一步優(yōu)化，本文從上述方向進(jìn)行更加深入的研究。

本文對(duì)光伏電站作為黑啟動(dòng)電源的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，再計(jì)算光伏缺額，設(shè)計(jì)儲(chǔ)能的配置方案，再對(duì)光儲(chǔ)黑啟動(dòng)可行性提升進(jìn)行驗(yàn)證。首先對(duì)照火電機(jī)組輔機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行黑啟動(dòng)功率需求分析，確定黑啟動(dòng)最小功率；然后根據(jù)不同季節(jié)的特征將光伏出力、溫度等影響因素進(jìn)行場(chǎng)景劃分，根據(jù)場(chǎng)景特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的光儲(chǔ)控制策略；結(jié)合控制策略確定儲(chǔ)能配置區(qū)間，引入可行度概念確定最優(yōu)儲(chǔ)能配置；最后通過(guò)MATLAB 仿真平臺(tái)，使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合所設(shè)計(jì)的方法確定光伏黑啟動(dòng)可行性及儲(chǔ)能的配置，并經(jīng)過(guò)比較驗(yàn)證配置儲(chǔ)能的有效性。

1 光儲(chǔ)黑啟動(dòng)模型及負(fù)荷出力分析

1.1 光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)黑啟動(dòng)模型

光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)黑啟動(dòng)模型主要由光伏電站、儲(chǔ)能電站、變壓器、逆變器、待啟動(dòng)火電機(jī)組輔機(jī)及其他廠(chǎng)用負(fù)荷等組成，結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。黑啟動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由黑啟動(dòng)電源及負(fù)荷組成，光儲(chǔ)黑啟動(dòng)電源主要由一個(gè)或多個(gè)光伏電站及儲(chǔ)能電站并聯(lián)組成；黑啟動(dòng)負(fù)荷主要由火電機(jī)組及火電機(jī)組輔機(jī)組成。由于光伏電站及儲(chǔ)能電站不足以啟動(dòng)整個(gè)火電機(jī)組，因此通過(guò)黑啟動(dòng)電源將火電機(jī)組輔機(jī)啟動(dòng)，再由輔機(jī)和黑啟動(dòng)電源共同完成啟動(dòng)整個(gè)火電機(jī)組，使火電機(jī)組為整個(gè)電力系統(tǒng)恢復(fù)供電。

圖1 光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)黑啟動(dòng)模型圖Fig.1 Black start model diagram of photovoltaic energy storage combined system

1.2 光伏黑啟動(dòng)負(fù)荷需求分析

火電機(jī)組的啟動(dòng)是一段持續(xù)出力的過(guò)程，在這一段時(shí)間內(nèi)光伏出力及儲(chǔ)能出力要大于火電輔機(jī)啟動(dòng)的需求功率，需要對(duì)黑啟動(dòng)負(fù)荷需求作出分析，得到光伏黑啟動(dòng)最小出力，從而作為光伏黑啟動(dòng)可行性評(píng)估的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于本文是通過(guò)光儲(chǔ)黑啟動(dòng)系統(tǒng)為火電機(jī)組輔機(jī)供電，光儲(chǔ)黑啟動(dòng)負(fù)荷主要由啟動(dòng)火電機(jī)組輔機(jī)的各階段設(shè)備以及部分廠(chǎng)用電承擔(dān)。

所求得的火電機(jī)組輔機(jī)總?cè)萘靠梢栽O(shè)定為光儲(chǔ)系統(tǒng)黑啟動(dòng)的負(fù)載出力。由此可以確定光伏系統(tǒng)黑啟動(dòng)的最小出力，其定義為滿(mǎn)足黑啟動(dòng)負(fù)載需求的最小出力。將火電機(jī)組輔機(jī)設(shè)為負(fù)載PF，并考慮一定的光伏電站的廠(chǎng)用電，光伏黑啟動(dòng)最小出力Pbs-min可以通過(guò)下面的公式得出。

式中：PSZ為光伏電站廠(chǎng)用電及輔機(jī)自用電；系數(shù)ΔP%為線(xiàn)路損耗率及預(yù)留量。

所得出的光伏黑啟動(dòng)最小出力可以作為后續(xù)工作的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)將當(dāng)前光伏出力與光伏黑啟動(dòng)最小出力的比較，可以判據(jù)當(dāng)前光伏出力是否可以完成黑啟動(dòng)任務(wù)，從而完成黑啟動(dòng)可行性評(píng)估。

