范文一:孤立微电网的黑启动策略
孤立微电网的黑启动策略
孟 强牟龙华许旭锋朱国锋 ,,,
同济大学电气工程系上海:,201804: 摘要利用多代理系统提出了一种针对全黑的孤立微电网的黑启动策略参考电源及其他具有黑启 : :Agent:,。
以电压控制模式启动再根据参考微电源的电压进行 :MGCC:Agent ,动能力的微电源首先由微电网中心控制
接着具有黑启动能力的微电源切换至 控制模式其输出功率和电流被功率锁存功能 。 ,PQ ,预同步后进行并联
最后无黑启动能力的微电源被 以 控制模式启动在与参考电源进行 。 ,MGCC Agent PQ ,锁定以避免切换振荡
通过协调微电源的输出功率使微电网可以高效稳定地运行微电网稳定运 。 MGCC Agent ,、。 同步后并入微电网
由主网微电网控制恢复微电网与大电网的连接利用建立微电网仿 ,-:GMGC:Agent 。 MATLAB , Simulink 行后
仿真结果验证了所提策略是高效可行的,、。 真模型
关键词微电网光伏电池储能黑启动策略模式切换功率锁存预同步: ; ; ; ; ; ; ; 中图分类号文献标识码: TM 76 : A DOI: 10.3969 , j.issn.1006-6047.2014.03.010
,7,的重新启动传统大电网在发生系统瘫痪全黑时。 , 引言0
由于大电网系统复杂在黑启动过程中的发电机自励 ,随着世界经济的迅速发展对能源的需求急剧 ,空载线路充电过电压和恢复初期小系统并列运 、 磁微电网作为可再生能源利用方式之一受到了广 ,增加行稳定性等问题多采用 个黑启动电源启动 台被 ,1 1 ,1-2,微电网既可与大电网联网运行又可以 。 ,泛关注,8,因此传统大电网黑 。 ,启动机组的简单黑启动方案在满足本地用户对电能质量和供电安 ,孤岛方式运行引入 ,启动的研究多着重于黑启动策略的评估方法可减少大量分布式电源渗入对电力系 ,全要求的同时提高黑启动方案 ,新的方法开发黑启动决策支持系统,3-4,具有较高的灵活性和可调度性。, 统的影响,9-10, 但是微电网系统相对较小结构 。 ,,的适应性等微电网的双向潮流特性使得微电网保护的选择 再加上微电源的多样性和多元性使得微电网 ,,简单微电网的并网和独立运行则面临着差异 ,性较难做到黑启动方案的制定等方 、的黑启动在黑启动源的选择因此传统配网保护策略不适用 ,较大的短路故障电流随着分布式电源的接入对传统 。 面有着很大的区别,5,同时微电网如何根据运行控制需 ;,于微电网保护电网黑启动的研究也逐步涉及到有 ,电网结构的改变也给微电网 ,要平滑地进行联网和孤岛运行模式切换利用分布式电源的 ,分布式电源的电网的黑启动研究,6,所以当微电网或者 。 ,的连续稳定运行带来挑战,11-12, 对大电网黑启动提供相应的支持但 ,。 优良特性保护元件未能正确动作或 ,,大电网一方发生故障时对单独的微电网的黑启动研究还很少所以本文 ,,是将会导致整个微电网的 ,者微电网运行模式切换失败研究微电网黑启动策略及黑启动 ,从单个微电网出发倘若此时微电网能及时地进行黑启动再次 。 ,瘫痪。 过程中的问题将会大幅提升微电网供电可靠性,, 恢复负荷供电时本文首先分析了微电源的黑启动能力参考源的 、减少停电带来的经济损失。 提出一 ,选取及黑启动过程中微电源控制方式的问题微电网黑启动就是指在整个微电网因外部或 , 层多代理 系统的微电网黑启动策 3 :Agent: 种基于内部故障停运进入全黑状态后不依靠大电网或其他 ,略然后就黑启动过程中的并联波动问题给出通 ;,,仅通过启动微电网内部具有黑启动能 ,微电网的帮助 过预同步和基于功率锁定的模式切换方法进行优进而带动微电网内无黑启动能力的微电 ,力的微电源化最后参照本课题组已投运的微电网实验平台;,, 逐步扩大系统的恢复范围最终实现整个微电网,, 源在 平台搭建由光伏柴油发电机 MATLAB , Simulink 、 种微电源组成的低压微电网通过 个黑 3 ,3 和蓄电池收稿日期修回日期:2013 , 07 ,01;: 2014 , 02 - 14 验证所提出的黑启动策略及优 ,启动仿真实验的对比基 金 项 目 国家自然科学基金资助 项 目 上 海 市 : :51207110:; 资 助 项 目 上海市教育委员 :12ZR1451300:; 科学技术委员会。 化方案的有效性和可行性会科研创新项目:11CXY12:
Project supported by the National Natural Science Foundation 微电网及多代理系统组网结构1 of China :51207110:,the Project of Science & Technology Commission of Shanghai:12ZR1451300: and the Project of 根据欧盟微电网项目提出的典型低压微电网系 Shanghai Municipal Education Commission:11CXY12:
,13,统并结合本课题组的光 柴 单元的运行状态并实时与下层控制器通信联系下 (Benchmark 0.4 kV),, , ,,储微电网实验平台设计了 低压微电网如图 。 ,0.4 kV ,发相应指令控制微电网各单元的运行所示微电网和主网通过公共连接点连接1 :(PCC), 微电源控制 层 c. μGC(micro-Generator Control)在该处设置断路器通过 处断路器的开闭控制 ,PCC 层 主要负责直接控 LC(Load Control) : 和负荷控制 种模式的切换微电 2 。 微电网孤岛运行和并网运行制微电源的运行负荷的投切实时上传微电源及负 、,
个负荷在负荷处分别接入蓄电池4 ,2、3、4 、 网内有。 荷的信息至上层柴油发电机和光伏 种微电源3 。
微电网的黑启动策略2 10 kV 微电源的黑启动能力及参考源的选取2.1 微电网的黑启动主要就是依靠具有黑启动能力 进而带动整个微电网的黑启动,, 的微电源进行黑启动 所以具有黑启动能力的微电源有着举足轻重的作 0.4 kV PCC 用在微电网中 各种微电源的能源由风力 太 阳 。 , 、 MGCC 负荷 3 3 + N 燃气等清洁能源供给其中直流微电源如光伏可调、,() (0 ~ 4 kW ) 能 通过 或 转换为工频交流电DC , AC(DC , DC , AC), LC 负荷 1 交流微电源如燃气轮机通过 转换为 LC ()AC , DC , AC 可调(0~3 kW ) μGC 理论上在微电源电能转换的直流侧 。 ,工频交流电 加装适当的储能设备就能使该微电源具备黑启动能 柴油发电机 ,(5 kW) 但是考虑到黑启动微电源需要在一段时间内 。 ,力 光伏(5.13 kW) 能独立稳定带负荷运行一些能源供给具有较大波、,
动或受较多因素影响的微电源是不适合作为黑启动 负荷 2 AC 光伏GC μDC 可调(0~3 kW ) 如光伏微电源风力发电微电源而能源 ,、;微电源的 供给稳定且微电源动态性能及抗扰动性能好的微型负荷 DC 4 μGC 可调(0~3 kW ) 燃气轮机柴油发电机燃料电池及大容量储能单元、、 AC LC 是黑启动微电源的首选。 蓄电池(500 mA?h) 在微电网的黑启动过程中微电网一定是脱离大, 图 微电网结构1 电网运行在孤岛模式下的因此在分层控制的微电网, Fig.1 Structure of microgrid
中需要一个主参考源来提供系统的参考电压及频 微电网的控制主要包括主从控制对等控制和分 、率文献总结了主参考源应具备的特征其中 。 ,15,,,14, 种类型其中基于多 技术的分层 3 ,Agent 层控制能快速实现自身的黑启动能够提供稳 :;最重要的有是解决微电网各单元协调运 ,控制从微电网全局出发能快速跟踪负荷变化以免产生大幅 ;定的电压及频率如图 中虚线部分所示本文采用 , 1 。 行的有效途径考虑到微型燃气轮机燃料电池及柴油发电 。 、波动层控制结构整个分层通过多 技术实现通 3 ,Agent ,,16-17,机良好的负荷跟随及抗扰动特性它们无疑是 ,如图 所示,2 。 过独立通信网络进行信息交互 。 微电网黑启动主参考源的最佳选择GMG CAgent 微电源的控制方式2.2 微电源的逆变器有多种的控制方式本文主要采 ,MGC CAgent 控制和 控制控制使微电源输出恒 U , f PQ 。 U , f 用
本文采用文献所述电压外环 ,,18, 定的电压及频率μGC Agent LC Agent 基于 变换的 控制通过电 。 dq PQ 电流内环控制方式图 多代理结构2 得到 坐标系下功率与电压电流的 ,dq 压电流的解耦Fig.2 Structure of multi-Agent
如式所示文献由式设计了输出 ,(1)。 ,19, (1)关系主 网 微 电 网 控 制 a. - GMGC (Grid-MicroGrid 控制器本文不再赘述PQ ,。 恒定功率的层主要负责根据主网与微电网的运行状态 Control): !# 3 # d d 求 控 制微电网的孤岛与并网运行切换及能量 P , u i 需# #2 # 管 理(1) 。 "# 3# Q ,- 微 电 网 中 心 控 制 b. MGCC(MicroGrid Central
# ui d q2 $
层主要负责根据上层指令优化微电网中各Control): 由于微电源具有多样性和多元性微电网中可,
以包含多个具有黑启动能力的微电源在黑启动过 ,启动微电网黑启动策略
可同时启动这些微电源建立多个小的网络 ,,, 程中检查网络切断所有微电源及负荷MGCC Agent , 再将这些网络并联组网从而实现微电网的快速恢 , 选择具有黑启动能力的微电源以 MGCC Agent 复供电所以各微电源在自启动过程和并联组网后 。 , 电压控制方式自启动建立多个小型电力网络, 而是会在不 ,并不是运行在某一控制方式下一成不变 以主参考源信息为参考对已实现 ,以满足各个时期不 , 同的时期采用不同的控制方式自启动的微电源进行预同步 同的需求。 将一个已实现预同步的微电源与主参考源并联 有黑启动能力的主参考源在微电网黑启动整 a. : 组网同时将该微电源切换至 控制模式,PQ 为整个微电网 ,个过程中始终运行在电压控制方式下 如柴油发电机微型燃 ,、 提供稳定的参考电压和频率还有已同步的微电 Y 源未连接至微电网, 。 气轮机 有黑启动能力的其他微电源在自身带一定负 b. : N 运行在电压控制方式下在自启动后与 ,,荷自启动时 控制方式如蓄电池 PQ ,主参考源并联运行时切换至将其以 控制模式带 还有微电源未 PQ Y 连接至微电网飞轮储能, 、。 相应负荷并联至微电网 储能设备 没有黑启动能力的微电源在黑启动的最后 c. :N 以主参考源提供的电压和频率为参考以 ,,PQ 对已实现黑启动的微电网进行优化MGCC Agent , 阶段调整各微电源出力使微电网高效稳定运行, 控 制方式启动 并联至微电网 例如光伏和风电微 , ,
图 微电网黑启动策略流程图电源3 。
Fig.3 Flowchart of microgrid black-start strategy 黑启动策略2.3 源时要从 控制模式切换至 控制模式以主 ,U , f PQ ,在传统大电网中电力恢复和黑启动都是人工按 ,运行在输出恒定功 ,参考源提供的电压及频率为参考然而在微电网中;,, 照既定的程序进行手动操作的在并联运行前主参考源如柴油发电机。 ,:: 率模式下考虑到其系统规模小及其将来的大量应用人工操作 ,多未满负荷运行留有一定裕度用来缓冲因并联产 ,,此时多 系统为解 ,,Agent 实施黑启动是不合时宜的在系统完成黑启动恢复供电后要求主 。 ,生的冲击,20,将设 。 决组织实施黑启动方案提供了有效的方法在保证风力光伏等输 ,、参考源运行在额定负荷附近 系 Agent 计好的黑启动策略相应程序预先导入到多使储能设备尽量少地输出功率 ,出最大功率的情况下当系统因为模式切换失败或故障问题进入全黑 ,统中因此要求储能微电源在并联 。 或者转换为充电模式由 调用该程序按照所设计的 ,MGCC Agent ,由式可知当电压 状态时,:1:,前后的输出功率有较大变化
实施微电网黑启动相应操作黑 Agent 。 若要使功率发生较大变化输出电流 策略控制各,,不变的情况下
种方法其中同时启动 2 ,。 启动有串行恢复和并行恢复就要发生较大变化
恢复速度快运 ,,模式切换主要是通过切换 个不同的控制器来 多个黑启动微电源的并行恢复方法2 如图 所示通过打开 合上 实 现 , 4 , K、 KU , f 12 实现更符合微电网的结构特性为快速恢复负 ,。 行灵活到 控制模式的转换然而模式切换时较易产生 PQ 。 ,设计微电网黑启动策略如图 所示,3 。 荷供电严重时会导致切换失败分析产生振荡的原 ,。 振荡在按照图 所示策略完成微电网黑启动并稳定 3 因发现是由切换前后两控制器状态不匹配造成的,。 根据大电网的运行状态及需要由 ,,GMGC 运行之后而功率变化引起的电流突变会使控制器的输入值发 协调控制微电网的并网运行恢复微电网与大 Agent ,导致两控制器的状态不匹配从而在控制器 ,,生突变。 电网的正常运行状态。 切换过程中产生很大振荡
为解决控制器状态不匹配导致模式切换振荡大 微电源模式切换及预同步3
本文提出基于功率锁存的模式切换方法如,, 的问题并行恢复的黑启动方式能快速灵活地恢复负荷 K 1 u,i 的供电但是其最大的问题是黑启动微电源的同期并 , 控制器 U , f 逆 若微电网在此过程中产生大幅波动可能会 ,,列问题MGCC 变 非主参考源的模式切换问 功率 。 直接导致黑启动的失败器 K2 锁存器 控制器 个 PQ 2 题和两微电源并联时的同步问题是该过程中的K3 参考 MGCC 。 主要问题功率
模式切换3.1 图 基于功率锁存的模式切换4 有黑启动能力的非主参考微电源并联至主参考 Fig.4 Mode switching based on power latch
图 所示将采集的电压电流信号同时输入到两 搭建图 所示微电网模型微电网中有柴油发电机4 。 、1 。
蓄 电 池 光 伏 个 微 电 源 其 中 控制器以及输入到功率锁存器中计算实时的功率值:μG:、 :μG:、 :μG:3 , ,, 123
和 都具有黑启动能力且 作为微电网黑 μGμG,μG1 2 1 作为 控制的参考功率种模式工作原理如下PQ ,2 :
