風(fēng)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(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090）

由于國民經(jīng)濟(jì)增長迅速，電力系統(tǒng)規(guī)模日趨龐大，使得網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和動態(tài)性能變得復(fù)雜[1-3]。受外部高風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害和內(nèi)部技術(shù)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(gòu)成、運(yùn)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(fù)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(shí)，首先要從啟動速度、啟動功率、自啟動能力幾個(gè)方面篩選黑啟動電源，一般選擇水電機(jī)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?，F(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(fēng)光裝機(jī)規(guī)模分別達(dá)7億kW和6.5億kW。隨著儲能和風(fēng)光等新能源控制技術(shù)的成熟，新能源可以作為黑啟動電源為火電機(jī)組黑啟動供電[10-12]。

黑啟動是一個(gè)快速供電恢復(fù)的過程，對黑啟動電源控制靈活性有較高的要求。在風(fēng)電機(jī)組有功調(diào)頻方面，有學(xué)者提出通過控制風(fēng)機(jī)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(xué)者提出了通過多臺風(fēng)電機(jī)組之間、風(fēng)電機(jī)組與無功補(bǔ)償設(shè)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(fēng)電等新能源作為黑啟動電源提供了理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[17]對利用儲能型風(fēng)電場作為黑啟動電源進(jìn)行了研究，論證其可行性；文獻(xiàn)[18-19]提出了利用柴油發(fā)電機(jī)輔助風(fēng)電場實(shí)現(xiàn)黑啟動的方法，并對黑啟動時(shí)風(fēng)機(jī)的調(diào)頻控制策略進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[20]就微電網(wǎng)黑啟動中的頻率問題提出了利用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行控制，并驗(yàn)證了其有效性；文獻(xiàn)[21]從黑啟動儲能配置容量出發(fā)，提出了風(fēng)儲黑啟動時(shí)電池儲能系統(tǒng)的配置方法；文獻(xiàn)[22]提出了光儲黑啟動中采用負(fù)荷跟蹤與最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（maxmium power point tracking）相結(jié)合的方法來減少儲能配置容量。上述文獻(xiàn)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(fēng)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(qiáng)環(huán)境下光伏減載量與電壓偏離值之間的關(guān)系，提出了風(fēng)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(jī)組黑啟動過程中，當(dāng)風(fēng)光出力小于火電機(jī)組輔機(jī)功率時(shí)，風(fēng)光機(jī)組采用最大功率跟蹤，儲能負(fù)責(zé)系統(tǒng)功率平衡；當(dāng)風(fēng)光出力超過火電機(jī)組輔機(jī)功率時(shí)，對風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行減載，通過計(jì)算光伏與負(fù)荷功率差額確定風(fēng)機(jī)的有功功率減載量，達(dá)到負(fù)荷跟蹤的效果，降低儲能平衡系統(tǒng)功率的負(fù)擔(dān)。最后在DIg?SILENT/PowerFactory仿真軟件中搭建了風(fēng)光儲新能源電站對臨近火電廠黑啟動的仿真模型，驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

1 風(fēng)光儲新能源電站參與黑啟動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)光儲新能源電站參與系統(tǒng)黑啟動結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先讓風(fēng)光儲新能源電站恢復(fù)供電，儲能建立35 kV母線電壓和頻率，當(dāng)預(yù)測風(fēng)光出力在未來足夠時(shí)，開關(guān)K1、K2閉合，風(fēng)光機(jī)組開始并網(wǎng)，新能源電站恢復(fù)供電；然后啟動臨近火電廠火電機(jī)組，待新能源出力穩(wěn)定后，通過連接線路啟動火電廠輔機(jī)，恢復(fù)火電機(jī)組發(fā)電能力。啟動臨近火電廠為火電機(jī)組的輔機(jī)供電。

