光儲聯合發電系統黑啟動在建筑備用照明的應用

樊宏濤，李昕然，孫耀杰

(復旦大學 電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433)

引言

近些年來，可再生能源發電技術迅猛發展，應用于商場、寫字樓屋頂的分布式光伏電站裝機量不斷增加；隨著儲能設備的大量投入，光儲聯合發電系統也可在外部電網故障時作為建筑物的備用照明能源，為備用照明設備進行供電，保證營業、工作活動不中斷。

黑啟動[1]是指在外部電網因為故障進入全黑狀態時，通過啟動系統中具有自啟動能力的電源，帶動無自啟動能力的電源，逐步擴大系統恢復范圍，最終實現整個系統恢復的過程,其策略可以分為串行恢復和并行恢復兩類[2]。串行恢復是由主電源建立參考電壓和頻率，其他參考源參考主電源啟動。串行恢復結構簡單但是恢復速度較慢。并行恢復是使具有黑啟動能力的微源同時啟動，通過同步后聯網完成恢復。并行恢復恢復速度快但是沖擊電流容易過大。

黑啟動作為停電事故后能夠快速恢復電網供電的重要措施，引起了國內外眾多專家的關注與研究。文獻[3]對微電網黑啟動的電源選擇和控制方法，主要的黑啟動策略進行了介紹。文獻[4]針對光伏和儲能的多微網提出了一種三層結構的分層控制。文獻[5]基于常規MPPT算法提出跟蹤負荷變化適用于黑啟動的協調控制策略，保證光伏出力最多。以上的黑啟動策略主要是從電源出力角度分析分布式電源的黑啟動能力及黑啟動方案，根據負載情況選擇黑啟動策略的研究較少。

本文建立了光儲聯合發電系統模型，并在傳統并行恢復黑啟動策略的基礎上，提出一種基于負載情況尋優的黑啟動策略，通過負載情況選擇同時并網的光儲單元數量，使系統沖擊最小，負載更加均衡。最后利用Matlab/Simulink建立了光儲聯合發電系統模型進行仿真，仿真結果驗證了策略的可行性。并對某屋頂有光儲電站的寫字樓模擬了黑啟動對備用照明設備供電的應用方案，根據照明燈具的功率分析方案可行。

1 光儲聯合發電系統

為保證研究結果的廣泛適用性，本文所研究的是目前較為常用的光儲聯合發電系統拓撲，儲能單元在交流側接入，方便擴充容量；具體系統結構如圖1所示，由光伏陣列、DC/DC變換器、DC/AC變換器，儲能電池組、電網、負載組成。由斷路器KM1-4控制光伏單元接入；斷路器KM5-8控制儲能單元接入；采用目前較為常用的分層控制。斷路器KM1-8均由供電控制GC(generator control)模塊控制開關。斷路器LG控制電網接入；斷路器L1～L4由負載控制(load control)控制接入，供電控制和負載控制都與網側控制中心GCC(grid control center)保持通信。

圖1 光儲聯合發電系統結構框圖Fig.1 Structure diagram of PV-Energy storage system

2 并網的光儲單元數目對電壓穩定性的影響

在并行恢復中，過多的光儲單元同時進行并網時，容易造成沖擊過大的情況。剛剛建立的交流母線穩定性不足，可以認為是一個弱電網的情況，啟動過程可以認為是弱電網向理想電網過渡的過程。下面對弱電網受沖擊失穩與啟動光儲單元個數的關系進行分析。在黑啟動中，為了方便控制，除了主參考源，所有并網的光儲單元的逆變器控制均為PQ控制。 文獻[10]中表明當并聯逆變器個數變為N倍時，要使系統穩定的電網阻抗變化范圍就要縮小N倍。文獻[11]中也提到弱電網情況下，在電網阻抗的影響下，并網逆變器個數越多，系統的穩定性越差；過多的并網逆變器個數會導致系統失穩。對于黑啟動過程，已經建立的電網阻抗同樣不可忽略，此時電網容量也很小，電壓頻率跟容易受到擾動。與文獻中又有所不同。因此本文采用仿真對比的方法，搭建了光儲單元模型并對不同負載下同時啟動的光儲單元個數的不同對建立的交流母線電壓頻率的影響進行仿真。選定交流母線電壓/頻率的波動能量(電壓/頻率在時間上的積分)來描述交流母線電壓頻率穩定性。

搭建的單個光儲單元模型如圖2所示；每個光儲單元包括光伏陣列、儲能陣列、逆變器模塊、備用照明設備。

圖2 光儲單元模型Fig.2 Model of PV-energy storage cell

對上述模型在不同負載和啟動的光伏單元個數下進行仿真，仿真結果如圖3、圖4所示。

圖3 不同負載下并網光儲單元個數對頻率穩定的影響Fig.3 Frequency influence of the number of grid-connected units under different loads