2 光伏黑啟動(dòng)的可行性評(píng)估

2.1 可行性評(píng)估基本思路

由于黑啟動(dòng)是一段持續(xù)的過(guò)程，光伏出力需要保證在這一段時(shí)間內(nèi)始終高于黑啟動(dòng)負(fù)荷需要的功率，可以將黑啟動(dòng)過(guò)程視為一段固定時(shí)間尺度在光伏出力時(shí)間軸上滾動(dòng)的窗口，每滾動(dòng)到一個(gè)位置，判定該時(shí)間段內(nèi)的光伏出力是否滿(mǎn)足黑啟動(dòng)出力，判定完成繼續(xù)向下滾動(dòng)，將長(zhǎng)的時(shí)間尺度分成無(wú)數(shù)個(gè)小的時(shí)間窗口進(jìn)行評(píng)估，由此完成整段黑啟動(dòng)可行性評(píng)估，基本思路如圖2所示。

圖2 可行性評(píng)估基本原理Fig.2 Basic principles of feasibility assessment

圖2 中S1 為光伏滿(mǎn)足黑啟動(dòng)部分，S2 為光伏不滿(mǎn)足黑啟動(dòng)部分，需要判定儲(chǔ)能是否足以補(bǔ)償，如果儲(chǔ)能足以補(bǔ)償，即可視為可以完成黑啟動(dòng)任務(wù)。

2.2 可行性評(píng)估方法

評(píng)價(jià)每一個(gè)窗口內(nèi)的黑啟動(dòng)可行性，具體方法如下所示。

通過(guò)光照輻射及溫度確定光伏出力模型，光伏出力模型用Ppv，day(t)表示，其中t為時(shí)間，每天的光伏出力隨時(shí)間變化而變化，其中每日光伏的最大值為

光伏系統(tǒng)的出力PPV采用式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：fPV為光伏系統(tǒng)的功率降額因數(shù)；YPV為光伏陣列容量；IT為實(shí)際光照度；IS為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光照度；αp為功率溫度系數(shù)；Tcell為當(dāng)前光伏電池的表面溫度；Tcell，STC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光伏電池溫度，一般取25 ℃。

將光伏黑啟動(dòng)過(guò)程時(shí)長(zhǎng)設(shè)為jmin。先將窗口內(nèi)整個(gè)光伏出力的電量算出來(lái)，光伏出力電量為：

式中PG(t)為光伏電站在t時(shí)刻的功率。

將光伏黑啟動(dòng)出力在該時(shí)間尺度下所需要的電能進(jìn)行比較，可以得出光伏出力與黑啟動(dòng)最小出力的比值η。

式中Pbs-min為黑啟動(dòng)最小出力。

根據(jù)η的大小可以分為如下3種情況。

1）當(dāng)η≥1時(shí)

該情況為光伏出力電量大于黑啟動(dòng)所需要電量，此時(shí)不需要儲(chǔ)能的動(dòng)作，僅靠光伏出力，能夠完成黑啟動(dòng)任務(wù)，可以直接視為可行。

2）當(dāng)η＜1，但·100% ≥1時(shí)

式中Pbess-min為儲(chǔ)能最小出力，光伏出力電量小于光伏黑啟動(dòng)最小出力電量，但通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的彌補(bǔ)可以完成黑啟動(dòng)任務(wù)。

式中Pbess-max為儲(chǔ)能最大出力。

在該時(shí)間段內(nèi)，光伏出力電量與儲(chǔ)能可以彌補(bǔ)的總電量之和仍小于光伏黑啟動(dòng)最小出力電量，無(wú)法成功完成黑啟動(dòng)過(guò)程，不可以在該時(shí)間段進(jìn)行黑啟動(dòng)操作，需要將窗口進(jìn)行下一次滾動(dòng)，再次進(jìn)行計(jì)算。

3 光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)下儲(chǔ)能配置方法

3.1 光伏場(chǎng)景的劃分

光伏電站受到季節(jié)、光照條件以及環(huán)境溫度的影響會(huì)對(duì)光伏出力產(chǎn)生較大的差異，需要對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行細(xì)致劃分。

首先確定強(qiáng)、弱光區(qū)的功率界限，結(jié)合光伏系統(tǒng)出力模型可知，光伏系統(tǒng)出力主要與該時(shí)刻的環(huán)境溫度與光照強(qiáng)度有關(guān)，將某時(shí)刻的環(huán)境溫度與光照強(qiáng)度的求取近似如式（5）—（6）所示。

