分布式电源在地方电网黑启动中的可行性研究

杜 俊 苏海智

金华电业局 浙江 金华 321017

0 引言

随着我国电网发展的日益完善，结构日益复杂,发生永久性故障导致电网大面积停电的可能性也越来越大。各地电网针对容易出现大面积停电事故都制定了详细的黑启动方案，但黑启动方案的关键点即黑启动电源，其中最常用的水电厂，在枯水期及水资源匮乏地区，既要满足居民及工业用水，又要保证电力供应，压力非常大，时常二者无法兼顾。此时新能源的特性便凸显出来，带有储能装置的风能发电厂及太阳能发电厂等分布式电源能够较好地避免外力因素的影响，并很好地作为黑启动电源。

1 分布式电源介绍

分布式电源（distributed generation，DG）是指功率不大（一般几十kW到几十MW）、建设在负荷中心附近的、模块式采用先进信息控制技术的智能发电形式，具有环保、经济、高效、开停机方便、负荷调节灵活等优势。虽然DG具有不可比拟的优越性，但由于其种类繁多，数学模型及在电网中承担的任务不尽相同，所以不能按照常规电源进行处理。一般通过DG能否作为系统的黑启动电源来划分，可分为黑启动分布式电源 （black-start DG，BDG）与非黑启动分布式电源（non black-start DG，NBDG）。BDG包括联合发电机组、无源逆变器及他励发电机组等，还包括带有储能装置的风能发电及太阳能发电。这类可作为系统的黑启动电源。NBDG包括他励发电机组和不带有储能装置的风能发电及太阳能发电等，该类DG不能作为系统的黑启动电源。

2 黑启动方案分析

电网黑启动是指整个系统因故障停运后，不依赖其他网络的帮助，通过系统中具有自启动能力机组的启动，带动无自启动能力的机组，逐步扩大电力系统的恢复范围，最终实现整个电力系统恢复的过程［1］。对于地市级供电公司来说，电网管辖范围以城市为主，一般没有或很少有大型水电厂或大容量燃煤机组，主要以小容量燃煤、燃油机组、小型水电厂发电机为主。地方电网的黑启动能力与这些机组的自启动能力有很大关系。以往主要是利用本地能够自启动的水电厂或火电厂孤岛运行或带小网运行，逐步恢复地方电网的重要负荷，甚至启动本地所有机组并恢复整个地方电网的供电。因水力发电厂结构简单，厂用电少，启动速度快常常成为黑启动电源的首选，然而随着DG与常规电力系统并网技术的逐渐成熟，DG的作用及优势日益凸现，并逐渐取代水力发电厂，使其开始成为黑启动电源的首选。

在选定黑启动电源后，我们进一步对黑启动方案展开分析。在制定黑启动方案时，一般先将系统划分成几个子系统，各子系统依靠本区域内的黑启动电源分别同时独立启动，然后再将整个电网逐步连接，完成全网由黑启动到正常供电的运行。通常在故障发生后DG可分为两种情况，存留的分布式电源（Surviving Distributed Generation，SDG）和分离的 分 布 式 电 源 （NON SurvivingDistributed Generation，NSDG）。SDG是故障发生后仍和公共电网保持并网运行的DG，而NSDG是在故障发生后与公共电网分离的DG。故障发生时，当DG与公共电网分离后，DG仍继续向所在的独立电网输电，该独立运行的电网称为孤岛。根据IEEE 929-2000［2］标准，DG系统应尽量避免孤岛的出现。主要考虑以下问题：1）对电网负载或人身安全的危害。用户或线路修试人员不一定知道分布式供电系统的存在。2）供电质量问题。没有大电网的支持，分布式供电系统难以符合各方面的需求，如电压波动、频率波动及谐波等技术指标。3）电力公司对电网的管理要求。因为孤岛状态脱离了电力管理部门的监控而独立运行，是不可控和高隐患的。4）系统安全运行问题。孤岛运行增加了系统保护和控制难度，系统的安全稳定难以保证。所以按照此标准，在故障下，必须跳开馈线上所有DG，如部分DG未能跳开，通过孤岛检测装置检测到孤岛后控制DG跳闸。该标准最大的问题是供电可靠性低。也与我们的要求不符。我们要求在系统大面积停电时，DG能快速提供电源，独立启动各子系统，然后再将整个电网逐步连接，完成全网由黑启动到正常供电的运行。而孤岛就是一个小的子系统，是快速恢复的一个重要环节。所以我们选用IEEE 1547-2003标准，该标准不再禁止有意识的孤岛存在，而是鼓励供电方和用户尽可能通过技术手段实现孤岛运行，并在经济方面达成共识［3］。DG并网最常用的模式是断路器接口模式，其基本模型见图1。该模式下，断路器1的动作时间小于断路器2，发生故障后，断路器1先于2跳闸，DG直接进入孤岛运行模式给A供电。当需要再次并网时，只需对该孤岛用断路器同期并列既可。该模式能避免对用户A的供电中断，对供电可靠行要求高的用户较为适用。

