黑启动火电机组后储能型风电场的调控策略研究

米增强，白 俊，刘力卿，范卫东，杨再敏



黑启动火电机组后储能型风电场的调控策略研究

米增强1，白 俊1，刘力卿1，范卫东2，杨再敏2

（1华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，河北保定 071003；2国网内蒙古东部电力有限公司调度控制中心，内蒙古自治区呼和浩特 010000）

利用储能型风电场作为黑启动电源带动局域电网内的火电机组启动后，将其与火电机组组成风储火系统并列运行，对提高电网的恢复速度具有重要作用。为形成风储火系统并使其在局域电网后续恢复过程中能够保持稳定，提出了一种在启动火电机组后储能型风电场的控制策略：在电池储能系统控制单元中采用基于控制器状态跟随的平滑切换控制方法，并通过对其控制策略的切换点进行调整，以使电池储能系统能够在火电机组与储能型风电场并列运行瞬间实现由/控制到/控制的无缝切换；在电池储能系统控制单元中建立附加惯性控制器和附加频率下垂控制器以提高风储火系统的频率稳定性，在双馈风电机组控制单元中建立附加电压下垂控制器以提高风储火系统的电压稳定性。仿真结果表明：利用所提调控策略能够在火电机组与储能型风电场并列运行瞬间，使电池储能系统的控制策略进行平滑切换，并能使风储火系统在恢复局域电网内其它机组或负荷时保持稳定。

储能型风电场；黑启动电源；控制策略切换；附加惯性控制

在发生局部停电事故后，水力发电厂（含抽水蓄能电站）是电网黑启动电源的理想选择[1]。但我 国内蒙古、西北地区并不具备理想的黑启动电源， 在发生停电事故后只能依靠主网的恢复，耗时较长。 因此，从局域电网所处特殊地理位置和需求出发， 寻找可以作为黑启动电源的新型电源具有重要意义。文献[2]以呼伦贝尔电网为例，提出了利用大良 储能型风电场作为黑启动电源带动其东海拉尔热电 厂内一台火电机组启动的方案，并通过分析储能型 风电场的持续出力概率和对其黑启动过程进行仿 真，验证了所提方案的可行性，但该文并未对火电机 组黑启动后储能型风电场的调控策略作进一步研究。

黑启动初期，局域电网的首要目标是以最快速度启动更多电源，从而恢复尽可能强的发电能力[3]。但初步恢复后的火电机组容量较小，自平衡能力差，在恢复电网内其它机组或负荷时容易失稳，导致电网黑启动过程的失败。若能将储能型风电场与火电机组组成风储火系统并列运行，充分利用储能型风电场有功与无功的快速调节能力，将使风储火系统具备更大的调节幅度、更快的动态响应特性来应对恢复其它火电机组等局域电网后续恢复操作[4-6]，能够有效提高局域电网的恢复速度。通过分析可知：在形成风储火系统时，由于电池储能系统的容量较小，无法利用其为风储火系统提供电压与频率支撑，需在火电机组和储能型风电场并列瞬间对其运行模式进行切换；在形成风储火系统后，由于储能型风电场缺乏惯性，并易受风速波动的影响，需对电池储能系统和双馈风电机组控制策略进行改进，以使风储火系统能够在局域电网后续恢复过程中保持稳定。

目前，国内外对储能型风电场黑启动火电机组后的调控策略研究较少，但关于电池储能系统控制策略切换和高渗透率风电在系统稳定性方面影响的研究可以为本文提供有益借鉴。文献[7-8]提出了基于控制器状态跟随的控制策略切换方法，有效减小了电池储能系统运行模式切换带来的暂态振荡，但这种切换策略只是在/控制切换为/控制中采用。文献[9]提出了电池储能系统在孤岛/并网状态下的硬切换策略，采用多环反馈控制器来减小系统振荡，实现了控制策略切换的平滑与快速。文献[10-12]研究了储能型风电场在孤网状态下的控制策略，该策略可以保证系统在风速变化及不同带载情况下都能维持公共母线电压和频率在一定范围内。文献[13]提出在限电弃风工况下，通过在双馈风电机组控制单元中建立下垂控制器来为电网提供频率支撑。文献[14-15]研究了电池储能系统与双馈风电机组的协调运行方案，在不影响风电机组运行状态的前提下改善系统的惯性响应能力。文献[16-18]分析了双馈风电机组的无功功率调节能力，提出了双馈风电机组和电池储能系统协调控制的电压稳定性策略。

