含分布式电源配电网的黑启动运行特性研究

乔红，温智平，周倩，谢永涛（.西安电力高等专科学校，陕西西安700；.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安70054；.西安理工大学，陕西西安70048）

含分布式电源配电网的黑启动运行特性研究

乔红1，温智平2，周倩2，谢永涛3
（1.西安电力高等专科学校，陕西西安710032；2.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安710054；3.西安理工大学，陕西西安710048）

对于电力系统局部失电或大面积失电，利用分布式电源恢复供电的黑启动方案具有重要意义。文中在分布式电源配电网建模的基础上，结合含分布式电源的配电网自身特点，以配有储能装置、具有电压/频率控制能力的分布式电源作为黑启动电源，分析其黑启动运行特性，给出含分布式电源黑启动的优化组合方案。最后，仿真验证了优化配置方案的有效性，为配电网实现黑启动预案提供必要的理论基础。

分布式电源；配电网；黑启动

电力系统受各类自然灾害和人为因素导致电网发生局部失电或大面积失电等严重事故无法避免，采取有效的故障自愈措施有利于快速恢复供电，其中在电力系统大停电后采取切实可行的黑启动预案对快速恢复系统供电具有重大意义[1-3]。对于含有分布式电源（包括微网、储能装置等）的配电网局部失电时，可以通过分布式电源/微网/储能设备等，实现部分供电恢复与负荷转移，减少停电范围[4-6]。对于电力系统大面积失电，在输电网络排除故障与恢复供电的过程中，可以通过配电网络的黑启动方案，利用分布式电源/微网/储能装置实现配电网大范围快速供电恢复[7-10]。显然，利用分布式电源/微网/储能装置恢复供电的黑启动方案，适用于配电网全面失电/部分失电的快速供电恢复。

本文结合含分布式电源配电网的自身特点与可控分布式电源输出特性，以配有储能装置、具有电压/频率控制能力的分布式电源作为黑启动电源，借鉴主电网黑启动技术，分析其黑启动运行特性，给出含分布式电源黑启动的优化组合方案，为配电网实现黑启动提供理论基础。

1　含分布式电源配电网建模

以图1所示含分布式电源的配电网局部为例，研究典型分布式电源的运行特性。其中，分布式电源电压等级0.4 kV，配电网母线电压20 kV。

图1　含分布式电源的配电网Fig.1　Distribution network with distributed generation

由于大部分分布式能源通过逆变器与电网相连，逆变器典型的控制方式为PQ控制（控制逆变器输出的有功、无功）和Vf控制（控制逆变器输出的电压、频率），图1简化结构见图2。

图2　含分布式电源配电网结构简图Fig.2　Structure of the distribution network with distributed generation

图中，分布式电源包括光伏发电（PV单元）、风力发电（WT单元）与小型燃气轮机等，网络含有储能单元（ESS单元）。对各逆变式电源，逆变器、滤波器和线路阻抗未画出，逆变器的控制方式为PQ控制，即根据指令发出有功和无功功率。对储能单元，仅给出了双向变换器（VSC）和LC滤波器，线路阻抗未画出。

储能单元的变换器可以实现能量双向流动，具有整流和逆变的功能。变换器的控制方式为Vf控制，即按照指令发出一定幅值和频率的交流电压，母线（MG BUS）的电压ubus由其维持。维持一定的电压幅值和频率，本质上由平衡整个微电网内的有功和无功功率来实现。配有储能装置的Vf控制逆变器（或变换器）并网的分布式电源具有作为黑启动电源的可能，下面重点研究该类分布式电源作为黑启动电源的运行特性与优化组合方案。储能装置在黑启动过程中输出能量，变换器主要起逆变作用。Vf控制框图如图3所示。

图3　逆变器Vf控制图Fig.3　Vf control chart of the inverter

采用母线电压矢量定向控制，母线相电压峰值指令值和角频率指令值由外部给定=311 V， uqref=0；ωref=100π。

2　分布式电源黑启动能力与运行特性分析

如第1节所述，配有储能装置的Vf控制逆变器并网的分布式电源可能作为黑启动电源，主要研究该类分布式电源在母线失电情况下，与不同类型负载连接的运行特性，评定其黑启动能力，得到不同分布式电源的优化配置方案。