由圖3、圖4可以看出，在光儲單元并網時，交流母線的電壓頻率都出現了不同程度的波動。同時并網的光儲單元為4個時，電壓和頻率的波動明顯比并網個數為2個和3個的情況更大，恢復穩定所需要的時間也越長。當同時啟動的光儲單元增加時，在恢復負載相同的情況下，同時并網的光儲單元個數越多，電壓恢復穩定的時間就越長，波動也越大，阻尼比越小。表1給出了固定負載下并網個數的阻尼比。

于是在并行恢復的黑啟動策略下，我們可以以同時并網的光儲單元個數最小為目標對黑啟動策略進行優化。

表1 不同并網光儲單元個數對頻率/電壓穩定的影響

圖4 不同負載下并網光儲單元個數對電壓穩定的影響Fig.4 Voltage influence of the number of grid-connected units under different loads

3 黑啟動策略

本文在并行恢復的基礎上，通過負載情況以同時并網的光儲單元數量最少為目標進行黑啟動恢復，在負載接入時，使同時并網的光儲單元個數最少以提高可靠性，并減小交流母線的頻率電壓波動。具體黑啟動策略如下。

3.1 光儲單元并網順序

下面分別從光儲單元控制、負載接入控制來描述恢復順序。

1)對于光儲單元，在光儲聯合發電系統的黑啟動中，使用隨機編號對光儲單元進行編號的主要目的是為了實現即插即用的效果，不受個別損壞的光儲單元影響。儲能單元作為自啟動源最先啟動建立交流母線的電壓和頻率，采用電壓控制迅速恢復；啟動之后，為光伏系統啟動提供參考，其中主參考的儲能單元為電荷狀態和容量之積最大的儲能單元。預同步時，其它參考源以主參考源為標準追蹤主參考源的電壓相位，由電壓控制變為PQ控制。而光伏單元，在儲能單元啟動之后參考儲能單元所建立的電壓頻率進行啟動，光伏系統工作于PQ模式，方便控制。當光伏單元參考儲能單元啟動完畢，各個參考光伏單元也開始以主參考源的電壓頻率為目標進行預同步，準備并網。

通過第2節的分析，同時并網的光儲單元個數應盡量少以使交流母線電壓頻率波動最小，為了實現上述目標，可通過對編號光儲單元的最大輸出功率進行計算得到:

(1)

在控制光儲單元輸出時，因為光伏單元受影響因素較多，儲能單元優先發出功率來保障電壓頻率的穩定。

2)對于負載，根據負載的重要程度分為主負載(最重要)和次級負載(相對重要)。其中主負載LD0優先度最高，在光儲聯合發電系統發電量足夠時首先接入；然后對次級負載進行隨機數編號，啟動順序為LS1>LS2>LS3，采用隨機數編號可以避免次級負載過大導致光儲單元無法滿足啟動條件一直無法啟動。

3.2 預同步方法

當主參考儲能單元和其它參考儲能單元完成自啟動后準備進行并網時應完成預同步過程。預同步方法為：在并聯前，待同步黑啟動源的參考值根據自身的電壓控制提供，在需要進行并聯時，參考值轉換為由主參考源實時提供，以此來實現與主參考源的同步運行。然后將儲能單元控制模式切換為PQ控制。為減小切換控制狀態過程中由于控制器狀態不同引發的波動，采用電流參考補償算法進行模式切換[9]。通過在切換時，對控制環增加一個上一控制狀態的補償量，避免切換控制模式后，控制環從0開始追蹤誤差造成的波動。

3.3 黑啟動策略

根據上述所描述的啟動順序，本文所描述的黑啟動策略如下：

1)切除光儲聯合系統負荷。為避免在黑啟動初期微源因負過大而出現故障停機現象，應首先切除系統內所有用電設備，斷開所有開關，保證光伏單元所對應的儲能單元在空載狀態下啟動，建立交流母線電壓。對待同步光儲單元和次級負載進行隨機數編號。

2)啟動各個儲能單元，以電壓控制方式進行控制，實現快速穩定的自啟動，并具有調頻和調壓能力，保證光儲聯合系統孤島運行時的電壓和頻率穩定。

3)啟動儲能單元所對應的光伏單元，光伏單元采用PQ控制。

4)當光儲單元完成穩定自啟動后，進行預同步。

5)主負載投入與光儲單元并網順序判斷。

(a)對于主要負載LD0，應滿足

(2)

(b)對于次級負載，應滿足

(3)

(4)

其中KLS_k為第j個次級負載投入時的沖擊系數；PLS_k為第j個次級負載功率；m為投入次級負載的個數；PMS_min為主參考光儲單元儲能模塊最小輸出功率；PSi_min為第i個光儲單元儲能模塊最小輸出功率。njmin為滿足上述條件的第j組光儲單元投入的最小啟動光儲單元個數，當條件符合時，閉合相應的光儲單元開關進行并網，待穩定后投入次級負載LSm。余下未并網的光儲單元重新進行隨機數編號。