不具有黑启动能力负荷 ,μG。 1、 3 启动的主参考源控制模式时开关 闭合打开由功a. U , f ,K、K, 1 2 分别为 2、3、4 1 kW、3 kW、4 kW、2 kW。 率锁存器计算的功率提供参考同时运行 控制器,PQ , 假设系统因故障或其他原因进入全黑状态在, 以保证控制器状态一致; 时刻启动预先设计好的黑启动策略0 s : 切换至控制模式时开关打开闭 b. PQ ,K、K1 2 使具有黑启动能力的 和 分别带 负 a. μGμG1 2 由功率锁存器计算切换前微电源的输出功率并锁 ,合 和负荷 自启动建立 个网络3 2 ,2 ; 荷为切换后的 控制提供参考功率使模式切换 ,PQ ,存将 个网络并联组网同时 切换至 运 b. 2 ,μGPQ 2 输出电流不变控制器的状态 、,前后微电源输出功率; 行模式。 在切换前后保持一致将 及相应负荷 和负荷 以 运行模 c. μG4 1 PQ 3 这样便保证了黑启动中微电源并联组网的顺利 ; 式并联至微电网同时为解决储能微电源的输出功率问题在 。 ,,对微电网整体进行优化调整各微电源的输 d. ,进行
出功率。 黑启动完成后再根据微电网整体最优进行功率调
为验证本文所提出的优化方案设计 个对比实 ,3 整由 给出参考功率值并控制 转换 ,MGCC Agent ,K3
。 完成微电源输出功率的调整验如下,。 选择该参考值
实验 初始时刻 和 自启动相位差为 1:μGμG,1 2 预同步3.2
不对 进行预同步时直接与 并联组 30?,μG,0.2 s μG2 1 传统发电机并联时要求幅值相同相位相同频 、、
个微电源输出的有功功率如图 所示可以看 ,2 6 。 网个微电源的并联也是如此而其中以相位 ,2 ,率相同在 未进行预同步就直接并联的情况下功率 ,μG,2 出在传统旋转发电机的并联中由于 。 ,相同尤为重要相应的电压电流波动也会较大过大的 ,、,波动非常大在相位相差较小时可以通过自 ,,发电机的旋转特性关闭微电 ,暂态冲击可能会引起微电源的保护动作但是在微电源中主 。 ,身的调节达到并联同步运行从而导致并联失败黑启动无法进行同时在稳 ,,。 ,源经过整流逆变得到工频交 ,要是通过电力电子装置 后 系统功率依然有较大的波动不利于系统的 , ,定流电所以相位差对于 台微电源的并联成败影响 ,2 。 稳定运行较大因此在微电源并联之前进行预同步显得尤 。 ,,20 。 μG为重要 1 W为使 个微电源能顺利实施并联可对待同步微 5 2 , k, P 如图 所示在并联前待同μG,5 。 , 2 电源进行预同步操作-10
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 步微电源的参考值根据自身 控制提供在需要U , f , t , s 进行并联时先由 控制开关 将参考值,MGCC Agent K 图 和 的输出有功功率6 μGμG 1 2 转换为由主参考源实时提供以此来实现与主参考源 ,Fig.6 Active power outputs of μGand μG 1 2然后在两微电源稳定运行后再实施合闸 ,的同步运行实验 时对 进行预同步但是未进行 2:0.1 s μG,2 这样大幅降低了并联运行时带来的冲击增加 ,,并联且将 的 控制参考功率设为 ,μGPQ 2 kW, 2 功率锁存。 了并联的成功率两微电源的输出有功功率如图 所示在 之前7 。 0.2 s L Z 两微电源稳定运行 由图可以 看 出 在 进 行 并 , 0.2 s 主参考源 负荷 C 系统产生很大的暂态波动这一过程中极易引 ,,联时 dq 从而导致并联失败黑启动无法进行,, ; 起保护动作abc
* * 后趋于稳定但 输出功率分别在 MGC C0.3 s ,μG、μG5 kW、 u,u12 drefqre f 待同步 u,u drefqre f控制器U , f 微电源 K 14 μG1 图 预同步结构5 W4 k,Fig.5 Structure of pre-synchronization PμG2 -6 仿真分析0.2 0.3 0.4 0.5 4 0 0.1 t , s 为验证本文所提出的微电网黑启动策略的可行 图 和 的输出有功功率7 μGμG 1 2 在 平台,MATLAB , Simulink Fig.7 Active power outputs of μGand μG 1 2性和优化方案的有效性
附近波动波动幅度也较大系统运行稳定性 参考文献2 kW ,,:
。 较差邓卫李宁宁等基于储能的可再生能源微网运行控制 唐西胜,1, ,,,. 实验 时对 进行预同步时将其 3:0.1 s μG,0.2 s 2 技术电力自动化设备,J,. ,2012,32:3::99-103.
并联并采用功率锁存切换至 控制模式 μGPQ ; 1 TANG Xisheng,DENG Wei,LI Ningning,et al. Control technologies 与
of micro-grid operation based on energy storage,J,. Electric Power 系统稳定后在 将 并联至微电网参考功 ,0.5 s μG,3
Automation Equipment,2012,32:3::99-103. 系统稳定后在对系统进行优化3 kW;,0.8 s , 率为李国庆含多种分布式电源的微网控制策略电力自动 王鹤,2, ,. ,J,. 将输出功率降为实验所得个微电源 μG2 kW。 3 2 化设备,2012,32:5::19-23. 所示在模式切换进行功率锁 8、9 。 的输出功率如图WANG He,LI Guoqing. Control strategy of microgrid with different 很好地减小了 与 的并联暂 ,μGμG1 2 存和预同步后DG types,J,. Electric Power Automation Equipment,2012,32:5:: 且响应速度快系统稳定后的输出平稳在 ,,。 态冲击19-23.
各微电源功率转换响应 ,张楠刘燕华等基于储能的微网并网和孤岛运行模式 平赵冬梅,3, ,,,. 最后阶段对系统进行优化时
而且稳定图 所示为 个微电源的输出无功 滑切换综合控制策略电网技术,。 9 3 ,J,. , 2013,37:2::301-306. 快
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许旭锋男浙江绍兴人讲师博士主要研究方:1981-:,,,,, alone hybrid power generation system of wind turbine, 向为微电网可靠性评估:E-mail:xfxu@tongji.edu.cn:; microturbine,solar array and battery storage ,J,. Applied Energy,
朱国锋男江苏扬州人博士研究生主要研究 :1987:,,,,-2010,87:10::3051-3064. 评 估 :E-mail:justaway@163. 方向为智能电网的电能质量,17, ZHU Y,TOMSOVIC K. Development of models for analyzing the com:。 load-following performance of microturbines and fuel cells ,J,.
Black-start strategy of isolated microgrid
MENG Qiang,MU Longhua,XU Xufeng,ZHU Guofeng
:Department of Electrical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China:
Abstract: A strategy of black-start based on multi-Agent system is proposed for isolated microgrid,which starts up in voltage control mode the reference microsources and microsources capable of black-start by MGCC
:MicroGrid Central Control: Agent first,carries out then the pre-synchronization and grid-connection for the reference microsource according to its voltage,switches then the microsource capable of black-start into PQ control mode while blocks its power and current outputs with the power latch function to avoid switching oscillation,and at last,starts up in PQ control the microsources incapable of black-start by MGCC Agent,
synchronizes them with the reference microsource and connects them to microgrid. MGCC Agent coordinates the power output among microsources to make the microgrid operate efficiently and stably,and then GMGC:Grid-
MicroGrid Control: Agent connects the microgrid to power grid. A simulation microgrid is built with MATLAB ,
Simulink and the simulative results verify the feasibility and effectiveness of the proposed strategy.
Key words: microgrid; photovoltaic cells; energy storage; black-start; strategy; mode switching; power
latch; pre-synchronization
范文二:微电网的黑启动研究
电 力系统保 护与控 制 第 42 卷 第 22 期 Vol.42 No.22 2014 年 11 月 16 日 Power System Protection and Control Nov. 16, 2014
微电网的黑启动研究
牟龙华,夏明栋,刘 仲
(同济大学电气工程系,上海 201804)
摘要:为了提高微电网供电可靠性,提出一种针对全黑的孤立微电网的黑启动方案。结合微源特性及其控制方式,对微源的 黑启动能力进行比较,确定了黑启动微源的选取原则,给出了黑启动过程中有黑启动能力和无黑启动能力微源的控制方式要 求。分析了微电网黑启动的并行/串行网架恢复策略,指出应采用启动速度更快的并行恢复策略,并制定了详细的黑启动操 作流程。利用 Matlab/Simulink 建立各微源控制模型以及微电网仿真模型,仿真结果验证了微电网黑启动方案及其操作流程 的可行性。
关键词:微电网;黑启动;策略;并行恢复;串行恢复
Research on black-start for microgrid
MU Long-hua, XIA Ming-dong, LIU Zhong
(Department of Electrical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)
Abstract: In order to improve the reliability of microgrid power supply, this paper proposes a set of black-start scheme for the
isolated microgrid. Based on the analysis of the characteristics and control of microsources, and the comparison of black-start apabilities of them, the cselection principle of microsources in the process of black-start is established and the control requirements of
them with and without black-start capabilities are expressed. Moreover, this paper analyzes the serial and parallel restoration strategy of the microgrid black-start and presents that the parallel strategy with high speed is more appropriate for the process. At the same time, the detailed operation procedure of black-start is formulated. The control models of microsources and the simulation model of microgrid are built with Matlab/Simulink, and the simulation results verify the feasibility of the microgrid black-start scheme and the operation procedure.
