多储能电站黑启动系统构架关键技术的设计与应用

万更新

（上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240）

0 引言

区域电网发配电电力系统储能电站的优化设计和运行控制是本文研究的方向，特别是对于局部电网薄弱的地区，比如I 类负荷，突然停电会给企业经济和社会造成很大损失。为满足该电网要求，需采取必要技术措施快速恢复电网供电运行。黑启动技术是电力系统快速恢复电网供电运行关键技术之一，而黑启动的关键技术是黑启动电源接入系统部分设计及控制策略优化设计。在水力资源优越地区，水力发电优势明显，厂用电量不大，可快速启动发电机组。

风光发电系统微电网电站，其风光发电的技术特性是波动性和多储能系统，针对该电站多储能联合发电系统黑启动电源，需考虑研究新技术应用，将黑启动电源的启动接入设计及控制策略进行优化设计，实现停电后可快速恢复电网供电，并确保电网供电稳定运行。本研究以“多储能联合发电系统”（是指由2 个及以上同类型或者不同类型储能系统并联向电网供电运行）为研究对象，提出并设计了以多储能和黑启动系统构架，实现多机并联稳定电网供电运行，并从黑启动能力和出力等方面通过对系统的动态运行分析，提出切实可行的运行控制策略，而后采取相应的技术手段实现系统安全可靠、高效地运行，该优化设计的重点关键技术均可应用于多储能风、光发电联合系统或大型燃机机组。

1 系统储能方案选择

方案1：多储能发电系统并网点配置大型储能电站。

该方案启动发电场充放电的电力线路距离远、线路损耗又大，黑启动现场操作时需按部就班进行带电倒闸等控制操作，需多个部分协调操作执行，效率较低。

方案2：多储能发电系统汇集母线处配置中型储能电站。

将风光发电电站集群划分为若干部分，在电站群并网母线处建立1 个或多个中小型储能电站，既可以在电网正常运行时实现调峰、调频等多方面功能，又可以在事故断电后，快速建立各电站厂用电母电压、频率等测控数据。该配置方案不仅可以简化储能系统电站机组启动的过程，而且还可以发挥多个储能系统在整个黑启动过程中的联合规模效益[3]。

2 多储联合系统黑启动过程

利用多储联合系统作为机组的黑启动电源时，应满足机组启动负荷特性要求，具体为：①储能系统的放电容量及电量需满足电站启动过程电量的要求，并在设计时预留一定的裕度；②储能系统的放电容量还需满足最大一台电动机工频启动时的容量要求。

区域电网电站事故停电后的恢复过程一般为：第一，启动电源电站的确定，即多储联合系统是否可以作为黑启动电源以及参与黑启动的多储能电站；第二，电站储能系统自动启动运行，建立起稳定的厂用电母线电压、频率等电量数据，并给电站提供系统供电，发电机组利用已建立的电压、频率等电量数据启动并平稳运行；第三，储能电站同期并网厂用电母线辅助发电，其为主力电源供给其主变压器、输电线路、厂用变至燃机电厂的厂用电母线充电，待燃机辅机启动后再启动其他机组；第四，逐步扩大发电和供电范围，直至完成区域电网电站全部供电。

黑启动过程按常规一般分为：黑启动开始阶段、系统构架重构阶段和常用工作运行负荷恢复这几个主要阶段。

黑启动开始阶段：采用电站系统中各个具备启动容量条件的储能系统为黑启动电源点，使其向相关停运发电机组提供启动电源，使其先行恢复启动发电，继而同期并网发电向区域电站供电，即是各个子系统的供电形成过程。

系统构架重构阶段：采用各个储能单元供电，使其子系统内的主发电机组、重要电站先于输电线路逐步恢复电压供电，并形成系统主网构架供电过程。

常用工作运行负荷恢复阶段：各个供电单元子系统内的大部分发电站已经启动运行，并具备一定的发电供电能力，是在已经建立较为稳定的电压网架以后，区域电站系统从暂态层面逐渐恢复常用运行负荷稳定供电运行的过程[1]。

