一种改进的微网黑启动策略

董晨露，祝龙记

(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001)

一种改进的微网黑启动策略

董晨露，祝龙记

(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001)

提出了一种改进的微网黑启动控制策略，选取柴油发电机和蓄电池作为黑启动微源，采用并行恢复方式对微网进行黑启动。采用改进的下垂控制和PQ控制作为微源的控制策略，使微网黑启动过程中保持微源的电压和频率稳定，以及对微源输出功率的精确控制。设计了一种组网控制器，优化黑启动微源的并联组网，使组网更加稳定可靠。通过仿真验证了该黑启动控制策略的可靠性和可操作性。

微电网；黑启动；下垂控制

传统电力系统面临着化石资源枯竭、能源效率低下和环境污染等问题。分布式发电由于具备气体和颗粒物排放少、大规模传输少、能够减少输配电损失、减少输配电馈线拥堵的优点，受到了越来越多的关注。

微电网可以工作在并网和孤岛模式下，当微网检测到主电网发生崩溃事故时，从主电网断开，运行在孤岛模式下，若模式切换未成功，微网系统将发生瘫痪，此时可通过黑启动恢复微网系统的正常运行，给负荷供电[1-2]。黑启动是一种系统全部停电后迅速恢复供电的方式，其内容包括系统中部分发电机组利用自身的动力资源或利用外来电源使发电机组启动并达到额定转速，建立起正常的电压，有步骤地恢复微网系统运行和对用户供电[3]。由于微源的特殊性质，其过载能力、故障穿越能力和发电容量均远小于传统电源，电力电子接口设备的使用也增加了微网黑启动的复杂性，其黑启动的具体策略跟传统电网有很大不同[4-5]。

为了提高微网黑启动的可靠性和可实施性，本文针对黑启动的具体步骤和控制策略进行了研究，提出了一种改进的微网黑启动策略，在Matlab/Simulink仿真平台下搭建了微网模型，验证了本文提出的黑启动策略的有效性。

1 黑启动微源的选取

根据是否具有黑启动能力，可将分布式电源(DG)分为非黑启动分布式电源(NBDG)与黑启动分布式电源(BDG)。自励型发电机组以及未配备储能装置的风能/太阳能发电等都是NBDG，无源逆变器、联合发电机组及他励型发电机组、配备储能装置的风能发电等为常用的BDG[6]。黑启动微源的选取对微网黑启动的成功完成至关重要，黑启动微源的选取要考虑到以下几个因素：

(1)机组的容量。为了缩短系统恢复时间，其他指标相同时，应选择机组容量大的BDG，同时为系统提供较大的启动功率。

(2)微源的调频调压能力。DG启动后要保证微网在孤岛模式时的稳定运行，因此微源必须具有一定的调频调压能力。

(3)机组附近的负荷重要程度。根据系统中的负荷对电力需求的紧急程度的不同可以分为非常紧急、很紧急、较紧急、一般、不紧急五类[7]。

(4)微源的升负荷速度。微源的带负载能力完全取决于其升负荷速度，带负载能力强的微源启动后能保障周围重要负荷的供电。

根据以上原则，柴油发电机燃料控制灵活、可靠性高，可作为黑启动微源[8]。蓄电池具有快速调节特性，而且能够快速切换充放电状态，使得其能够快速自启动且减缓其他微源带来的冲击，也可作为黑启动微源[9]。光伏发电受外界天气影响较大，功率输出特性的随机性也很大，容易造成微网频率波动，因此不作为黑启动微源。

2 微网结构

典型的微网结构如图1所示。微电网由电/热负荷和微电源组成，并通过低电压与配电网连接，微电网由电力电子接口来实现在独立和联网发电运行模式下的控制、计量和保护功能。本系统中的微源由柴油发电机、光伏发电和蓄电池组成，其中柴油发电机和蓄电池作为黑启动微源，微网系统内包含四个可调负荷，负荷1、2、3、4分别为2、5、4、2 kW可调负载。