仿真系统结构如图4所示，改变Bus1末端负荷的类型，分析电源运行特性，等效线路阻抗Zs=Rs+ jωLs（Ls=0.053 mH，Rs=0.128 Ω）。

图4　仿真系统模型Fig.4　Simulation model

衡量电源运行特性主要通过3个指标：

2）母线相电压有效值偏移量：

式中，urmsmax，urmsmin分别为相电压有效值的最大值与最小值（取三相中最大的）；

3）母线相电压总谐波畸变率：

式中，Uh为各次谐波有效值；UI为基波（50 Hz）有效值，取三相最大值。380 V配电网络频率容许范围，50 Hz±0.2 Hz，电压偏移容许范围±5%，总谐波畸变率容许范围±5%，黑启动过程属于极端情况，频率、电压和谐波范围可以有所增加。

2.1启动有功负载能力

Vf控制逆变器独立运行，启动1 kW纯电阻负载，逆变器输出电压、电流谐波十分严重。母线电压谐波总畸变率与A相（三相输出完全对称）电压有效值变化过程如图5所示。

图5　母线A相电压谐波畸变率与有效值Fig.5　Voltage harmonic distortion rate and the valid values of A phase in the bus

逆变器控制并网的电源，需要一段时间建立电压，不计算0.025 s前数据（第一个周期数据产生的谐波畸变率和有效值计算存在偏差），Vf控制分布式能源带1 kW纯有功负载，电压偏移du+=11%，du-=0%谐波总畸变率51%。增加负荷到5 kW纯电阻负载，母线电压、电流波形如图6所示；输出波形理想，母线电压谐波总畸变率与A相电压有效值变化过程如图7所示。

图6　母线电压、电流波形Fig.6　Voltage and current waveforms of the bus

图7　母线A相电压谐波与有效值Fig.7　Voltage harmonic and the valid values of A phase in the bus

电压总谐波畸变率0.88%，电压偏移du+=0.2%，du-=-0.8%。进一步增加启动的有功负荷，电源输出出现饱和：Vf控制电源带100 kW纯电阻负载，电压频率偏移为0，谐波总畸变率4.5%，电压偏移du+=0，du-=-17%逆变器输出饱和，d轴输出电流（有功电流）已达不到指令值，母线电压下降严重。

由表1可知，不同纯电阻性负载情况下，频率偏移全部为0，Vf控制并网的分布式能源启动一定范围内（3～80 kW）的电阻性负荷，低于这个范围谐波较大，高于这个范围电压跌落较大。Vf控制并网的分布式能源启动有功负荷能力比较强，达到一定基础负荷（3 kW）到输出饱和（80 kW），均可输出较好的电压、电流波形。

表1　分布式电源启动纯电阻性负载能力Tab.1The ability to start pure resistive load for distributed generation

2.2启动无功负载能力

Vf控制逆变器独立运行，启动1 kvar纯电感负载，母线电压、电流波形输出波形极差，电压偏移，du+=38%，du-=0谐波总畸变率101%。启动1 kvar纯电容负载，母线电压、电流波形输出波形更差，几乎看不出明显的50 Hz信号，电压偏移电压偏移du+=46%，du-=0谐波总畸变率111%。逆变器单独启动无功能力很差，一定容量的无功，必须有相应容量的有功与之搭配，才能输出较好的波形。

分别进行1 kvar电感性无功或容性无功，搭配不同容量有功，母线电压总谐波畸变率与电压偏差如表2、表3所示。

表2　分布式电源启动感性负载能力（QL=1 kvar）Tab.2The ability to start load for distributed generation（QL=1 kVar）

表3　分布式电源启动容性负载能力（QC=1 kvar）Tab.3　The ability to start the load for distributed generation（QC=1 kvar）

