基于光儲發電系統的電網黑啟動方法

基于光儲發電系統的電網黑啟動方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，包括A）對單向Boost的PWM變換器調制信號進行擾動觀察，使光伏陣列實現快速跟蹤負荷功率變化，且光伏陣列功率輸出逐漸趨近于負荷需求功率；B）對儲能單元部分進行控制，并通過控制晶閘管的PWM調制信號來維持直流母線電壓的穩定；C）根據恒壓恒頻的V/f控制策略和d、q旋轉坐標系下改進的雙環控制，實現對電壓幅值和頻率的快速調節和實時跟蹤；D）通過一次性合閘方法對長距離空載輸電線進行充電后再啟動廠用異步電動機，實現電網的黑啟動。本發明利用光儲發電系統對斷電后的電網進行逐步恢復的功能，保證了黑啟動過程中電網電壓幅值和頻率的穩定性，具有良好的應用前景。
【專利說明】
基于光儲發電系統的電網黑啟動方法
技術領域
[0001] 本發明涉及電力系統恢復技術領域，具體涉及一種基于光儲發電系統的電網黑啟 動方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著"堅強智能電網"概念的提出和建設，電力系統在可靠性、靈活性等方 面有了長足的發展，但惡劣天氣、自然災害、設備故障等原因引發的大面積停電事故卻仍然 難以避免。近年來，全世界范圍內陸續發生的多起大規模停電事故(如2003年8月的美加大 停電事故、2005年9月的海南全省大停電、2006年11月的西歐大停電、2012年7月的印度大停 電事故等），造成了巨大的經濟損失和社會影響。隨著電網規模的不斷增大，電網的恢復工 作也變得越來越困難，因此，對大停電后電力系統的恢復進行研究，以將事故損失控制在最 小范圍顯得尤為重要。
[0003] 黑啟動過程包括三個階段，包括黑啟動階段、網架恢復階段和負荷恢復階段，其 中，黑啟動電源的選擇和啟動，是電網恢復首要解決的關鍵問題，水輪發電機組與火電、核 電機組相比，具有輔助設備簡單、廠用電少，啟動速度快等優點，因此，在傳統黑啟動方案中 成為黑啟動電源的首選。但是，光伏發電作為一種清潔能源，由于其分布范圍廣，并網迅速， 以及具有良好的自啟動能力，在電力系統黑啟動中有著巨大的應用潛力，如何正確代替水 輪發電機組，是當前急需解決的問題。
[0004] 近年來，隨著智能電網的建設以及新能源并網技術的發展，電網中分布式新能源 的滲透率越來越高，而隨著能源互聯網概念的興起和蓬勃發展，光伏發電等分布式新能源 由于其清潔無污染的特性，其地位勢必將會越來越重要。根據能源局規劃，2015年我國分布 式光伏發電新增裝機預計占年度新增裝機總量的45%以上。隨著光伏電站的容量越來越 大，其成本也在逐漸降低，預計在不久的將來，能與常規發電機組的發電成本形成有力的競 爭，從而極大的重塑我國發電側的市場模式。
[0005] 綜上所述，基于光伏電站的黑啟動在可行性、啟動特性、恢復策略研究具有重要的 意義，是當前亟待解決的問題。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的是為了克服如何基于光儲發電系統，進行電網恢復的黑啟動問題。 本發明的基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，利用光儲發電系統對斷電后的電網進行黑 啟動，節能環保，方法合理、有效、可行，滿足電網發展和工程實際應用的需求，具有良好的 應用前景。
[0007] 為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：
[0008] -種基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，其特征在于:包括以下步驟，
[0009] 步驟(A)，基于改進MTTP策略的光伏陣列單向Boost變換器控制策略，并對單向 Boost的PWM變換器調制信號進行擾動觀察，使光伏陣列實現快速跟蹤負荷功率變化，且光 伏陣列功率輸出逐漸趨近于負荷需求功率；
