多儲(chǔ)能電站黑啟動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)架關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

萬(wàn)更新

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240）

0 引言

區(qū)域電網(wǎng)發(fā)配電電力系統(tǒng)儲(chǔ)能電站的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制是本文研究的方向，特別是對(duì)于局部電網(wǎng)薄弱的地區(qū)，比如I 類(lèi)負(fù)荷，突然停電會(huì)給企業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)造成很大損失。為滿(mǎn)足該電網(wǎng)要求，需采取必要技術(shù)措施快速恢復(fù)電網(wǎng)供電運(yùn)行。黑啟動(dòng)技術(shù)是電力系統(tǒng)快速恢復(fù)電網(wǎng)供電運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)之一，而黑啟動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)是黑啟動(dòng)電源接入系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)及控制策略?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)。在水力資源優(yōu)越地區(qū)，水力發(fā)電優(yōu)勢(shì)明顯，廠(chǎng)用電量不大，可快速啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組。

風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)微電網(wǎng)電站，其風(fēng)光發(fā)電的技術(shù)特性是波動(dòng)性和多儲(chǔ)能系統(tǒng)，針對(duì)該電站多儲(chǔ)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)黑啟動(dòng)電源，需考慮研究新技術(shù)應(yīng)用，將黑啟動(dòng)電源的啟動(dòng)接入設(shè)計(jì)及控制策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)停電后可快速恢復(fù)電網(wǎng)供電，并確保電網(wǎng)供電穩(wěn)定運(yùn)行。本研究以“多儲(chǔ)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)”（是指由2 個(gè)及以上同類(lèi)型或者不同類(lèi)型儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)向電網(wǎng)供電運(yùn)行）為研究對(duì)象，提出并設(shè)計(jì)了以多儲(chǔ)能和黑啟動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)穩(wěn)定電網(wǎng)供電運(yùn)行，并從黑啟動(dòng)能力和出力等方面通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行分析，提出切實(shí)可行的運(yùn)行控制策略，而后采取相應(yīng)的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全可靠、高效地運(yùn)行，該優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)均可應(yīng)用于多儲(chǔ)能風(fēng)、光發(fā)電聯(lián)合系統(tǒng)或大型燃機(jī)機(jī)組。

1 系統(tǒng)儲(chǔ)能方案選擇

方案1：多儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)配置大型儲(chǔ)能電站。

該方案啟動(dòng)發(fā)電場(chǎng)充放電的電力線(xiàn)路距離遠(yuǎn)、線(xiàn)路損耗又大，黑啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)需按部就班進(jìn)行帶電倒閘等控制操作，需多個(gè)部分協(xié)調(diào)操作執(zhí)行，效率較低。

方案2：多儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)匯集母線(xiàn)處配置中型儲(chǔ)能電站。

將風(fēng)光發(fā)電電站集群劃分為若干部分，在電站群并網(wǎng)母線(xiàn)處建立1 個(gè)或多個(gè)中小型儲(chǔ)能電站，既可以在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)峰、調(diào)頻等多方面功能，又可以在事故斷電后，快速建立各電站廠(chǎng)用電母電壓、頻率等測(cè)控?cái)?shù)據(jù)。該配置方案不僅可以簡(jiǎn)化儲(chǔ)能系統(tǒng)電站機(jī)組啟動(dòng)的過(guò)程，而且還可以發(fā)揮多個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)在整個(gè)黑啟動(dòng)過(guò)程中的聯(lián)合規(guī)模效益[3]。

2 多儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)黑啟動(dòng)過(guò)程

利用多儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)作為機(jī)組的黑啟動(dòng)電源時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)組啟動(dòng)負(fù)荷特性要求，具體為：①儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電容量及電量需滿(mǎn)足電站啟動(dòng)過(guò)程電量的要求，并在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留一定的裕度；②儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電容量還需滿(mǎn)足最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)的容量要求。

區(qū)域電網(wǎng)電站事故停電后的恢復(fù)過(guò)程一般為：第一，啟動(dòng)電源電站的確定，即多儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)是否可以作為黑啟動(dòng)電源以及參與黑啟動(dòng)的多儲(chǔ)能電站；第二，電站儲(chǔ)能系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行，建立起穩(wěn)定的廠(chǎng)用電母線(xiàn)電壓、頻率等電量數(shù)據(jù)，并給電站提供系統(tǒng)供電，發(fā)電機(jī)組利用已建立的電壓、頻率等電量數(shù)據(jù)啟動(dòng)并平穩(wěn)運(yùn)行；第三，儲(chǔ)能電站同期并網(wǎng)廠(chǎng)用電母線(xiàn)輔助發(fā)電，其為主力電源供給其主變壓器、輸電線(xiàn)路、廠(chǎng)用變至燃機(jī)電廠(chǎng)的廠(chǎng)用電母線(xiàn)充電，待燃機(jī)輔機(jī)啟動(dòng)后再啟動(dòng)其他機(jī)組；第四，逐步擴(kuò)大發(fā)電和供電范圍，直至完成區(qū)域電網(wǎng)電站全部供電。

