基于新能源电源的电网黑启动研究综述

韩平平，王 欢，王 希，陆中来，汪宗强

（1.新能源利用与节能安徽省重点实验室 合肥工业大学，合肥 230009；2.合肥综合性国家科学中心能源研究院，合肥 230051）

0 引言

地区经济的发展带动了电力负荷的增长，促使电网规模逐渐增大，但局部系统故障可能会导致大范围停电事故，甚至导致系统崩溃[1-3]，因此需要设计有效的黑启动方案，以便在大停电事故后迅速对负荷恢复供电[4]。与此同时，全球能源危机以及环境问题日益凸显[5-6]，人类开始重视并开发太阳能、风能、核能等清洁能源，利用新能源电源进行黑启动成为当前的研究重点[7-9]。

光伏、风机启动时间短，控制调节灵活方便[10-11]，但是功率的波动性、不确定性会对电网的安全运行造成不利影响，需要从多个方面对新能源作为黑启动电源进行研究。国内外开展的新能源黑启动项目指出了黑启动研究的新思路，有助于提高电网大停电后的恢复能力[12]。本文旨在从多个方面梳理和综述国内外基于新能源电源的黑启动研究现状和成果，为后续开展更为深入的研究提供借鉴与参考。

1 基于新能源电源的黑启动方案研究

1.1 概述

传统电网黑启动是指在电网发生严重故障造成大范围停电事故时，通过内部具有自启动能力的机组或外部电源逐渐恢复系统内部供电，实现系统稳定运行的过程[13]。与传统电网的黑启动不同，以新能源作为电源的黑启动，无需外部电源，仅依靠内部具有黑启动能力的新能源电源灵活机动地启动其他电源，可以更快速地实现系统内部电力恢复，最终达到稳定运行[14]。

1.2 基于新能源电源的黑启动方案

按电压等级划分，可将基于新能源电源的黑启动方案分为微电网黑启动方案、主动配电网黑启动方案、输电网黑启动方案。

1）微电网黑启动方案：微电网是由新能源电源和本地负荷构成的一个整体，内部包含大量逆变器型电源。微电网是配电网中的一个孤岛，运行状态是常态孤岛、条件并网，系统结构与传统电网不同，因此微电网黑启动方案与传统电网有一定的区别。文献[15]中主参考源是柴油发电机，以光伏和蓄电池作为黑启动电源，利用并行恢复策略进行微电网黑启动，并制定了微电网黑启动流程，负荷恢复速度快，但准同期并列装置的增加使操作难度加大。文献[16]设计了采用串行恢复策略的微电网黑启动方案，基于下垂控制的电源黑启动控制方法无需模式切换，控制策略简单。

2）主动配电网黑启动方案：主动配电网是内部具有分布式电源，并具有控制和运行能力的配电网。运行状态是常态并网、条件孤岛。传统的黑启动方案是先恢复输电网基本网架，然后对配电网供电，配电网恢复是一个多约束的组合优化问题[17]，国内外学者已经提出了启发式方法、遗传算法、禁忌搜索法等方法来解决此问题。随着新能源在配电网中的渗透率不断提高，用户可获取更优质的电能，但新能源的引入使配电网的结构发生了巨大变化。主动配电网根据黑启动电源能力以及负荷的重要性进行孤岛划分，实现黑启动。文献[18]在所有新能源电源操作状态可实时监测的条件下，提出新能源注入容量较大时配电网故障恢复方案，显著增加了主动配电网的运行安全性。文献[19]在配电网简化模型的基础上，根据孤岛运行时的功率平衡条件和负荷安全运行条件，通过启发式的搜索方案实现孤岛划分。文献[20]采用多智能体遗传算法解决大停电事故后主动配电网恢复运行问题，新能源电源在故障恢复过程中采用分层运行方式，能够有效减少停电区域。主动配电网黑启动时，实际系统孤岛内的控制和保护措施需要进一步研究。

3）输电网黑启动方案：文献[21]针对内蒙古呼伦贝尔地区电网制定了在风电场中增加大功率储能装置，通过有储能装置的风电场恢复周围电厂热电机组，从而实现正常供电。文献[22]改变储能装置的控制方案，减少了储能装置对风储火系统频率和电压的影响。在电池储能系统的控制单元中增加惯性控制装置，风储火系统可以承受厂用设备供电时有功功率的波动，解决了局域电网恢复过程中负荷和机组投入带来的稳定问题。文献[23]设计了一个储能装置的零起升压恢复方案以及储能装置和风电场的功率匹配方案。下一步可以研究在整个黑启动过程中储能装置的位置问题。