Key words: microgrid; black-start; strategy; parallel restoration; serial restoration
中图分类号: TM619 文献标识码:A 文章编号: 1674-3415(2014)22-0032-06
[3-4]局部电网的稳定供电。 考虑到微网系统孤立运行0 引言 时,可能由于某些故
近年来,分布式发电技术以其能源利用率高、 障而导致系统失电,为进一步提高系统的供电可靠 [5]污染小、可靠性高等特点受到了广泛关注,其中分 性,微网系统应具有孤立运行状态下的黑启动功能。 布式发电技术可充分利用多种可再生能源,为人类 所谓微网黑启动(Black Start),指在整个微网因外部 [1]解决日益严重的能源和环境危机带来新的方向。 或内部故障停运进入全黑状态后,不依靠大电网或 随着分布式发电技术的发展,多种分布式电源、储 其他微网的帮助,仅通过启动微网内部具有黑启动 能装置、负荷及控制装置组合成独立的供电系统, 能力的微源,进而带动微网内无黑启动能力的微源, 以微网的形式接入大电网,利用控制的灵活性可实 逐步扩大系统的恢复范围,最终实现整个微网的重 [2]现其对大电网供电能力和电能质量的支撑作用。 新启动。
为提高供电可靠性,当主电网发生意外故障或运行 对于电力系统的黑启动问题,目前国内外已有 [6-8]维护时,微网可运行于孤立运行状态,从而实现对 多篇论文对其加以介绍,但这些研究成果大多针 对传统电网黑启动,而很少涉及微网系统黑启动。 基金项目:上海市科学技术委员会资助(12ZR1451300);浙 传统黑启动方案主要针对大型电网,与之相比,微 江省重大科技专项(2013C01063) 网系统多集中在中/低压配电网,其内部包含大量逆
牟龙华,等 微电网的黑启动研究 - 33 -
[12]变器型电源,这些电力电子装置控制灵活、响应速 电源的自启动能力是系统顺利完成黑启动的关键。 度快,但过载能力、故障穿越能力和单机发电容量 所谓黑启动微源,是指其在输出端电压为零的情况 [9]均远小于传统旋转机械类电源,因此,微网系统 下,能够自动启动建立微网系统电压,并带动微网 [10]很难直接沿用传统电网的黑启动方案。鉴于用户 系统中其他无黑启动功能的电源启动,逐步扩大微 对于分布式能源可靠性要求的不断提高,微网系统 网系统发电容量,以期最终实现微网系统在孤岛运
[13]黑启动研究是推进微网系统应用亟需解决的问题。 行状态下的黑启动操作。在传统电力系统中通常 为提高微电网黑启动可靠性,本文对黑启动中 的使用水轮发电机组或大型燃气轮机组作为黑启动电 微源种类、控制方式、黑启动网架恢复策略以及 [14]源。通过类比,可以得出微网系统在黑启动电源 黑启动操作步骤进行了研究。参照已经搭建的微网 选择上的原则: 实验平台,在Matlab/Simulink平台搭建了由柴油
1:具有调压调频能力。为保证微网系统在孤岛 发 电机、光伏和蓄电池组成的低压微网仿真模型,
运行状态下的电压和频率稳定,黑启动电源在具有 验
电压源输出特性的同时, 还应具有调压和调频功 证了所提出的黑启动策略有效性和可行性。
能。
1 微网结构 2:具有充足发电容量。能够保证较小的配电变
压器激磁损耗和微网系统交流母线空载损耗,并能 一种微网结构如图1所示,该微网系统包含柴
够承受其他非黑启动电源启动时的短时功率冲击。 油 发电机、光伏发电和蓄电池三个微源。微网和
主网 通过公共连接点PCC连接,在该处设置断路3:具有足够备用容量。必须留有足够容量作为 器,通 过PCC处断路器的开闭实现微网孤岛和并事故备用。
网两种运 行模式的切换。微网内有四个负荷,在负根据以上原则,柴油发电机由于其燃料适应性 荷2、3、4 处分别接入柴油发电机、蓄电池和光伏好、控制灵活以及可靠性高的优点满足黑启动微源 三个微源。 的基本原则,是具有黑启动能力的微源。同时,柴 油发电机在黑启动源组网过程中作为主参考源,而
其他微源以柴发的电压幅值、频率以及相角为参考
进行组网。蓄电池具有快速调节特性和充放电状态
快速切换的优点,这使得其能够快速自启动且减缓
其他微源带来的冲击,因而也是具有黑启动能力的
微源。光伏发电则由于受外界天气影响较大,其有
功功率输出特性的随机性很大,很容易造成电网频
率波动,是不具有黑启动能力的微源。
2.2 微源的控制方式
在微网黑启动中, 具有黑启动能力的微源在
自启动过程中采用V/f控制,目的是不管分布式
电 源输出功率如何变化,其输出电压的幅值和频
率 一直维持不变, 为微网系统提供稳定的电压幅
值 和频率参考。不具有黑启动能力的微源采用
PQ控 制,控制目的是使分布式电源输出的有功功
率和无 功功率等于其参考功率。 分布式发电单元
[15]的示意 图如图2所示。
图1 一种微网结构图 图中:V为等效的直流源;L为滤波电感; dcfi
C为滤波电容;R为滤波电阻;Z为线路阻抗; Fig. 1 Structure of microgrid fifilni
Z为恒阻抗负载;V和I分别为逆变桥输出的电iii
2 微源黑启动能力与控制 压 和电流;V为逆变器输出的电压即电容电压;ldi
I为流向线路中的电流;I为流向滤波电容中的li Ci2.1 微源黑启动能力 电 流;V和V分别为开关两侧的电压。 12在微网联网运行时,系统电压与频率支撑由大
[11]电网提供,而本文主要研究微网在孤岛运行状态
下的黑启动。在没有外部电网支持情况下,黑启动
- 34 - 电力系统保护与控制
I 1d * + V I +PI d + d * V +控 PI dd 1 控 - + - -+ 制器 - 制器 I V ωC ,L d 1dd f f
I V ωC ,L 1dq q f f * +I + -q PI控 + -V V +* ++ q PI 控 1d q + + 制器制器 I 1q 图2 分布式发电控制模型 图4 电压电流双环控制结构框图 Fig. 2 Control model of distributed generation Fig. 4 Structure of the voltage-current loop controller
- 电流内环所构成的电流随动系统能大大加快抵御扰 2.2.1 V/f控制 ** 在低压微网下逆变电源输出功率为 动的动态过程。图中,V 分别为功率控制器 V 、 1dd 1dq E(V E ) ? - 输出的参考电压d轴分量和q轴分量;V、V分别 1dd1dqP , * * ?为微源输出电压的d轴分量和q轴分量;I 、I 分别 ?R (1) d q ? ?Q , VE 为电流内环参考信号的d轴分量和q轴分量;I 、I ,d q ??R 分别为逆变桥输出的滤波电感电流的d轴分量和q轴 式中:V和E分别为逆变器的输出电压和公共母线分量。 电 压幅值;, 为输出电压相位。由式:1:可得微2.2.2 PQ控制 源输 出的有功功率主要与输出电压幅值有关,而PQ控制的目标就是使对应微源输出恒定的无功功 率主要与输出电压相角有关。因而,控制方和参考无功Q,功 率,控制器输入为参考有功Prefref程可写 为 所 以PQ控制器的性能的衡量也就是输入信号P、ref? Q ref- 与系统输出功率的比较。PQ控制器结构如图5所示, P Pn V = V n?+ ? a 控制器分为功率控制环和电流控制环。 (2) ?
Q + ?f = f b ? n? 式中:V为微源输出额定功率下的电压;P为微源 nn 的额定输出功率;f为电网的额定频率。利用上述 n 低压下垂特性的V/f控制来实现低压微网孤岛模式 下不同微源间变化功率的共享,同时为系统提供电
压和频率支撑。其控制器主要包括两个部分:功率
控制器:如图3:和电压电流双环控制器:如图4:。 V n 图5 PQ控制器结构框图 V *P * V V PI控 + - V Fig. 5 Schematic diagram of the PQ controller + n + + ref 1dd 1 / a dq0 制器 - ** P 变换 f V , 1dq 功率控制环中,输入参考功率,输出电流控制 PI Q +ref 2π + v 1/ 1/b 控 - 环的参考电流I和I,最后由电流控制环输+ dref qref制器 出 f f 和V。 PQ控制时,参PWM产生器的输入信号Vsdsqn *, 考电压及系统频率由其他微源或
图3 功率控制器结构框图 系统提供,控制性能主要与电流控制环中PI控制环 Fig. 3 Structure of the power control 的参数有关。PQ控制器的参数比V/f控制器中的少,
只有两个参数,但这两个参数对系统的特性影响都 控制环中的功率为微源输出的瞬时功率,以提
很大。所以,在实际配置参数时,应根据具体情况 高整个系统的实时性,同时加入PI控制器以稳定
和两参数对系统的影响进行调试。 输 出电压的精度,功率控制器的输出将作为双环控
制 的参考电压。 3 黑启动网架恢复策略对比 图4所示的控制结构采用电压外环电流内环的
微网网架恢复是微网黑启动的重要内容,主要 双环控制方案,电压外环能够保证输出电压的稳定,
牟龙华,等 微电网的黑启动研究 - 35 - 目标是通过选取一定的网架恢复路径恢复主要的微 岛运行时的电压和频率稳定。 源和重要的负荷。合理的恢复路径应使黑启动微源 3:同期并列与模式切换。黑启动微源完成稳定 充分利用启动功率,迅速、安全地完成微网黑启动。 自启动后,通过预同步完成同期并列使柴油发电机 微网黑启动方案中的网架恢复策略可分为并行恢复 与蓄电池的电压幅值、频率与相角同步。预同步方 [16-17]法的基本思路是:在并联前,待同步微源的参考值 (又称向上恢复)和串行恢复(又称向下恢复)。
根据自身V/f控制提供,在需要进行并联时,参考由表1可以看出串行恢复因为无需准同期并
值 转换为由主参考源实时提供,以此来实现与主参列 装置,系统简单,即在黑启动初期由一个具有
考 源的同步运行。然后将蓄电池控制模式切换为黑启 动能力的微源建立电压后,其他微源同步于该
PQ控 制,完成黑启动源的组网。 黑启 动微源启动,并以该黑启动微源为参考逐个并
4:启动非黑启动微源并入系统。黑启动微源组 入微 网系统,无需同期并列装置。但在应用中的最
网后,扩大了系统的发电容量,能够有效地防止因 大问 题是没有充分利用各个微源的黑启动能力,仅
非黑启动微源造成的启动功率冲击,并维持系统电 以单 一的微源作为黑启动源,无法进一步提升微网
压与频率的稳定。具有多个非黑启动微源的微网启 对负 荷供电的可靠性。除此之外,由于串行恢复需
动应确保 要依 次启动每个微源然后并网,消耗时间过长,这
就与 1 2 黑启动要求快速启动的特点产生了矛盾。然而并行 S > S + S 3. m m mn + S(3) ? ? ? ? imax ei Lj sk 恢复允许多个具有黑启动能力的微源同时启动,建 i =1 j =1 k =1 i =1 立多个小的子系统,恢复速度快,运行灵活,更符 式中:S为系统已启动微源:共n台:的最大输imax合微网的结构特性,能够快速恢复整个微网的供电, 出 功率;S为配电变压器励磁损耗;S为微网系eiLj因而将会得到较多的应用。 统交 流母线空载损耗;S为即将同时启动的非黑sk表1 两种恢复策略对比 启动微 源:共m台:的启动冲击功率。 3Table 1 Comparison of two restoration schemes 5:增加微网系统负荷。根据微源带负载情况, 并行恢复 串行恢复 恢复加入部分负荷,从而使微网带尽可能多的负载。根 过程 多个黑启动源同时启动 单个黑启动源率先启动 据电力系统功率平衡约束以及潮流约束,投入微网
黑启动初期会形成多个子 电源依次启动,逐步组 系统的部分负荷应满足 特点 网 无需同期系统,运行稳定后并网 S S (4) ? , loadi ?并列装置,结 i =1 i =1 generationi 优点 微网恢复速度快 构简单 U, U, U (5) Gi min Gi Gi max i L, 1,2,3, ,n 缺点 系统复杂 微网恢复速度慢 _ Pij , P i , 1,2,3, , n i , j (6) ijL4 微网黑启动操作流程 ,f , 0.5 Hz (7)
根据前文所述,本文采用基于并行恢复策略的 式中:S和S分别为微网系统负荷和电源loadigenerationi
微网黑启动方案。以图1所示的微网系统拓扑为例, 额 定容量;N为微网系统电源数目;U和UGimaximin
分别 为节点电压幅值U的上、下限;n为微网系Gi柴油发电机作为主参考源,在黑启动过程中一直采
统内节 点数目;P为线路有功功率; P 为线路有ij用V/f控制。蓄电池在并网前作为黑启动源采用V/f
功功率限 控制,并网时切换为PQ控制,输出固定值的功率。 ij
制值; ,f 为系统的频率偏差。 光伏发电因不具有黑启动能力而一直采用PQ控制。
在微网发生故障或停电检修时,其具体的黑启动操 5 黑启动过程的仿真验证 作流程如下:
1:切除微网系统负荷。为避免在黑启动初期微 为验证所提出的微网黑启动方案与微源黑启动 源因负荷过大而出现故障停机现象,应首先切除系 策略,在Matlab/Simulink中搭建如图1所示微网系统内所有用电设备,断开所有开关,保证黑启动微 统 仿真实验平台。微网中有柴油发电机:μG1:、源在空载状态下启动, 建立微网系统交流母线电 蓄 电池:μG2:、光伏:μG3:三个微源。 压。 实验一:对微源进行仿真实验。按照图1所示的
微网结构图,验证微源在不同控制模式下的运行特 2:启动黑启动微源。黑启动微源在启动过程中
应当兼具下垂特性和黑启动功能,能够实现快速稳 性。柴油发电机:μG1:作为主参考源,采用V/f定的自启动,并具有调频和调压能力,保证微网孤 控 制运行负荷,额定线电压380 V,输出功率为5
kW,
- 36 - 电力系统保护与控制
源采取的控制方式的有效性与可行性。 实验二:微负载为4 kW。蓄电池:μG2:因具有黑启动能力,
前期采用V/f控制,负载为4 kW,后期模式切换为 网黑启动仿真实验。根据前文选取 PQ控制,设定该控制模式下的参考输出功率为3 的微源控制方式以及恢复方式,假设系统发生意外 kW。蓄电池模型容量为500 Ah,额定电压380 V。 故障进入全黑状态,进行微网黑启动实验。根据微 光伏发电:μG3:则一直采用PQ控制,光伏发电网结构,微网黑启动流程如表2所示。 模 型参数:参考温度T=25?,光照强度S=1 000 refref表2 微网黑启动流程 2W/m, 光伏阵列最大输出功率为5.7 kW,参考输出功Table 2 Processes of microgrid black-start 率为3.5 kW。各微源运行特性如图6~图8所示。 时间节点 过程描述 黑启动准备
阶段 切除系统中所有负荷,打开所有开关 柴油发电机与蓄电池都采用V/f t=0 s 控制,带负荷自启动 蓄电池转换为 PQ控制,并参考柴油发 电机,调整 相角、频率与幅值后与柴 油发电机组t=0.4 s 网 光伏采用PQ控制,与微网系统完
成 组网,黑启动完成 t=1 s 微网系统黑启动仿真结果如图9、图10所示。 图6 柴油发电机有功功率、电压幅值与频率 Fig. 6 Active power output, voltage amplitude and
frequency of diesel generator
图9 微源有功功率功率 Fig. 9 Active power output of micro-generators
由图9可以看出按照上文提出的黑启动控制以 图7 蓄电池有功功率
及恢复策略,柴发与蓄电池可稳定并行自启动,建 Fig. 7 Active power output of storage unit
立起两个子系统,能够加快微网黑启动速度。由图9
与图10中t=1 s时波动可看出黑启动源组网后,系统
供电容量增加,有效地减小了光伏发电并网时造成
的冲击,建立了稳定的微网系统,使微网恢复供电,
实现了微网的快速稳定黑启动,验证了本文所提出
的微网黑启动策略的有效性。
图8 光伏发电有功功率 Fig. 8 Active power output of photovoltaic power generation
由图6所示的柴油发电机输出功率与电压幅值、 图10 微源输出无功功
率 频率可以看出,柴油发电机不仅具有良好的自启动
Fig. 10 Reactive power output of micro-generators 能力,而且能够为微网黑启动提供稳定地电压与频
率支撑,是良好的主参考源。图7中的蓄电池前期采
6 总结 用V/f控制能稳定地自启动,并能够实现控制模式的
平滑切换,不会引起系统较大的功率与电压波动。 本文从微源控制方式和黑启动恢复策略出发, 图8所示光伏发电的输出功率,在采用PQ控制模研究并分析了微源的黑启动能力、控制方式以及并 式 下能够输出稳定的指定输出功率。本实验验证了行恢复和串行恢复的优缺点。最终选用了启动速度 微
牟龙华,等 微电网的黑启动研究 - 37 - 更快的并行恢复策略进行微网黑启动,并制定了微 China Electrotechnical Society, 2011, 26(S1): 267-273.
