風光儲電站對臨近火電廠黑啟動的協(xié)調(diào)控制策略

趙晶晶，朱天天，陳凌漢，賈 然

（上海電力大學電氣工程學院，上海 200090）

由于國民經(jīng)濟增長迅速，電力系統(tǒng)規(guī)模日趨龐大，使得網(wǎng)架結構和動態(tài)性能變得復雜[1-3]。受外部高風險災害和內(nèi)部技術問題的影響，大停電事故仍無法避免。如2019年6月16日阿根廷電網(wǎng)因其構成、運行和管理等原因造成事故發(fā)生[4]，2019年8月9日英國電網(wǎng)因雷擊誘發(fā)了停電事故等[5]。怎樣提前制定停電后的黑啟動方案，使事故發(fā)生后快速恢復供電，減小停電損失，成為黑啟動研究的重要方向[6-7]。在規(guī)劃黑啟動方案時，首先要從啟動速度、啟動功率、自啟動能力幾個方面篩選黑啟動電源，一般選擇水電機組作為黑啟動電源[8-9]，但對于缺水的內(nèi)陸地區(qū)停電事故后的黑啟動需找到新的黑啟動電源。現(xiàn)今新能源發(fā)電大量接入電網(wǎng)，有數(shù)據(jù)顯示，到2035年前，新能源將成為第一大電源，與風光裝機規(guī)模分別達7億kW和6.5億kW。隨著儲能和風光等新能源控制技術的成熟，新能源可以作為黑啟動電源為火電機組黑啟動供電[10-12]。

黑啟動是一個快速供電恢復的過程，對黑啟動電源控制靈活性有較高的要求。在風電機組有功調(diào)頻方面，有學者提出通過控制風機虛擬慣量、超速、槳距角等可為系統(tǒng)提供有功調(diào)節(jié)，提高頻率的穩(wěn)定性[13-15]；在無功調(diào)壓方面，有學者提出了通過多臺風電機組之間、風電機組與無功補償設備間的協(xié)調(diào)控制策略，提高電壓的穩(wěn)定性[16]。這些研究為風電等新能源作為黑啟動電源提供了理論基礎。文獻[17]對利用儲能型風電場作為黑啟動電源進行了研究，論證其可行性；文獻[18-19]提出了利用柴油發(fā)電機輔助風電場實現(xiàn)黑啟動的方法，并對黑啟動時風機的調(diào)頻控制策略進行了研究；文獻[20]就微電網(wǎng)黑啟動中的頻率問題提出了利用風機轉動慣量進行控制，并驗證了其有效性；文獻[21]從黑啟動儲能配置容量出發(fā)，提出了風儲黑啟動時電池儲能系統(tǒng)的配置方法；文獻[22]提出了光儲黑啟動中采用負荷跟蹤與最大功率點跟蹤MPPT（maxmium power point tracking）相結合的方法來減少儲能配置容量。上述文獻主要是從新能源電源做黑啟動電源的可行性與儲能容量配置做出了研究，對于風光儲新能源參與黑啟動的控制策略還研究較少。

本文建立了不同光強環(huán)境下光伏減載量與電壓偏離值之間的關系，提出了風光儲新能源電站對臨近火電廠黑啟動的協(xié)調(diào)控制策略。在火電機組黑啟動過程中，當風光出力小于火電機組輔機功率時，風光機組采用最大功率跟蹤，儲能負責系統(tǒng)功率平衡；當風光出力超過火電機組輔機功率時，對風光發(fā)電系統(tǒng)進行減載，通過計算光伏與負荷功率差額確定風機的有功功率減載量，達到負荷跟蹤的效果，降低儲能平衡系統(tǒng)功率的負擔。最后在DIg?SILENT/PowerFactory仿真軟件中搭建了風光儲新能源電站對臨近火電廠黑啟動的仿真模型，驗證了所提控制策略的有效性。

1 風光儲新能源電站參與黑啟動系統(tǒng)結構

風光儲新能源電站參與系統(tǒng)黑啟動結構如圖1所示。首先讓風光儲新能源電站恢復供電，儲能建立35 kV母線電壓和頻率，當預測風光出力在未來足夠時，開關K1、K2閉合，風光機組開始并網(wǎng)，新能源電站恢復供電；然后啟動臨近火電廠火電機組，待新能源出力穩(wěn)定后，通過連接線路啟動火電廠輔機，恢復火電機組發(fā)電能力。啟動臨近火電廠為火電機組的輔機供電。

圖1 風光儲黑啟動系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of black start system with the participation of wind-PV-storage

2 新能源電站各電源建模與控制策略

2.1 儲能發(fā)電控制策略

新能源電站中儲能系統(tǒng)采用V/f（恒頻恒壓）控制維持系統(tǒng)頻率電壓穩(wěn)定，風電光伏采用MPPT控制與減載控制結合的方式。儲能V/f控制策略如圖2所示。圖中，fbref和Ubref分別是儲能端口電壓頻率與幅值的輸入，U0是儲能端口電壓矢量，Uod和Uoq分別是U0的d、q軸分量，θb是儲能端口電壓相角。

