微电网黑启动研究综述

王 敏，李 想，潘永春，陈 芬，茅鑫同

（河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100）

0 引言

随着国民经济的快速稳定发展，电力负荷迅速增长，能源短缺也日渐成为经济发展的瓶颈，因此开发利用清洁高效的可再生能源引起人们的高度重视，并成为实现我国“节能减排”目标的重要手段之一。根据资源条件，合理选择开发利用多种可再生能源组成可再生能源分布式供能体系，构成微电网，实现独立或并网运行，是今后可再生能源高效利用的重要方向［1-2］。

微电网是智能电网的重要组成部分，是由分布式电源、储能系统、能量转换装置、监控和保护装置、负荷等汇集而成的小型发、配、用电系统［3］，是一个具备自我控制和自我能量管理的自治系统。未来的微电网将会从比较单一的、小型的体系结构向复杂的、大型的微电网发展演化，将会是分布的、多级的架构。这种积木式的架构具有良好的可扩充性，覆盖的电压等级会越来越高，容量会越来越大。

微电网既可以看作是一个小型的电力系统，也可以认为是智能电网的一个“虚拟”的电源或负荷，因此分布式电源、微电网和智能电网将改变电力系统的结构与运行方式。对于多级微电网，每个微电网都可以自身或连带下级微电网一起孤立运行，也可以与上级微电网或大电网并网运行。特别地，微电网的独立运行模式可以在外部电网故障时继续向关键负荷供电，提高了用电的安全性和可靠性［4-5］。考虑到微电网系统孤岛运行时，可能由于某些故障而导致系统失电，为进一步提高系统的供电可靠性，微电网系统应具有孤岛运行状态下的黑启动功能［6］。微电网黑启动是指在整个微电网因外部或内部故障停运进入全黑状态后，不依靠大电网或其他微电网的帮助，仅通过启动微电网内部具有黑启动能力的微源，进而带动微电网内无黑启动能力的微源，逐步扩大系统的恢复范围，最终实现整个微电网的重新启动［7］。

微电网的黑启动能力既可以保证关键负荷供电和微电网的连续稳定运行，在一定条件下还可以为大电网的恢复提供黑启动电源，可有效地减小传统电力系统在黑启动过程中因选择距离负荷中心较远的水电机组作为黑启动电源所引起的发电机自励磁和过电压的影响，实现系统由点及面的恢复，缩短了整个系统的恢复时间，减少了停电造成的损失。

目前，国内外对电力系统的黑启动已有很多研究，但这些研究成果多针对传统电网，很少涉及微电网的黑启动研究。微电网中分布式电源的输出多为直流或高频交流电，需经电力电子装置接入到电网［8-9］，这些电力电子装置控制灵活、响应速度快，但过载能力、故障穿越能力和单机发电容量均远小于传统旋转机械类电源［7，10］，且微电网容量相对较小、结构简单、微电源类型多样，这就使得微电网在黑启动电源的选择以及黑启动方案的制定等方面与传统电网有着很大的区别。

本文通过对国内外近年来有关微电网黑启动的研究成果进行总结，并从微电网黑启动电源的选择及控制方法、微电网黑启动策略和微电网黑启动过程中存在的主要问题及相关措施等方面进行了评述。希望对促进微电网的进一步发展有所帮助。

1 微电网黑启动电源的选择

1.1 微电网黑启动电源的类型选择

微电网的黑启动主要靠具有黑启动能力的电源带动非黑启动电源，进而逐步实现整个系统的恢复。因此，黑启动电源在微电网的黑启动中起着决定性的作用。文献［11］中指出，微电源具备如下2个条件就有可能实现黑启动：在微电源电能转换的直流侧并联适当的储能装置（蓄电池或超级电容器）；微电源逆变器采用电压控制方式以建立低压配电网络。因此，能源供给稳定且微电源动态性能及抗扰动性能和负荷跟踪特性较好的微型燃气轮机、柴油发电机、燃料电池及大容量储能单元都可以成为黑启动电源的首选［12-13］。