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范文三:孤立微电网的黑启动策略
第34卷第3期 2014年3月
电力自动化设备
Electric Power Automation Equipment
V01.34No.3
Mar.2014@孤立微电网的黑启动策略
孟 强,牟龙华,许旭锋,朱国锋
(同济大学电气工程系,上海201804)
摘要:利用多代理(Agent)系统。提出了一种针对全黑的孤立微电网的黑启动策略。参考电源及其他具有黑启 动能力的微电源首先由微电网中心控制(MGCC)Agent以电压控制模式启动.再根据参考微电源的电压进行 预同步后进行并联。接着.具有黑启动能力的微电源切换至PQ控制模式,其输出功率和电流被功率锁存功能 锁定以避免切换振荡。最后,无黑启动能力的微电源被MGCC Agent以Pp控制模式启动,在与参考电源进行 同步后并入微电网。MGCC Agent通过协调微电源的输出功率。使微电网可以高效、稳定地运行。微电网稳定运 行后,由主网一微电网控制(GMGC)Agent恢复微电网与大电网的连接。利用MATLAB/Simulink建立微电网仿 真模型.仿真结果验证了所提策略是高效、可行的。
关键词:微电网;光伏电池;储能;黑启动;策略;模式切换;功率锁存;预同步
中图分类号:TM 76文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1006—6047.2014.03.010
0引言
随着世界经济的迅速发展.对能源的需求急剧 增加.微电网作为可再生能源利用方式之一受到了广 泛关注[1_引。微电网既可与大电网联网运行,又可以 孤岛方式运行.在满足本地用户对电能质量和供电安 全要求的同时.可减少大量分布式电源渗入对电力系 统的影响,具有较高的灵活性和可调度性:,圳。
微电网的双向潮流特性使得微电网保护的选择 性较难做到.微电网的并网和独立运行则面临着差异 较大的短路故障电流.因此传统配网保护策略不适用 于微电网保护㈨;同时,微电网如何根据运行控制需 要平滑地进行联网和孤岛运行模式切换.也给微电网 的连续稳定运行带来挑战[6]。所以.当微电网或者 大电网一方发生故障时。保护元件未能正确动作.或 者微电网运行模式切换失败.将会导致整个微电网的 瘫痪。倘若此时微电网能及时地进行黑启动。再次 恢复负荷供电时.将会大幅提升微电网供电可靠性. 减少停电带来的经济损失。
微电网黑启动.就是指在整个微电网因外部或 内部故障停运进入全黑状态后.不依靠大电网或其他 微电网的帮助.仅通过启动微电网内部具有黑启动能 力的微电源.进而带动微电网内无黑启动能力的微电 源,逐步扩大系统的恢复范围.最终实现整个微电网
收稿日期:2013—07-0l:修回日期:2014—02—14
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51207110):上海市 科学技术委员会资助项目(12ZRl451300):上海市教育委员 会科研创新项目(1ICXYl2)
Project supposed by the National Natural Science Foundation of China(51207110),the Proiect of Science&Technology Commission of Shanghai(12ZR 145l 300)and the Project of Shanghai Municipal Education Commission(11CXYl2) 的重新启动【7]。传统大电网在发生系统瘫痪全黑时, 由于大电网系统复杂.在黑启动过程中的发电机自励 磁、空载线路充电过电压和恢复初期小系统并列运 行稳定性等问题.多采用1个黑启动电源启动1台被 启动机组的简单黑启动方案[8=。因此,传统大电网黑 启动的研究多着重于黑启动策略的评估方法.引入 新的方法开发黑启动决策支持系统.提高黑启动方案 的适应性等:乳loi。但是,微电网系统相对较小,结构 简单,再加上微电源的多样性和多元性。使得微电网 的黑启动在黑启动源的选择、黑启动方案的制定等方 面有着很大的区别。随着分布式电源的接入对传统 电网结构的改变.电网黑启动的研究也逐步涉及到有 分布式电源的电网的黑启动研究.利用分布式电源的 优良特性,对大电网黑启动提供相应的支持…。引。但 是。对单独的微电网的黑启动研究还很少.所以本文 从单个微电网出发.研究微电网黑启动策略及黑启动 过程中的问题。
本文首先分析了微电源的黑启动能力、参考源的 选取及黑启动过程中微电源控制方式的问题.提出一 种基于3层多代理(Agent)系统的微电网黑启动策 略;然后,就黑启动过程中的并联波动问题,给出通 过预同步和基于功率锁定的模式切换方法进行优 化;最后,参照本课题组已投运的微电网实验平台. 在MATLAB/Simulink平台搭建由光伏、柴油发电机 和蓄电池3种微电源组成的低压微电网.通过3个黑 启动仿真实验的对比.验证所提出的黑启动策略及优 化方案的有效性和可行性。
1微电网及多代理系统组网结构
根据欧盟微电网项目提出的典型低压微电网系
回 电力自动化设备 第34卷
统(Benchmark 0.4kV)m].并结合本课题组的光/柴/储微电网实验平台,设计了0.4kV低压微电网,如图 1所示:微电网和主网通过公共连接点(PCC)连接, 在该处设置断路器.通过PCC处断路器的开闭控制 微电网孤岛运行和并网运行2种模式的切换。微电 网内有4个负荷,在负荷2、3、4处分别接入蓄电池、 柴油发电机和光伏3种微电源。
图1微电网结构
Fig.1
Structure of mierogrid
微电网的控制主要包括主从控制、对等控制和分 层控制3种类型[14J.其中基于多Agent技术的分层 控制从微电网全局出发.是解决微电网各单元协调运 行的有效途径.如图1中虚线部分所示。本文采用 3层控制结构,整个分层通过多Agent技术实现,通 过独立通信网络进行信息交互,如图2所示。
图2多代理结构
Fig.2Structure of multi—Agent
a.主网一微电网控制GMGC(Grid—MicroGrid Contr01)层:主要负责根据主网与微电网的运行状态 需求控制微电网的孤岛与并网运行切换及能量 管理。
b.微电网中心控制MGCC(MicroGrid Central Contr01)层:主要负责根据上层指令优化微电网中各 单元的运行状态.并实时与下层控制器通信联系,下 发相应指令控制微电网各单元的运行。
c.微电源控制斗GC(micro.Generator Contr01)层 和负荷控制LC(Load Contr01)层:主要负责直接控 制微电源的运行、负荷的投切。实时上传微电源及负 荷的信息至上层。
2微电网的黑启动策略
2.1微电源的黑启动能力及参考源的选取
微电网的黑启动主要就是依靠具有黑启动能力 的微电源进行黑启动,进而带动整个微电网的黑启动, 所以具有黑启动能力的微电源有着举足轻重的作 用。在微电网中.各种微电源的能源由风力、太阳 能、燃气等清洁能源供给,其中直流微电源(如光伏) 通过DC/AC(或DC/DC/AC)转换为工频交流电, 交流微电源(如燃气轮机)通过AC/DC/AC转换为 工频交流电。理论上.在微电源电能转换的直流侧 加装适当的储能设备.就能使该微电源具备黑启动能 力。但是.考虑到黑启动微电源需要在一段时间内 能独立、稳定带负荷运行,一些能源供给具有较大波 动或受较多因素影响的微电源是不适合作为黑启动 微电源的.如光伏微电源、风力发电微电源;而能源 供给稳定且微电源动态性能及抗扰动性能好的微型 燃气轮机、柴油发电机、燃料电池及大容量储能单元 是黑启动微电源的首选。
在微电网的黑启动过程中.微电网一定是脱离大 电网运行在孤岛模式下的.因此在分层控制的微电网 中需要一个主参考源来提供系统的参考电压及频 率。文献『15]总结了主参考源应具备的特征,其中 最重要的有:能快速实现自身的黑启动;能够提供稳 定的电压及频率:能快速跟踪负荷变化以免产生大幅 波动。考虑到微型燃气轮机、燃料电池及柴油发电 机良好的负荷跟随及抗扰动特性[16-”].它们无疑是 微电网黑启动主参考源的最佳选择。
2.2微电源的控制方式
微电源的逆变器有多种的控制方式.本文主要采 用u/f控制和即控制。U/厂控制使微电源输出恒 定的电压及频率,本文采用文献[18]所述电压外环 电流内环控制方式。基于幽变换的即控制通过电 压电流的解耦,得到咖坐标系下功率与电压电流的 关系,如式(1)所示。文献[19]由式(1)设计了输出 恒定功率的加控制器,本文不再赘述。
由于微电源具有多样性和多元性。微电网中可 .b
如
№
扣号
=
=
P
Q
第3期 盂强,等:孤立微电网的黑启动策略
以包含多个具有黑启动能力的微电源.在黑启动过 程中,可同时启动这些微电源,建立多个小的网络, 再将这些网络并联组网.从而实现微电网的快速恢 复供电。所以.各微电源在自启动过程和并联组网后 并不是运行在某一控制方式下一成不变.而是会在不 同的时期采用不同的控制方式.以满足各个时期不 同的需求。
a.有黑启动能力的主参考源:在微电网黑启动整 个过程中始终运行在电压控制方式下.为整个微电网 提供稳定的参考电压和频率,如柴油发电机、微型燃 气轮机。
b.有黑启动能力的其他微电源:在自身带一定负 荷自启动时,运行在电压控制方式下,在自启动后与 主参考源并联运行时切换至册控制方式,如蓄电池 储能设备、飞轮储能。
c.没有黑启动能力的微电源:在黑启动的最后 阶段,以主参考源提供的电压和频率为参考,以即 控制方式启动.并联至微电网。例如光伏和风电微 电源。
2.3黑启动策略
在传统大电网中.电力恢复和黑启动都是人工按 照既定的程序进行手动操作的:然而,在微电网中, 考虑到其系统规模小及其将来的大量应用.人工操作 实施黑启动是不合时宜的,此时,多Agent系统为解 决组织实施黑启动方案提供了有效的方法㈣。将设 计好的黑启动策略相应程序预先导入到多Agent系 统中.当系统因为模式切换失败或故障问题进入全黑 状态时.由MGCC Agent调用该程序,按照所设计的 策略控制各Agent实施微电网黑启动相应操作。黑 启动有串行恢复和并行恢复2种方法.其中同时启动 多个黑启动微电源的并行恢复方法,恢复速度快,运 行灵活,更符合微电网的结构特性。为快速恢复负 荷供电.设计微电网黑启动策略如图3所示。
在按照图3所示策略完成微电网黑启动并稳定 运行之后.根据大电网的运行状态及需要。由GMGC Agent协调控制微电网的并网运行.恢复微电网与大 电网的正常运行状态。
微电源模式切换及预同步
并行恢复的黑启动方式能快速灵活地恢复负荷 的供电.但是其最大的问题是黑启动微电源的同期并 列问题.若微电网在此过程中产生大幅波动,可能会 直接导致黑启动的失败。非主参考源的模式切换问 题和两微电源并联时的同步问题是该过程中的2个 主要问题。
3.1模式切换
有黑启动能力的非主参考微电源并联至主参考
启动微电网黑启动策略
MGCC Agent检查网络.切断所有微电源及负荷
MGCC Agent选择具有黑启动能力的微电源以
电压控制方式自启动.建立多个小型电力网络
以主参考源信息为参考.对已实现
白启动的微电源进行预同步
将一个已实现预同步的微电源与主参考源并联
组网,同时将该微电源切换至即控制模式
还有已同步的微电\Y
源未连接至微电网?,/
N
絮量箩一
MGCCAgent对已实现黑启动的微电网进行优化.