由表2可知，启动1 kvar的感性无功负荷，至少需要20 kW的有功负荷有之匹配，才能输出比较理想的波形。20 kW以上负荷与1 kvar电感性负荷搭配，有功所占比例较高，输出与纯电阻性负载基本相同。而对于电容性无功，相当于在母线上并联电容，有利于母线电压稳定，如逆变器启动1 kvar电容性无功与3 kW有功，母线电压、电流波形好于启动3 kW纯电阻性负载输出的波形。如果增加电容性无功，逆变器输出未达到饱和前，输出波形更好。但启动过大的电容性无功，合闸时出现过大的充电电流。

综上分析可知，Vf控制方式的分布式电源，启动一般的电阻、电感、电容性负荷的能力的基本规律：①一定容量的逆变器可以启动一定范围的有功（本仿真模型中的逆变器为3～80 kW）；②增加电感性无功，这个范围将减小，且增加的感性无功越多，范围减小越大（本算例中增加1 kvar电感性无功，启动有功范围减小为20～80 kW）；③增加电容性无功，可以增加启动有功的范围，且增加容性无功越多，范围增加越大（本算例中，增加1 kvar电容性无功，启动有功范围不变，增加5 kvar电容性无功，可以启动有功范围增加为1～80 kW）；④逆变器启动纯感性或容性无功能力很差；⑤各类负荷对逆变器输出频率影响不大。

2.3恢复母线供电能力分析

黑启动过程中，首先需要恢复的为母线，即需要考虑Vf控制逆变式电源空载线路充电能力与给低压变压器供电能力，配电网电压等级低、线路长度短，线路对地电容小，空载线路充电相当于带阻感负载，仿真结果与前面分析相同。主要考察Vf控制逆变式电源给低压变压器供电能力。仿真系统结构不变，Bus1末端负荷为空载变压器（0.4/10 kV，容量400 kV·A）。Vf控制逆变式电源不带任何负荷，给低压变压器上电，母线（0中Bus 1母线）电压波形畸变十分严重，母线电压偏移电压偏移du+=0.5%，du-=-0.2%谐波总畸变率11.5%。

空载变压器等效于励磁电感与电阻串联电路，相当于感性为主的负荷，Vf控制并网的分布式电源给空载变压器充电能力与前面分析的启动电感性负载的规律相同，需要有一定的有功负荷，再给变压器上电。本算例中，需要逆变器有1.5 kW以上有功负荷，才能投入低压变压器。如果低压变压器单独与分布式能源相连，则给低压变压器上电后，应尽快投入一定有功，以保证输出波形质量。

2.4启动电机类负荷

仿真系统结构不变，Bus1末端负荷为异步电动机，研究逆变器输出波形。负荷电机为2.2 kW鼠笼型异步电动机，参数如表4所示。

表4　2.2 kW电机参数Tab.4　Parameters for 2.2 kW motor

时刻投入电动机，电动机过程中，相电流峰值最大值约50 A，电流电压波形基本都能保持正弦，逆变器电流内环、电压外环控制均比较理想。启动过程中，电机转速变化如图8所示。

由图8可知，0.7 s以内电机可以达到空载转速。加大电动机启动容量，则逆变器输出发生饱和，如负荷为22 kW鼠笼型异步电机，参数如表5所示。

图8　电动机转速曲线Fig.8　Speed curve of the motor

表5　22kW电机参数Tab.5　Parameters for 22kW motor

t=0.5 s时刻投入电动机，启动过程母线电压、电流波形发生畸变。启动过程中，相电流峰值最高为100 A，母线电压偏移du+=14.6%，du-=-26%，谐波总畸变率17.5%。需要2 s达到额定转速。电动机启动后，空载或带负载，对于逆变器等效于一般的电阻、电感、电容性负荷，输出规律与前面相同。

3　分布式电源黑启动的优化配置

配电网黑启动过程中，一般选择一个逆变式电源为Vf控制，其他采用PQ控制，首先，考察Vf控制逆变电源与PQ控制逆变电源并联运行能力。仿真系统不变（如0），给定PQ逆变器指令值P=10 kW，Q=0与Vf控制逆变器并联运行，母线电压、电流波形如图9所示。

