儲(chǔ)能型風(fēng)電場作為電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源的關(guān)鍵技術(shù)問題

杜平 萬玉良 吳堅(jiān) 項(xiàng)頌

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力調(diào)度控制中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

儲(chǔ)能型風(fēng)電場作為電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源的關(guān)鍵技術(shù)問題

杜平 萬玉良 吳堅(jiān) 項(xiàng)頌

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力調(diào)度控制中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

本文以某實(shí)際儲(chǔ)能型雙饋風(fēng)電場的一期工程為例，簡要介紹儲(chǔ)能型風(fēng)電場的基本結(jié)構(gòu)，提出儲(chǔ)能型風(fēng)電場作為電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源的技術(shù)方案，并對其所涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行詳細(xì)分析，以期為相關(guān)研究者提供借鑒。

儲(chǔ)能型風(fēng)電場；黑啟動(dòng)電源；出力可信度

1 研究背景

黑啟動(dòng)服務(wù)就是一種發(fā)電廠商為電網(wǎng)提供的有償輔助服務(wù)。根據(jù)規(guī)定，電網(wǎng)需要根據(jù)黑啟動(dòng)電源的投資成本、維護(hù)成本和黑啟動(dòng)期間的運(yùn)行費(fèi)用為其提供補(bǔ)償［1］。在外部電網(wǎng)停電情況下，風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組不具備自啟動(dòng)的能力，必須通過外部電源為其偏航、變槳等設(shè)備提前供電才能啟動(dòng)。因此，如果能夠利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為風(fēng)電機(jī)組的必要設(shè)備供電，輔助風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)，并與啟動(dòng)后的風(fēng)電機(jī)組一起帶動(dòng)電網(wǎng)內(nèi)其他發(fā)電廠啟動(dòng)。利用將儲(chǔ)能型風(fēng)電場作為電網(wǎng)的黑啟動(dòng)電源，不僅能提高風(fēng)電廠商的收益，同時(shí)能夠解決內(nèi)蒙古、西北等地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)黑啟動(dòng)電源容量不足的問題，提高其黑啟動(dòng)能力。

本文提出利用儲(chǔ)能型風(fēng)電場作為電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源的技術(shù)方案，并對涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行分析。本研究是在智能電網(wǎng)快速發(fā)展的新形勢下，結(jié)合新能源發(fā)電與儲(chǔ)能技術(shù)對傳統(tǒng)黑啟動(dòng)理論的突破，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

2 儲(chǔ)能型風(fēng)電場的構(gòu)成

儲(chǔ)能型雙饋風(fēng)電場主要由雙饋風(fēng)電機(jī)組、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和無功補(bǔ)償設(shè)備等構(gòu)成。雙饋風(fēng)電機(jī)組（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）是目前國內(nèi)外風(fēng)電市場上的主流機(jī)型，其轉(zhuǎn)子繞組通過背靠背變頻器與電網(wǎng)相連，而定子繞組則直接與電網(wǎng)相連。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括電池組、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（Power Conversion System，PCS）及其控制系統(tǒng)等［2］。風(fēng)電場通常采用電容器組、靜止無功補(bǔ)償器（SVC）、靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）等裝置作為其無功補(bǔ)償設(shè)備。