本文以呼伦贝尔电网为研究对象，通过分析储能型风电场黑启动火电机组后与之并列运行形成的风储火系统的运行特性，提出了黑启动火电机组后储能型风电场的调控策略：在电池储能系统控制单元中采用基于控制器状态跟随的平滑切换控制方法，并通过对其控制策略的切换点进行调整，以实现火电机组和储能型风电场并列瞬间电池储能系统控制策略的平滑切换；在电池储能系统控制单元中建立附加惯性控制器和附加频率下垂控制器以提高风储火系统的频率稳定性，在双馈风电机组控制单元中建立附加电压下垂控制器以提高风储火系统的电压稳定性，使风储火系统在恢复局域电网内其它机组或负荷时保持稳定。

1 储能型风电场黑启动火电机组的方案分析

大良储能型风电场与东海拉尔热电厂的连接图如图1所示。大良储能型风电场装备有33台额定容量为1.55 MVA的双馈风电机组，并在出口处配置了电池储能系统，东海拉尔热电厂由额定容量为 2×25 MVA和2×50 MVA的4台火电机组构成，经伊西线和西良线与大良储能型风电场相连。

文献[2]指出，若大良储能型风电场配置的电池储能系统容量为16 MW×1 h，并且风速在未来1 h内持续保持在4.5 m/s以上，大良储能型风电场启动东海拉尔热电厂3#火电机组的黑启动方案就可顺利执行。电池储能系统采用/控制策略实现自启动，进而为风电场建立稳定的外部电压和频率，以此带动双馈风电机组启动并实现并网运行。储能型风电场自启动成功后对黑启动路径上的变压器和线路进行空载充电，最后依次启动3#火电机组的辅机，以带动3#火电机组启动。在这一过程中，电池储能系统的控制策略始终保持不变，而令风电机组限电弃风运行，并辅助电池储能系统参与系统的调频和调压。

在储能型风电场与3#火电机组并列运行组成的风储火系统中，火电机组的容量较大，能够作为组网电源，电池储能系统和双馈风电机组采用/控制。由于风储火系统容量较小，并且含有较高比重的风力发电，自身调节能力有限。因此，黑启动后续操作中产生的功率冲击对风储火系统稳定运行影响较大。为了实现电池储能系统控制策略在火电机组与储能型风电场并列运行瞬间的平滑切换，以及保证风储火系统在恢复局域电网内其它机组或恢复负荷时的稳定性，本文提出了黑启动火电机组后储能型风电场的调控策略。

2 电池储能系统控制策略平滑切换方法

由于电池储能系统的容量较小，无法利用其为风储火系统提供电压与频率支撑，在风储火系统形成瞬间，电池储能系统控制策略需从/控制切换为/控制。在控制策略切换过程中，由于/控制器和/控制器输出状态不匹配，容易使系统产生振荡。为了尽可能减少控制策略切换给形成初期的风储火系统带来的冲击，保证系统电压和频率扰动在可承受范围内，本文提出了一种基于控制器状态跟随的/控制向/控制的切换方法。该方法对电池储能系统控制策略切换点进行调整以利用电流内环控制器来平抑波动，将/控制与/控制外环控制器的输出量设计为负反馈作为/控制器输入，保证切换前/控制功率外环控制器与/控制电压外环控制器的输出始终保持一致，所提切换方法的控制框图如图2所示。

如图2所示，本文将控制策略的切换点选在了电流内环控制器输入端口，以便使系统在控制策略切换中利用电流内环控制器平抑波动。因此，电池储能系统处于/控制模式时，逻辑开关K1、K2和K5应置于0位。

当电池储能系统控制策略进行切换时，为避免系统出现较大的暂态振荡，还应保证两外环控制器的运行状态时刻一致：在功率外环控制器的输入端口，/控制下的功率外环控制器输出值dref、qref与/控制下的电压外环控制器输出值、的差值经过PI控制器后，实现了dref、qref对、的无静差追踪；在功率外环控制器内部，将逻辑开关K3和K4置于0位，PI控制器的输入值是、与B-ref、B-ref的差，这样就实现了B-ref和B-ref对其实际输出功率、的跟随，以确保电池储能系统在由/控制切换为/控制后输出功率保持不变。

在储能型风电场和火电机组完成并列瞬间，将逻辑开关K1至K5由0位切换到1位：电池储能系统电流内环控制器的输入信号切换为功率外环控制器的输出信号，其输出电压的相位也切换为端口电压相位，电池储能系统的控制策略实现平滑切换。