3 大容量多储能联合系统设计选型及系统架构

储能是新能源发电、智能电网、可再生能源并网的重要组成部分和关键支撑技术。储能系统既可以并网运行，为智能电网提供调峰、调频、调压、紧急功率支撑等服务，也可以离网运行，提供黑启动电源、应急电源等功能。为了充分发挥多储能联合系统应用价值，获得理想的经济效益，目前在重燃电厂中，单纯依靠辅助调频或黑启动情况较多。为更好地对新技术进行应用，下面分析介绍辅助调频与黑启动相结合的多储能联合发电系统新技术。

1）储能系统选型

储能技术方式可以为单一的或多种构成，按其电能转换方式的不同，可以分为电化学储能、热储能、机械储能、电磁储能等。目前产品市场规模占比最大，布点灵活，不受外界环境影响的限制，可以直接充放电。电气设计设备选型常为电化学储能，其是未来的重点发展方向。设计储能系统作为电网黑启动的“打火机”，需具备启动响应速度快，设备布点灵活多样，调节能力强，具有四象限运行等优点。结合电站黑启动本身对储能技术的要求，选择目前电网应用较成熟的锂电池设备较适用，适合作为辅助电站参与黑启动的储能电池[6]。

2）容量配置

辅助AGC 调频储能系统一般配置原则为：功率按机组功率3%左右配置，电量约按0.8 h 左右配置。辅助黑启动储能系统，需要按实际电负荷统计的黑启动必需厂用电功率，及黑启动过程消耗的电量进行配置，一般功率为机组功率的6%左右，同时考虑到燃机启动过程约为0.5h 左右。以上是常规设计经验的容量配置，具体容量需根据系统需要及经济效益综合考虑进行配置。

3）接入方式

辅助AGC 调频及黑启动的储能系统均接入厂用电母线，具体接入高压厂用电，还是低压厂用电，需根据电站本身系统实际情况需求考虑接入。

接入的储能系统可以为：电池、柴油发电机或压缩空气储能等，需根据地区电站情况确定。尽管储能发电联合系统形式是多样的，仅需对多储能发电联合系统将黑启动和辅助调频功能技术进行可靠有机结合起来，形成“黑启动+辅助调频”多储能联合系统整体解决方案[2]。系统构成如图1 所示。

图1 “黑启动+辅助调频”多储能联合系统一次接线图Fig.1 Primary wiring diagram of "black start+auxiliary frequency modulation" multi-energy storage combined system

4）控制要求

辅助AGC 调频及黑启动的多储能联合系统均需要高性能的新技术控制系统，保证暂态调节响应的快速性和可靠性。

对于重型燃机电站，需要配置大容量的多储能系统，一般由多个储能单元并联组成，每个储能单元分别配置电池舱、储能变流器舱、接入汇流舱等设备。储能系统采用“三层两网”式控制架构，三层由上到下分别为：能量管理系统（energy management system，EMS）、功率协调控制系统（power management system，PMS）、储能变流系统（PCS），两网均基于IEC61850 分别为：常规监控网、快速控制网；配置电气测控设备一般为：AGC 柜、PMU 柜、EMS 柜、DCS 机柜及远动柜等[7]。

三层配置中：EMS 处理数据监控、存储、人机交互及计划曲线等秒级的稳态数据；PMS 处理调频调压、紧急功率支撑、并离网模式切换等毫秒级的暂态控制；PCS 负责功率变换，执行PMS 指令，黑启动时完成厂用电的软启动，建立并稳定厂用电的频率和电压。

两网配置中：常规监控网采用制造报文规范（manufacturing message specification，MMS）协议，即是指通过对现场设备进行面向对象建模方式，实现在网络构架环境下不同通信设备之间的上下交换操作，一般用于EMS 对PMS 及PCS 的稳态慢速通讯，实现对系统设备信息交换及监控功能；快速控制网采用面向电站事件进行通信，该标准用于电站自动化系统快速报文需求机制，主要用于实现远动智能柜、AGC 柜、DCS 机柜等设备之间的快速信息传递，具有延时小、传输成功率高的特点，用于PMS 对PCS 的暂态快速通讯，实现电池系统的保护及监测功能。控制系统构成如图2 所示。