本文以某實(shí)際儲(chǔ)能型風(fēng)電場的一期工程為例，對儲(chǔ)能型風(fēng)電場的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。該風(fēng)電場主要由33臺(tái)額定功率為1.5MW的雙饋風(fēng)電機(jī)組、1組額定功率為5MVar的SVC和3組容量均為1MW×2h的磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等構(gòu)成。如圖1所示，風(fēng)電場內(nèi)35kV匯流母線上共有8條進(jìn)線支路和2條出線支路，所有支路上均配置了斷路器，能控制整條支路的投切。圖1中，支路A-D為風(fēng)電機(jī)組進(jìn)線支路，支路上每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組均與0.69/35kV箱式變壓器相連，并通過集電線路并聯(lián)連接至母線。箱式變壓器的高壓側(cè)和低壓側(cè)分別配置了負(fù)荷開關(guān)和斷路器，可以用于箱式變壓器和風(fēng)電機(jī)組的投切控制；支路F-H為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)線支路，支路上電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通過0.38/35kV變壓器連接至母線；支路J為無功補(bǔ)償進(jìn)線支路，SVC通過斷路器直接連至母線；支路I為風(fēng)電場的主變出線支路，風(fēng)電場的功率經(jīng)35/66kV主變輸送至電網(wǎng)；支路E為風(fēng)電場的廠用電出線支路，廠用變的額定電壓為35/0.38kV。

圖1 某實(shí)際儲(chǔ)能型風(fēng)電場的基本結(jié)構(gòu)圖

3 儲(chǔ)能型風(fēng)電場作為黑啟動(dòng)電源的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 儲(chǔ)能型風(fēng)電場作為黑啟動(dòng)電源的技術(shù)方案

本文參照水力發(fā)電廠黑啟動(dòng)時(shí)的流程，以圖1所示儲(chǔ)能型風(fēng)電場為例，提出了儲(chǔ)能型風(fēng)電場作為電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源的技術(shù)方案：①確保35kV母線上所有進(jìn)線支路和出線支路上的斷路器處于斷開狀態(tài)；②閉合電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)線支路F-H上的斷路器，啟動(dòng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，為35kV母線充電；③依次閉合支路E、J及待啟動(dòng)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)線支路上的斷路器，為各支路上的變壓器充電，并進(jìn)一步為風(fēng)電場啟動(dòng)所必需的設(shè)備供電；④空載啟動(dòng)選定的風(fēng)電機(jī)組，并與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、無功補(bǔ)償設(shè)備組成孤島系統(tǒng)運(yùn)行；⑤閉合出線支路I上的斷路器，對風(fēng)電場主變充電，按制定的電網(wǎng)黑啟動(dòng)預(yù)案，依次對黑啟動(dòng)路徑上的輸電線路、變壓器進(jìn)行空載充電，并進(jìn)一步為被啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組的輔機(jī)供電，以帶動(dòng)被啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)，或直接為地區(qū)內(nèi)重要負(fù)荷供電。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)問題分析

3.2.1 風(fēng)電場優(yōu)選及儲(chǔ)能系統(tǒng)的合理配置研究。風(fēng)電場優(yōu)選和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的合理配置是儲(chǔ)能型風(fēng)電場能作為電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源的基礎(chǔ)。風(fēng)電場的優(yōu)選應(yīng)根據(jù)地區(qū)實(shí)際情況綜合考慮風(fēng)電場的容量、風(fēng)電機(jī)組的類型、風(fēng)電場的出力可信度以及風(fēng)電場內(nèi)無功補(bǔ)償設(shè)備配置情況等因素。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在儲(chǔ)能型風(fēng)電場作為黑啟動(dòng)電源的整個(gè)過程中都發(fā)揮著關(guān)鍵作用，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置應(yīng)綜合考慮其在以下幾方面應(yīng)用中的作用：不受風(fēng)電場內(nèi)變壓器充電時(shí)所產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流與和應(yīng)涌流對其的影響，使風(fēng)電機(jī)組能成功啟動(dòng)；平抑風(fēng)電場的瞬時(shí)功率輸出；提高儲(chǔ)能型風(fēng)電場的出力可信度等。