3 储能型风电场与火电机组并列运行后的控制策略

为了使风储火系统能够在局域后续恢复过程中保持稳定，本文针对电池储能系统和双馈风电机组的不同运行特点，对电池储能系统和双馈风电机组的控制策略进行改进：在电池储能系统的控制单元中建立了附加惯性控制器和附加频率下垂控制器，使电池储能系统能够响应系统频率变化，辅助火电机组调频；在双馈风电机组的控制单元中建立了附加电压下垂控制器，控制其无功功率输出以应对风储火系统的电压波动。在风储火系统中，电池储能系统和双馈风电机组的主要作用是通过快速的功率响应来应对系统的电压和频率波动，其稳定运行时的主要有功和无功负荷均可由火电机组承担。因此，本文在风储火系统形成后，通过降低电池储能系统和双馈风电机组的有功功率输出指令B-ref、W-ref到较小值来避免风速波动对风储火系统正常运行的影响，两者的无功输出值保持不变，与储能型风电场启动3#火电机组时的参考指令B-ref、W-ref相同。

3.1 电池储能系统控制策略

根据文献[14]对含储能型风电场的电力系统惯性时间常数定义，由大良储能型风电场和东海拉尔热电厂3#火电机组组成的风储火系统的惯性时间常数new表示为

式中，s、s为3#火电机组的转动惯量（单位为kg·m2）、极对数；new为系统总的额定容量，VA；kw为单台双馈风电机组旋转动能，J；BESS为额定频率时电池储能系统存储的等效动能，J。

常规同步发电机因其转速和系统频率之间的耦合关系，可以通过释放或吸收转子动能阻尼系统频率的快速波动，从而为系统提供惯量支持。而双馈风电机组通过变频器和电网相连，和系统频率完全解耦，其转子动能被变频器控制完全“隐藏”。因此，并列运行后风储火系统的有效惯量无法和相同容量的火电机组相比。

双馈风电机组和电池储能系统都可以通过快速的有功调节来模拟惯性响应，以提高系统应对负荷波动的能力。但相比双馈风电机组通过调节桨距角和转速来调节有功输出，电池储能系统具有更加快速、稳定、持续的有功调节能力，更适于参与系统有功功率惯性响应。因此，本文提出了在电池储能系统的控制单元中建立附加惯性控制器，以系统频率为输入信号，经过微分控制环节，将附加控制信号叠加在电池储能系统原有的有功功率输出指令B-ref上，使其产生和常规火电机组类似的虚拟惯量效果，与火电机组协同提高系统频率的稳定性。该附加惯性控制器的输出信号可表达为

式(2)中，为系统频率的实际值，Hz；1、2为相关系数。参数1的确定主要是根据|dd|的大小和电池储能系统的最大输出功率，同时还要避免系统出现超调或者振荡；参数2能够进一步提高电池储能系统系统在遇到不同大小扰动时的调节能力。本文中，1和2分别取值4和2。附加惯性控制器具体控制框图如图3所示。

图3中，0为系统频率的额定值；f为有功附加控制器的输出信号；r为一阶低通滤波器的时间常数，用于避免高频分量对电池储能系统输出功率的影响，本文取值0.02。

另外，本文还在电池储能系统的控制单元中建立了附加频率下垂控制器，利用该附加频率控制器，可以通过对电池储能系统的有功输出进行控制，辅助火电机组参与系统的一次调频。D为下垂控制系数，表征电池储能系统参与一次调频的能力值，本文取值10。

3.2 双馈风电机组控制策略

大容量火电机组辅机或者冲击性负荷的启动会对外部电网造成较大的无功冲击，从而造成系统电压的波动。风电场运行在限电弃风策略时，具有较充足的无功调节裕量。因此，本文在双馈风电机组转子侧控制单元中建立附加电压下垂控制器来减轻无功冲击对系统电压的影响。通过该控制器的调节作用，风电机组在系统电压波动过程中能够调节无功功率输出，以承担部分无功功率冲击，其控制框图如图4所示。

图中和0分别为系统电压的实际值和额定值；d为下垂控制器输出信号，以上均为标幺值；U为双馈风电机组下垂控制系数，本文取值5。

4 仿真算例

为验证本文所提控制策略的有效性，本文利用MatLab/Simulink仿真平台，对大良储能型风电场与东海拉尔热电厂3#火电机组进行同期并列，并进一步启动其2#火电机组辅机的过程进行了仿真[19]，电路图如图1所示。在仿真中，将33台双馈风电机组等效为3台容量相同的等值机组[20]，采用文献[2]所提方法，将2#火电机组进行启动时所需辅机等值为2台额定功率1.6 MW的异步电动机，电池储能系统的容量选为16 MW×1 h[2]。

