孤立微电网黑启动研究

赵俊杰，刘旭东，肖 朋

（营口职业技术学院，辽宁 营口 115000）

0 引 言

大电网的运行结构比较复杂，一旦电网发生故障或受到大的扰动，与电网并网运行的微电网可切换至离网状态孤立运行，从而与大电网分离。在微电网孤立运行的过程中，仍有可能出现故障使其瘫痪进入全黑状态，因此孤立微电网自身需要具备黑启动的功能[1]。目前，人们对于微电网黑启动技术大多侧重于对其控制策略方法的研究，因此开发新的理论支撑决策以完善黑启动技术在实际生活中的适应性十分必要。由于受微电网中多种因素的影响，使得在启动电源的选择、启动策略的制定等方面都存在诸多困难。随着电网结构的不断变革更新，对黑启动技术的研究也开始逐渐扩展到分布式供电结构方面。结合分布式供电结构所具备的多种优良特性，对大电网的黑启动过程提供相应的技术支持[2]。但是，目前所研究出的黑启动理论只有一小部分能够适用于孤立的微电网，所以本文结合研究现状，以孤立微电网作为理论前提，解决黑启动策略制定和黑启动过程中的一些难点问题，应用改进后的技术方案，大幅度提升微电网应对突发状况的能力。

1 一种微电网拓扑结构

本文中采用了一种易于工程实现、适合我国国情的以清洁能源为主的典型微电网拓扑结构，如图1所示。

图1 微电网拓扑结构

微电网和主网之间通过PCC连接，并在此处设置并/离网切换开关实现离网和并网两种模式的切换。系统中有4个可调负载作为负荷，分别接入柴油发电机、光伏发电、风能发电以及蓄电池作为系统的微源。

微电网按照多代理系统分层控制的思想，其中微电网中心控制系统（Micro Grid Central Controller，MGCC）主要负责微网系统各单元的优化、能量管理、与下层系统之间的通信和调度以及黑启动控制等。微电网内部设备控制包括微电源控制层和负荷控制层，前者与MGCC相配合，主要负责控制微电源的运行、上传微电源的信息至MGCC。负荷控制器（Load Controller，LC）与MGCC相配合，主要负责控制负荷的投切并上传负荷的信息至MGCC。

2 黑启动微源的选取

通常情况下，微电网都是工作在并网模式与大电网并列运行，但是当大电网发生故障或扰动等情况时，微电网就会切换到离网模式孤立运行。在孤立运行的情况下，微电网本身仍有发生故障的可能性，因此孤立运行的微电网需要具有在离网运行情况下自身实现黑启动恢复供电的能力[3]。

根据微电网系统中的微源是否具有黑启动能力，可将其分为两类，具有黑启动能力的微源通常称为黑启动分布式电源（Black-start DG，BDG），不具有黑启动能力的微源通常称为非黑启动分布式电源（Non Black-start DG，NBDG）。微电网的黑启动主要就是借助黑启动微源带动整个微电网的恢复，因此黑启动微源的选取直接影响着微网黑启动是否能够成功完成。

通常选择黑启动微源时要考虑以下几点：一是机组的容量。尽量选择容量大的BDG，这样可以增大启动功率，同时也可以缩短系统故障恢复时间。二是微源的调频调压能力。为了使微源启动后孤立微电网保持运行的稳定性，需要选择具有一定调频调压能力的微电源来维持微电网稳定运行。三是微源的升负荷速度。微源的升负荷速度直接影响微源的带负载能力，而选择带负载能力强的微源能保障重要负荷的供电，因此选择升负荷速度较快的微源更佳。四是微源的抗扰动性能。能源供给波动较大或含有较多影响因素的微电源不应作为黑启动微电源，如光伏、风力发电等。而能源供给稳定且具有良好的动态性能和抗扰动性能的微电源适合作为黑启动微电源，如微型燃气轮机、柴油发电机以及燃料电池等。

考虑到以上几点原则，本文所建立的微电网拓扑结构中，柴油发电机的可靠性高且基本不受其他因素影响，还具有良好的负荷跟随特性，因此作为黑启动微源的首选。蓄电池调节速度快，能够快速在充放电状态之间进行切换，这一特点使得它能够快速自启动并能够减缓其他微源的冲击，因此可作为黑启动微源。而光伏发电受外界天气因素影响较大，并且容易给微网带来频率上的波动，因此不作为黑启动微源[4-6]。

3 微电网黑启动方案的选择

电力系统黑启动方式分为两种，即串行恢复（向下恢复）和并行恢复（向上恢复），两种恢复方式的微源启动方式不同且各有优缺点，如表1所示。

从表1中可以看出，并行恢复的微源启动方式为并行启动，加入同期并列装置后并列组网，黑启动恢复速度较快。串行恢复方式相比于并行恢复的恢复时间更长，但逐步组网的方式使得系统结构简单。本文在研究并行恢复和串行恢复的特点的基础上，开发了基于并行和串行恢复相结合的微电网黑启动方案，充分结合并行恢复和串行恢复的优点。

4 微电网黑启动步骤

4.1 切除全部负荷

在黑启动的初期，负荷过大极易造成微源故障停机的现象。为避免发生此类现象，MGCC应首先切除微电网系统中的所有电力设备，即切断全部负荷及微电源，这样才能够保证黑启动微源在空载状态下进行黑启动恢复供电。

4.2 启动BDG并联组网

由于微电网是脱离大电网孤立运行的，因此在微电网中需要一个主参考源来提供参考电压及频率。本文选择柴油发电机作为黑启动的主参考源，并启动蓄电池，各自建立它们的子网，分别使用其恒压恒频控制策略和下垂控制策略。主参考源柴油发电机的电压和频率作为整个系统的参考值，以下垂方式启动的蓄电池参照此参考值将运行模式切换至PQ模式，与柴油发电机并行组网，完成并行恢复[7]。

4.3 启动光伏微电源并组网

黑启动初期系统容量小，频率和电压有可能受扰动而失去稳定。在黑启动过程中，大量NBDG的同时启动容易引起瞬时冲击，因此本文实现对NBDG的串行恢复。首先启动光伏微电源，以PQ方式启动，并参考已经成功实现黑启动的BDG的电压和频率等参数，并组网[8-10]。

4.4 启动风能微电源并组网

经过前面几步的调整，各个分布式电源的接入增加了微电网的发电容量，电网的电压和频率得到稳定控制，微电网有能力对更多的负载提供稳定的电能。启动风能微电源，以PQ运行模式启动，并参考已经成功实现黑启动的BDG的电压和频率等参数，并组网。

最后，微网系统中接入其他负荷，使微电网系统带更多的负载，保证负荷的稳定供电。

5 组网控制器的设计

为了保证蓄电池和柴油发电机在组网时能够顺利完成，本文设计了组网控制器，如图2所示，其中u和i分别为采集的电压和电流。

初始状态下，K1闭合，K2断开，由主参考源柴油发电机提供给蓄电池参考电压和功率，完成同步，运行PQ控制器。然后在并网过程中模式切换时控制开关K2闭合，K1断开，功率锁存器计算的输出功率为切换后提供参考，保持控制器的状态不变。

6 结 论

提出一种含有光伏和风能发电的微电网拓扑结构，在此拓扑结构基础上开发了基于并行和串行恢复相结合的微电网黑启动方案，充分结合并行恢复和串行恢复的优点，使微电源和负荷按照一定的步骤实现黑启动，并为此设计了组网控制器，使组网能够顺利进行。