圖1 風(fēng)光儲黑啟動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(fēng)電光伏采用MPPT控制與減載控制結(jié)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(diǎn)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(diǎn)偏離最佳工作電壓都能實(shí)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(shí)現(xiàn)的，例如圖中的A、B兩點(diǎn)，其中A點(diǎn)表示當(dāng)前光強(qiáng)環(huán)境下處于最佳工作點(diǎn)電壓Umpp，達(dá)到最大功率Pmpp；B點(diǎn)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(fēng)機(jī)配合實(shí)現(xiàn)負(fù)荷跟蹤的功能，需要精確計(jì)算出光伏減載量與偏離電壓、光照強(qiáng)度的關(guān)系，實(shí)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(qiáng)度E和溫度T的實(shí)驗(yàn)，得出光伏減載量ΔPpv與電壓偏離值ΔU、光照強(qiáng)度E的關(guān)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(guān)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(qiáng)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(qiáng)度E環(huán)境下計(jì)算出相應(yīng)的電壓偏離值ΔU。光伏減載量為10%時(shí)，ΔU與E的關(guān)系曲線如圖5所示。在光照強(qiáng)度變化時(shí)，減小光伏直流母線電壓，所對應(yīng)的偏離值由圖5確定，實(shí)現(xiàn)光伏減載控制。

圖5 光伏減載10%時(shí)直流母線電壓偏離與光強(qiáng)關(guān)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(fēng)電MPPT控制與減載控制

風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能為

式中：ρ為空氣密度；Aw為風(fēng)力機(jī)葉片掃略面積；Cp為風(fēng)能轉(zhuǎn)換利用系數(shù)，與葉尖速比λ(λ=ωr/vw)和槳距角β有關(guān)；vw為風(fēng)速；ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

風(fēng)能轉(zhuǎn)化利用系數(shù)Cp和葉尖速比λ關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知，風(fēng)電可通過改變轉(zhuǎn)速與槳距角來實(shí)現(xiàn)減載。由A、C兩點(diǎn)可知，通過偏離最佳葉尖速比可使Cp減小，從而進(jìn)行風(fēng)機(jī)減載；由A、D兩點(diǎn)可知，通過增大槳距角也可使Cp減小，風(fēng)機(jī)減載，但槳距角變化響應(yīng)速度較慢。

圖6 Cp和λ關(guān)系曲線Fig.6 Curve of relationship betweenCpand λ

本文對風(fēng)機(jī)進(jìn)行超速控制來實(shí)現(xiàn)減載，平衡黑啟動中輔機(jī)功率與光伏出力的缺額，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的跟蹤。風(fēng)機(jī)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(jī)功率與光伏出力缺額確定。

圖7 風(fēng)電機(jī)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(fēng)光儲新能源電站啟動臨近火電廠協(xié)調(diào)控制策略

當(dāng)風(fēng)光儲新能源電站啟動臨近火電廠時(shí)，先為火電機(jī)組的輔機(jī)供電。風(fēng)光儲電站系統(tǒng)功率平衡表達(dá)式為

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

黑啟動過程中，由于線路輕載，儲能要承擔(dān)較大的線路充電功率，輔機(jī)啟動過程中儲能容量或功率不足均會導(dǎo)致黑啟動失敗。本文提出的風(fēng)光儲新能源電站協(xié)調(diào)控制策略，當(dāng)風(fēng)光機(jī)組出力小于投入的輔機(jī)功率時(shí)，風(fēng)光機(jī)組都采用MPPT控制策略，盡可能多地出力，與儲能共同為負(fù)荷供電；當(dāng)風(fēng)光機(jī)組出力大于投入的輔機(jī)功率時(shí)，風(fēng)光機(jī)組一起減載，其中光伏減載量為0.1Ppv(t)；風(fēng)機(jī)跟蹤輔機(jī)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(fēng)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(jìn)行黑啟動前，設(shè)t=1，監(jiān)測環(huán)境條件。當(dāng)風(fēng)速vw≥7 m/s、光強(qiáng)E≥300 W/m2、儲能初始荷電狀態(tài)SOC0≥0.8時(shí)，滿足黑啟動條件，開始啟動，投入輔機(jī)。