黑啟動(dòng)過(guò)程按常規(guī)一般分為：黑啟動(dòng)開(kāi)始階段、系統(tǒng)構(gòu)架重構(gòu)階段和常用工作運(yùn)行負(fù)荷恢復(fù)這幾個(gè)主要階段。

黑啟動(dòng)開(kāi)始階段：采用電站系統(tǒng)中各個(gè)具備啟動(dòng)容量條件的儲(chǔ)能系統(tǒng)為黑啟動(dòng)電源點(diǎn)，使其向相關(guān)停運(yùn)發(fā)電機(jī)組提供啟動(dòng)電源，使其先行恢復(fù)啟動(dòng)發(fā)電，繼而同期并網(wǎng)發(fā)電向區(qū)域電站供電，即是各個(gè)子系統(tǒng)的供電形成過(guò)程。

系統(tǒng)構(gòu)架重構(gòu)階段：采用各個(gè)儲(chǔ)能單元供電，使其子系統(tǒng)內(nèi)的主發(fā)電機(jī)組、重要電站先于輸電線(xiàn)路逐步恢復(fù)電壓供電，并形成系統(tǒng)主網(wǎng)構(gòu)架供電過(guò)程。

常用工作運(yùn)行負(fù)荷恢復(fù)階段：各個(gè)供電單元子系統(tǒng)內(nèi)的大部分發(fā)電站已經(jīng)啟動(dòng)運(yùn)行，并具備一定的發(fā)電供電能力，是在已經(jīng)建立較為穩(wěn)定的電壓網(wǎng)架以后，區(qū)域電站系統(tǒng)從暫態(tài)層面逐漸恢復(fù)常用運(yùn)行負(fù)荷穩(wěn)定供電運(yùn)行的過(guò)程[1]。

3 大容量多儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型及系統(tǒng)架構(gòu)

儲(chǔ)能是新能源發(fā)電、智能電網(wǎng)、可再生能源并網(wǎng)的重要組成部分和關(guān)鍵支撐技術(shù)。儲(chǔ)能系統(tǒng)既可以并網(wǎng)運(yùn)行，為智能電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、緊急功率支撐等服務(wù)，也可以離網(wǎng)運(yùn)行，提供黑啟動(dòng)電源、應(yīng)急電源等功能。為了充分發(fā)揮多儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值，獲得理想的經(jīng)濟(jì)效益，目前在重燃電廠(chǎng)中，單純依靠輔助調(diào)頻或黑啟動(dòng)情況較多。為更好地對(duì)新技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，下面分析介紹輔助調(diào)頻與黑啟動(dòng)相結(jié)合的多儲(chǔ)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)新技術(shù)。

1）儲(chǔ)能系統(tǒng)選型

儲(chǔ)能技術(shù)方式可以為單一的或多種構(gòu)成，按其電能轉(zhuǎn)換方式的不同，可以分為電化學(xué)儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能等。目前產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模占比最大，布點(diǎn)靈活，不受外界環(huán)境影響的限制，可以直接充放電。電氣設(shè)計(jì)設(shè)備選型常為電化學(xué)儲(chǔ)能，其是未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向。設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)作為電網(wǎng)黑啟動(dòng)的“打火機(jī)”，需具備啟動(dòng)響應(yīng)速度快，設(shè)備布點(diǎn)靈活多樣，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，具有四象限運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合電站黑啟動(dòng)本身對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的要求，選擇目前電網(wǎng)應(yīng)用較成熟的鋰電池設(shè)備較適用，適合作為輔助電站參與黑啟動(dòng)的儲(chǔ)能電池[6]。

2）容量配置

輔助AGC 調(diào)頻儲(chǔ)能系統(tǒng)一般配置原則為：功率按機(jī)組功率3%左右配置，電量約按0.8 h 左右配置。輔助黑啟動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，需要按實(shí)際電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)的黑啟動(dòng)必需廠(chǎng)用電功率，及黑啟動(dòng)過(guò)程消耗的電量進(jìn)行配置，一般功率為機(jī)組功率的6%左右，同時(shí)考慮到燃機(jī)啟動(dòng)過(guò)程約為0.5h 左右。以上是常規(guī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的容量配置，具體容量需根據(jù)系統(tǒng)需要及經(jīng)濟(jì)效益綜合考慮進(jìn)行配置。

