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

杜平 萬玉良 吳堅 項頌

（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）

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

杜平 萬玉良 吳堅 項頌

（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）

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

儲能型風(fēng)電場；黑啟動電源；出力可信度

1 研究背景

黑啟動服務(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)黑啟動電源的投資成本、維護成本和黑啟動期間的運行費用為其提供補償［1］。在外部電網(wǎng)停電情況下，風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機組不具備自啟動的能力，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。因此，如果能夠利用電池儲能系統(tǒng)為風(fēng)電機組的必要設(shè)備供電，輔助風(fēng)電機組啟動，并與啟動后的風(fēng)電機組一起帶動電網(wǎng)內(nèi)其他發(fā)電廠啟動。利用將儲能型風(fēng)電場作為電網(wǎng)的黑啟動電源，不僅能提高風(fēng)電廠商的收益，同時能夠解決內(nèi)蒙古、西北等地區(qū)電網(wǎng)內(nèi)黑啟動電源容量不足的問題，提高其黑啟動能力。

本文提出利用儲能型風(fēng)電場作為電網(wǎng)黑啟動電源的技術(shù)方案，并對涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題進行分析。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)電與儲能技術(shù)對傳統(tǒng)黑啟動理論的突破，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。

2 儲能型風(fēng)電場的構(gòu)成

儲能型雙饋風(fēng)電場主要由雙饋風(fēng)電機組、電池儲能系統(tǒng)和無功補償設(shè)備等構(gòu)成。雙饋風(fēng)電機組（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）是目前國內(nèi)外風(fēng)電市場上的主流機型，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、靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）等裝置作為其無功補償設(shè)備。

本文以某實際儲能型風(fēng)電場的一期工程為例，對儲能型風(fēng)電場的基本結(jié)構(gòu)進行介紹。該風(fēng)電場主要由33臺額定功率為1.5MW的雙饋風(fēng)電機組、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)電機組進線支路，支路上每臺風(fēng)電機組均與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)分別配置了負荷開關(guān)和斷路器，可以用于箱式變壓器和風(fēng)電機組的投切控制；支路F-H為電池儲能系統(tǒng)進線支路，支路上電池儲能系統(tǒng)通過0.38/35kV變壓器連接至母線；支路J為無功補償進線支路，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 某實際儲能型風(fēng)電場的基本結(jié)構(gòu)圖

3 儲能型風(fēng)電場作為黑啟動電源的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 儲能型風(fēng)電場作為黑啟動電源的技術(shù)方案

本文參照水力發(fā)電廠黑啟動時的流程，以圖1所示儲能型風(fēng)電場為例，提出了儲能型風(fēng)電場作為電網(wǎng)黑啟動電源的技術(shù)方案：①確保35kV母線上所有進線支路和出線支路上的斷路器處于斷開狀態(tài)；②閉合電池儲能系統(tǒng)進線支路F-H上的斷路器，啟動電池儲能系統(tǒng)，為35kV母線充電；③依次閉合支路E、J及待啟動風(fēng)電機組進線支路上的斷路器，為各支路上的變壓器充電，并進一步為風(fēng)電場啟動所必需的設(shè)備供電；④空載啟動選定的風(fēng)電機組，并與電池儲能系統(tǒng)、無功補償設(shè)備組成孤島系統(tǒng)運行；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)黑啟動預(yù)案，依次對黑啟動路徑上的輸電線路、變壓器進行空載充電，并進一步為被啟動發(fā)電機組的輔機供電，以帶動被啟動發(fā)電機組啟動，或直接為地區(qū)內(nèi)重要負荷供電。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)問題分析

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

3.2.2 儲能型風(fēng)電場的自啟動控制技術(shù)研究。儲能型風(fēng)電場的自啟動是儲能型風(fēng)電場能作為電網(wǎng)黑啟動電源的前提。儲能型風(fēng)電場自啟動的關(guān)鍵是如何通過電池儲能系統(tǒng)帶動不具有自啟動能力的風(fēng)電機組、無功補償設(shè)備等啟動。儲能型風(fēng)電場實現(xiàn)自啟動需要解決的問題主要有：研究電池儲能系統(tǒng)啟動的優(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，減小風(fēng)電場內(nèi)集電線路、變壓器充電時產(chǎn)生的勵磁涌流；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所產(chǎn)生的和應(yīng)涌流；研究風(fēng)電機組的空載啟動技術(shù)，以提高其啟動成功的概率并減小對電池儲能系統(tǒng)的沖擊。

3.2.3 儲能型風(fēng)電場孤島空載運行控制技術(shù)研究。孤島空載運行是儲能型風(fēng)電場作為電網(wǎng)黑啟動電源的必要階段。在該階段，儲能型風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組、無功補償設(shè)備等順利啟動，與電池儲能系統(tǒng)組成孤島系統(tǒng)，并進一步完成對黑啟動路徑上輸電線路和變壓器等的充電。儲能型風(fēng)電場實現(xiàn)孤島空載運行需要解決的問題主要有：研究風(fēng)電機組與電池儲能系統(tǒng)之間有功功率的協(xié)調(diào)控制技術(shù)，以使儲能型風(fēng)電場孤島空載運行時的頻率保持穩(wěn)定，并優(yōu)化電池儲能系統(tǒng)的利用。

3.2.4 儲能型風(fēng)電場帶載運行控制技術(shù)研究。帶載穩(wěn)定運行是儲能型風(fēng)電場能作為電網(wǎng)黑啟動電源的關(guān)鍵階段。在該階段，儲能型風(fēng)電場需要啟動被啟動發(fā)電機組的輔機，持續(xù)為其供電，直至被啟動發(fā)電機組并網(wǎng)發(fā)電，并進一步與被啟動發(fā)電機組組成小型獨立系統(tǒng)穩(wěn)定運行，或直接恢復(fù)地區(qū)內(nèi)重要負荷的供電。儲能型風(fēng)電場實現(xiàn)帶載穩(wěn)定運行需要解決的問題主要有：研究儲能型風(fēng)電場的負荷快速追蹤技術(shù)，以使其能在被啟動發(fā)電機組的輔機投入瞬間，維持儲能型風(fēng)電場孤島系統(tǒng)頻率和電壓的穩(wěn)定；研究儲能型風(fēng)電場的附加阻尼控制技術(shù)，以提高儲能型風(fēng)電場與被啟動發(fā)電機組組成的小型獨立系統(tǒng)的慣性，使其能保持穩(wěn)定運行，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)計了儲能型風(fēng)電場的黑啟動方案，并對其黑啟動過程中所需研究解決的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析。本文只是對儲能型風(fēng)電場作為局域電網(wǎng)黑啟動電源進行了初步分析，未來將針對具體被控對象，對文中所提關(guān)鍵技術(shù)展開實質(zhì)性研究，并通過仿真、實驗等手段進行驗證。

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

［2］ 北極星電力網(wǎng).2013年中國風(fēng)電裝機容量統(tǒng)計［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。