多儲能電站黑啟動(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，特別是對于局部電網(wǎng)薄弱的地區(qū)，比如I 類負(fù)荷，突然停電會給企業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會造成很大損失。為滿足該電網(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)及控制策略優(yōu)化設(shè)計(jì)。在水力資源優(yōu)越地區(qū)，水力發(fā)電優(yōu)勢明顯，廠用電量不大，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)性和多儲能系統(tǒng)，針對該電站多儲能聯(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“多儲能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)”（是指由2 個(gè)及以上同類型或者不同類型儲能系統(tǒng)并聯(lián)向電網(wǎng)供電運(yùn)行）為研究對象，提出并設(shè)計(jì)了以多儲能和黑啟動(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對系統(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)儲能方案選擇

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

該方案啟動(dòng)發(fā)電場充放電的電力線路距離遠(yuǎn)、線路損耗又大，黑啟動(dòng)現(xiàn)場操作時(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：多儲能發(fā)電系統(tǒng)匯集母線處配置中型儲能電站。

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)母線處建立1 個(gè)或多個(gè)中小型儲能電站，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，快速建立各電站廠用電母電壓、頻率等測控?cái)?shù)據(jù)。該配置方案不僅可以簡化儲能系統(tǒng)電站機(jī)組啟動(dòng)的過程，而且還可以發(fā)揮多個(gè)儲能系統(tǒng)在整個(gè)黑啟動(dòng)過程中的聯(lián)合規(guī)模效益[3]。

2 多儲聯(lián)合系統(tǒng)黑啟動(dòng)過程

利用多儲聯(lián)合系統(tǒng)作為機(jī)組的黑啟動(dòng)電源時(shí)，應(yīng)滿足機(jī)組啟動(dòng)負(fù)荷特性要求，具體為：①儲能系統(tǒng)的放電容量及電量需滿足電站啟動(dòng)過程電量的要求，并在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留一定的裕度；②儲能系統(tǒng)的放電容量還需滿足最大一臺電動(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)過程一般為：第一，啟動(dòng)電源電站的確定，即多儲聯(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)的多儲能電站；第二，電站儲能系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行，建立起穩(wěn)定的廠用電母線電壓、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，儲能電站同期并網(wǎng)廠用電母線輔助發(fā)電，其為主力電源供給其主變壓器、輸電線路、廠用變至燃機(jī)電廠的廠用電母線充電，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)過程按常規(guī)一般分為：黑啟動(dòng)開始階段、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)的供電形成過程。

系統(tǒng)構(gòu)架重構(gòu)階段：采用各個(gè)儲能單元供電，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)行的過程[1]。

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

儲能是新能源發(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，目前在重燃電廠中，單純依靠輔助調(diào)頻或黑啟動(dòng)情況較多。為更好地對新技術(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)合的多儲能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)新技術(shù)。

1）儲能系統(tǒng)選型

儲能技術(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)儲能、熱儲能、機(jī)械儲能、電磁儲能等。目前產(chǎn)品市場規(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)儲能，其是未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。設(shè)計(jì)儲能系統(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)本身對儲能技術(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)的儲能電池[6]。

2）容量配置

輔助AGC 調(diào)頻儲能系統(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)必需廠用電功率，及黑啟動(dòng)過程消耗的電量進(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)的儲能系統(tǒng)均接入廠用電母線，具體接入高壓廠用電，還是低壓廠用電，需根據(jù)電站本身系統(tǒng)實(shí)際情況需求考慮接入。

接入的儲能系統(tǒng)可以為：電池、柴油發(fā)電機(jī)或壓縮空氣儲能等，需根據(jù)地區(qū)電站情況確定。盡管儲能發(fā)電聯(lián)合系統(tǒng)形式是多樣的，僅需對多儲能發(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，形成“黑啟動(dòng)+輔助調(diào)頻”多儲能聯(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”多儲能聯(lián)合系統(tǒng)一次接線圖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。

對于重型燃機(jī)電站，需要配置大容量的多儲能系統(tǒng)，一般由多個(gè)儲能單元并聯(lián)組成，每個(gè)儲能單元分別配置電池艙、儲能變流器艙、接入?yún)R流艙等設(shè)備。儲能系統(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、人機(jī)交互及計(jì)劃曲線等秒級的穩(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)完成廠用電的軟啟動(dòng)，建立并穩(wěn)定廠用電的頻率和電壓。

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，即是指通過對現(xiàn)場設(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PMS 及PCS 的穩(wěn)態(tài)慢速通訊，實(shí)現(xiàn)對系統(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)測功能。控制系統(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，是通過直接調(diào)節(jié)各PCS 的頻率、電壓或通過頻率、電壓差，計(jì)算新的有功、無功工作點(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)，通過一方發(fā)指令，多方接收指令和無需回傳確認(rèn)的高優(yōu)先級通訊技術(shù)方式，可實(shí)現(xiàn)對群體眾多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；多儲能聯(lián)合系統(tǒng)還可采用變分模態(tài)分解技術(shù)獲得儲能系統(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 模塊對輸入數(shù)據(jù)負(fù)荷值進(jìn)行判別分類，由計(jì)算得出的差值經(jīng)PID 模塊輸入儲能控制系統(tǒng)并對其進(jìn)行自動(dòng)控制。具體控制流程見圖3

圖3 多儲能系統(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 是用來反映電荷剩余容量大小的物理量，使用儲能發(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。為防止多儲能系統(tǒng)發(fā)生過充或過放情況，需要對儲能部分系統(tǒng)發(fā)出和吸收的功率根據(jù)多儲能系統(tǒng)SOC 進(jìn)行分配處理；可采用梯度充放電法對出力進(jìn)行控制，可采用雙重模糊化控制器通過初始功率信號二次修正，以實(shí)現(xiàn)對SOC模糊化控制策略的目的。

通過以上對大容量多儲能聯(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)，即可將老電站升級改造為新站，為多儲聯(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)過程及需要應(yīng)對的問題，提出了多儲能聯(lián)合系統(tǒng)接入方案及滿足快速通訊的“三層兩網(wǎng)”架構(gòu)的控制方案。

研究了多儲能聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)壓、調(diào)頻、調(diào)峰穩(wěn)定控制方法，通過虛擬阻抗及補(bǔ)償技術(shù)策略，既可以實(shí)現(xiàn)約22MW多儲能并聯(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，形成“黑啟動(dòng)+輔助調(diào)頻”多儲能聯(lián)合系統(tǒng)整體解決方案，充分發(fā)揮了多儲能聯(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。