孤立微電網黑啟動研究

趙俊杰，劉旭東，肖 朋

（營口職業技術學院，遼寧 營口 115000）

0 引 言

大電網的運行結構比較復雜，一旦電網發生故障或受到大的擾動，與電網并網運行的微電網可切換至離網狀態孤立運行，從而與大電網分離。在微電網孤立運行的過程中，仍有可能出現故障使其癱瘓進入全黑狀態，因此孤立微電網自身需要具備黑啟動的功能[1]。目前，人們對于微電網黑啟動技術大多側重于對其控制策略方法的研究，因此開發新的理論支撐決策以完善黑啟動技術在實際生活中的適應性十分必要。由于受微電網中多種因素的影響，使得在啟動電源的選擇、啟動策略的制定等方面都存在諸多困難。隨著電網結構的不斷變革更新，對黑啟動技術的研究也開始逐漸擴展到分布式供電結構方面。結合分布式供電結構所具備的多種優良特性，對大電網的黑啟動過程提供相應的技術支持[2]。但是，目前所研究出的黑啟動理論只有一小部分能夠適用于孤立的微電網，所以本文結合研究現狀，以孤立微電網作為理論前提，解決黑啟動策略制定和黑啟動過程中的一些難點問題，應用改進后的技術方案，大幅度提升微電網應對突發狀況的能力。

1 一種微電網拓撲結構

本文中采用了一種易于工程實現、適合我國國情的以清潔能源為主的典型微電網拓撲結構，如圖1所示。

圖1 微電網拓撲結構

微電網和主網之間通過PCC連接，并在此處設置并/離網切換開關實現離網和并網兩種模式的切換。系統中有4個可調負載作為負荷，分別接入柴油發電機、光伏發電、風能發電以及蓄電池作為系統的微源。

微電網按照多代理系統分層控制的思想，其中微電網中心控制系統（Micro Grid Central Controller，MGCC）主要負責微網系統各單元的優化、能量管理、與下層系統之間的通信和調度以及黑啟動控制等。微電網內部設備控制包括微電源控制層和負荷控制層，前者與MGCC相配合，主要負責控制微電源的運行、上傳微電源的信息至MGCC。負荷控制器（Load Controller，LC）與MGCC相配合，主要負責控制負荷的投切并上傳負荷的信息至MGCC。

2 黑啟動微源的選取

通常情況下，微電網都是工作在并網模式與大電網并列運行，但是當大電網發生故障或擾動等情況時，微電網就會切換到離網模式孤立運行。在孤立運行的情況下，微電網本身仍有發生故障的可能性，因此孤立運行的微電網需要具有在離網運行情況下自身實現黑啟動恢復供電的能力[3]。

根據微電網系統中的微源是否具有黑啟動能力，可將其分為兩類，具有黑啟動能力的微源通常稱為黑啟動分布式電源（Black-start DG，BDG），不具有黑啟動能力的微源通常稱為非黑啟動分布式電源（Non Black-start DG，NBDG）。微電網的黑啟動主要就是借助黑啟動微源帶動整個微電網的恢復，因此黑啟動微源的選取直接影響著微網黑啟動是否能夠成功完成。

通常選擇黑啟動微源時要考慮以下幾點：一是機組的容量。盡量選擇容量大的BDG，這樣可以增大啟動功率，同時也可以縮短系統故障恢復時間。二是微源的調頻調壓能力。為了使微源啟動后孤立微電網保持運行的穩定性，需要選擇具有一定調頻調壓能力的微電源來維持微電網穩定運行。三是微源的升負荷速度。微源的升負荷速度直接影響微源的帶負載能力，而選擇帶負載能力強的微源能保障重要負荷的供電，因此選擇升負荷速度較快的微源更佳。四是微源的抗擾動性能。能源供給波動較大或含有較多影響因素的微電源不應作為黑啟動微電源，如光伏、風力發電等。而能源供給穩定且具有良好的動態性能和抗擾動性能的微電源適合作為黑啟動微電源，如微型燃氣輪機、柴油發電機以及燃料電池等。