基于新能源电源的黑启动方案对比见表1。

表1 基于新能源电源的黑启动方案

2 新能源电源的黑启动能力及控制方法

2.1 黑启动能力研究

光伏/风电的厂用电较少，启动操作简单，增加储能装置为其维持外部恒定的电压，光伏/风电便可用作黑启动电源，为系统输出恒定的功率。

文献[24]研究了光储电站的临界光储配比以及可用作黑启动电源的条件，在光储配比正确时，光储电站可输出较高质量的电能，有效对线路充电。文献[25]基于对光伏在不同温度和光强下的性能研究，设计了黑启动过程中的控制方法，为黑启动方案的制订和现场试验提供基础。研究配置储能的风力发电机黑启动能力，对解决太阳能不足地区的黑启动问题具有积极的现实意义。文献[21]设计了配置储能的风电场自启动和为其他机组供电的策略。下一步可以深入研究黑启动过程中谐振、发电机自励磁现象，优化储能系统的运行状态及储能型风电场的运行模式切换技术。

新能源电源的黑启动能力如图1 所示。新能源电源为电网的黑启动提供更多的选择，对依据区域实际条件制订最佳的黑启动方案具有重要意义[26-27]。

图1 新能源电源的黑启动能力

2.2 黑启动中新能源电源的控制方法

由于新能源电源特性不同，在黑启动过程中采用的控制方法也不一样。

1）MPPT（最大功率点跟踪）控制。黑启动初期，为了给系统提供更多的发电功率，光伏和风机通常采用MPPT 控制。光伏阵列依靠升压电路完成电压变换，改变占空比，找到最大功率点。文献[28]设计了一种负荷追踪和MPPT 相结合的方法，光伏发电功率足够时准确追踪负荷的变化，多余功率向储能充电；功率不够时实现最大功率跟踪，减小所需储能容量，避免因储能现存能量不够导致黑启动失败的后果。MPPT 控制结构如图2 所示。

图2 MPPT 控制结构

图中：P，Q 分别为有功功率、无功功率实际值；Pmax为有功功率最大值；Qref为无功功率参考值；ia，ib，ic分别为三相电流；id，iq分别为d 轴、q 轴电流；idref，iqref分别为d 轴、q 轴电流参考值；w 为角频率；L 为滤波器电感值；Ucd，Ucq分别为电容电压的d 轴、q 轴分量；Usd，Usq分别为输出电压的d 轴、q 轴分量。

2）P/Q 控制。光伏、风机发出的功率随环境的变化比较大，P/Q 控制的目标是维持输出的有功功率、无功功率与参考值一致[29]。文献[30]结合光伏发电系统多种运行状态，根据MPPT 类和P/Q 类的投入条件，发生停电事故后依次投入光伏，经过较短时间恢复供电。P/Q 控制结构如图3所示，其中，Pref为有功功率参考值。

图3 P/Q 控制结构

3）V/F 控制。储能电源使用V/F 控制，在黑启动初期使母线维持恒定的电压和频率，在其他电源及负荷投入过程中，可平抑功率波动[31]。文献[27]制定了储能装置的零起升压方法，外环使用V/F 控制方式，内环使用电感电流反馈方式，达到对输出电压的精准控制。V/F 控制结构如图4所示。

图4 V/F 控制结构

图中：Udref，Uqref分别为电容电压参考值的d轴、q 轴分量；C 为电容值；iad，iaq分别为经过滤波后的d 轴、q 轴电流。

4）Droop 控制。Droop 控制仿照传统同步发电机功频曲线，使系统得到稳定电压与频率。文献[16]设计了一种改进Droop 控制的黑启动控制方法，利用电源的二次调压功能，使电源在黑启动时保持与正常运行相似的Droop 控制。文献[32]针对通信联系较弱的直流微电网对Droop 控制进行了改进。Droop 控制能够实时调节微电网的电压频率[33]，增加黑启动成功概率。Droop 控制结构如图5 所示。

图5 Droop 控制结构

图中：m，n 分别为有功-频率下垂系数和无功-电压下垂系数；Δw，ΔU 分别为角频率变化量和输出电压变化量；wref，Uref分别为角频率参考值和输出电压参考值；U，φ 分别为输出电压和相角。