6)當所有可接入負載接入后，完成黑啟動過程。

圖5 黑啟動流程Fig.5 Black start process

4 仿真結果驗證

為了驗證上述黑啟動策略的可行性，使用Matlab/Simulink對黑啟動過程進行仿真。光儲聯合發電系統的拓撲如圖1所示，模塊參數如表2所示(環境參數為25 ℃，1 000 W/m2)。

黑啟動仿真波形如圖6所示。

表2 模塊參數

由圖6可以看出，啟動過程如下：

視2.5 s建立起穩定的電壓頻率，開始投入主負載負載，主光儲單元1開始輸出功率，其中光伏單元1輸出10 kW，儲能單元1輸出10 kW。

5.0 s時視電壓頻率穩定，控制器檢測到光儲單元a不滿足次級負載1(14 kW)的投入條件。進而判斷需要投入的光儲單元個數并調整光儲單元a的輸出。光伏單元a輸出15 kW，儲能單元a輸出10 kW，投入光儲單元d，光伏單元d輸出5 kW，儲能單元d輸出4 kW，投入次級負載1(14 kW)。

7.5 s時視電壓頻率穩定，繼續檢測到光儲單元a和d的容量不能滿足次級負載2(23 kW)的投入條件，進而繼續判斷需要投入的光儲單元個數并調整光儲單元a和d的輸出。此時光儲單元a已經達到最大，調整光儲單元d的光伏單元輸出增大到8 kW，投入光儲單元b和c。光伏單元b輸出10 kW，儲能單元b輸出4 kW。光伏單元c輸出4 kW，儲能單元d輸出2 kW。滿足要求投入次級負載2(23 kW)。

圖6 黑啟動過程仿真波形(負載啟動順序：a→b→c)Fig.6 Simulation waveform of black start (load start sequence: a→b→c)

10 s時視電壓頻率穩定，繼續檢測到光儲單元全部投入仍不能滿足次級負載3(40 kW)投入投入條件，至此，所有能投入的負載全部并網，黑啟動結束。整個光儲聯合發電系統進入離網控制階段。

5 黑啟動在備用照明中的應用

備用照明是當正常照明因電源失效后用于確保正常活動繼續或暫時繼續進行的應急照明。它的應急電源宜采用供電系統中有效地獨立于正常照明電源的專用饋電線路或自備發電機組[12]。在商場屋頂越來越多的建設光儲聯合發電系統的情況下，在大電網掉電之后，可以通過黑啟動恢復的電網來對備用照明設備進行供電，逆變器動作時間為一般為秒級可以快速恢復供電。

下面以某屋頂使用光儲聯合發電系統的寫字樓為例。該樓總共12層，1～3層為商場，4～12層為辦公區；每層面積為2 260 m2，辦公區和商場主要使用的燈具為平板燈、格柵燈、筒燈和射燈；商場使用[13]所描述的照明方案，辦公區照明環境采用4 500 K色溫，500 lx照度[14]。商場共計500盞燈，總功率15.8 kW；平均照明功率密度為7 W/m2辦公區共計392盞燈，總功率為13.3 kW；平均照明功率密度為5.9 W/m2。

根據前面描述的負載分類情況，在備用照明設備中，主負載為人流量最大區域的備用照明設備或工作內容最重要的備用照明設備，在本案例中為1～3層商場的備用照明設備。次級負載為4～12層的照明設備。

屋頂的光儲聯合發電系統為光伏單元110 kW，儲能單元55 kW。與備用電源的連接方式如圖7所示[15]。

圖7 含光儲聯合發電系統的備用電源連接方案Fig.7 Backup power connection scheme including PV-energy storage system

在此層辦公區的電網故障失去連接時，可使用屋頂的光儲聯合發電系統進行黑啟動恢復。根據前面的仿真驗證，光儲聯合發電系統能夠在很短的時間內恢復交流母線的電壓頻率，對備用照明設備進行供電。這說明該方案可行。

6 結束語

我們首先針對光儲聯合發電系統通過仿真分析了黑啟動過程中，同時并網光儲單元個數對交流母線電壓頻率的影響。在此基礎上提出了一種基于負載情況的并行恢復黑啟動策略。通過要投入的隨機負載情況來判斷同時并網的光儲單元個數，實現光儲單元在對交流母線電壓頻率影響最小的情況下并網，順利快速的完成黑啟動過程。對光儲單元進行隨機數編號來實現即插即用，對負載進行隨機編號避免因為要啟動的次級負載較大而出現空余光儲單元無法恢復負載的情況。結合仿真證明了本策略的可行性，同時對于屋頂裝有光儲電站的寫字樓進行黑啟動備用照明設備供電，經過分析該方案可行。