调整各微电源出力.使微电网高效稳定运行
图3微电网黑启动策略流程图
Fig.3Flowchart of microgrid black—start strategy
源时,要从U/厂控制模式切换至即控制模式,以主 参考源提供的电压及频率为参考,运行在输出恒定功 率模式下。在并联运行前.主参考源(如柴油发电机) 多未满负荷运行.留有一定裕度,用来缓冲因并联产 生的冲击。在系统完成黑启动恢复供电后.要求主 参考源运行在额定负荷附近,在保证风力、光伏等输 出最大功率的情况下.使储能设备尽量少地输出功率 或者转换为充电模式。因此要求储能微电源在并联 前后的输出功率有较大变化。由式(1)可知,当电压 不变的情况下.若要使功率发生较大变化。输出电流 就要发生较大变化。
模式切换主要是通过切换2个不同的控制器来 实现,如图4所示,通过打开K,、合上K:实现U/厂 到加控制模式的转换。然而,模式切换时较易产生 振荡.严重时会导致切换失败。分析产生振荡的原 因.发现是由切换前后两控制器状态不匹配造成的。 而功率变化引起的电流突变会使控制器的输入值发 生突变。导致两控制器的状态不匹配.从而在控制器 切换过程中产生很大振荡。
为解决控制器状态不匹配导致模式切换振荡大 的问题.本文提出基于功率锁存的模式切换方法.如
图4基于功率锁存的模式切换
Fig.4Mode switching based 011power latch
国 电力自动化设备 第34卷
图4所示。将采集的电压、电流信号同时输入到两 控制器。以及输入到功率锁存器中计算实时的功率值, 作为加控制的参考功率,2种模式工作原理如下: a.U/f控制模式时,开关K,闭合、K:打开,由功 率锁存器计算的功率提供参考,同时运行即控制器, 以保证控制器状态一致:
b.切换至加控制模式时,开关K,打开、K:闭 合.由功率锁存器计算切换前微电源的输出功率并锁 存,为切换后的即控制提供参考功率,使模式切换 前后微电源输出功率、输出电流不变,控制器的状态 在切换前后保持一致。
这样便保证了黑启动中微电源并联组网的顺利 进行。同时,为解决储能微电源的输出功率问题,在 黑启动完成后再根据微电网整体最优进行功率调 整,由MGCC Agent给出参考功率值.并控制K3转换 选择该参考值,完成微电源输出功率的调整。
3.2预同步
传统发电机并联时要求幅值相同、相位相同、频 率相同,2个微电源的并联也是如此.而其中以相位 相同尤为重要。在传统旋转发电机的并联中.由于 发电机的旋转特性.在相位相差较小时.可以通过自 身的调节达到并联同步运行。但是在微电源中,主 要是通过电力电子装置.经过整流逆变得到工频交 流电,所以相位差对于2台微电源的并联成败影响 较大。因此,在微电源并联之前,进行预同步显得尤 为重要。
为使2个微电源能顺利实施并联.可对待同步微 电源进行预同步操作,如图5所示。在并联前。待同 步微电源的参考值根据自身U/厂控制提供。在需要 进行并联时,先由MGCC Agent控制开关K将参考值 转换为由主参考源实时提供.以此来实现与主参考源 的同步运行.然后在两微电源稳定运行后再实施合闸 并联,这样大幅降低了并联运行时带来的冲击.增加 了并联的成功率。
图5预同步结构
Fig.5Structure of pre—synchronization
4仿真分析
为验证本文所提出的微电网黑启动策略的可行 性和优化方案的有效性.在MATLAB/Simulink平台 搭建图1所示微电网模型。微电网中有柴油发电机 (扯G。)、蓄电池(IxG:)、光伏(斗G3)3个微电源,其中 IxG,和汕G:都具有黑启动能力,且¨G1作为微电网黑 启动的主参考源,斗G,不具有黑启动能力。负荷1、 2、3、4分别为1kW、3kW、4kW、2kW。
假设系统因故障或其他原因进入全黑状态.在
0s时刻启动预先设计好的黑启动策略:
a.使具有黑启动能力的tzG。和trG:分别带负 荷3和负荷2自启动,建立2个网络;
b.将2个网络并联组网,同时IxG:切换至即运 行模式:
c.将IxG,及相应负荷4和负荷1以即运行模 式并联至微电网:
d.对微电网整体进行优化.调整各微电源的输 出功率。
为验证本文所提出的优化方案.设计3个对比实 验如下。
实验1:初始时刻IxG。和IxG:自启动,相位差为 30。,不对txG:进行预同步,O.2S时直接与tzG。并联组 网,2个微电源输出的有功功率如图6所示。可以看 出,在lzG:未进行预同步就直接并联的情况下助率 波动非常大,相应的电压、电流波动也会较大,过大的 暂态冲击可能会引起微电源的保护动作.关闭微电 源,从而导致并联失败,黑启动无法进行。同时,在稳 定后,系统功率依然有较大的波动,不利于系统的 稳定运行。
20
≥
≤ 5
钆
一lO
00.10.20.30.40.5
t/s
图6¨G1和trG2的输出有功功率
Fig.6Active power outputs of恤GI and IxG2
实验2:0.1s时对trG:进行预同步,但是未进行 功率锁存,且将IxG:的加控制参考功率设为2kW, 两微电源的输出有功功率如图7所示。在O.2s之前 两微电源稳定运行.由图可以看出在0.2S进行并 联时。系统产生很大的暂态波动,这一过程中极易引 起保护动作,从而导致并联失败,黑启动无法进行: 0.3s后趋于稳定,但灿G。、I.LG2输出功率分别在5kW、 14
≥
≤ 4
钆
一6
0O.10.20.30.40.5
t/s
图7斗G,和¨G2的输出有功功率
Fig.7Active power outputs of斗G1and斗G2
第3期 孟强,等:孤立微电网的黑启动策略 @
2kW附近波动.波动幅度也较大,系统运行稳定性
较差。
实验3:0.1s时对¨G:进行预同步,0.2s时将其
与“G。并联并采用功率锁存切换至Pp控制模式;
系统稳定后。在0.5S将IxG,并联至微电网,参考功
率为3kW;系统稳定后,在0.8s对系统进行优化,
将IxG,输出功率降为2kW。实验所得3个微电源
的输出功率如图8、9所示。在模式切换进行功率锁
存和预同步后,很好地减小了斗G。与txG:的并联暂
态冲击。且响应速度快.系统稳定后的输出平稳。在
最后阶段对系统进行优化时.各微电源功率转换响应
快,而且稳定。图9所示为3个微电源的输出无功
功率,由于系统无功为0,稳定时,3个微电源输出无
功在0附近波动.幅值小于200var,系统稳定运行。
12
≥ ≤4≈ -4
垆c-l l—— 旷』协f\“G,
O O|2O.40.60.81.0 t/S
图83个微电源的输出有功功率
Fig.8Active power outputs of three microsources 2
≥ >
≤0 3 -2
阽G k……..。…… l(蠢’K茹…”V……“’ O O.20.40.60.81.0 t/s
图93个微电源的输出无功功率
Fig.9Reactive power outputs of three mierosources
由以上3个实验可以看出.在采用了功率锁存和 预同步后,斗G:的模式切换更加顺利,暂态冲击明显 减小.从而保证了本文所提微电网黑启动策略的有 效性。
5结论
本文提出了一种基于多Agent的微电网黑启动 策略.通过分析该策略中微电源并联组网可能产生 较大波动,对此提出了控制策略优化方案。仿真分 析结果表明.该控制策略能够快速稳定地实现微电 网的黑启动.通过模式切换和预同步的优化.黑启动过 程中系统的稳定性得到了大幅提高。下一阶段,将在 实验室0.4kV光/柴/储低压微电网实验平台上.以 柴油发电机为主参考源、蓄电池储能设备为具有黑 启动能力的微电源、光伏为不具有黑启动能力的微 电源进行黑启动实验.进一步验证本文所提的微电 网黑启动策略.并通过实验完善该黑启动策略,使之 切实可行。 参考文献:
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一毒▲
孟 强
孟 强(1989一),男,河南信阳人,硕士 研究生,主要研究方向为微电网黑启动(E.mail: haihanmq@163.corn):
牟龙华(1963一),男,江苏宜兴人,教授, 博士研究生导师.博士.主要研究方向为电 力系统微机保护与电能质量、分布式发电与 微电网(E-mail:lhmu@tongji.edu.cn);
许旭锋(1981一),男,浙江绍兴人,讲师,博士,主要研究方 向为微电网可靠性评估(E—mail:xfxu@tongji.edu.cn);
朱国锋(1987一),男,江苏扬州人,博士研究生,主要研究 方向为智能电网的电能质量评估(E-mail:justaway@163. COB)o
Black-start strategy of isolated microgrid
MENG Qiang,MU Longhua,XU Xufeng,ZHU Guofeng
(Department of Electrical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)
Abstract:A strategy of black-start based on multi—Agent system is proposed for isolated microgrid,which starts up
in voltage control mode the reference microsources and microsources capable of black—start by MGCC (MicroGrid Central Contr01)Agent first,carries out then the pre-synchronization and grid—connection for the reference microsource according to its voltage,switches then the microsource capable of black—start into PQ
control mode while blocks its
power and current outputs with the power latch function to avoid switching oscillation,and at last,starts up in eQ control the microsources incapable of black—start by MGCC Agent, synchronizes them with the reference microsource and connects them to microgrid.MGCC Agent coordinates the power output among microsources to make the microgrid operate efficiently and stably,and then GMGC(Grid-MicroGrid Contr01)Agent connects the microgrid to power grid.A simulation microgrid is built with MATLAB/ Simulink and the simulative results verify the feasibility and effectiveness of the proposed strategy.
