储能型风电场作为电网黑启动电源的关键技术问题

杜平 万玉良 吴坚 项颂

（国网内蒙古东部电力有限公司电力调度控制中心，内蒙古 呼和浩特 010020）

储能型风电场作为电网黑启动电源的关键技术问题

杜平 万玉良 吴坚 项颂

（国网内蒙古东部电力有限公司电力调度控制中心，内蒙古 呼和浩特 010020）

本文以某实际储能型双馈风电场的一期工程为例，简要介绍储能型风电场的基本结构，提出储能型风电场作为电网黑启动电源的技术方案，并对其所涉及的关键技术问题进行详细分析，以期为相关研究者提供借鉴。

储能型风电场；黑启动电源；出力可信度

1 研究背景

黑启动服务就是一种发电厂商为电网提供的有偿辅助服务。根据规定，电网需要根据黑启动电源的投资成本、维护成本和黑启动期间的运行费用为其提供补偿［1］。在外部电网停电情况下，风电场内风电机组不具备自启动的能力，必须通过外部电源为其偏航、变桨等设备提前供电才能启动。因此，如果能够利用电池储能系统为风电机组的必要设备供电，辅助风电机组启动，并与启动后的风电机组一起带动电网内其他发电厂启动。利用将储能型风电场作为电网的黑启动电源，不仅能提高风电厂商的收益，同时能够解决内蒙古、西北等地区电网内黑启动电源容量不足的问题，提高其黑启动能力。

本文提出利用储能型风电场作为电网黑启动电源的技术方案，并对涉及的关键技术问题进行分析。本研究是在智能电网快速发展的新形势下，结合新能源发电与储能技术对传统黑启动理论的突破，具有重要的学术意义和工程应用价值。

2 储能型风电场的构成

储能型双馈风电场主要由双馈风电机组、电池储能系统和无功补偿设备等构成。双馈风电机组（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）是目前国内外风电市场上的主流机型，其转子绕组通过背靠背变频器与电网相连，而定子绕组则直接与电网相连。电池储能系统主要包括电池组、能量转换系统（Power Conversion System，PCS）及其控制系统等［2］。风电场通常采用电容器组、静止无功补偿器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）等装置作为其无功补偿设备。

本文以某实际储能型风电场的一期工程为例，对储能型风电场的基本结构进行介绍。该风电场主要由33台额定功率为1.5MW的双馈风电机组、1组额定功率为5MVar的SVC和3组容量均为1MW×2h的磷酸铁锂电池储能系统等构成。如图1所示，风电场内35kV汇流母线上共有8条进线支路和2条出线支路，所有支路上均配置了断路器，能控制整条支路的投切。图1中，支路A-D为风电机组进线支路，支路上每台风电机组均与0.69/35kV箱式变压器相连，并通过集电线路并联连接至母线。箱式变压器的高压侧和低压侧分别配置了负荷开关和断路器，可以用于箱式变压器和风电机组的投切控制；支路F-H为电池储能系统进线支路，支路上电池储能系统通过0.38/35kV变压器连接至母线；支路J为无功补偿进线支路，SVC通过断路器直接连至母线；支路I为风电场的主变出线支路，风电场的功率经35/66kV主变输送至电网；支路E为风电场的厂用电出线支路，厂用变的额定电压为35/0.38kV。

图1 某实际储能型风电场的基本结构图

3 储能型风电场作为黑启动电源的关键技术

3.1 储能型风电场作为黑启动电源的技术方案

本文参照水力发电厂黑启动时的流程，以图1所示储能型风电场为例，提出了储能型风电场作为电网黑启动电源的技术方案：①确保35kV母线上所有进线支路和出线支路上的断路器处于断开状态；②闭合电池储能系统进线支路F-H上的断路器，启动电池储能系统，为35kV母线充电；③依次闭合支路E、J及待启动风电机组进线支路上的断路器，为各支路上的变压器充电，并进一步为风电场启动所必需的设备供电；④空载启动选定的风电机组，并与电池储能系统、无功补偿设备组成孤岛系统运行；⑤闭合出线支路I上的断路器，对风电场主变充电，按制定的电网黑启动预案，依次对黑启动路径上的输电线路、变压器进行空载充电，并进一步为被启动发电机组的辅机供电，以带动被启动发电机组启动，或直接为地区内重要负荷供电。