表2 比较了黑启动中新能源电源的控制方法。

表2 黑启动中新能源电源的控制方法

3 基于新能源电源的黑启动过程分析

3.1 影响黑启动的电磁暂态过程及相应稳控措施

本节将新能源电源的控制方法与黑启动过程联系在一起，从3 个方面总结影响黑启动的电磁暂态过程及相应的稳控措施。

1）变压器升压过程：首先，黑启动电源提升配电变压器的电压。配电变压器零起升压的速率过快，会造成变压器磁通饱和，导致黑启动电源由于激磁电流太大而跳闸。

为使新能源电源成功启动配电变压器，文献[13]对3 种黑启动方式进行比较，利用电压斜坡实现的黑启动能够避免过电流和励磁涌流。电压阶跃黑启动是过电流的最坏情况，由于存储变压器饱和，存在励磁涌流。为风电场的变压器充电时，变压器会产生励磁涌流及和应涌流，损失大量电能，使储能装置需要有更大的容量，同时涌流会造成较大的电压下降，使充电过程失败。文献[27]对变压器充电方案进行研究，通过正确控制逆变器的升压速率，可以消除励磁涌流。

2）多电源联合控制过程：风机和光伏出力由于环境等因素具有不确定性，储能在黑启动过程中承担着建立系统基准电压、平抑电源功率、减小电压波动的任务。合理的多电源联合控制策略可以减小系统受到冲击时电压和频率的波动。

辅机投入运行瞬间电压和频率均受到冲击，文献[34]设计了一种基于多Agent 的电网黑启动方案，由于对模式切换和预同步的改进，提升了系统安全性。关于储能型风电场与火电厂同期并列过程，文献[35]在储能系统中采用追踪状态变化的调控策略，使风电场与火电厂并列瞬间系统频率和电压的波动幅度明显减小。附加控制部分可提高风储火系统为其他机组供电时的稳定性。研究风光储多种能源的协调方法，开展有功功率控制和无功电压支撑研究，应用人工智能算法提升恢复供电能力，是后续研究重点。

3）负荷投入对电压影响过程：黑启动初期系统比较薄弱，在快速恢复供电过程中投入的电动机等负荷很多，大容量异步电机的投入使系统受到剧烈影响，保持稳定的电压关系到黑启动能否正常完成。

文献[36]针对不平衡负载引起的定子电压谐波问题，通过改进的虚拟同步控制，可输出更标准的正弦电压，减小电磁转矩波动，此方法省略信号分离过程，简化了控制框图。文献[37]提出在为厂用电机供电时，适当增加发电机的功率，可提升系统承受扰动的能力，但恢复正常运行的速度变慢。在实际制定厂用负荷启动方案时，需要仔细检查电压、频率是否满足方案规定，快速为厂用辅机供电。

3.2 实时仿真平台及黑启动架构设计

随着电网规模的不断扩大，实时仿真技术成为科研人员研究复杂电磁暂态过程的重要方法[ 38-40]。

3.2.1 实时仿真平台

1）RTDS（实时数字仿真系统）融合了数字仿真以及DSP（数字信号处理器）的特点，使用并行处理技术以及硬件装置确保其实时性[41]。硬件部分包括仿真模型的运算处理、数据转换等，软件部分提供了模型搭建的软件平台[42]。

2）StarSim 可用来实现电力电子小步长实时仿真，平台由控制机箱、实时仿真机、实验转接板及上位机[43-44]四部分构成。

3）RTLAB 是一个基于模型工程的设计和测试平台，主要由上位机、目标机、硬件系统组成。上位机进行模型建立；RTLAB 封装模型，完成控制启停和在线调试的任务[45]；目标机是运行于Redhat 的仿真器，担任实时仿真任务。控制器与目标机通过数据采集OP5142 连接通信[46]。

4）dSPACE 系统可进行高速计算，并配备了丰富的I/O 支持，能够自由组合；软件功能强大，包括完成自动生成代码和实验的整套工具。dSPACE 机柜中含有多种板卡资源，每一种板卡有多个ADC，DIGIN 等通道类型[47-49]。表3 对4种实时仿真平台进行比较。

表3 实时仿真平台的主要特点

3.2.2 黑启动仿真架构设计

综合考虑风光储新能源电源的控制特性差异、地理位置、通信条件、经济性等因素，研究支持电网黑启动的统一协调控制系统组网方案，包含确定主站及子站布点、通信方式，明确主站及各子站采样、出口等信息。进行基于风光储新能源电源的黑启动统一协调控制器开发，控制器应具备如下功能：根据采样信息快速识别地区电网并网、离网状态，当区域电网发生大停电事故时，执行黑启动控制策略，保障地区电网过渡到稳定独立运行状态；在区域电网稳定独立运行时，执行稳定并网控制方法，保障地区系统正常工作。在开发黑启动统一协调控制器的基础上，分别进行基于DSP 和FPGA 的黑启动实时仿真架构设计。