Key words:microgrid;photovohaic cells;energy storage;black-start;strategy;mode switching;power latch:pre—synchronization
范文四:【】地区电网“黑启动”浅析
地区电网“黑启动”浅析
杨春雨 , 李永锋
(昆明供电局调度所,昆明 650011)
摘 要:本文结合昆明地区电网结构特点和地区负荷特点, 全面阐述了地区电网在发生 “全黑” 的情况下, 怎样恢复到 正常供电的整个过程, 并就恢复过程中可能遇到的问题作了 深入研究,提出了实际可行的解决方法。
关键词:地区电网;黑启动;方案研究;地区负荷;调度自 动化
0 引言
在一个完整的“黑启动”实施方案中,地区负 荷恢复方案是不可缺少的重要组成部分,地区负荷 恢复的好坏,将决定省级大电网“黑启动”成功 与 否 。 按 电网的调度 管辖范围划 分,地区负荷一 般都 是 由 地调 管辖 。昆明是 云南 的省 会城市 ,是 云南 省 的 政治、 经济、 文化 、 交通 中 心 , 有很多 重要 客户、 敏感客户 ,昆明地区负荷 及 电 量占 了 云南 省负荷 及 电 量 的 45%左右(不 含外送) ;昆明电网是 云南 电 网的 主力 网 架 , 其 中 500kV 电网是 西 电 东送 的重要 走廊 ,是 两 个 百万 级大 型水 电 厂-大 朝山、漫湾 的 并网点,在构成 云南 500kV 日字形环 网的 6个 500kV 变 电 站 中昆明 局 就 有 4个; 昆明 220kV 双 环 网是 连接滇西、 滇东 和 滇南 220kV 电网的重要 枢 纽 。昆明电网“黑启动”的成功, 对云南 电网“黑 启动”成功 起着非 常重要的作 用 。
1 昆明地区电网结构及运行特点:
昆明地区的电能是 以 220kV 变 电 站为 电 源 点 、 110kV 网 架为输送 网 络、 10kV 和 35kV 线路为终端来 完成。 110kV 网 架为环 网结构 、开环运 行。 各 220kV 变 电 站降压为 110kV 后 , 由多条 110kV 分 路送 到 各 110kV 变 电 站 , 110kV 变 电 站再降压为 35kV 或 10kV 后 直 供 客户 ; 220kV 主变 的 低 压 侧 (35kV 或 10kV )接 站用变 和 无 功 补偿设备 (普吉 变 电 站 除 外) ; 1) 昆明地区的 110kV 变 电 站接线有两 种 形 式:一是 单纯 的 终端变 ,一 般有两 回或三回 来 自 上 级 220kV 变 电 站线路 供电, 形 成 双 回或三回 电 源线 路 , 互 为 备 用 , 配备 自 投装置 , 如威远街 和 柳 坝 变 电 站 ; 另 一 种 是 除 供本 变 电 站 负荷 外 , 还 转 供 其 它 110kV 变 电 站 ,作 为其 它 110kV 变 电 站 的电 源 , 如小石坝 变 电 站 。
2) 昆明供电 局 共 有 4个 220kV 终端变 电 站 , 40个 110kV 变 电 站 均 为 无人值班 变 电 站 , 对变 电 站 的 遥控操 作 、日 常 运 行 监视 分 别集 中在 4个 集控 站
完成。
3) 昆明地调不调度发电 机 组,不 直 接 涉 及 电 源 侧 电 压、 频率 的调 控 。
2 昆明地区负荷分析
1、负荷现状
昆明地区负荷 按 电 压 等 级 进 行分 层统计 可分 为以 下 几层:
1) 特大 型 工业 客户 :主 要 包括 云南 铝 厂、 昆 钢 集团 和大 黄磷等 , 属 省调 管辖 的 220kV 直 供 客户 ;
2) 大 型 工业 客户 :主 要 包括三 环 化 工 、 红 云 集 团 、 昆明 马龙 和电 铁牵引 站 等 , 属 地调 管辖 的 110kV 线路 直 供 客户 ;
3) 中 型 工业 客户 :主 要 包括 云南 铜业 、 云南 锌 业 、 昆明 水 泥 厂、 昆 阳磷肥 厂 等 , 属 地调 管 辖 的 35kV 线路 供电 客户 ;
4) 小 型 工业 客户 :主 要 包括 重 机 厂、 昆明 醋酸 纤维 有 限公司 、 电 缆 厂 和 变压 器 厂 等 , 属 区 调 管辖 的 10kV 线路 供电 客户 ;
5) 非 工业 客户 :主 要 包括 重要 客户 和一 般客 户两 大 类 ,重要 客户主 要 指 重点 保障 部 门 如:电 力 调度部 门 , 通 讯 、 新 闻媒体 、交通 指 挥 、政 府 机 关 、 科 研 单 位 、 部 队 、 人 群聚 居 地 (大 商场 等 )、 公共 事 业 (含 医院 、 银 行 等 ) 和 院校 等 。 一 般客户主 要 指 居民 生 活 用 电和 商 业 用 电 等 客户 ;
6) 电 力 公司直 供 客户 :主 要 包括 电 力 公司 所 辖 35kV 变 电 站 出 线 供电的 客户 。
表 1、昆明地区负荷分类统计表
负荷 性质 负荷 类别 电 压 等 级 负荷 (MW ) 所 占 比例 特大 型 工业 客户 220kV 752.4 31% 大 型 工业 客户 110kV 169.02 6%
中 型 工业 客户 35kV 406.16 20% 工业 客户
小 型 工业 客户 10kV 255.56 10% 67% 重要 客户 10kV 254.07 10% 一 般客户 10kV 442.97 17% 27% 非 工业 客户
电 力 公司直 供 35kV 160.7 6% 负荷 总 计 2440.69 100% 2、负荷分析
云南 电网 今年 的供电 形 式 呈 “ 前紧 、 中 平 、后 松 ”的 态势 。 06年 三 季 度 末 以来 ,在不实施 计 划用
电的情况下,昆明地区供电负荷一 般都 可 以 达 到 2500MW 左右 。下面 以 06年 10月 15日 负荷 代表 日为 例 进 行分 析 。昆明电网负荷分 布 情况 详见表 1、 图 1。 由 上 述 图表 可 见 ,昆明地区负荷 由 省调 管辖 的特大 型 工业 客户占 了昆明地区 总 负荷的 31%左右 ,地调 调度 管辖 的负荷 只 占 昆明地区 总 负荷的 69%左右 。
图 1. 昆明地区负荷权重图
昆明地区特大 型 工业 客户主 要 包括 云南 铝 厂 (以 下 简称 铝 厂) 、 昆 钢集团公司 (以 下 简称 昆 钢 ) 和大 黄磷 , 未考虑 在 低 周 低 压 减载 方案中。 铝 厂 负 荷 主 要 集 中在电解 槽耗 电 这 一 块 ,分 为 一 厂 和 二 厂 ,分 别 由 220kV 果林 变 和 500kV 七甸 变 供电。一 厂 累加 负荷可 达 160MW 左右 , 单 台 电解 槽 功 率 约 为 800kW ; 二 厂 负荷 累加 可 达 310MW , 单 台 电解 槽 功 率 为 1200或 1300kW , 各 电解 槽 可 以 独立 运 行, 单 台 电 解 槽耗 电负荷 比较稳 定, 波 动不大, 且 投 入 运 行的 电解 槽只数 可 配 合电网的要 求 , 满足 在“黑启动” 初期 “ 小 步 恢复负荷”的要 求 , 建议 省调 考虑 在 系 统 恢复 初期利 用 铝 厂 的负荷特 性 来 快速 恢复电网。 昆 钢 和大 黄磷 主 要 使 用 电 极 工 艺 、 电 炉 和电 机 作 为主 要的 耗 电 设备 ,昆 钢 电 机 功 率 最 大的可 达 30MW ,启动 时 对 系 统 造 成的 冲击 很 大, 其 余 功 率 在 2MW 左右 的电 机 ,启动 时 冲击 负荷可 达 10MW 左右 ; 大 黄磷 由 几 家 各 自 独立 的 厂 家 组合 而 成,缺 乏 有 效 的负荷 控 制手段 , 所 以 在黑启动 初期建议 省调 只考 虑 恢复 对 昆 钢 和大 黄磷 的 保 安 用 电。
非 工业 负荷 约 占 了地区 总 负荷的 27%, 其 中重 要 客户占 总 负荷的 10 %, 未 列 入 低 周 低 压 减载 方 案中, 客户 名 单 和供电 线路 详见 附录 9。 由 附录 9可 见 重要 客户主 要 集 中在昆明 市 区 二 环路范围以 内 , 主 要 集 中在 城 区供电分 局 所 辖 的 110kV 变 电 站 供 电。在电网恢复 初期 应该首先 恢复。 其 它 非 工业 负 荷 约 有 17 %,大部分是昆明 城 区的 居民 生 活 用 电 或 商 业 用 电负荷,少部分是 远 郊 及 县 区负荷 (列 入 低 周减载 方案中 ) 。 非 工业 客户 大 多 数 是 公 用线路 , 负荷一 般 比较稳 定, 波 动不大, 送 电 时 对 系 统 的 冲 击 较 小 。在“黑启动”中昆明 城 区作 为 优先 考虑 恢 复的负荷。
110kV 线路 直 供的大 型客户 约 占 昆明地区 总 负 荷的 6%, 未 列 入 低 周 低 压 减载 方案。 这 些 客户 一 般都 是化 工 客户 , 与 地调 签 有 调度 协 议 ,在电网恢 复 初期 ,地调调度 员 可 以 直 接 下 达 给 客户 允许 恢复 的负荷 数 。 对 这 些 客户 原则 上 只 供 保 安 负荷。电 铁 由 于 负荷 波 动 比较 大, 且 是 游 走 性 负荷, 对 系 统 有 一定的 冲击 性 ,在“黑启动” 初期 、 系 统 未 恢复 稳 定 以 前 暂 不 考虑 对其 进 行供电。
由 35kV 线路 供电的中 型 工业 客户 约 有 510.16 MW 的负荷, 占 昆明地区 总 负荷的 20%左右 , 这 些 客 户 大 多 是 冶炼 、水 泥 、 黄磷等 高 能 耗 企 业 , 主 要 使 用 的电 弧 炉 、 轧 钢机 、起 重 设备等 , 用 电过程中 产 生 很 大的 冲击 负荷,在 系 统 恢复 初期只考虑 供 保 安 负荷。
小 型 工业 客户主 要 集 中在 10kV 线路 上 , 这 类 客 户主 要是一 些 小 型 加 工 厂、 小 型 机 械 厂 和 小 型 冶金 企 业 ,大 约 有 255.56 MW的负荷, 占 昆明 总 负荷的 10%左右 , 但 这 部分负荷 单 个 客户 负荷 较 大, 有 些 客户 “ T ” 接 在 公 用线路 上 , 目 前 缺 乏 有 效 的负荷 控 制手段 ,在 系 统 负荷 紧 张阶段 不 考虑 送 这 部分负 荷。
电 力 公司 管辖 的 35kV 变 电 站 出 线 所 供的负荷 大 约 有 160.7MW , 约 占 昆明地区 总 负荷的 6%,大部 分负荷 为 昆明 市 所 属 县 区 居民 生 活 用 电和 农 业 用 电, 对 供电可 靠 性 的要 求 不是 很 高 , 负荷 波 动不大, 可 由 电 力 公司 调度 通 知 客户 调整负荷。
一 般 地供电部 门均装 有 负荷 控 制 系 统 。 我 局 目 前 的负 控 由用 电部 门 管 理 , 主 要 应 用 在 防窃 电 、 远 方 抄 表 、 负荷 越 线 报警 等 方面。 客户变压 器 容 量 在 1000kVA 以 上 要 求 接 入 该 系 统 , 目 前 仅 在少部分 10kV 客户 实施过 跳闸 功能。在“黑启动” 初期 ,可 利 用其 群 发 信息 的功能, 向 客户 发出 信息 ,要 求 客 户 积 极 配 合 控 制 负荷, 对接 入 跳闸 的 客户 ,可 配 合 控 制 负荷。
3、负荷恢复原则
根据 昆明地区负荷的特点,结合“ 小 步 有 序 恢 复”的 指 导思想 ,在黑启动恢复 初期 , 我们 对 负荷 恢复的 基 本 思 路 如 下 :
1) 首先 恢复重要 客户 的供电, 这 部分负荷 主 要 是 10kV 线路 供电, 单 条线路 负荷在 1~2MW 左右 ;
2) 恢复重要化 工 企 业 的 保 安 用 电;
3) 恢复昆明 城 区 居民 用 电;
4) 恢复昆明 近郊 地区 居民 生 活 用 电;
5) 恢复一 般 工业 客户用 电。
3 电网全黑后面临的主要问题
1) 地调 管辖 的 220kV 变 电 站 的 主变各 侧 断 路 器 、 各 110kV 分 路 的 断 路 器 是 否 需 要 由运 行 转 热 备 用 ;
2) 各 110kV 变 电 站 的 断 路 器 是 否 需 要 由运 行 转 热 备 用 ;
3) 在 各变 电 站 的 直 流蓄 电 池 有 效 供电 时 间内 , 如 何尽 快 恢复 该 站 的 站用 电;
4) 在 各变 电 站 的 通 讯直 流蓄 电 池 有 效 供电 时 间 内 , 如 何尽 快 恢复 该 站 的 站用 电, 从而确 保 通 讯 的 畅 通 ;
5) 面 临 大 量 的 110kV 无人值班 变 电 站 , 集控 站 如 何 操 作 才 能 尽 快 恢复供电;
6) 在黑启动恢复 初期 ,电网 非 常 薄弱 , 如 何确 保 对 负荷 进 行 小 步 有 序 的恢复, 才 能 防止 频 率 、 电 压 的 崩溃而导 致 黑启动 失败 。
4 采取的对策
1) 220kV 变 电 站 断 路 器 作 如 下 考虑