图1 断路器接口模式

在此基础上还延伸出多用户孤岛运行模式，即故障后DG在给当地用户供电的基础上，还可根据自身的容量裕度给馈线上的其他负荷供电。

3 DG作为黑启动电源的条件及启动步骤

3.1 条件

1）电网可实现远程控制，并能自动完成故障检测与隔离操作。

2）所有DG均可控，且其操作状态可实时监测。

3.2 根据DG并网模式，我们可制定以下恢复步骤

1）故障发生后对故障馈线上的DG，若为NBDG，为保证电能质量，直接跳开其出口断路器；对BDG，断开并网断路器，采用断路器接口的孤岛运行模式为当地用户供电。当BDG的容量小于当地用户的负荷功率时，需进行甩负荷操作。非故障馈线上的DG可继续保持并网运行。

2）故障定位、隔离后，搜索失电区域，采用传统的配电网故障恢复算法进行处理，区别仅在于潮流计算中需要考虑DG的影响。

3）若网络中还有未恢复区，转步骤4，否则转步骤5。

4）考虑故障馈线上所有的BDG，对未恢复区搜索恢复路径，若找到，进入多用户孤岛运行模式，否则维持当前的运行状态。对每个孤岛建立无自启动能力电厂的厂用电快速通道。

5）对网络中所有的NSDG（包括孤岛运行单元和跳开的DG单元）进行同期操作，再次并网。在此阶段，继续搜索最优开关策略，如果开关状态有变化，则在并网完成后对开关状态进行调整，否则，保持当前状态。

6）故障清除后，恢复到故障前的运行方式。

恢复策略是否可行以及子系统的划分和快速通道的制定等我们也可以通过带DG的潮流计算来证明。现在配电网潮流计算一般都用直接法，前代回退法和牛顿拉夫逊法［4］。本文以牛顿拉夫逊法来实现分布式发电系统三相潮流计算。对于内燃机和传统燃气轮机等分布式电源一般采用同步发电机，因此可以处理成PV节点。光伏发电、部分风力发电机组、微型燃气轮机和燃料电池等分布式电源一般通过逆变器接入电网，所以可以看做PI节点。而大多数风力发电机组采用异步发电机，所以可以看做 P恒定，V 不定，Q 受 P、V 限定的 P、Q （V）节点。

含分布式电源的牛顿-拉夫逊法三相潮流求解方程为

J为雅克比矩阵，△S为节点的三相有功和无功功率不匹配列向量，△V为节点三相电压的修正列向量；

对△S的计算要针对不同节点类型进行处理：

（1）PQ节点和能转换成PQ节点的节点（PI节点和P、Q（V）节点）需要得到至少本次迭代为恒定数值的有功和无功功率的给定值Pip和Pip，则第k次迭代的△S（k）的计算如下：

其中：i=1，2，…，n-1；p=a，b，c。

（2）PV节点和能转换为PV节点的节点，只需要得到至少本次迭代为恒定数值的有功功率和电压幅值的给定值Pip和Vip，其对应的△U为0。则k次迭代的△S（k）的计算只需计算其有功功率部分：

其中：i=1，2，…，n-1；p=a，b，c。

解方程（1）即可得△V列向量。用计算得到的△V的值来修正各节点的电压值，进行下一步迭代，直至满足收敛判据。

4 算例分析

如图2所示。

图2 系统故障模式

1）当B点发生故障，断路器1、2断开，隔离故障，检测到NBDG，断开断路器3，检测到BDG断开断路器4，对用户A直接送电，并计算A的负荷，当BDG容量小于负荷时，甩负荷。

2）隔离故障点B后搜索失电区域，检测到用户A失电后，用公式 （2）、（3）计算节点的PQ和PV。搜索对A用户供电的快速通道，如容量不够，限制A用户负荷后通过BDG恢复送电。

3）将NBDG并网运行，调整运方。

4）清除故障，恢复运行方式。

5 黑启动过程中需注意以下问题

1）事故发生后明确发电厂或变电所的一、二次设备初始状态。

2）恢复过程中电源点机组的启动和用户端负荷的恢复交替进行，并保留一定的出力裕度。黑启动过程中，多个用电设备同时启动，会产生一个瞬时冲击，需要加以注意。

3）黑启动过程中应将逆功率保护临时改信号，待机组稳定运行并带一定负荷后再恢复。

4）事故后交流消失，注意节约直流电源，关闭不必要的设备，尽量延长直流供电时间。

5）正确选择快速通道上主变调压系统的操作机构。

6）选择同期装置可靠的并列点。

7）协调调度关系，统一指挥权。

6 结语

国际能源的紧缺，新能源技术的不断进步，促使了分布式发电技术的迅猛发展。无论从节能方面还是提供系统安全性和灵活性角度，分布式发电系统都是传统供电系统的一个重要补充。由于地方电网设备较多，DG类型较复杂，设备的调度权限相对繁冗，因此其黑启动方案的制定也是一个甚为复杂的过程。本文对DG作为黑启动电源及恢复策略展开了详细的分析叙述，并指出了黑启动方案中应注意的一些问题。但由于我国的分布式发电技术尚处起步阶段，故而仅对DG在地方电网黑启动方案中的应用进行粗略的探讨，并不成熟，许多工作还有待进一步的深入研究。

［1］熊惠敏，房鑫炎，郁惟镛等.电力系统全网停电后的恢复——黑启动综述 电力系统及其自动化学报，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］陈海焱，陈金富，段献忠.含分布式电源的配电网潮流计算［J］.电力系统自动化，2006，30（01）：35-40.