3）接入方式

輔助AGC 調(diào)頻及黑啟動(dòng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)均接入廠(chǎng)用電母線(xiàn)，具體接入高壓廠(chǎng)用電，還是低壓廠(chǎng)用電，需根據(jù)電站本身系統(tǒng)實(shí)際情況需求考慮接入。

接入的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以為：電池、柴油發(fā)電機(jī)或壓縮空氣儲(chǔ)能等，需根據(jù)地區(qū)電站情況確定。盡管儲(chǔ)能發(fā)電聯(lián)合系統(tǒng)形式是多樣的，僅需對(duì)多儲(chǔ)能發(fā)電聯(lián)合系統(tǒng)將黑啟動(dòng)和輔助調(diào)頻功能技術(shù)進(jìn)行可靠有機(jī)結(jié)合起來(lái)，形成“黑啟動(dòng)+輔助調(diào)頻”多儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)整體解決方案[2]。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 “黑啟動(dòng)+輔助調(diào)頻”多儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)一次接線(xiàn)圖Fig.1 Primary wiring diagram of "black start+auxiliary frequency modulation" multi-energy storage combined system

4）控制要求

輔助AGC 調(diào)頻及黑啟動(dòng)的多儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)均需要高性能的新技術(shù)控制系統(tǒng)，保證暫態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)的快速性和可靠性。

對(duì)于重型燃機(jī)電站，需要配置大容量的多儲(chǔ)能系統(tǒng)，一般由多個(gè)儲(chǔ)能單元并聯(lián)組成，每個(gè)儲(chǔ)能單元分別配置電池艙、儲(chǔ)能變流器艙、接入?yún)R流艙等設(shè)備。儲(chǔ)能系統(tǒng)采用“三層兩網(wǎng)”式控制架構(gòu)，三層由上到下分別為：能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS）、功率協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（power management system，PMS）、儲(chǔ)能變流系統(tǒng)（PCS），兩網(wǎng)均基于IEC61850 分別為：常規(guī)監(jiān)控網(wǎng)、快速控制網(wǎng)；配置電氣測(cè)控設(shè)備一般為：AGC 柜、PMU 柜、EMS 柜、DCS 機(jī)柜及遠(yuǎn)動(dòng)柜等[7]。

三層配置中：EMS 處理數(shù)據(jù)監(jiān)控、存儲(chǔ)、人機(jī)交互及計(jì)劃曲線(xiàn)等秒級(jí)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)；PMS 處理調(diào)頻調(diào)壓、緊急功率支撐、并離網(wǎng)模式切換等毫秒級(jí)的暫態(tài)控制；PCS 負(fù)責(zé)功率變換，執(zhí)行PMS 指令，黑啟動(dòng)時(shí)完成廠(chǎng)用電的軟啟動(dòng)，建立并穩(wěn)定廠(chǎng)用電的頻率和電壓。

兩網(wǎng)配置中：常規(guī)監(jiān)控網(wǎng)采用制造報(bào)文規(guī)范（manufacturing message specification，MMS）協(xié)議，即是指通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行面向?qū)ο蠼７绞剑瑢?shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架環(huán)境下不同通信設(shè)備之間的上下交換操作，一般用于EMS 對(duì)PMS 及PCS 的穩(wěn)態(tài)慢速通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備信息交換及監(jiān)控功能；快速控制網(wǎng)采用面向電站事件進(jìn)行通信，該標(biāo)準(zhǔn)用于電站自動(dòng)化系統(tǒng)快速報(bào)文需求機(jī)制，主要用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)智能柜、AGC 柜、DCS 機(jī)柜等設(shè)備之間的快速信息傳遞，具有延時(shí)小、傳輸成功率高的特點(diǎn)，用于PMS 對(duì)PCS 的暫態(tài)快速通訊，實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)的保護(hù)及監(jiān)測(cè)功能?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示。

圖2 “黑啟動(dòng)+輔助調(diào)頻”方式的“三層兩網(wǎng)”多儲(chǔ)能控制系統(tǒng)Fig.2 "Three layers and two networks" multi-energy storage control system with "black start+auxiliary frequency modulation" mode

以上系統(tǒng)，黑啟動(dòng)采用下垂變流技術(shù)或VSG 控制策略模式時(shí)，對(duì)外呈現(xiàn)電壓源型外特性，具備自主調(diào)頻、自主調(diào)壓、慣性、阻尼等優(yōu)良特質(zhì)[4]。而傳統(tǒng)控制技術(shù)調(diào)節(jié)方案，是通過(guò)直接調(diào)節(jié)各PCS 的頻率、電壓或通過(guò)頻率、電壓差，計(jì)算新的有功、無(wú)功工作點(diǎn)的方式，容易造成系統(tǒng)振蕩或調(diào)節(jié)響應(yīng)慢。