式中：Gqd-i為i時(shí)刻光伏系統(tǒng)近似光照強(qiáng)度；IT-i為i時(shí)刻實(shí)際光照度；IS為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光照度；fPV為為光伏系統(tǒng)的功率降額因數(shù)；Thj-i為i時(shí)刻環(huán)境溫度；αp為為功率溫度系數(shù)；Tcell-i和Tcell，STC分別為當(dāng)前光伏電池的表面溫度和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光伏電池溫度，一般取25 ℃。

由光伏出力模型可知：

式中PPV-dz為弱光區(qū)與強(qiáng)光區(qū)的臨界功率。將2.2節(jié)中滿(mǎn)足1）或2）兩種情況的數(shù)據(jù)作為良好數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可知弱光區(qū)與強(qiáng)光區(qū)的臨界功率PPV-dz為：

式中：Plh為良好數(shù)據(jù)的功率值；nlh為良好數(shù)據(jù)的數(shù)量，在4個(gè)季節(jié)中分別計(jì)算強(qiáng)弱光臨界功率。

光伏系統(tǒng)實(shí)際功率在黑啟動(dòng)時(shí)間段內(nèi)的平均功率為：

式中：Psj-i為i時(shí)刻的光伏實(shí)際功率；k為黑啟動(dòng)設(shè)定的持續(xù)時(shí)間數(shù)量。

在強(qiáng)弱光區(qū)劃分的基礎(chǔ)上以環(huán)境溫度為條件約束進(jìn)一步劃分為高、低溫區(qū)。與上述劃分方法相似，計(jì)算高低溫區(qū)間的臨界溫度Thj-dz。

式中Tlh為良好數(shù)據(jù)的溫度值。

根據(jù)各個(gè)季節(jié)的氣候特點(diǎn)將臨界溫度進(jìn)行劃分，溫度高季節(jié)中臨界溫度適當(dāng)提高，反之臨界值降低，防止部分場(chǎng)景數(shù)據(jù)過(guò)少。四季高低溫臨界溫度如表1所示。

表1 四季臨界溫度值Tab.1 Critical temperature value of four seasons

各個(gè)季節(jié)的高低溫區(qū)間分隔溫度在黑啟動(dòng)時(shí)間段中此時(shí)段的平均溫度如式（11）所示。

式中：Tsj-i為i時(shí)刻的實(shí)際環(huán)境溫度；m為黑啟動(dòng)設(shè)定的持續(xù)時(shí)間點(diǎn)數(shù)量。由此可以將區(qū)域劃分為，當(dāng)Tsj-i＞Thj-dz時(shí)，為高溫區(qū)；當(dāng)Tsj-i≤Thj-dz時(shí)，為低溫區(qū)。由此每個(gè)季節(jié)可以劃分為4 種場(chǎng)景：強(qiáng)光高溫區(qū)、強(qiáng)光低溫區(qū)、弱光高溫區(qū)、弱光低溫區(qū)，結(jié)合不等式以及各約束條件如圖3所示。

圖3 各季節(jié)不同場(chǎng)景的劃分Fig.3 Division of different scenes in each season

3.2 多場(chǎng)景光儲(chǔ)控制策略的設(shè)計(jì)

由上述場(chǎng)景可知，僅采用光伏電站不能保證黑啟動(dòng)順利完成，需要儲(chǔ)能設(shè)備的輔助補(bǔ)充光伏出力。因此需要對(duì)儲(chǔ)能的配置進(jìn)行研究，防止儲(chǔ)能配置的不足造成黑啟動(dòng)任務(wù)無(wú)法完成或儲(chǔ)能配置過(guò)高而造成資源的浪費(fèi)。根據(jù)不同的場(chǎng)景，光伏及儲(chǔ)能的控制方法如下所示。

1）強(qiáng)光高溫區(qū)

該區(qū)間為各個(gè)季節(jié)光伏出力環(huán)境最為理想的狀態(tài)，只需要光伏出力就可以滿(mǎn)足光伏黑啟動(dòng)最小出力，在完成黑啟動(dòng)任務(wù)的同時(shí)為儲(chǔ)能充電，依然存在多余功率時(shí)，采用棄光方式，該階段光伏電站采用減載控制策略而儲(chǔ)能采用額定狀態(tài)充電控制策略。

2）強(qiáng)光低溫區(qū)/弱光高溫區(qū)