文献［14］还指出，微电网黑启动电源除能自主建立稳定的微电网系统交流母线电压外，还应考虑到黑启动无法一次成功的可能性，备用储能单元剩余容量应满足系统连续进行多次黑启动的需求；具有充足的发电容量，即其额定功率能够保证配电变压器励磁损耗和微电网系统交流母线空载损耗，同时其输出能力能够承担一定容量非黑启动电源在启动时所产生的短时功率冲击，即：

其中，Sn为黑启动电源额定视在功率；Scj为即将同时启动的非黑启动电源（共m台）启动时的冲击功率；Sloss为微电网系统总的损耗。

1.2 微电网黑启动电源的优化选择

在微电网的黑启动过程中，微电网一定是脱离大电网运行在孤岛模式下的，因此在确保黑启动电源满足基本要求的前提下，在微电网中还需要一个主参考源来提供系统的参考电压和频率。

微电网黑启动过程中具有黑启动能力的主参考电源应具备的特征包括［15］：能快速实现自身的黑启动；能够提供稳定的电压及频率；能快速跟踪负荷变化以免产生大幅波动。考虑到微型燃气轮机、燃料电池及柴油发电机良好的负荷跟随及抗扰动特性［12-13］，它们无疑是微电网黑启动主参考源的最佳选择［6］。

在此基础上，可以综合考虑黑启动电源的经济性、启动速度等对微电网黑启动的影响，进行黑启动电源种类的优化组合、电源容量的优化选择，从而制定合理而可靠的微电网黑启动方案。

2 微电网黑启动策略

2.1 微电网黑启动电源的控制方式

目前，微电网中微电源的控制主要有电压控制方式和电流控制方式［16-17］。各微电源在自启动过程和同期并网时并不是运行在某一控制方式下一成不变，而是会在不同的时期采用不同的控制方式，以满足各个时期不同的需求［6］。因此，在微电网黑启动时，黑启动电源控制方式的选择就显得很重要。

黑启动电源自身带一定负荷自启动时运行在电压控制方式下，其他非黑启动电源采用电流控制方式，自启动后非参考源与主参考源并联运行时需切换至电流控制方式。同样微电网与其他电网同期并网时需选择一个系统作为主参考源保持电压控制方式不变，其他小系统黑启动电源全部转变为电流控制方式。该过程中，存在的2个主要问题是非参考电源的模式切换和各小系统之间的同期并网时可能产生很大的冲击电流或功率，甚至导致黑启动失败。因此在各子系统并网时需要一个预同步过程，同步条件为电压幅值、频率和相角一致，并通过本地微电源控制器监测开关两侧的电压、电流信号，最大限度地减小并网时的冲击电流和功率。另外还需要采取有效的控制手段实现电源控制模式的平滑切换，目前文献中已有的控制方法有状态补偿法［18］、状态跟随模式切换法［19］等。

2.2 微电网黑启动控制方案

分布式电源与负荷有序而合理的启动步骤以及有效的协调控制是微电网黑启动成功的关键。微电网在黑启动时可参考传统电力系统将黑启动方案分为串行恢复和并行恢复［20］。串行恢复，是在大多数发电机并网前对整个网络进行充电；而所谓并行恢复，是指多个黑启动电源同时启动，形成多个独立分散运行的小系统（串行恢复过程），再同期并网。文献［14］指出，微电网中基于电力电子装置的单台电源启动时间（秒级）远小于传统电机电源（分钟级），因此在恢复供电速度上，虽然理论上串行恢复方案比并行恢复方案要慢，但实际区别并不显著。且串行恢复策略有效解决了微电网系统内电压源组网过程中的同期并列问题，从而有效化简微电网系统硬件设计以及控制系统和微电源的软件设计复杂程度。

2.2.1 串行恢复

在需要黑启动的微电网范围中仅启用单个黑启动电源时，其黑启动采用串行恢复方式［14，21-23］，其具体启动步骤和协调配合如下。

（1）为避免低压配电网络充电时因负荷过大引起故障停机，首先要断开微电网系统所有负荷。

（2）启动黑启动电源，从而建立低压配电网。为了安全地建立低压配电网，有必要协调黑启动电源与配电变压器之间的控制，确保配电变压器零起升压。此时，黑启动电源采用电压控制方式以维持稳定的电压和频率。