在省调 编写 的“ 云南 电网黑启动实施方案”中 明 确 提出“分 层 、 分区” 设 立 “ 目 标 电网”的 思 路 , 明 确 要 求 “ 断 开主 网 各厂、站 供电负荷 开 关 、 解 列 220kV 系 统 网 架 , 确 定 220kV 系 统 的恢复 路 径 ”。 根据 昆明地区电网的结构特点, 220kV 电网 层 与 地区负荷 层 通 过 220 kV主变来连接 ,是地区负荷电 源 的 总 通 道 , 各 110kV 出 线 分 路 负 责 电 源 的分 配 输 送 , 所 以按 上 述 思 路 作 如 下 考虑 :
l 各 220kV 变 电 站 的 主变各 侧 断 路 器 由运 行 转 为 热 备 用 ;
l 各 220kV 变 电 站 110kV 出 线 断 路 器 由运 行 转 为 热 备 用 。
2) 110kV 变 电 站 断 路 器 作 如 下 考虑
l 为 了在“黑启动” 初期 控 制 负荷, 原则 上 各 110kV 变 电 站 的 10kV 、 35kV 分 路由运 行 转 为 热 备 用 , 站用变 保 持 运 行 状 态 ; l 110kV 变 电 站 的 主变各 侧 断 路 器 先 保 留 运 行 状 态 , 视 电网的 具 体 情况 处 理 :可 由 上 级电 源 断 路 器直 接 带 主变送 电 运 行; 或 者 先 停 主变、 再送 上 级电 源线路、 再送主变、 送 相 应 的分 路 。
3)对 110 kV大 量 无人值班 变 电 站 操 作的 考虑 在“黑启动” 初期 ,电网 运 行 非 常 薄弱 , 对 负 荷的 控 制 要 求较 高 。 因此 , 需 要将 110kV 变 电 站 35kV 、 10kV 出 线 分 路 断 开 。 若 东 区 、西 区 、城 区分 局各 自 所 辖 的 十 多 个 变 电 站、 配 网 线路 达 几 十 条、 上 百条 的出 线 断 路 器均 由 分 局 的 集控 站 一一 远 方 操 作, 势 必 会 大大 影响 电网的 快速 恢复 运 行。 对 此 按 “ 确 保 重点,合 理 分 配 ”的 原则 进 行 操 作。 具 体 采 用以 下方 式:
l 对 重要的 城 区 变 电 站 , 采 用 集控 站 远 方 操 作 与变运 人 员 到 现 场 操 作 相 结合的方 式 。 对 近 距离 的 变 电 站 , 可 派 变运 人 员 到 现 场 操 作, 中 、 长 、 远 变 电 站 采 用 集控 站 远 方 操 作的方 式 。 届 时 可结合 具 体 情况 灵 活 运用 。
l 对 一 些 边 远 的 变 电 站 , 若 无 重要的负荷, 可 放 在 最 后 操 作, 甚至 不 操 作, 待 电网恢复 稳 定 后 , 能大 批 量 恢复负荷 时 再 考虑 由 220kV 电 源 侧 断 路 器直 接送 电。 但 若 本 站接有 地方 并网的 小 电 源 时 , 应先 将并网 断 路 器 断 开 , 防止 小 电 源 向 大电网 倒 送 电 或小 电 源 受 大电
网的 冲击而 损 坏 设备 , 如 110kV 禄劝 变、 富 民 变 。
5 地区电网“黑启动”恢复思路及原则 根据 以 上 基 本 原则 和昆明地区负荷的特点,结 合昆明电网 低频 减 负荷方案将昆明地区负荷 划 分 为 10个 轮 级, 低频 减 负荷方案中 没 有 涉 及 的负荷定 为 第 一级, 低频 减 负荷 轮次 为 “ 后 备 ”的负荷定 为 第 二 级, 低频 减 负荷 轮次 为 “特 2” 、 “特 1” 轮 的 分 别 为 第 三 、 第四 级, 低频 减 负荷 轮次 为 第 6、 5、 4、 3、 2、 1的分 别 定 为 第五 、 六 、 七 、 八 、 九 和 第 十 级。 根据 省调下 达 的负荷 指 标 ,在省调 指 挥 下 从 第 一级 开 始逐 步 恢复 各 级负荷。 考虑 到在 同 一 轮 级 的负荷恢复中, 仍 有 重要 与 较 重要 之 分, 故 对 同 一 轮 级的负荷 按 重要 性 进 行了 排 序 ,并将 每 一 轮次 负 荷 按 每 50MW 作一 次细 化 小计 。
6 地区电网“黑启动”调度实施方案
1、第一阶段 准备阶段
系 统 全 停 时 , 突然 有 大 量 的 信息 涌 入地调, 地 调 当 值 调度 员 将 淹没 在 信息 的 海洋 中 而 不能 迅 速 研究 事 故 情况, 下 达 调度 指 令 和 通 信 会 遇 到 预 想 不到的 困难 , 各厂、 站 在 交 流 电 源 消失 后 , 其 自 用 电 由 直 流蓄 电 池 供 给 , 由 于 直 流蓄 电 池容 量有 限 、 导 致 正常供电的 时 间 也 有 限 , 若停 电 时 间 太长 可能发生 断 路 器无 法 操 作的 情况, 即 使 外 部 来 电 也 无 法 及 时 恢复 站用 电, 而 延误 负荷恢复。 所 以 ,在电网全 停 后 , 当 值 调度 员 在 等 待 来 电 期 间 , 应 及 时 分 析事 故 发生 的 原 因 , 理 清 工 作 思 路 , 按 黑启动方案 及 时 调 整 运 行方 式 , 为 黑启动 做 好 前期 准 备 。
2、 第二阶段 初步恢复阶段
当 省调完成 对 骨干 电网 充 电 以后 , 云南 电网 形 成 3个 孤岛 的 子 网。 确 认 省调 已 恢复部分 220kV 变 电 站 电 源后 , 按 省调要 求 , 地调恢复 相 应 110kV 、 35kV 出 线 所 供 变 电 站 的负荷, 各 220kV 变 电 站 供电 片 区 负荷 统计 见 有 关表 格 。 由 于 这 一 阶段 电网的发电 量 不大, 系 统 只 能 带 很 少的负荷, 原则 上 只考虑 对 重 要 客户(含 特 别 重要 工业保 安 电 ) 恢复 送 电。 3、 第三阶段 大规模恢复负荷阶段
在省调完成 对 骨干 电网的 充 电, 带 动昆明电 厂、 阳 宗海 电 厂、以 礼 河 电 厂、 曲靖 电 厂、 宣 威 电 厂、 小龙 潭 电 厂 等 第 二 批 电 厂 机 组启动并 且稳 定 运 行 以后 , 进 一 步 连接 这 些 孤岛 。 当 云 南 电网 目 标 网 架 并 列 ,启动 更 多 的发电 机 组, 电网恢复到正常网 架 结构, 扩 大供电 范围 , 省 调 势 必 调整 机 组出 力 , 恢复 各 地区负荷, 此 时 , 我们 可 以 更 大 规模 地恢复负荷, 调整 系 统 运 行 方 式 ,恢复负荷 及 相 应 线路 详见 附录 6。
4、 第四阶段 清理阶段
在电网 基 本恢复正常 以后 , 可能 会有局 部地区 因 输变 电 设备 损 坏 而 不能恢复供电, 对 此 考虑
如 下 :
若 220kV 变 电 站主变及以 上设备 不能恢复 时 , 可 应 用 110kV 网 络来 转 供负荷。在 以 往 的 操 作 中 我们 曾 经 实施了 220kV 普吉 变 电 站、 海 埂 变 电 站 220kV 部分全 停 的方案。 具 体 可 参照 “昆 明电网 事 故预 案 (N-2部分 ) ” 来 处 理 。
若 110kV 变 电 站 不能恢复,可 以用 35kV 、 10kV 配 网 来 转 移 负荷。
7 调度自动化系统的分析研究
1、概述
随 着 无人值班 变 电 站 的大 量 实施, 新 建 、 改 建 的 综 合自动化 变 电 站 的大 量 投 入 使 用 , 变 电 站 智 能 化的程度 越 来 越高 ,调度自动化在电 力 系 统 中 越 来 越 起着 十 分重要的作 用 , 由 过 去 的 辅助 系 统 , 变为 了 今 日 的重要 系 统 。 如 果 调度自动化 失灵 , 则 会 失 去 对变 电 站 的 有 效 监控 。 因此 , 南 方电网 公司 的 《 电 力 生 产 事 故 调 查规 程 》 中就明 确 规 定 :“地 (市) 级 及以 上 调度 机 构调度自动化 系 统 失灵 超 过 1小 时 ” 为 B 类 一 般 电网 事 故 。
当 电网发生全黑 时 ,调度自动化 系 统 能 否 正常 运 行, 为 调度 员 提供 准 确 的电网实 时 信息 , 确 保 对 设备 的正 确 操 作,是 快速 恢复电网正常 运 行的 关 键 手段 之 一。在 日 常的 运 行中,全 站 失 电 或 外 部电 源 故 障 导 致 为 调度自动化 设备 提供 工 作电 源 的 UPS 交 流 失 电, 也 是 较 为 常 见 的 故 障 。正 确 处 理 这 一 类 的 故 障 , 确 保 调度自动化 系 统 的 安 全是 十 分重要的。 昆明供电 局 电网调度自动化 系 统 由 地调 主站 系 统 、城 区分 局 集控 站、 高 压 分 局 集控 站、东 区分 局 集控 站、西 区分 局 集控 站、东 川 分 局 集控 站以及 分 站端 的 RTU 、 综 合自动化 系 统等设备 组成,是调 度和 运 行 人 员 掌握 电网 运 行 状 态 、对变 电 站 进 行 监 控 的 主 要 途 径 。在昆明电网发生大 停 电 事 故 以后 , 要 尽 可能 延长 调度自动化 系 统 连 续 正常 运 行的 时 间 , 把 停 电 对 调度自动化 系 统 影响 降 到 最 低 , 目 的 在 于 为 调度提供 及 时 、 准 确 的电网 运 行 信息 , 配 合 调度 快速 恢复昆明电网的正常 运 行。
2、调度自动化系统事故处理原则
昆明供电 局 调度自动化 主站 系 统 和 各 分 局 集 控 站 系 统均 采 用 UNIX 操 作 系 统 和 ORACLE 数 据 库 , 对 电 源 要 求较 高 。 系 统 非 正常 停 机 , 有 可能 会 造 成 系 统 崩溃 ,重 新 安 装 系 统 ,恢复 系 统 的 各 项 功能和 应 用 需 要一 周 左右 时 间 。 因此 在 交 流 电 源 停 电 后 , 系 统 由 UPS 供电,不能 等 到 UPS 电 池 放 光 而 强迫 停 机 , 需 要 事 先 采 取措 施,可 停 用 次 要 设备 , 延长 UPS 供 电的 时 间 。 系 统 由 逆 变 电 源 供电的, 应 在 站用 直 流 系 统 电 池 放 电 告 警 前 采 取措 施, 防止 强迫 停 机 。 必 要 时 , 需 要 及 时 主 动 停 运厂站端 监控 系 统 , 以 确 保 系 统 安 全。 保 证 在 交 流 电 源 恢复 后 , 厂站端 监控 系 统 能 够 正常启动。 厂站端 监控 系 统设备 虽 然 用 UPS 不 间断 电 源及 逆 变 电 源 供电, 交 流 停 电 后其 供电 时 间 由 UPS 或 站用 直 流 系 统 电 池容 量、 负荷大 小 情况 来 确 定, 各变 电 站端 监控 系 统 端 电 源 配置 不 尽 相 同 。 通 常情况下,正常供电 时 间 一 般按 8小 时考虑 。
8 “黑启动”恢复期间注意事项
为 尽 可能 快速 恢复昆明电网 至 正常 运 行 状 态 , 防止 在恢复过程中电网 再 次 发生 瓦 解, 应 注意 以 下 问题 :
1) 在黑启动过程中 严 格 坚 持 “ 统 一调度 、 分级 管 理 ”的调度 管 理原则 , 由 地调 统 一负 责 指 挥 昆明电网恢复 工 作, 各 单 位 要 严 格 执 行调 度 指 令 , 密切 配 合。
2) 为 保 护 送 电 设备 的 安 全, 在黑启动 前 应该 做 到 :涉 及 的 元件 保 护 及线路 保 护 必 须 投 入 运 行,要 确 保 蓄 电 池 的电 压 能 为 继 电 保 护 、 监 控等 二 次 设备 提供正常的 工 作电 源 。
3) 由 于 电网全黑 有 一个过程,不可能 瞬 间 全 黑, 所 以会有 一部分 变 电 站 的自动 装置 (如 安 稳 切 负荷 装置 、 低 周 低 压 减载 装置 、 备 用 电 源 自 投装置等 ) 发生动作, 变 电 站 的 运 行 方 式 将发生 相 应 改 变 。 故 在黑启动恢复 之 前 , 调度 员应 及 时 了解 各 重要 变 电 站 的一 二 次 设备 的 相 关 信息 , 保 证 黑启动的 顺 利 进 行。
4) 在 “黑启动” 恢复负荷 初期 , 要 严 格 依 据 云 南 电 力 调度中 心 当 值 调度下 达 的恢复 目 标 值 , 稳步 有 序 地 进 行负荷恢复。 各 集控 站、 变 电 站 的 运 行 人 员 在 加 强 对 负荷大 小监控 的 同 时 ,要特 别 注意 对 电 压 的 监视 , 防止 有 功 无 功的 平 衡破 坏 而导 致 黑启动 失败 。
5) 在负荷恢复 时期 , 应该 严 格 遵循 昆明 城 区特 别 重要的负荷 (含 特 别 重要 工业保 安 电 )、 昆明 城 区重要负荷 、 重要 工业 负荷,昆明 城 区一 般 负荷 、 郊 区负荷的 顺 序 进 行恢复。在 特 别 重要的负荷中, 要 尽 快 恢复省电 力 调度 中 心、局 大 楼 、 中 国移 动 、 中 国联 通、 中 国 电 信 等 通 讯单 位 机 房 的供电, 确 保 通 讯 畅 通 。
6) 各变 电 站 在全黑 期 间 站 内 的 事 故 照 明要 尽 可能 用外 配 的 事 故 照 明 应 急灯 ; 各变 电 站 所 有 的 操 作 应尽 可能在 蓄 电 池 被拖垮 之 前 完 成, 并 尽 力 在 蓄 电 池 被拖垮 之 前 恢复 对 该 变 电 站 供电, 保 证 变 电 站 直 流 系 统 供电正常。