图9　母线电压、电流波形Fig.9　Voltage and current waveforms of the bus

母线电压偏移电压du+=2.5%，du-=-0.6%谐波总畸变率10.5%。

改变PQ逆变器有功、无功指令，得到母线电压谐波总畸变率和电压偏移如表6所示。

表6　逆变器不同有功指令时的母线电压谐波畸变率和电压偏移Tab.6　 Voltage harmonic and offset of the bus with different active power instruction of the inverter

Vf控制逆变器可以在空载情况下，与PQ控制逆变器并联运行，在PQ控制逆变器输出不发生饱和情况下（本算例中，PQ控制逆变器最大有功输出为20 kW），母线电压均比较理想。PQ控制逆变器在与Vf控制逆变器并联前，如果已经带有一定负荷，则需要同步装置，才能实现两种电源的并联，否则在同步过程中，电压、电流波形畸变比较严重。

与输出有功的PQ控制逆变器并联运行，可以提高Vf控制逆变器作为黑启动电源的启动能力，本算例中，Vf控制逆变器独立运行最高可启动有功负荷为80 kW，与输出20 kW的PQ控制逆变器并联运行，可启动更大容量负荷，如接入负荷为100 kW时，母线电压du+=0%，du-=-7.3%，谐波总畸变率4.3%，未出现饱和现象，作为黑启动电源的分布式电源与输出有功的PQ控制逆变器并联运行，输出有功的PQ控制逆变器不仅输出能量，同时可以提高母线电压、电流的稳定性。

4　结论

本文进行了分布式电源黑启动运行特性分析，重点讨论了Vf控制方式分布式电源与不同类型负载连接的运行特性，评定其黑启动能力，并对分布式电源黑启动的优化配置进行了仿真分析，具体结论如下：

1）一定容量的Vf控制方式分布式电源可以启动一定容量范围的有功负载，增加电感性无功，这个范围将减小，而增加电容性无功，这个范围将增大，但是Vf控制方式分布式电源启动纯感性或容性负载能力很差，且各类负荷对逆变器输出频率影响不大。

2）空载变压器等效于励磁电感与电阻串联电路，相当于感性为主的负荷，Vf控制并网的分布式电源给空载变压器充电与启动电感性负载的规律相同，需要有一定的有功负荷，才能给变压器充电。

3）与输出有功的PQ控制分布式电源并联运行，可以增强Vf控制分布式电源作为黑启动电源的能力。

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（编辑李沈）

Research on the Feature of the Black-Start with Distributed Generation in Distribution Network

QIAO Hong1，WEN Zhiping2，ZHOU Qian2，XIE Yongtao3
（1.Xi’an Electric Power College，Xi’an 710032，Shaanxi，China；2.Shaanxi Electric Power Research Institute，Xi’an 710054，Shaanxi，China；3.Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

For partial or large-area power failure in the power system，it is of great significance to make use of blackstart scheme with distributed generation to restore power supply. In this paper，based on modeling of distribution network with typicaldistributedgenerationanditscharacteristics，the distributed generation equipped with energy storage device in voltage/frequency control mode is used as black-start source. By studying on black-start operation characteristics in different conditions，the optimized combination scheme of black-start with distributed generation is proposed.Finally，the simulation results verify the effectiveness of the optimized scheme，and it provides theoretical basis for black-start action in distribution network.

distributed generation；distribution network；black-start

1674-3814（2015）07-0054-06中图分类号：TM74

A

含交直流混合多级微电网的国家级兰州新区智能电网综合建设工程之微电网实验系统开发（5227221350BR）；微电网与配电网的互动模式与协调优化技术研究（52272214002Z）。

Project Supported by Development of Microgrid Testing System for the Construction of Integrated Smart Grid with AC-DC Hybrid Multi-LevelMicrogridinState-LevelLanzhouNewArea（5227221350BR）；Interactive Pattern and Optimized Coordinative Technology for Microgridand Distribution Network（52272214002Z）.

2015-03-16。

乔红（1972—），女，硕士，讲师，现就职于西安电力高等专科学校。