（3）部分重要或可控负荷首先接入低压配电网。所投入负荷应小于发电机所能发出的最大功率，并保证负荷投入时不会产生大幅度的电压和频率波动。同时，恢复前期投入部分可控负荷并通过对可控负荷的有效控制来协助系统频率调节［24］。

（4）启动其他可控微电源，并同步并入电网。由于黑启动初期系统薄弱，容量较小，任何一个扰动都可能导致系统频率或电压的再次失稳，因此应优先启动系统内具有调压调频能力的非黑启动电源。同时考虑到逆变器型电源在启动过程中可能存在启动冲击功率，这个能量可能远大于正常运行时所需要的能量，因此，该类电源启动前黑启动电源和非黑启动电源的容量要应确保满足式（1）的要求。

（5）逐步增加其他负荷。随着其他电源的接入，系统中电源所能提供的发电量也会随之增加，此时可以根据发电量的大小和负荷特性逐步恢复系统内负荷。

（6）接入不可控电源，如光伏电站或风力发电机组。微电网系统中的这类可再生能源发电装置多为电流源输出特性，无调压调频能力或调压调频能力差，且输出功率存在间歇性和随机性。因此，需评估当前微电网系统对上述微电源容量的接纳能力后，再逐步发出启动指令。

2.2.2 并行恢复

对于具有多个可选黑启动电源的微电网，为了缩短供电恢复时间，其黑启动一般采用并行恢复策略［6，25-30］，具体启动步骤为：在串行恢复基础上建立多个分散独立运行的小系统，再进行同期并网。

微电网黑启动的并行恢复过程中，目前需要解决的主要问题是非参考电源的模式切换和各小系统之间的同期并网问题。例如文献［30］提出了一种分层多代理控制结构的黑启动控制策略，在同期并网时加入预同步环节，减小了并网时的冲击。但未考虑模式切换时所带来的影响。而文献［6］对黑启动过程中微电源控制模式切换产生振荡的原因进行了分析，利用多代理系统的微电网黑启动并行恢复方案，结合功率锁存的模式切换方法希望实现平滑的模式切换，但仍旧无法实现无缝切换。

另外目前研究的并行恢复策略多采用分层控制，分层控制对通信具有很强的依赖性，一旦出现通信故障，很有可能直接导致黑启动失败。因此，有必要加强应对通信故障的应急策略研究或采用其他更好的控制方法。

2.3 微电网黑启动方案优化

微电网重启初期阶段，意外的干扰或不合理的启动方案很容易导致黑启动失败或经济性的缺乏。因此在保证微电网黑启动可靠完成的同时，对黑启动步骤和负荷恢复顺序进行优化选择可以更快更经济地完成微电网系统的恢复。

在对微电网黑启动过程进行优化时，文献［11］建立了以负荷恢复最大、配电变压器零起升压时间最短、感性负载无功功率最小为优化指标的最优化模型，从而确定微电网黑启动能力。文献［31］建立了以恢复负荷最多、开关操作数最少为目标的供电恢复模型，并应用多代理理论，建立了一个由全系统控制协调代理、微电网控制代理、分布式电源代理以及母线代理组成的多代理系统，保证配电系统可靠地恢复供电。文献［32］根据分布式电源的性能和重要负荷的分布对配电网进行划分，然后对分区后分布式电源启动顺序及恢复路径进行优化，以保证微电网内尽可能多的重要负荷在尽可能短的时间内恢复供电。

综上所述，微电网黑启动的优化，需要根据分布式电源的性能、微电网的组织结构、微电网控制方式对微电网黑启动的影响等进行优化，确保微电网系统可靠而迅速地恢复。

3 微电网黑启动存在主要问题及相关措施

电力系统恢复过程中，由于网架结构比较薄弱，会遇到很多问题影响系统的恢复［33］。而微电网黑启动具有电源类型多元化且容量小等特点，因此微电网在黑启动时需要注意解决下面几类问题。