3.2.2 儲(chǔ)能型風(fēng)電場的自啟動(dòng)控制技術(shù)研究。儲(chǔ)能型風(fēng)電場的自啟動(dòng)是儲(chǔ)能型風(fēng)電場能作為電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源的前提。儲(chǔ)能型風(fēng)電場自啟動(dòng)的關(guān)鍵是如何通過電池儲(chǔ)能系統(tǒng)帶動(dòng)不具有自啟動(dòng)能力的風(fēng)電機(jī)組、無功補(bǔ)償設(shè)備等啟動(dòng)。儲(chǔ)能型風(fēng)電場實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)需要解決的問題主要有：研究電池儲(chǔ)能系統(tǒng)啟動(dòng)的優(yōu)化控制技術(shù)，使其能在為風(fēng)電場提供穩(wěn)定電壓的同時(shí)，減小風(fēng)電場內(nèi)集電線路、變壓器充電時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流；研究風(fēng)電場內(nèi)各支路的最優(yōu)充電次序，以減小并聯(lián)變壓器相繼投入充電時(shí)所產(chǎn)生的和應(yīng)涌流；研究風(fēng)電機(jī)組的空載啟動(dòng)技術(shù)，以提高其啟動(dòng)成功的概率并減小對電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的沖擊。

3.2.3 儲(chǔ)能型風(fēng)電場孤島空載運(yùn)行控制技術(shù)研究。孤島空載運(yùn)行是儲(chǔ)能型風(fēng)電場作為電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源的必要階段。在該階段，儲(chǔ)能型風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組、無功補(bǔ)償設(shè)備等順利啟動(dòng)，與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)組成孤島系統(tǒng)，并進(jìn)一步完成對黑啟動(dòng)路徑上輸電線路和變壓器等的充電。儲(chǔ)能型風(fēng)電場實(shí)現(xiàn)孤島空載運(yùn)行需要解決的問題主要有：研究風(fēng)電機(jī)組與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)之間有功功率的協(xié)調(diào)控制技術(shù)，以使儲(chǔ)能型風(fēng)電場孤島空載運(yùn)行時(shí)的頻率保持穩(wěn)定，并優(yōu)化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的利用。

3.2.4 儲(chǔ)能型風(fēng)電場帶載運(yùn)行控制技術(shù)研究。帶載穩(wěn)定運(yùn)行是儲(chǔ)能型風(fēng)電場能作為電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源的關(guān)鍵階段。在該階段，儲(chǔ)能型風(fēng)電場需要啟動(dòng)被啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組的輔機(jī)，持續(xù)為其供電，直至被啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，并進(jìn)一步與被啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組組成小型獨(dú)立系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，或直接恢復(fù)地區(qū)內(nèi)重要負(fù)荷的供電。儲(chǔ)能型風(fēng)電場實(shí)現(xiàn)帶載穩(wěn)定運(yùn)行需要解決的問題主要有：研究儲(chǔ)能型風(fēng)電場的負(fù)荷快速追蹤技術(shù)，以使其能在被啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組的輔機(jī)投入瞬間，維持儲(chǔ)能型風(fēng)電場孤島系統(tǒng)頻率和電壓的穩(wěn)定；研究儲(chǔ)能型風(fēng)電場的附加阻尼控制技術(shù)，以提高儲(chǔ)能型風(fēng)電場與被啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組組成的小型獨(dú)立系統(tǒng)的慣性，使其能保持穩(wěn)定運(yùn)行，避免低頻振蕩的發(fā)生。

4 結(jié)語

本文針對區(qū)域電網(wǎng)所處條件和需求，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能型風(fēng)電場的黑啟動(dòng)方案，并對其黑啟動(dòng)過程中所需研究解決的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。本文只是對儲(chǔ)能型風(fēng)電場作為局域電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源進(jìn)行了初步分析，未來將針對具體被控對象，對文中所提關(guān)鍵技術(shù)展開實(shí)質(zhì)性研究，并通過仿真、實(shí)驗(yàn)等手段進(jìn)行驗(yàn)證。

［1］ 林姿峰，閔勇，周云海，等.電力市場中的黑啟動(dòng)服務(wù)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002（2）：9-13.

［2］ 北極星電力網(wǎng).2013年中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)［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，高級工程師，研究方向：電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析控制。