兩個(gè)區(qū)間情況相似，共用一個(gè)控制策略。該區(qū)間為不確定區(qū)間，部分時(shí)間需要儲(chǔ)能補(bǔ)充出力才可以完成黑啟動(dòng)任務(wù)，而部分時(shí)間光伏出力獨(dú)自就可以滿(mǎn)足黑啟動(dòng)最小出力，該階段時(shí)光伏電站采用在出力充足時(shí)采用最小出力跟蹤方法，而出力不足時(shí)采用最大功率跟蹤控制策略。

3）弱光低溫區(qū)

該區(qū)間為光伏出力較少階段，整個(gè)區(qū)間內(nèi)大部分時(shí)間窗口無(wú)法滿(mǎn)足光伏黑啟動(dòng)最小出力。該階段光伏電站無(wú)法完成光伏黑啟動(dòng)任務(wù)，光伏電站以及儲(chǔ)能均不需要?jiǎng)幼鳌?/p>

3.3 儲(chǔ)能配置的確認(rèn)

結(jié)合上述4 種場(chǎng)景下的儲(chǔ)能控制策略可以制定儲(chǔ)能的額定功率以及額定容量配置。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，采用滑動(dòng)時(shí)間窗的方式，確定不同的儲(chǔ)能配置，再選取合適的儲(chǔ)能配置。將時(shí)間窗尺度設(shè)為k，k應(yīng)遠(yuǎn)大于黑啟動(dòng)時(shí)間j，使計(jì)算配置的儲(chǔ)能容量更加準(zhǔn)確。

計(jì)算合適的儲(chǔ)能充放電功率PN，由于儲(chǔ)能成本高昂，大部分光伏電站在光伏出力充足時(shí)，會(huì)采用棄光策略，剩余的光伏出力無(wú)法完全由儲(chǔ)能吸收，因此不能通過(guò)光伏多余出力計(jì)算儲(chǔ)能的充電功率，會(huì)導(dǎo)致所配置的儲(chǔ)能功率及容量過(guò)高，根據(jù)儲(chǔ)能放電階段進(jìn)行出力功率的計(jì)算，只需要在上述第2 個(gè)控制策略對(duì)應(yīng)的兩個(gè)場(chǎng)景內(nèi)計(jì)算即可。在兩個(gè)場(chǎng)景內(nèi)，選取不同時(shí)間段分別計(jì)算儲(chǔ)能需要的功率，再取平均值，計(jì)算如式（12）所示。

式中：tf為其中一段儲(chǔ)能放電的時(shí)長(zhǎng)；t0為該時(shí)間段的起始時(shí)刻。計(jì)算得出i時(shí)間段的儲(chǔ)能功率Pi，求取Pi平均值可以作為儲(chǔ)能的額定功率PN。

再通過(guò)滑動(dòng)窗口，經(jīng)過(guò)不同的區(qū)域，通過(guò)不同的放電控制策略，確定不同的時(shí)間窗口所需要配置的儲(chǔ)能值Ej。選取其中最大值Ej-max以及最小值Ej-min作為邊界值。再將儲(chǔ)能分別按照Ej-max和Ej-min設(shè)定，并引入可行度μ概念?？尚卸圈虨樵谠摃r(shí)間尺度儲(chǔ)能可以滿(mǎn)足控制策略動(dòng)作的概率，如式（13）所示。

式中：t1為黑啟動(dòng)所選擇的時(shí)間尺度；t0為在該時(shí)間尺度內(nèi)，儲(chǔ)能可以按照儲(chǔ)能控制策略動(dòng)作的時(shí)長(zhǎng)。

通過(guò)可行度的概念，可以判定所配儲(chǔ)能能完成該時(shí)間段工作任務(wù)的情況，進(jìn)一步可以判定儲(chǔ)能的容量是否配置合理。在最大值Ej-max以及最小值Ej-min之間間隔賦值，求取合適的儲(chǔ)能容量。

4 算例分析

為了驗(yàn)證上述所提出的光儲(chǔ)黑啟動(dòng)可行性評(píng)估的方法的正確性，通過(guò)使用MATLAB 仿真程序進(jìn)行模擬仿真。本文以吉林某地區(qū)的光伏電站所提供的一年的輻射數(shù)據(jù)以及環(huán)境溫度作為參考，其中數(shù)據(jù)采樣時(shí)間1 min。通過(guò)光儲(chǔ)系統(tǒng)聯(lián)合啟動(dòng)一臺(tái)150 MW 的火電機(jī)組為例，具體參數(shù)如表2 所示，線(xiàn)損率參考2021 年線(xiàn)損率。其中11—1 月為冬季，2—4 月為春季，5—7 月為夏季，8—10 月為秋季。設(shè)黑啟動(dòng)過(guò)程為60 min。