考慮到以上幾點原則，本文所建立的微電網拓撲結構中，柴油發電機的可靠性高且基本不受其他因素影響，還具有良好的負荷跟隨特性，因此作為黑啟動微源的首選。蓄電池調節速度快，能夠快速在充放電狀態之間進行切換，這一特點使得它能夠快速自啟動并能夠減緩其他微源的沖擊，因此可作為黑啟動微源。而光伏發電受外界天氣因素影響較大，并且容易給微網帶來頻率上的波動，因此不作為黑啟動微源[4-6]。

3 微電網黑啟動方案的選擇

電力系統黑啟動方式分為兩種，即串行恢復（向下恢復）和并行恢復（向上恢復），兩種恢復方式的微源啟動方式不同且各有優缺點，如表1所示。

從表1中可以看出，并行恢復的微源啟動方式為并行啟動，加入同期并列裝置后并列組網，黑啟動恢復速度較快。串行恢復方式相比于并行恢復的恢復時間更長，但逐步組網的方式使得系統結構簡單。本文在研究并行恢復和串行恢復的特點的基礎上，開發了基于并行和串行恢復相結合的微電網黑啟動方案，充分結合并行恢復和串行恢復的優點。

4 微電網黑啟動步驟

4.1 切除全部負荷

在黑啟動的初期，負荷過大極易造成微源故障停機的現象。為避免發生此類現象，MGCC應首先切除微電網系統中的所有電力設備，即切斷全部負荷及微電源，這樣才能夠保證黑啟動微源在空載狀態下進行黑啟動恢復供電。

4.2 啟動BDG并聯組網

由于微電網是脫離大電網孤立運行的，因此在微電網中需要一個主參考源來提供參考電壓及頻率。本文選擇柴油發電機作為黑啟動的主參考源，并啟動蓄電池，各自建立它們的子網，分別使用其恒壓恒頻控制策略和下垂控制策略。主參考源柴油發電機的電壓和頻率作為整個系統的參考值，以下垂方式啟動的蓄電池參照此參考值將運行模式切換至PQ模式，與柴油發電機并行組網，完成并行恢復[7]。

4.3 啟動光伏微電源并組網

黑啟動初期系統容量小，頻率和電壓有可能受擾動而失去穩定。在黑啟動過程中，大量NBDG的同時啟動容易引起瞬時沖擊，因此本文實現對NBDG的串行恢復。首先啟動光伏微電源，以PQ方式啟動，并參考已經成功實現黑啟動的BDG的電壓和頻率等參數，并組網[8-10]。

4.4 啟動風能微電源并組網

經過前面幾步的調整，各個分布式電源的接入增加了微電網的發電容量，電網的電壓和頻率得到穩定控制，微電網有能力對更多的負載提供穩定的電能。啟動風能微電源，以PQ運行模式啟動，并參考已經成功實現黑啟動的BDG的電壓和頻率等參數，并組網。

最后，微網系統中接入其他負荷，使微電網系統帶更多的負載，保證負荷的穩定供電。

5 組網控制器的設計

為了保證蓄電池和柴油發電機在組網時能夠順利完成，本文設計了組網控制器，如圖2所示，其中u和i分別為采集的電壓和電流。

初始狀態下，K1閉合，K2斷開，由主參考源柴油發電機提供給蓄電池參考電壓和功率，完成同步，運行PQ控制器。然后在并網過程中模式切換時控制開關K2閉合，K1斷開，功率鎖存器計算的輸出功率為切換后提供參考，保持控制器的狀態不變。

6 結 論

提出一種含有光伏和風能發電的微電網拓撲結構，在此拓撲結構基礎上開發了基于并行和串行恢復相結合的微電網黑啟動方案，充分結合并行恢復和串行恢復的優點，使微電源和負荷按照一定的步驟實現黑啟動，并為此設計了組網控制器，使組網能夠順利進行。