图1 微网结构

3 微网黑启动步骤

微网黑启动的恢复策略可分为串行恢复和并行恢复，并行恢复是在黑启动初期同时启动多个黑启动微源，形成多个子系统，运行稳定后并网，相对于串行恢复，能够快速地恢复微网供电[10]，因此本系统采用并行恢复完成微网黑启动。

3.1 切除微电网系统的全部负荷

在黑启动初期，为避免微源因负荷过大而导致故障停机，首先应切除微网系统中的用电设备，保证BDG在能够在空载状态下启动，同时建立系统的交流母线电压。

3.2 选择并启动黑启动微源

作为本系统中的BDG，柴油发电机和蓄电池能快速稳定地自启动，同时具有下垂特性。本文将柴油发电机在黑启动过程中作为主参考源，而其他微源以柴油发电机的电压幅值、频率以及相角为参考进行组网。主参考源为整个微网系统提供参考电压和频率，为保证微源电压和频率的稳定，柴油发电机和蓄电池采用一种自动调整的下垂控制策略自启动。

在低压微电网中，线路电感值很小，线路阻抗呈电阻性，线路电感可以被忽略，功率角也很小，逆变电源输出功率可视为：

通过对公式(1)分析变换，得到此控制策略的表达式：

结合图2进行分析，改进的下垂控制策略通过改变公式(2)中km和kn的值使下垂控制曲线的斜率发生变化，同时公式(2)中最后一项实现将下垂控制曲线进行平移。在保持电压和频率稳定的前提下，满足逆变器对负载的供电要求。

图2 Q-f控制曲线

图3为逆变器的控制原理图。结合图2和图3进行分析，Δf和f*的值在比较器中进行比较，当Δf超出额定电压的4%时，闭合T，PI模块和控制模块N开始工作，对比较器的值进行判断，根据实际频率与给定频率的大小，控制此模块输出值，改变下垂曲线的斜率，抬高或降低控制曲线，并将下垂曲线进行平移。当Δf的值被控制在给定范围内时，断开T。对电压的控制也采用同样的方法。改进的自动调整的下垂控制策略就是这样对逆变器不断地进行控制和调整，从而使系统达到稳定状态，有效地减小电压和频率的波动。

图3 逆变器的控制原理

3.3 将黑启动微源并联组网

BDG完成稳定的启动后，将两个微源进行并联组网。作为系统的主参考源，柴油发电机继续采用下垂控制策略，以保持电压和频率的稳定，为保证输出功率等于参考功率，蓄电池将切换到PQ控制策略，切换完成后进行两个微源的组网。并联组网时，控制方式切换前后蓄电池的两个控制器状态不匹配，将很容易产生震荡，功率发生变化，相应的电压和电流也会产生很大的波动。进行并联的两台微源若存在相位差，也会引起功率的震荡，以上原因很容易产生过大的暂态冲击，导致微源的保护动作发生，中断系统的黑启动。

为保证微源间并联组网的顺利完成，本文设计了如图4所示的组网控制器，并联前先闭合开关K1，将蓄电池下垂控制器的参考电压的输入切换到由主参考源柴油发电机提供，可实现主参考源与待同步电源的电压、相位完成同步。然后控制开关K2，计算出的切换前蓄电池的输出功率作为PQ控制器的参考功率，避免切换前后功率的变换导致控制器出现不匹配。最后操作开关K3，此时蓄电池的控制方式可以顺利地切换到PQ控制，接着就可以对微源进行并联组网。在黑启动完成后，控制K2，切换参考功率的给定，对蓄电池的参考功率进行调整。

图4 组网控制器

基于dq坐标系变换的PQ控制对电压电流进行解耦，得出功率与电压电流的对应关系，如公式(3)所示。文献[11]根据公式(3)设计PQ控制器，可输出恒定的功率，本文不再赘述。