[00?0] 步驟(B)，基于電壓外環控制結構的雙向Buck/Boost變換器控制策略，對儲能單元 部分進行控制，并通過控制晶閘管的PWM調制信號來維持直流母線電壓的穩定；
[0011]步驟(C)，根據恒壓恒頻的V/f控制策略，控制黑啟動過程中逆變器輸出電壓幅值 和頻率的穩定，并基于d、q旋轉坐標系下改進的雙環控制，實現對電壓幅值和頻率的快速調 節和實時跟蹤；
[0012] 步驟(D)，基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，并通過一次性合閘方法對長距離 空載輸電線進行充電后再啟動廠用異步電動機，實現電網的黑啟動。
[0013] 前述的基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，其特征在于：步驟(A)，基于改進 MTTP策略的光伏陣列單向Boost變換器控制策略，具體如下，
[0014] (A1)光伏陣列輸出最大功率小于負荷需求功率時，光伏發電采取MPPT模式輸出， 不足功率由儲能單元提供補償；
[0015] (A2)光伏陣列輸出最大功率大于負荷需求功率時，光伏發電采取限功率模式輸 出，輸出功率等于負荷需求功率。
[0016] 前述的基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，其特征在于：步驟(B)，基于電壓外 環控制結構的雙向Buck/Boost變換器控制策略，對儲能單元部分進行控制，并通過控制晶 閘管的PWM調制信號來維持直流母線電壓的穩定，具體如下，
[0017] (B1)當光伏陣列輸出功率輸出高于負荷需求功率時，則多余的功率向儲能單元充 電；
[0018] (B2)當光伏陣列輸出功率輸出低于負荷需求功率時，則儲能單元向雙向Buck/ Boost變換器放電，采用電壓外環控制結構，通過控制作用在晶體管的PWM調制信號，維持直 流母線電壓的穩定，保證光伏陣列輸出功率、負荷需求功率的實時平衡。
[0019] 前述的基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，其特征在于：步驟(C)，根據恒壓恒 頻的V/f控制策略，控制黑啟動過程中逆變器輸出電壓幅值和頻率的穩定，并基于d、q旋轉 坐標系下改進的雙環控制，實現對電壓幅值和頻率的快速調節和實時跟蹤，包括以下步驟，
[0020] (C1)根據恒壓恒頻的V/f控制策略，通過設置電壓參考值的虛擬鎖相環進行恒壓 恒頻的控制，保證分布式電源輸出的電壓和頻率保持在恒定值，實現控制黑啟動過程中逆 變器輸出電壓幅值和頻率的穩定；
[0021] (C2)基于d、q旋轉坐標系下改進的雙環控制，實現對電壓幅值和頻率的快速調節 和實時跟蹤。
[0022] 在旋轉d、q坐標系下采用雙環控制，d軸和q軸的控制器設計一致，且兩個軸可分開 單獨控制，根據電路原理，逆變器方程，如公式(1)所示，
[0024] 其中，L為濾波電感、C為濾波電容，iLn為輸出電流即為濾波電感電流、^為逆變器 橋輸出電壓、u n為負載電壓即為濾波電容電壓、iQn為流向微電網饋線的電流、4"為負載電 流；
[0025] 設電流內環比例控制器在S域下的傳遞函數為k，電壓外環比例積分控制器在S域 下的傳遞函數為kup+kul/S，其中，kup為可調比例系數，k ul為可調比例系數與可調積分時間常 數的比，SPWM控制逆變器傳遞函數，一般取kP? = Vdc/2，Vdc為逆變器直流側電壓;逆變 器為強耦合系統，為了分開建立d軸和q軸的控制器，在逆變器方程中加入-c〇Cud- ref、ω CUq-rrf兩個前饋解耦環節，構成單軸逆變器的S域控制函數，前饋解耦環節中，ω為電網系統 的參考角頻率，C為濾波電容值，UcKrrf為d軸參考電壓，Uq-rrf為q軸參考電壓，若參考電壓為 三相對稱的基頻正弦波，則d軸參考電壓Ud-ref為基波幅值，q軸參考電壓Uq-ref = 0,電流內環 以iCn-ref為單軸逆變器輸入，iCn為單軸逆變器輸出，其在S域下的傳遞函數，如公式(2)所示，