圖2 儲能V/f控制策略Fig.2 Energy storage V/f control strategy

2.2 光伏MPPT控制與減載控制

光伏最大功率跟蹤原理如圖3所示，光伏的最大功率跟蹤原理是找到最大功率點電壓Umpp。

圖3 光伏最大功率跟蹤原理Fig.3 Principle of PV maximum power tracking

由圖3可見，B、C兩點偏離最佳工作電壓都能實現(xiàn)減載，本文光伏減載控制是通過減小光伏直流母線電壓參考值來偏離最佳工作電壓實現(xiàn)的，例如圖中的A、B兩點，其中A點表示當前光強環(huán)境下處于最佳工作點電壓Umpp，達到最大功率Pmpp；B點表示處于偏離最佳工作電壓UB，釋放功率Pdeload。所以光伏要與風機配合實現(xiàn)負荷跟蹤的功能，需要精確計算出光伏減載量與偏離電壓、光照強度的關系，實現(xiàn)光伏減載，有

式中：ΔU為電壓偏離值；ΔPpv為光伏減載量。

光伏模型參數(shù)如表1所示。通過改變光照強度E和溫度T的實驗，得出光伏減載量ΔPpv與電壓偏離值ΔU、光照強度E的關系曲線，如圖4所示。

表1 光伏模型參數(shù)Tab.1 Parameters of PV model

圖4 光伏減載量與電壓偏離關系曲線Fig.4 Curves of relationship between PV load shedding amount and voltage deviation

由圖4可見，不同輻射強度下，光伏減載量ΔPpv近似為電壓偏離值ΔU的線性函數(shù)，擬合函數(shù)為

由式（3），可根據(jù)需要的減載量ΔPpv，在不同光照強度E環(huán)境下計算出相應的電壓偏離值ΔU。光伏減載量為10%時，ΔU與E的關系曲線如圖5所示。在光照強度變化時，減小光伏直流母線電壓，所對應的偏離值由圖5確定，實現(xiàn)光伏減載控制。

圖5 光伏減載10%時直流母線電壓偏離與光強關系曲線Fig.5 Curve of relationship between DC bus voltage deviation and light intensity when PV load is reduced by 10%

2.3 風電MPPT控制與減載控制

風力機捕獲的風能為

式中：ρ為空氣密度；Aw為風力機葉片掃略面積；Cp為風能轉換利用系數(shù)，與葉尖速比λ(λ=ωr/vw)和槳距角β有關；vw為風速；ωr為轉子轉速。

風能轉化利用系數(shù)Cp和葉尖速比λ關系曲線如圖6所示。由圖6可知，風電可通過改變轉速與槳距角來實現(xiàn)減載。由A、C兩點可知，通過偏離最佳葉尖速比可使Cp減小，從而進行風機減載；由A、D兩點可知，通過增大槳距角也可使Cp減小，風機減載，但槳距角變化響應速度較慢。

圖6 Cp和λ關系曲線Fig.6 Curve of relationship betweenCpand λ

本文對風機進行超速控制來實現(xiàn)減載，平衡黑啟動中輔機功率與光伏出力的缺額，實現(xiàn)負荷的跟蹤。風機有功功率控制框圖如圖7所示，圖中a%為減載率，由黑啟動中輔機功率與光伏出力缺額確定。

圖7 風電機組的有功功率控制框圖Fig.7 Block diagram of active power control of wind turbine unit

2.4 風光儲新能源電站啟動臨近火電廠協(xié)調(diào)控制策略

當風光儲新能源電站啟動臨近火電廠時，先為火電機組的輔機供電。風光儲電站系統(tǒng)功率平衡表達式為

式中：Pw(t)為風機出力；Ppv(t)為光伏出力；PES(t)為儲能輸出功率；Pload(t)為輔機功率。

黑啟動過程中，由于線路輕載，儲能要承擔較大的線路充電功率，輔機啟動過程中儲能容量或功率不足均會導致黑啟動失敗。本文提出的風光儲新能源電站協(xié)調(diào)控制策略，當風光機組出力小于投入的輔機功率時，風光機組都采用MPPT控制策略，盡可能多地出力，與儲能共同為負荷供電；當風光機組出力大于投入的輔機功率時，風光機組一起減載，其中光伏減載量為0.1Ppv(t)；風機跟蹤輔機功率變化，其減載量為ΔP1(t)=Pw(t)+Ppv1(t)-Pload(t)。其協(xié)調(diào)控制策略流程如圖8所示。

圖8 風光儲新能源電站功率協(xié)調(diào)控制流程Fig.8 Flow chart of power coordinated control of wind-PV-storage new energy power station

具體流程如下。

步驟1進行黑啟動前，設t=1，監(jiān)測環(huán)境條件。當風速vw≥7 m/s、光強E≥300 W/m2、儲能初始荷電狀態(tài)SOC0≥0.8時，滿足黑啟動條件，開始啟動，投入輔機。