4.1 电池储能系统控制策略平滑切换仿真

本文通过在电池储能系统模型上搭建图2所示控制单元，对大良储能型风电场与东海拉尔热电 厂3#火电机组进行同期并列的过程进行仿真。在=1.5 s时，大良储能型风电场与3#火电机组进行同期并列，电池储能系统控制策略的切换也同步完成。图5给出了采用本文所提控制策略切换方法前后，风储火系统频率、电压以及电池储能系统功率输出情况的对比。

如图5所示，利用本文所提控制策略平滑切换方法，能够使电池储能系统的有功和无功输出在控制策略切换前后基本保持一致，风储火系统频率和电压的波动幅度明显减小。综上，本文所提控制策略切换方法能够有效地提升风储火系统在同期并列时的稳定性。

4.2 风储火系统启动火电机组仿真

本文分别在电池储能系统和双馈风电机组的控制单元中搭建图3和图4所示控制器，并对风储火系统启动2#火电机组两台等值辅机的过程进行仿真。在启动两台等值辅机之前，本文首先逐步降低电池储能系统有功输出，以提高风储火系统的稳定性，该环节与风储火系统启动两台等值辅机的仿真结果如图6所示。

由于整个启动过程较为漫长，本文选取了2#火电机组辅机启动过程中有功功率和无功功率冲击较为严重的暂态阶段来验证本文所提控制策略。图7给出了电池储能系统在未附加控制、引入附加惯性控制器和附加频率下垂控制器两种情况下，风储火系统频率、电池储能系统有功输出、火电机组有功输出的动态响应波形。图8给出了双馈风电机组未附加控制、引入附加电压下垂控制器下，风储火系统电压、风电场无功输出、火电机组无功输出的动态响应波形。

由图7可知，在电池储能系统无附加控制器时，辅机启动时的有功功率冲击大部分依靠火电机组承担，系统频率产生了较大幅度的波动。在采用本文所提控制策略之后，电池储能系统为应对频率波动增发有功，火电机组的有功输出减小，系统频率的波动幅度明显减小。因此，本文所提电池储能系统的控制策略能够有效提高风储火系统频率稳定性。

由图8可知，在双馈风电机组未附加控制时，系统电压在辅机启动瞬间跌落到0.95 p.u.，随后迅速达到稳定。在引入附加电压下垂控制器后，风电场在辅机启动瞬间增发5 Mvar的无功功率，以应对电压跌落。随着系统电压趋于平稳，附加电压下垂控制器适时调整风电机组无功功率输出，避免对系统电压产生负面影响。上述结果表明，附加电压下垂控制器的引入能够使火电机组的无功输出变得平缓，系统电压波动幅度减小。

5 结 论

本文通过在电池储能系统/控制器中采用基于控制器状态跟随的控制策略平滑切换方法和改变控制策略切换点，来减轻火电机组与储能型风电场并列运行瞬间电池储能系统由/控制切换为/控制带来的功率冲击，通过在电池储能系统和双馈风电机组控制单元中建立附加控制单元来提高风储火系统电压和频率稳定性，使其在恢复局域电网内其它机组或负荷时能够保持稳定。仿真结果表明：采用本文所提储能型风电场调控策略，能够有效提高火电机组与储能型风电场并列运行瞬间以及并列运行后的风储火系统电压和频率的稳定性。

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Research on regulation strategy of storage-based wind farm after black-start of thermal power unit

1,1,1,2,2

(1State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei, China;2Power Dispatching Control Center, State Grid East Inner Mongolia Electric Power Company Limited, Huhhot 010000, Inner Mongolia, China)

Parallel operation of a storage-based wind farm and a thermal power unit can play a positive effect on improving the recovery rate of a local power grid is black-started using the wind farm as the power source to drive the thermal power unit. This paper presents a control strategy for such a hybrid system in order to maintain the network stability. In such an approach, the following are proposed: (a) smooth switching control is achieved through following the state of the Battery Energy Storage System (BESS)/controller, and the switching point of the BESS from/to/; (b) using an additional inertial controller and an additional frequency droop controller in the BESS control unit to improve frequency stability of the wind-battery-thermal unit hybrid system; and using an additional voltage droop controller in DFIG control unit to improve the voltage stabilith of the wind-battery-thermal unit hybrid network. Simulation results showed that the use of the proposed control strategy can realize smooth switching of BESS control and effectively improve the voltage and frequency stability of the wind-battery-thermal unit hybrid network.

storage-based wind farm; black-start power source; control strategy switch; additional inertialcontrol

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0087

TK 02

A

2095-4239（2017）01-147-07

2016-10-27；

2016-12-02。

国家电网公司科技项目（SGMD 0000DDJS1500096）。

米增强（1960—），男，教授，研究方向为新能源电力系统，E-mail：mizengqiang@sina.com。