[0027]電流比例增益傳遞函數Gi(S)，如公式(3)所示，
[0029]電壓外環以un-ref為單軸逆變器輸入，un為單軸逆變器輸出，其的傳遞函數，如公式 (4)所示，
[0031 ]根據公式(2)和公式(4)，得到公式(5)，
[0032] Un = Gu ( S ) Un-refZ ( S ) ( i 0η+ ? Zn ) (5)
[0033] 其中，電壓比例增益傳遞函數為下式，
[0035]單軸逆變器的等效輸出阻抗為下式，
[0037] 根據公式（1)-公式(5)，得到雙環控制的閉環傳遞函數是一個三階系統，采用極點 配置法進行控制器的參數配置，
[0038] 雙環控制系統的閉環特征根D(S)，如公式(6)所示，
[0040]雙環控制系統的期望特征方程，如公式(7)所示，
[0042]
為主導閉環期望極點，S3 = _m|c〇r為非主導閉 環期望極點，m為開環極點數，ω為參考角頻率，為自然振蕩頻率、ξ為期望阻尼比，對比 公式(6)和公式(7)，得到公式(8)，
[0046] 從公式(9)得到，電流內環的頻帶較寬，動態性能好，能夠實現實時跟蹤，相位裕度 相對較大，但不如電壓外環穩定；電壓外環的相位裕度很大，超調量較小，穩定性較好，兩者 配合得到改進的雙環控制系統，穩定性高。
[0047] 前述的基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，其特征在于：步驟(D)，基于光儲發 電系統的電網黑啟動方法，并通過一次性合閘方法對長距離空載輸電線進行充電后再啟動 廠用異步電動機，實現電網的黑啟動，包括以下步驟，
[0048] (D1)對長距離空載輸電線進行充電
[0049] 在黑啟動過程中，光儲發電系統作為黑啟動電源，需要對長距離空載輸電線路充 電并帶動廠用機組發電，恢復電力系統中的主力機組，實現逐步恢復電力系統供電，在空充 長線路時，其電容效應使得空載長線路末端電壓遠高于首端電壓，此時，工頻過電壓的大小 將直接操作過電壓的幅值，進而影響電氣設備的絕緣、運行性能以及保護電器的工作條件， 在電力設備絕緣中，根據DL/T620-1997過電壓保護標準對操作過電壓倍數，在光儲發電系 統作為黑啟動電源時，采用一次性合閘方式對長距離空載輸電線進行充電；
[0050] (2)啟動電廠異步電動機
[0051]在對長距離空載輸電線路充電的過程中，若工頻過電壓和操作過電壓均在DL/ T620-1997規定范圍內，光儲發電系統在對空載長線路充電后啟動異步電動機，進一步保證 遠距離啟動火電機組廠用電時的電力系統電壓及頻率的穩定。
[0052]本發明的有益效果是:本發明的基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，能夠實現 利用光儲發電系統對斷電后的電網進行逐步恢復的功能，保證了黑啟動過程中電網電壓幅 值和頻率的穩定性，節能環保，方法合理、有效、可行，滿足電網發展和工程實際應用的需 求，具有良好的應用前景。
【附圖說明】
[0053]圖1是本發明的基于光儲發電系統的電網黑啟動方法的流程圖。
[0054]圖2是本發明的光儲發電系統的V/f控制策略圖。
[0055] 圖3是本發明d、q旋轉坐標系下光儲發電系統的雙環系統控制框圖。
[0056] 圖4是本發明的逆變器S域控制結構框圖。
[0057]圖5是本發明的光儲發電系統空載長線路充電接線圖。
[0058]圖6是本發明的光儲發電系統啟動異步電動機接線圖。
[0059]圖7是本發明一具體實施例的仿真驗證系統及控制框架圖。
[0060] 圖8是本發明的基于V/f控制策略的光儲發電系統的控制電路結構圖。
[0061] 圖9是本發明一具體實施例的空載長線路一次性合閘充電時35kV線路末端電壓波 形。