步驟2判斷是否Pload(t)>Pload(t-1)。如是，計算ΔP(t)=Pw(t)+Ppv(t)-Pload(t)。

步驟3判斷是否ΔP(t)>0。如ΔP(t)≤0，風光機組都采用MPPT控制策略；如ΔP>0，則進入步驟4。

步驟4判斷是否ΔP(t)>0.1Ppv(t)。如是，風光機組一起減載，其中光伏減載量為0.1Ppv(t)，風機采用負荷跟蹤控制，其減載量為ΔP1(t)=Pw(t)+Ppv1(t)-Pload(t)；如否，光伏采用MPPT模式，僅風機采用負荷跟蹤控制。

步驟5t=t+1，返回步驟2。

3 算例仿真

3.1 仿真模型

本文在DIgSILENT/PowerFactory仿真軟件中搭建了圖1所示的黑啟動仿真模型。模型包括雙饋風機、光伏電池、儲能系統(tǒng)等電源和火電機組輔機，配置容量如表2和表3所示[14，23]。本文用2臺1.2 MW的異步電動機模擬輔機，功率隨電機轉速增大而逐步增加。風速、光強曲線如圖9和圖10所示。仿真時間為90 s，風光電站站內(nèi)有功負荷0.4 MW，無功負荷0.4 Mvar。0 s時第1臺火電廠輔機接入，在0～12 s功率逐漸增加到1.6 MW；30 s時第2臺輔機接入，30～42 s功率逐漸增加到2.8 MW。

表2 風光儲系統(tǒng)配置Tab.2 Configuration of wind-PV-storage system

表3 火電廠輔機配置Tab.3 Auxiliary equipment configuration of thermal power plant

圖9 風速曲線Fig.9 Curve of wind speed

圖10 光強曲線Fig.10 Curve of light intensity

3.2 黑啟動仿真分析

3.2.1 風機和光伏采用MPPT控制

風機和光伏均采用MPPT控制時，黑啟動仿真結果如圖11所示。

圖11 風機、光伏MPPT控制Fig.11 MPPT control of wind turbine and PV

圖11（a）和（b）為35 kV母線頻率和電壓曲線，可見，在火電廠輔機投入過程中，儲能能夠保持35 kV母線電壓和頻率穩(wěn)定。圖11（c）為各電源有功功率曲線，可見，輔機功率由0.4 MW增長到1.6 MW再增長到2.8 MW過程中，在0～40 s和65～70 s風機光伏出力充足，儲能充電；在40～65 s和70～90 s風機光伏出力不足，儲能放電，儲能充放電轉換3次。圖11（d）為各電源無功功率曲線，可見，無功負荷為0.4 Mvar，由儲能和風機共同承擔。

3.2.2 風機、光伏采用MPPT與負荷跟蹤相結合控制

風機、光伏采用MPPT與負荷跟蹤相結合控制時黑啟動仿真結果如圖12所示。

圖12 MPPT與負荷跟蹤相結合控制Fig.12 Combined control of MPPT and load tracking

圖12（a）、（b）為35 kV母線頻率和電壓曲線，可見，頻率和電壓均能穩(wěn)定在額定值附近。圖12（c）為各電源有功功率曲線，可見，在0～40 s和65～70 s期間，風光出力充足，風光機組減載跟蹤負荷功率，儲能充放電功率為0；在40～65 s和70～90 s期間，風光出力不足，風光機組運行在MPPT模式，儲能放電為負荷供電，黑啟動過程中儲能充放電功率和轉換次數(shù)大大降低。圖12（d）為各電源無功功率曲線，可見，風機承擔的無功功率約為0.2 Mvar，儲能承擔剩余無功功率。

圖13為采用不同控制策略時雙饋風機的轉速曲線。由圖可見，在0～40 s和65～70 s期間，風光出力大于負荷功率，對風機進行超速減載控制，風機轉速上升。僅采用風機減載時，在2.5 s和70 s時風機轉速均超過其保護控制上限值1.3 p.u.；風機光伏均減載時，風機轉速未超過1.3 p.u.上限值，因此風機光伏均減載時，能降低風機減載量，減少轉速越限情況出現(xiàn)。

圖13 雙饋風機轉速Fig.13 Speed of double-fed wind turbine

圖14為光伏偏離電壓，ΔU=0為MPPT狀態(tài)，ΔU≠0為負荷跟蹤狀態(tài)。在不同的光強環(huán)境下，偏離電壓實時計算，一直隨光強變化而變化，保證光伏減載10%。而對于僅風機減載的控制，光伏始終處在最佳工作電壓下，故ΔU=0。

圖14 偏離電壓Fig.14 Deviation voltage

4 結語

本文在風光儲新能源電站對臨近火電廠黑啟動過程中提出了一種風光發(fā)電MPPT與負荷跟蹤相結合的協(xié)調(diào)控制策略。仿真結果表明，當風光出力大于輔機功率時，風機、光伏減載跟蹤輔機功率能有效降低儲能的充放電功率和轉換次數(shù)；當風光出力小于輔機功率時，風機、光伏MPPT控制與儲能共同放電能維持系統(tǒng)穩(wěn)定。該策略通過對光伏進行定量減載10%，可減少因風機減載過多造成的轉速超限問題。