（1）过电压。

微电网孤岛运行时，其逆变器接口侧可能装设配电变压器。因微电网中逆变器型电源具有动态响应速度快的特点，过快地增加母线电压幅值可能导致配电变压器出现磁通饱和的现象，引起过电压，影响系统的恢复。因此，要控制黑启动电源的启动速度，保证其零起升压［14］。

另外文献［22］中基于分布式电源的黑启动，考虑空载或轻载输电线的电容效应，可能会造成输电线上的电压升高。为了防治该类过电压，一方面，送电前黑启动电源电压尽量调低；另一方面，可选择具有无功功率吸收能力的黑启动电源，保持系统恢复初期的电压稳定。

铜是植物生长所必不可少的微量营养元素，但植物缺少铜时，症状表现为叶部生长缓慢，叶片较小，呈蓝绿色，随后发生死斑点；植物铜含量过多也会引起中毒，症状为植物根系生长受限和变形。铜是人畜必需的微量营养元素，无论是缺铜还是过量，都可以产生大脑或脑干部位的病变[19]。

（2）系统电压和频率稳定。

为保持黑启动过程中微电网的电压和频率稳定，除了需要按照前面的分析选择可靠的主参考电源外，还需要逐步接入各类负荷。一般优先恢复重要和可控的负荷，然后逐步恢复较大的和非重要的负荷。负荷的少量恢复将延长系统恢复时间，但过快增长有使频率下降的危险，所以增加负荷的比例必须在加快恢复速度和频率稳定两者之间平衡。

微电网中的微电源包含大量的可再生能源发电装置，它们受自然环境的影响很大，具有很强的随机性和间歇性［34-36］，一般可采用在逆变器直流侧加入储能装置来加强对逆变器输出电压和频率的控制。

（3）独立运行小系统的暂态稳定。

目前，在微电网的黑启动研究中，大多数研究采用基于并行恢复策略的黑启动方案。因此，就不可避免地会存在多个分散独立运行小系统稳定运行问题。为保证微电网黑启动的顺利进行，有必要对恢复初期各独立运行小系统进行稳定分析。

对于小系统的抗大扰动能力，一般采用发生短路故障的方式来进行衡量。按照《电力系统稳定导则》的要求，黑启动初期的小系统暂态稳定性一般只按单相短路接地的单一故障来考察。

（4）合环并网。

（5）故障检测和保护配置。

相对传统电力系统，微电网系统的故障电流很小［37-38］，而非黑启动电源或负荷的接入所产生的冲击电流可能会比系统的故障电流还大，使得故障检测装置往往很难确定该状态下是瞬时的波动还是系统发生故障，影响了保护装置的动作。因此，还应加强对微电网黑启动过程中故障检测装置和继电保护装置与黑启动的配合研究。

综上所述，微电网黑启动过程中所存在的主要问题与传统电力系统黑启动过程中碰到的问题不尽相同，在研究微电网黑启动时，有必要对可能存在的问题加以关注，并采取有效的控制方案和恢复策略解决这些问题，从而保证微电网黑启动的顺利完成，促进微电网以及智能电网的发展。

4 结论与展望

微电网是未来智能配电网实现自愈、用户侧互动和需求响应的重要途径，随着新能源、智能电网技术、柔性电力技术等的发展，微电网能更加有效地解决供电安全可靠性、节能减排、可再生能源利用率等问题，真正实现电力系统的安全、环保与高效运行。

为了保证微电网持续稳定的运行，充分发挥微电网的优势，同时给大电网的黑启动带来一定的帮助，微电网在系统“全黑”时能够实现快速黑启动已是势在必行。目前，针对微电源和微电网的建模技术和理论体系还有待进一步的研究和完善，微电网的保护、控制以及运行模式切换都还需要进一步完善，这就导致在微电网黑启动研究方面也需要同步的跟进。本文基于国内外微电网黑启动研究的现状，从黑启动电源的选择及控制方法、微电网黑启动策略和微电网黑启动过程中存在的主要问题及相关措施等方面对微电网黑启动问题进行了介绍和分析，可为微电网黑启动的进一步研究和应用提供参考。

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