1）基于DSP 的黑启动仿真架构设计：RTDS的实时仿真软件RSCAD 主要由DRAFT，TLINE/CABLE，CBUILDER 等模块组成。在DRAFT 中搭建仿真模型，对其进行编译，将其编译生成的各种可执行文件下载到RACK 中进行计算。TLINE/CABLE 可对架空输电线和电缆模型进行定义。CBUILDER 可以根据用户实际情况开发子站UDC，由子站负责电量检测、数据处理，在电压、电流监测环节实现模型中电流、电压值的获取和功率计算等。子站把计算后的数据经由交流通道送给主站。主站包含了黑启动统一协调控制器，依据接收到的电气量判断电网的运行状态，给出控制措施。主站与RTDS 接口通信程序完成对RTDS子站模型信息的上传和主站遥控命令的下达。基于DSP 的黑启动实时仿真平台架构如图6 所示。

图6 基于DSP 的黑启动实时仿真平台架构

2）基于FPGA 的黑启动实时仿真平台架构如图7 所示。首先，在上位机软件上搭建包含风光储新能源电源的电网主电路拓扑，通过基于配置的模型管理软件进行物理I/O 接口的配置；然后，将主电路拓扑下载到基于FPGA 运算的实时仿真机。实时仿真机经由实验转接板和控制器传递信息，控制器接收到实时仿真模型发出的信息，通过算法计算之后实时将控制信号返回到仿真机，仿真机接受到控制信号之后，实时仿真出电路响应并输出给控制器，构成了系统闭环。实验转接板为信号在控制器与仿真机间的传输提供了回路。通过搭建实时仿真平台，模拟实际电网发生大停电事故后的场景，进行基于风光储新能源电源的电网黑启动实时仿真。

图7 基于FPGA 的黑启动实时仿真平台架构

4 基于新能源电源的黑启动展望

4.1 风光储新能源电源的多工况仿真

在电网黑启动的过程中，风光储新能源电源的运行工况较为复杂，涉及新能源电源自启动、输电线路充电、多电源并列运行、负荷恢复等多个阶段。在每个阶段，储能、风机、光伏的工况均不同，采用的控制策略随工况而改变，各新能源电源在不同工况之间的切换策略对黑启动过程的稳定运行至关重要。当火电机组启动后，通过分时步协调优化，适量接入新能源，将有效加快系统恢复，在网架基本稳定以后，需要深入研究新的新能源电源接入标准。因此，建立多工况仿真时风光储新能源电源的模型，可为探究基于新能源电源的电网黑启动奠定基石。

4.2 电池储能系统的容量配置

新能源电源可以成为电网黑启动电源的关键是电池储能系统。电池储能系统不仅要保持新能源电源稳定工作，而且要满足其能量需求，确保新能源电源能够持续输出足够功率以恢复负荷供电。另外，在对电池储能系统进行配置时，需要关注电池的荷电状态，对电池储能系统的容量配置方法进行研究，在满足上述需要的同时，最大程度降低电池系统配置成本，提高风光储成为电网黑启动电源的经济性。

4.3 新能源电源用于电网后续恢复

目前基于新能源电源的黑启动研究都是针对风光储新能源电源自启动以及新能源电源带动其他发电机组辅机启动时的策略，并未探究新能源电源用于电网后续恢复的方法。因此，未来还需要深入研究风光储新能源电源启动后，电网在扩张过程中送电遇故障时能及时切除故障并维持稳定运行的能力。考虑多种故障类型的暂态情况，提出在故障后恢复送电过程中维持电网稳定运行的措施。在电力系统扩张过程中，以保障电网正常工作为前提，考虑停电前情况、电源和负荷动态特性，提出动态恢复电源和负荷供电策略，提升区域独立电网稳定运行能力，也是下一步研究的方向。

5 结语

本文从基于新能源电源的黑启动方案、新能源电源的黑启动能力分析和控制方法、基于新能源电源的黑启动过程仿真以及基于新能源电源的黑启动展望等4 个方面对国内外研究现状进行归纳，提出了接下来探究的重点，以供学者参考。