3.4 启动非黑启动微源并组网

黑启动微源组网并稳定运行后，系统的发电能力增加，逐渐恢复了带负载能力，并且能够维持系统电压和频率的稳定，此时可以启动非黑启动微源，具有多个非启动微源的系统应确保[11]：

式中：Simax为系统中n台已启动微源的最大输出功率；Sei为配电变压器励磁损耗；Ssk为n3台将要启动的NBDG的启动冲击功率。

3.5 将负荷逐步接入微网系统

对此时微网系统的发电能力进行评估，根据电力系统功率平衡约束以及潮流约束，在不超过系统发电容量的情况下，逐步将负荷接入微网系统。

4 建立仿真模型并验证

根据图1所示的微网结构，结合前文所选取的黑启动方案及微源的控制方式，在Matlab/Simulink仿真平台下搭建了黑启动的仿真模型。进行了如下实验：

假设系统进入全黑状态，切除系统中的全部负荷并断开所有开关。

(1)柴油发电机和蓄电池采用传统的下垂控制策略带负荷启动，稳定后，不通过组网控制器直接将黑启动微源进行并联组网。

由图5和图6可以看出，在黑启动过程中主参考源柴油发电机的频率波动较大，0.4 s时微源进行并联，功率波动非常大，产生的暂态冲击极易引起微源的保护动作，导致并联组网失败，从而中断微网系统的黑启动。

(2)柴油发电机和蓄电池采用改进的下垂控制策略带负荷自启动。稳定后，在0.4 s时通过组网控制器完成黑启动微源的并联组网。0.8 s时采用PQ控制启动光伏发电，与系统进行组网。

图5 采用传统的下垂控制策略时柴油发电机频率

图6 采用传统的下垂控制策略时微源有功功率

由图7、图8、图9所示的仿真结果可以看出，采用本文提出的改进的黑启动策略，成功完成了微网的黑启动。在整个系统的黑启动过程中，频率波动很小，通过使用组网控制器，能够有效地避免功率的震荡，系统暂态冲击小，且稳定后输出平稳。

图7 采用改进的黑启动策略时柴油发电机频率

图8 采用改进的黑启动策略时微源有功功率

图9 采用改进的黑启动策略时微源无功功率

5 总结

本文提出了一种微网黑启动控制策略，通过采用改进的下垂控制和PQ控制策略，使微源的电压和频率保持稳定，同时可以对微源的输出频率进行控制，设计的组网控制器使黑启动微源可以顺利并联组网。仿真结果表明，本文提出的改进的黑启动策略能成功地实现微电网的黑启动，提高了微网黑启动的可靠性和可操作性。

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[5]林振智，文福拴，薛禹胜，等.基于多属性群决策特征根法的智能电网黑启动决策[J].电力系统自动化，2010，34(5)：18-23.

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[11]杨可，刘俊勇，贺星棋，等.四川电网黑启动恢复控制研究及试验(一)指导原则及电压控制[J].电力自动化设备，2010，30(6)：100-104.

Improved black-start strategy of micro-grid

DONG Chen-lu,ZHU Long-ji(College of Electrical and Information Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan Anhui 232001,China)

A kind of improved micro-grid black-start control strategy was put forward by using diesel generator and battery as the black-start micro source;parallel recovery mode was used to carry on micro-grid black-start.The improved droop control and PQ control as control strategy for micro sources were used to maintain the voltage and frequency stability of micro sources,and the output power was accurately controlled.A kind of network controller was designed to make the network more stabe and reliable.The black-start with parallel networking of trickle source was optimized.The effectiveness and feasibility of the black-start control strategy were proved by the experimentation.

micro-grid;black-start;droop control

TM 727

A

1002-087 X(2015)08-1744-04

2015-02-25

安徽省教育厅自然科学重点项目(KJ2013A084)

董晨露(1991—)，女，安徽省人，硕士研究生，主要研究方向为电力电子技术及应用。