現(xiàn)采用通信新技術(shù)方式，通過(guò)上層PMS 將各PCS 運(yùn)行的平均功率疊加閉環(huán)調(diào)節(jié)量并進(jìn)行再分配后反饋回PCS；PMS 與PCS 間采用GOOSE 通訊技術(shù)，通過(guò)一方發(fā)指令，多方接收指令和無(wú)需回傳確認(rèn)的高優(yōu)先級(jí)通訊技術(shù)方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)群體眾多PCS 單元進(jìn)行快速控制，通訊網(wǎng)絡(luò)延遲小于2ms，可實(shí)現(xiàn)確保所有并聯(lián)PCS 調(diào)節(jié)的同步性；多儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)還可采用變分模態(tài)分解技術(shù)獲得儲(chǔ)能系統(tǒng)初始功率數(shù)據(jù)分配，平抑發(fā)電功率的波動(dòng)。

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)峰控制策略

調(diào)峰控制策略采用switch 模塊對(duì)輸入數(shù)據(jù)負(fù)荷值進(jìn)行判別分類(lèi)，由計(jì)算得出的差值經(jīng)PID 模塊輸入儲(chǔ)能控制系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)控制。具體控制流程見(jiàn)圖3

圖3 多儲(chǔ)能系統(tǒng)PID控制策略Fig.3 PID control strategy of multi-energy storage system

另外，電池荷電狀態(tài)SOC 是用來(lái)反映電荷剩余容量大小的物理量，使用儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮電池剩余容量占電池容量的比例，低于40%為不正常充放電剩余容量，需控制其放電效率在40%～90%之間為正常充放電剩余容量。為防止多儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生過(guò)充或過(guò)放情況，需要對(duì)儲(chǔ)能部分系統(tǒng)發(fā)出和吸收的功率根據(jù)多儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC 進(jìn)行分配處理；可采用梯度充放電法對(duì)出力進(jìn)行控制，可采用雙重模糊化控制器通過(guò)初始功率信號(hào)二次修正，以實(shí)現(xiàn)對(duì)SOC模糊化控制策略的目的。

通過(guò)以上對(duì)大容量多儲(chǔ)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型配置及系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù)介紹，不難得出以下結(jié)論：

1）該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用可使新老電站技術(shù)改造變得很容易，不影響原有DCS 控制，不影響原有繼電保護(hù)裝置的整定，僅增加與原DCS 控制之間的聯(lián)鎖即可[5]。

2）結(jié)合儲(chǔ)能電站系統(tǒng)實(shí)際情況，依據(jù)黑啟動(dòng)接入技術(shù)規(guī)范，配置合適的多儲(chǔ)能發(fā)電聯(lián)合系統(tǒng)，選擇設(shè)備電氣安裝位置及相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制策略系統(tǒng)，即可將老電站升級(jí)改造為新站，為多儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)黑啟動(dòng)提供了設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。

5 結(jié)論

“輔助調(diào)頻+黑啟動(dòng)”多儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)采用本文設(shè)計(jì)中圖1 的系統(tǒng)一次拓?fù)浜蛨D2 的多儲(chǔ)能二次控制系統(tǒng)架構(gòu)，采用VSG 控制策略變流新技術(shù)，分析了燃機(jī)黑啟動(dòng)過(guò)程及需要應(yīng)對(duì)的問(wèn)題，提出了多儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)接入方案及滿(mǎn)足快速通訊的“三層兩網(wǎng)”架構(gòu)的控制方案。

研究了多儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)壓、調(diào)頻、調(diào)峰穩(wěn)定控制方法，通過(guò)虛擬阻抗及補(bǔ)償技術(shù)策略，既可以實(shí)現(xiàn)約22MW多儲(chǔ)能并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行，又能補(bǔ)償虛擬阻抗電壓偏差。

提出了一種快速同步反饋的多儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)黑啟動(dòng)調(diào)頻調(diào)壓控制新技術(shù)，保證通訊收/發(fā)指令的快速性和同步性，方案可靠，避免出現(xiàn)間歇性功率突升突降或電壓跌落等系統(tǒng)振蕩，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定。

實(shí)現(xiàn)了多儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)的黑啟動(dòng)新技術(shù)應(yīng)用。該系統(tǒng)將黑啟動(dòng)和輔助調(diào)頻功能可靠有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，形成“黑啟動(dòng)+輔助調(diào)頻”多儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)整體解決方案，充分發(fā)揮了多儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)在傳統(tǒng)發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，為多儲(chǔ)能黑啟動(dòng)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域提供了新技術(shù)的應(yīng)用與擴(kuò)展，為今后基于儲(chǔ)能系統(tǒng)或大型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組黑啟動(dòng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)應(yīng)用研究提供新思路。