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

步驟3判斷是否ΔP(t)>0。如ΔP(t)≤0，風(fēng)光機(jī)組都采用MPPT控制策略；如ΔP>0，則進(jìn)入步驟4。

步驟4判斷是否ΔP(t)>0.1Ppv(t)。如是，風(fēng)光機(jī)組一起減載，其中光伏減載量為0.1Ppv(t)，風(fēng)機(jī)采用負(fù)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(fēng)機(jī)采用負(fù)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(fēng)機(jī)、光伏電池、儲能系統(tǒng)等電源和火電機(jī)組輔機(jī)，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(jī)模擬輔機(jī)，功率隨電機(jī)轉(zhuǎn)速增大而逐步增加。風(fēng)速、光強(qiáng)曲線如圖9和圖10所示。仿真時(shí)間為90 s，風(fēng)光電站站內(nèi)有功負(fù)荷0.4 MW，無功負(fù)荷0.4 Mvar。0 s時(shí)第1臺火電廠輔機(jī)接入，在0～12 s功率逐漸增加到1.6 MW；30 s時(shí)第2臺輔機(jī)接入，30～42 s功率逐漸增加到2.8 MW。

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

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

圖9 風(fēng)速曲線Fig.9 Curve of wind speed

圖10 光強(qiáng)曲線Fig.10 Curve of light intensity

3.2 黑啟動仿真分析

3.2.1 風(fēng)機(jī)和光伏采用MPPT控制

風(fēng)機(jī)和光伏均采用MPPT控制時(shí)，黑啟動仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 風(fēng)機(jī)、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(jī)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(jī)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(fēng)機(jī)光伏出力充足，儲能充電；在40～65 s和70～90 s風(fēng)機(jī)光伏出力不足，儲能放電，儲能充放電轉(zhuǎn)換3次。圖11（d）為各電源無功功率曲線，可見，無功負(fù)荷為0.4 Mvar，由儲能和風(fēng)機(jī)共同承擔(dān)。

3.2.2 風(fēng)機(jī)、光伏采用MPPT與負(fù)荷跟蹤相結(jié)合控制

風(fēng)機(jī)、光伏采用MPPT與負(fù)荷跟蹤相結(jié)合控制時(shí)黑啟動仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 MPPT與負(fù)荷跟蹤相結(jié)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(fēng)光出力充足，風(fēng)光機(jī)組減載跟蹤負(fù)荷功率，儲能充放電功率為0；在40～65 s和70～90 s期間，風(fēng)光出力不足，風(fēng)光機(jī)組運(yùn)行在MPPT模式，儲能放電為負(fù)荷供電，黑啟動過程中儲能充放電功率和轉(zhuǎn)換次數(shù)大大降低。圖12（d）為各電源無功功率曲線，可見，風(fēng)機(jī)承擔(dān)的無功功率約為0.2 Mvar，儲能承擔(dān)剩余無功功率。

圖13為采用不同控制策略時(shí)雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線。由圖可見，在0～40 s和65～70 s期間，風(fēng)光出力大于負(fù)荷功率，對風(fēng)機(jī)進(jìn)行超速減載控制，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升。僅采用風(fēng)機(jī)減載時(shí)，在2.5 s和70 s時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速均超過其保護(hù)控制上限值1.3 p.u.；風(fēng)機(jī)光伏均減載時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速未超過1.3 p.u.上限值，因此風(fēng)機(jī)光伏均減載時(shí)，能降低風(fēng)機(jī)減載量，減少轉(zhuǎn)速越限情況出現(xiàn)。

圖13 雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)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(fù)荷跟蹤狀態(tài)。在不同的光強(qiáng)環(huán)境下，偏離電壓實(shí)時(shí)計(jì)算，一直隨光強(qiáng)變化而變化，保證光伏減載10%。而對于僅風(fēng)機(jī)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(jié)語

本文在風(fēng)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(fēng)光發(fā)電MPPT與負(fù)荷跟蹤相結(jié)合的協(xié)調(diào)控制策略。仿真結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)光出力大于輔機(jī)功率時(shí)，風(fēng)機(jī)、光伏減載跟蹤輔機(jī)功率能有效降低儲能的充放電功率和轉(zhuǎn)換次數(shù)；當(dāng)風(fēng)光出力小于輔機(jī)功率時(shí)，風(fēng)機(jī)、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(jìn)行定量減載10%，可減少因風(fēng)機(jī)減載過多造成的轉(zhuǎn)速超限問題。