3.2 关键技术问题分析

3.2.1 风电场优选及储能系统的合理配置研究。风电场优选和电池储能系统的合理配置是储能型风电场能作为电网黑启动电源的基础。风电场的优选应根据地区实际情况综合考虑风电场的容量、风电机组的类型、风电场的出力可信度以及风电场内无功补偿设备配置情况等因素。电池储能系统在储能型风电场作为黑启动电源的整个过程中都发挥着关键作用，电池储能系统的配置应综合考虑其在以下几方面应用中的作用：不受风电场内变压器充电时所产生的励磁涌流与和应涌流对其的影响，使风电机组能成功启动；平抑风电场的瞬时功率输出；提高储能型风电场的出力可信度等。

3.2.2 储能型风电场的自启动控制技术研究。储能型风电场的自启动是储能型风电场能作为电网黑启动电源的前提。储能型风电场自启动的关键是如何通过电池储能系统带动不具有自启动能力的风电机组、无功补偿设备等启动。储能型风电场实现自启动需要解决的问题主要有：研究电池储能系统启动的优化控制技术，使其能在为风电场提供稳定电压的同时，减小风电场内集电线路、变压器充电时产生的励磁涌流；研究风电场内各支路的最优充电次序，以减小并联变压器相继投入充电时所产生的和应涌流；研究风电机组的空载启动技术，以提高其启动成功的概率并减小对电池储能系统的冲击。

3.2.3 储能型风电场孤岛空载运行控制技术研究。孤岛空载运行是储能型风电场作为电网黑启动电源的必要阶段。在该阶段，储能型风电场内的风电机组、无功补偿设备等顺利启动，与电池储能系统组成孤岛系统，并进一步完成对黑启动路径上输电线路和变压器等的充电。储能型风电场实现孤岛空载运行需要解决的问题主要有：研究风电机组与电池储能系统之间有功功率的协调控制技术，以使储能型风电场孤岛空载运行时的频率保持稳定，并优化电池储能系统的利用。

3.2.4 储能型风电场带载运行控制技术研究。带载稳定运行是储能型风电场能作为电网黑启动电源的关键阶段。在该阶段，储能型风电场需要启动被启动发电机组的辅机，持续为其供电，直至被启动发电机组并网发电，并进一步与被启动发电机组组成小型独立系统稳定运行，或直接恢复地区内重要负荷的供电。储能型风电场实现带载稳定运行需要解决的问题主要有：研究储能型风电场的负荷快速追踪技术，以使其能在被启动发电机组的辅机投入瞬间，维持储能型风电场孤岛系统频率和电压的稳定；研究储能型风电场的附加阻尼控制技术，以提高储能型风电场与被启动发电机组组成的小型独立系统的惯性，使其能保持稳定运行，避免低频振荡的发生。

4 结语

本文针对区域电网所处条件和需求，设计了储能型风电场的黑启动方案，并对其黑启动过程中所需研究解决的关键技术进行了分析。本文只是对储能型风电场作为局域电网黑启动电源进行了初步分析，未来将针对具体被控对象，对文中所提关键技术展开实质性研究，并通过仿真、实验等手段进行验证。

［1］ 林姿峰，闵勇，周云海，等.电力市场中的黑启动服务［J］.电力系统自动化，2002（2）：9-13.

［2］ 北极星电力网.2013年中国风电装机容量统计［EB/OL］.（2014-03-28）［2017-10-09］.http://news.bjx.com.cn/html/20140328/500349.shtml.

Key Technical Problem of Energy Storage Type Wind Farm as Power Supply for Power Grid

Du PingWan YuliangWu JianXiang Song
（Inner Mongolia Eastern Power of State Grid，Hohhot Inner Mongolia 010020）

Based taken an actual energy storage type of DFIG wind farm project as an example,this paper briefly introduced the basic structure of energy storage type wind energy storage type wind farm,put for⁃ward as a technical scheme of power grid black start power supply,and a detailed analysis of the key tech⁃nical issues involved,in order to study the related provide reference.

energy storage type wind farm；black start power supply；output reliability

TM614

A

1003-5168（2017）11-0127-02

2017-10-09

杜平（1962-），男，本科，高级工程师，研究方向：电力系统安全稳定分析控制。