表2 參數(shù)數(shù)據(jù)Tab.2 Parameter data

輔機(jī)總?cè)萘繛? MW，2021 年的線(xiàn)損率為4.94%，再加上1%的預(yù)留量，按照文中提供的黑啟動(dòng)最小出力為7.041 MW。

4.1 場(chǎng)景劃分

根據(jù)光伏電站所提供的數(shù)據(jù)，可以得出光伏全年出力曲線(xiàn)，如圖4所示。

圖4 吉林某光伏電站全年出力情況Fig.4 Annual output of a photovoltaic power station in Jilin

結(jié)合所計(jì)算的黑啟動(dòng)最小出力，去掉不良數(shù)據(jù)，進(jìn)行場(chǎng)景劃分，將全年分為春、夏、秋、冬4個(gè)階段，分別將四季數(shù)據(jù)與滿(mǎn)足黑啟動(dòng)最小出力進(jìn)行比較，如圖5 所示。各個(gè)季節(jié)除去極端天氣下，在環(huán)境溫度以及光照輻射度的雙重影響下，呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)，秋冬季節(jié)與春夏季節(jié)相比滿(mǎn)足黑啟動(dòng)最小出力的天數(shù)較少。

圖5 四季滿(mǎn)足黑啟動(dòng)最小出力情況Fig.5 Minimum output of four seasons to meet black start

在季節(jié)的場(chǎng)景下，再進(jìn)行場(chǎng)景劃分。圖6 表示為以春季為例的4 種場(chǎng)景的分布圖，分別用環(huán)境溫度以及光照幅度來(lái)表示，場(chǎng)景分界線(xiàn)根據(jù)式（7）來(lái)確定。

圖6 春季GT分布Fig.6 Spring GT distribution

以春季為例，劃分為強(qiáng)光高溫區(qū)、強(qiáng)光低溫區(qū)、弱光高溫區(qū)以及弱光低溫區(qū)4 個(gè)場(chǎng)景，如圖6所示。

以春天為例，結(jié)合光照強(qiáng)度以及溫度，將4 個(gè)場(chǎng)景的光伏輸出功率更加直觀(guān)的表現(xiàn)出來(lái)的三維圖，同時(shí)也體現(xiàn)出各個(gè)場(chǎng)景的不同特點(diǎn)。并結(jié)合其的特點(diǎn)進(jìn)行儲(chǔ)能控制策略的劃分，如圖7所示。

圖7 春季GT分布三維圖Fig.7 3D Graph of spring GT distribution

4.2 儲(chǔ)能配置確定

首先需要以步長(zhǎng)為1 h 的黑啟動(dòng)過(guò)程窗口在數(shù)據(jù)中滾動(dòng)，設(shè)定儲(chǔ)能電池的初始電量為額定電量的50%，得到不同起止時(shí)間段中的完成黑啟動(dòng)任務(wù)的功率差值，數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 部分功率差值Fig.8 Partial power difference

再通過(guò)式（12）計(jì)算，得到功率為4.867 MW，由此可以近似得到儲(chǔ)能電站的額定功率為5 MW。根據(jù)整體功率差值計(jì)算，容量設(shè)定為2.357 MWh到14 MWh之間。

進(jìn)而確定儲(chǔ)能電站的容量，根據(jù)計(jì)算得出的儲(chǔ)能功率，同時(shí)將已進(jìn)行場(chǎng)景劃分的數(shù)據(jù)按照不同的儲(chǔ)能及光伏電站控制策略進(jìn)行模擬，引入儲(chǔ)能容量可行度μ的概念，確定適合的儲(chǔ)能容量，儲(chǔ)能容量所對(duì)應(yīng)的可行度圖9 所示?？梢钥闯霎?dāng)儲(chǔ)能容量大約到達(dá)9 000 kWh 左右可行度達(dá)到峰值，儲(chǔ)能容量繼續(xù)增加并不會(huì)提升可行度，會(huì)增加儲(chǔ)能的浪費(fèi)，因此儲(chǔ)能容量選擇為10 MWh，儲(chǔ)能的配置為5 MW/10 MWh。