7) 全黑 后 , 昆明 城 区可能发生 交通 拥挤 、 混乱 , 操 作 人 员 若 选 用 常 规 交通 工 具 很 难 到 达 昆 明 城 区 内 的 相 关 变 电 站 , 此 时 , 操 作 人 员应 该 及 时 调整 选 用 轻便 灵 活 的 交通 工 具 。
9 结 束语
1) 本方案 仅仅 只 是 原则 性 指 导 方案, 具 体 实施 时 , 应根据 电网 事 故 前 的 运 行方 式 和 故 障 形 态 灵 活 应 用 。
2) 黑启动实施方案 与 实际电网 联 系比较紧 密 , 而 电网 又 是不 断 发 展 变 化的, 因此 ,黑启动 实施方案 应该 实 时 反映 电网 变 化情况。 建议 每 年 结合 年 度 运 行方 式 编 制 出 当 年 相 应 的黑 启动调度实施方案。
3) 需 要 对 所 有 涉 及 到黑启动的分 局 调度 、变 电 站 人 员 进 行 培训 , 且 培训 工 作要 随 着 黑启动 方案的 改 变 而 随 时 进 行, 做 到 培训 工 作 制 度 化, 以 提 高 值班人 员 对 电网 异 常 事 故 的 应 变 能 力 。
4) 通 过 对 本方案的研究, 我们 深 切 体 会 到“黑 启动”是一个 系 统工 程, 它涉 及 到电 力 系 统 的发 、输、变、 配 、用及 一 、 二 次 系 统等 方 方面面。在黑启动 初期 ,负荷 按 目 标 值 得 到 有 效 控 制 ,是 确 保 “黑启动”在 短 时 间内 启 动成功的重要 因 素 之 一, 而 客户、 特 别 是大 客户 的 理 解 、 支 持 和 配 合是不可缺少的。作 为 供电 企 业 ,在 搞 好 企 业 内 部 安 全生 产 的 同
时 , 还 需 要 对客户多 宣传 , 与客户多 沟 通、 交 流 , 增 进互 信 、 互 任 , 树 立 双 赢 的 理 念 , 共 同 维 护 好电网的 安 全 稳 定 运 行。
参考文献
【 1】 李 文 云、 李玲芳 等 云南 电网“黑启动”调度实施方案研究; 【 2】 国 家 电 力 调度 通 信 中 心 《 电网调度 运 行实 用 技术 问 答 》 ;
【 3】 国 家 电网 公司 调度中 心 《 全 国 省调 局(所 ) 电网 责 任 事 故 分 析 (1990~1997) 》
【 4】 黄 益庄 等 《 变 电 站 综 合自动化 技术 》
【 5】 程 民 等 《 无人值班 变 电 站 监控 技术 》
【 6】 陈 家 斌 《 变 电 运 行 与管 理 技术 》
【 7】 龚 强 《 地区电网调度自动化 技术 与 应 用 》
作者简介 :
杨春雨, 男, 工学学士、 管理学学士, 助理工程师, 调度员, 2003年毕业于武汉水利电力大学, 目前从事电网调度运行、 管理工作。
李永锋,男,工学学士,高级工程师,调度所副所长, 1986年毕业于华北电力大学,目前从事电网调度管理工作。
地区电网“黑启动”浅析
作者:杨春雨 , 李永锋
作者单位:昆明供电局调度所,昆明,650011
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6541367.aspx
范文五:基于分布式发电的微电网黑启动设计与实现.doc
基于分布式发电的微电网黑启动设计与实
现5900字
摘 要: 针对电故障的不可预测性,基于逆变器控制的基本原理,对锁相环技术以及SP技术的数学建模分析,提出多种控制模式下微电的黑启动控制策略。对分布式电源的控制方法进行了研究,分析比较了微电控制模式,并将逆变器的控制方法应用到微电控制中
去,在此基础上提出一种新型的恢复速度更快的并行恢复黑启动方案,基于Matlab对其进行了仿真,验证了微电串行恢复和并行恢复的有效性和可行性。
关键词: 微电; 逆变器控制; 黑启动; 并行恢复
中图分类号: TN915.03?34; TQ028.1 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2016)13?0140?05
Abstract: For the unpredictability of the poathematical modeling
of SP technology and phase?locked loop technology are analyzed based
on the basic principle of inverter control. The microgrid black start
control strategy under multiple control modes is put forethods for
distributed poicrogrid control modes are analyzed and compared. The
control method of the inverter is applied to the microgrid control. A nee
ulated icrogrid serial recovery and parallel recovery icrogrid; inverter control; black start; parallel recovery
随着全球工业化进程不断加速,各个国家对电力资源的需求飞速增长,人们把越来越多的目光投向了既可以提高化石燃料的利用效率又能充分利用各种清洁能源的分布式发电技术[1]。进而,以分布式电源为基础的微电成为了电发展的主要趋势。但是,由于电故障具有不可预测性,当微电运行出现故障,未能正确处理时,可能导致整个微电全黑[2]。为了保证微电的稳定供电,就要求微电具有黑启动能力应对不确定的事故。
本文针对各种微电源的特性,首先,对分布式电源控制技术进行了研究,并对三种控制方式进行仿真验证;其次,对比分析了微电主从控制和对等控制方式的优点,并对其性能进行分析验证;最后,设计了一套含有串行恢复的分模块并行恢复方案,并利用
Matlab对其进行仿真验证。
1 分布式电源控制方法研究
分布式电源是微电运行的基础,而分布式电源是通过各种电力电子逆变器接口接入微电的,所以对这种电源的控制可以转化成对逆变器的控制。目前对逆变器的控制主要有三种方式:恒功率控制(PQ control)、恒压恒频控制(V/f control)以及下垂控制(Droop control)。
1.1 恒功率控制
恒功率控制是将无功电流和有功电流进行解耦控制,利用PI调节来实现控制,通过SP调节控制逆变器保证分布式电源输出的有功功率和无功功率保持在一个固定值[3]。设计一个电流闭环系统,实现对参考电流的实时跟踪。控制器主要包括锁相环、变换器、电流环控制以及SP控制。
1.2 恒压恒频控制
V/f控制使用电压电流双闭环控制方式,电压外环使逆变器能够稳定输出电压,为其他分布式电源提供支持;电流环为内环,提高系统动态响应,减少谐波含量,提高微电中各个微电源的可控性[4]。V/f控制主要应用于主从控制模式中,主要作用是使微电中的主控制器输出的电压和频率在可调范围之内,使从控制单元不用承担支撑微电电压频率的任务,从而能够正常稳定输出。
1.3 下垂控制
下垂控制器利用传感器对逆变器输出电压电流进行采样,计算得到逆变器输出的有功和无功功率,然后经过下垂控制模块得到电压和频率的参考值输入给电压电流双闭环系统,经过PI调节对参考值进行跟随,得到无静差的正弦信号,最后经过SP调制,控制逆变器的开关管通断。
2 微电控制模式建模
2.1 主从控制模式
主从控制模式是指根据各个分布式电源的自身情况不同,运用不同的控制策略,实现其不同的作用。微电中,一个分布式电源作为主控制单元测量侧的各种电气量,根据电的运行状况进行相应的调节,而其他从控制单元通过通信线路与主控制单元相连接,按照给定进行输出,使整个电的负载和输出达到功率平衡[5]。主从控制中的主控制单元采用恒压恒频控制,输出稳定的电压频率,而其他从控制单元依然采用恒功率控制其输出功率来维持系统与本地负荷的功率平衡。
2.2 对等控制模式
对等控制模式是指在整个微电系统中,各个分布式电源在控制上都有着相等的地位,不存在从属关系,每一个分布式电源都根据接入系统的电压和频率信息进行控制。目前普遍使用的分布式电源的控制方法是Droop控制,各个微电源独立运行[6?7]。在微电并运行时,微电的电压幅值和频率由配电支撑,各个微电源按照额定功率输出电能;当系统运行在孤岛模式时,电中的每一个采用下垂控制的分布式电源都参与到微电的电压和频率的调节中。当负载发生变化时,各个分布式电源自动根据下垂系数分担负载的变化量。
3 微电黑启动
3.1 微电恢复步骤
黑启动电源在输出端为0的情况下,能够自行进行启动,建立微电的电压,并且带动其他非黑启动的电源启动,逐渐扩大微电系统的容量,最终实现微电在离状态下的正常带载运行,具体操作步骤如下:
断开微电中的本地负荷以及微电源;选择黑启动电源;启动黑启动电源;模式切换与同期并列;启动非黑启动微电源,并入微电中;增加微电的本地负载。
3.2 传统微电串行恢复方案
串行恢复,启动顺序为由一个黑启动电源启动,建立电电压频率后,其余电源逐个启动,随后组[8]。微电进行串行恢复,首先柴油发电机在不连接外部电的情况下进行带载自启动,建立起微电的电压和频率,在运行稳定后,其余的两个分布式电源采用恒功率控制进行启动,直接并入主参考源中,电压频率跟随柴油发电机,自身按照恒定的功率输出。稳定运行后接入负载,微电源对输出功率自行调整,保证输出功率与负载平衡。
3.3 微电并行恢复方案
按照图1设计黑启动方案,建立混合控制的微电。在微电黑启动初期,将微电分成三个子模块,其中一个模块采用串行恢复,一个分布式电源采用恒压恒频控制,作为主参考源对电中的重要负载供电,其余两个模块中的分布式电源采用下垂控制,保证能够在黑启动的第一时间启动,保证负载的供电。由于采用下垂控制的逆变器抗扰动能力较差,所以在分布式电源均启动并稳定运行后,采用下垂控制的逆变器需要转换控制模式,转为恒功率控制,并入到主参考源中,这时整个微电为主从控制模式,整个微电的抗扰动能力增强,能够向负载提供稳定的电能。
4 仿真分析
4.1 基于分布式电源控制方法的仿真分析
4.1.1 基于Matlab/Simulink的PQ控制仿真
搭建基于PQ控制的三相逆变器运行仿真模型,仿真分为主电路模块和控制模块。系统电压为380 V,频率为50 Hz。逆变器负载端带有两个负载,均为10 katlab/Simulink的V/f控制仿真
在恒压恒频控制中微电源离运行,参考线电压为380 V,频率为50 Hz。带有负载load1和load2,load1为5 kulink搭建含有两个分布式电源的微电,两个微电均采用Droop控制,独自采集本地电压、电流和频率信息,对逆变器进行控制;两个分布式电源都分别带有本地负荷,微电中还有一个公共可以切入切出的负荷,所有的
逆变器和负荷通过母线与配电相连,仿真中的配电用大容量的三相交流电源代替。
设计对等控制仿真步骤:初始时,系统处于离运行状态,0.3 s后系统与电侧断开连接,进入并运行状态,查看微电并/离状态切换是否稳定,以及系统并运行性能;0.8 s后系统重新离运行,1 s后将其中一个负载切出,1.2 s后接入另一个负载,通过开关模拟负载变化,验证其下垂特性以及功率跟踪能力,如图5所示。
从图5(a)仿真结果可以得出,两个逆变器快速进行了响应,重新分配功率输出保证负载的供电,同时,验证了对等控制微电在离模式运行时采用下垂控制策略的有效性。在图5(b)的对等控制中,系统对单个微电源的依赖性不强,负载的变化由内的微电源共同承担。
4.3 基于微电黑启动仿真分析
4.3.1 基于串行恢复方案的仿真分析
柴油发电机作为主控制器,采用V/f控制运行,额定线电压的幅值为380 V,频率为50 Hz,输出功率可调,其余逆变器采用PQ控制,微电参数设计见表2。
按照表3进行黑启动操作,串行恢复负载功率仿真结果如图6(a)所示。由实验结果可知,PQ控制逆变器能够经过自身的调解平定冲击,将输出恢复到设定值。在本地负载依次接入时,由于柴油发电机设计的容量大,并且容量可调,保证了负载的稳定供电。但是,由于使用柴油发电机作为黑启动电源,响应速度较慢,建立侧电压时间较长,面对侧突变导致的频率变化调整时间较长,具体如图6(b)所示。虽然顺利完成黑启动,但是速度较慢。
4.3.2 基于并行恢复方案的仿真分析 建立由三个逆变器组成的微电。采用V/f控制的微电源作为主参考电源,将微电分成三个模块,主模块主参考源采用V/f控制进行黑启动,其余模块中微电源采用droop控制进行启动,如表4所示。
按照表5进行黑启动操作,并行恢复负载功率仿真结果如图7(a)所示。由实验结果可得,利用这种方式进行黑启动,所有负载第一时间恢复供电,其余时间只是逆变器的控制变换。
5 结 论
本文针对各种微电源的特性以及控制方式,充分利用各个微电源的黑启动能力制定黑启动方案。主要对分布式电源的控制技术以及微电的控制方式进行了研究,确立了微电黑启动的步骤,基于此结合并行恢复以及串行恢复的优点,设计了一套含有串行恢复的分模块并行恢复方案,并且通过仿真实验验证了该方案的有效性和可行性。在以后的研究中,可从微电的控制方式和控制器结构等方
向入手,研究如何减小功率冲击。
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