图2 “黑启动+辅助调频”方式的“三层两网”多储能控制系统Fig.2 "Three layers and two networks" multi-energy storage control system with "black start+auxiliary frequency modulation" mode

以上系统，黑启动采用下垂变流技术或VSG 控制策略模式时，对外呈现电压源型外特性，具备自主调频、自主调压、惯性、阻尼等优良特质[4]。而传统控制技术调节方案，是通过直接调节各PCS 的频率、电压或通过频率、电压差，计算新的有功、无功工作点的方式，容易造成系统振荡或调节响应慢。

现采用通信新技术方式，通过上层PMS 将各PCS 运行的平均功率叠加闭环调节量并进行再分配后反馈回PCS；PMS 与PCS 间采用GOOSE 通讯技术，通过一方发指令，多方接收指令和无需回传确认的高优先级通讯技术方式，可实现对群体众多PCS 单元进行快速控制，通讯网络延迟小于2ms，可实现确保所有并联PCS 调节的同步性；多储能联合系统还可采用变分模态分解技术获得储能系统初始功率数据分配，平抑发电功率的波动。

4 储能系统参与电网调峰控制策略

调峰控制策略采用switch 模块对输入数据负荷值进行判别分类，由计算得出的差值经PID 模块输入储能控制系统并对其进行自动控制。具体控制流程见图3

图3 多储能系统PID控制策略Fig.3 PID control strategy of multi-energy storage system

另外，电池荷电状态SOC 是用来反映电荷剩余容量大小的物理量，使用储能发电系统设计必须考虑电池剩余容量占电池容量的比例，低于40%为不正常充放电剩余容量，需控制其放电效率在40%～90%之间为正常充放电剩余容量。为防止多储能系统发生过充或过放情况，需要对储能部分系统发出和吸收的功率根据多储能系统SOC 进行分配处理；可采用梯度充放电法对出力进行控制，可采用双重模糊化控制器通过初始功率信号二次修正，以实现对SOC模糊化控制策略的目的。

通过以上对大容量多储能联合发电系统设计选型配置及系统架构技术介绍，不难得出以下结论：

1）该项技术应用可使新老电站技术改造变得很容易，不影响原有DCS 控制，不影响原有继电保护装置的整定，仅增加与原DCS 控制之间的联锁即可[5]。

2）结合储能电站系统实际情况，依据黑启动接入技术规范，配置合适的多储能发电联合系统，选择设备电气安装位置及相应的协调控制策略系统，即可将老电站升级改造为新站，为多储联合发电系统黑启动提供了设计技术创新发展。

5 结论

“辅助调频+黑启动”多储能联合系统采用本文设计中图1 的系统一次拓扑和图2 的多储能二次控制系统架构，采用VSG 控制策略变流新技术，分析了燃机黑启动过程及需要应对的问题，提出了多储能联合系统接入方案及满足快速通讯的“三层两网”架构的控制方案。

研究了多储能联合系统调压、调频、调峰稳定控制方法，通过虚拟阻抗及补偿技术策略，既可以实现约22MW多储能并联稳定运行，又能补偿虚拟阻抗电压偏差。

提出了一种快速同步反馈的多储能联合系统黑启动调频调压控制新技术，保证通讯收/发指令的快速性和同步性，方案可靠，避免出现间歇性功率突升突降或电压跌落等系统振荡，保证了系统稳定。

实现了多储能联合系统的黑启动新技术应用。该系统将黑启动和辅助调频功能可靠有机地结合起来，形成“黑启动+辅助调频”多储能联合系统整体解决方案，充分发挥了多储能联合系统在传统发电领域的应用价值，为多储能黑启动在电力系统领域提供了新技术的应用与扩展，为今后基于储能系统或大型燃气轮机机组黑启动技术方案设计应用研究提供新思路。