圖9 儲(chǔ)能可行度Fig.9 Feasibility of energy storage

4.3 可行性評(píng)估及儲(chǔ)能配置檢驗(yàn)

將歷史數(shù)據(jù)通過(guò)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，結(jié)合氣象監(jiān)測(cè)部門(mén)提供的環(huán)境溫度及光照輻射度的預(yù)測(cè)值，進(jìn)行光伏功率的預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)值如圖10所示。

圖10 光伏預(yù)測(cè)值Fig.10 PV predicted value

所得到的預(yù)測(cè)值進(jìn)行可行性評(píng)估，先后對(duì)儲(chǔ)能參與前與儲(chǔ)能參與后進(jìn)行仿真模擬，可以得到不同的黑啟動(dòng)可執(zhí)行時(shí)間段，如圖11所示。

圖11 儲(chǔ)能配置前后某天功率Fig.11 Power of a day before and after energy storage configuration

圖11 為某時(shí)段儲(chǔ)能彌補(bǔ)前后的輸出功率對(duì)比，儲(chǔ)能彌補(bǔ)前可執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)僅為3.01 h左右，而在配置有效的儲(chǔ)能后增長(zhǎng)到8.3 h 左右，可以看出合適的儲(chǔ)能配置可以大大提升光伏黑啟動(dòng)的成功率。對(duì)春夏秋冬四季的儲(chǔ)能配置前后黑啟動(dòng)可執(zhí)行度分別進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)全年黑啟動(dòng)可執(zhí)行度進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 儲(chǔ)能參與前后黑啟動(dòng)可執(zhí)行度Tab.3 Black start executable degree before and after energy storage participation %

表3 中，冬季提升最為顯著，提升了20.43%，春秋也均有較好的提升，分別提升13.99% 及14.27%，而夏季由于溫度及光照的自身優(yōu)勢(shì)，在配置儲(chǔ)能前及有較好的黑啟動(dòng)能力，由于夏季存在較多的強(qiáng)光高溫場(chǎng)景，該場(chǎng)景的光伏電站會(huì)采用棄光策略，因此儲(chǔ)能對(duì)于夏季的黑啟動(dòng)可執(zhí)行度提升不多，但夏季仍為可執(zhí)行度最高的季節(jié)。

可以看出，該方法可以有效判斷出光儲(chǔ)黑啟動(dòng)的可行性，同時(shí)所確定的儲(chǔ)能可以大大提高光伏電站單獨(dú)作為黑啟動(dòng)電源的成功率，也不會(huì)造成儲(chǔ)能配置過(guò)多的資源浪費(fèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)光伏系統(tǒng)能否承擔(dān)黑啟動(dòng)任務(wù)進(jìn)行了分析，由于光伏的不確定性，配置儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行平抑、輔助光伏系統(tǒng)進(jìn)行黑啟動(dòng)任務(wù)，設(shè)計(jì)了光伏作為黑啟動(dòng)電源的可行性評(píng)估方法，同時(shí)將場(chǎng)景劃分，確定了儲(chǔ)能配置的方法，并進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)論如下。

1）根據(jù)文中所設(shè)計(jì)的光伏黑啟動(dòng)可行性評(píng)估方式，首先進(jìn)行光伏黑啟動(dòng)最小功率的確定，排除不良數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以快速確定光伏黑啟動(dòng)可行性，為后續(xù)的場(chǎng)景劃分提供基礎(chǔ)。

2）將光伏場(chǎng)景進(jìn)行季節(jié)、環(huán)境溫度、光照輻射度的劃分，共分為16 種場(chǎng)景，并結(jié)合場(chǎng)景特征，進(jìn)行控制策略的設(shè)計(jì)，同時(shí)根據(jù)控制策略進(jìn)行儲(chǔ)能的功率及容量配置的可行區(qū)間的分析。

3）根據(jù)儲(chǔ)能的配置區(qū)間執(zhí)行光儲(chǔ)黑啟動(dòng)可行性評(píng)估，并引入可行度概念，確定區(qū)間內(nèi)的儲(chǔ)能所得到的可行度，從而確定最優(yōu)的光儲(chǔ)系統(tǒng)黑啟動(dòng)儲(chǔ)能配置，提升了光伏系統(tǒng)黑啟動(dòng)可行性，同時(shí)對(duì)儲(chǔ)能的配置沒(méi)有造成不足或者大量的浪費(fèi)。