[0062 ]圖10是本發明一具體實施例的啟動異步電機的系統相電壓波形圖。
[0063 ]圖11是本發明一具體實施例的的啟動異步電機的電動機電壓波形圖。
【具體實施方式】
[0064]下面將結合說明書附圖，對本發明作進一步的說明。
[0065]如圖1所示，本發明的基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，包括以下步驟，
[0066]步驟(A)，基于改進MTTP策略的光伏陣列單向Boost變換器控制策略，并對單向 Boost的PWM變換器調制信號進行擾動觀察，使光伏陣列實現快速跟蹤負荷功率變化，且光 伏陣列功率輸出逐漸趨近于負荷需求功率，即讓兩者接近相同，所述基于改進MTTP策略的 光伏陣列單向Boost變換器控制策略，具體如下，
[0067] (A1)光伏陣列輸出最大功率小于負荷需求功率時，光伏發電采取MPPT模式輸出， 不足功率由儲能單元提供補償；
[0068] (A2)光伏陣列輸出最大功率大于負荷需求功率時，光伏發電采取限功率模式輸 出，輸出功率等于負荷需求功率。
[0069] 步驟(B)，基于電壓外環控制結構的雙向Buck/Boost變換器控制策略，對儲能單元 部分進行控制，并通過控制晶閘管的PWM調制信號來維持直流母線電壓的穩定，具體如下， [0070] (B1)當光伏陣列輸出功率輸出高于負荷需求功率時，則多余的功率向儲能單元充 電；
[0071 ] (B2)當光伏陣列輸出功率輸出低于負荷需求功率時，則儲能單元向雙向Buck/ Boost變換器放電，采用電壓外環控制結構，通過控制作用在晶體管的PWM調制信號，維持直 流母線電壓的穩定，保證光伏陣列輸出功率、負荷需求功率的實時平衡；
[0072] 步驟(C)，根據恒壓恒頻的V/f控制策略，控制黑啟動過程中逆變器輸出電壓幅值 和頻率的穩定，并基于d、q旋轉坐標系下改進的雙環控制，實現對電壓幅值和頻率的快速調 節和實時跟蹤，包括以下步驟，
[0073] (C1)根據恒壓恒頻的V/f控制策略，通過設置電壓參考值的虛擬鎖相環進行恒壓 恒頻的控制，保證分布式電源輸出的電壓和頻率保持在恒定值，實現控制黑啟動過程中逆 變器輸出電壓幅值和頻率的穩定；
[0074] (C2)基于d、q旋轉坐標系下改進的雙環控制，實現對電壓幅值和頻率的快速調節 和實時跟蹤，
[0075] 在旋轉d、q坐標系下采用雙環控制，d軸和q軸的控制器設計一致，且兩個軸可分開 單獨控制，根據電路原理，逆變器方程，如公式(1)所示，
[0077] 其中，L為濾波電感、C為濾波電容，iLn為輸出電流即為濾波電感電流、^為逆變器 橋輸出電壓、u n為負載電壓即為濾波電容電壓、iQn為流向微電網饋線的電流、4"為負載電 流；[0078] 設電流內環比例控制器在S域下的傳遞函數為k，電壓外環比例積分控制器在S域 下的傳遞函數為kup+k ul/S，其中，kup為可調比例系數，kul為可調比例系數與可調積分時間常 數的比，SPWM控制逆變器傳遞函數，一般取k P? = Vdc/2，Vdc為逆變器直流側電壓;逆變 器為強耦合系統，為了分開建立d軸和q軸的控制器，在逆變器方程中加入-c〇Cud- ref、ω CUq-re3f兩個前饋解耦環節，構成單軸逆變器的S域控制函數，前饋解耦環節中，ω為電網系統 的參考角頻率，C為濾波電容值，UcKrrf為d軸參考電壓，Uq-rrf為q軸參考電壓，若參考電壓為 三相對稱的基頻正弦波，則d軸參考電壓Ud-ref為基波幅值，q軸參考電壓Uq-ref = 0,電流內環 以iCn-ref為單軸逆變器輸入，iCn為單軸逆變器輸出，其在S域下的傳遞函數，如公式(2)所示， (下列所有公式均在S域情況下考慮）

[0080]電流比例增益傳遞函數Gi(S)，如公式(3)所示，
[0082]電壓外環以un-ref為單軸逆變器輸入，un為單軸逆變器輸出，其的傳遞函數，如公式 (4)所示，
[0084] 根據公式(2)和公式(4)，得到公式(5)，[0085] Un = Gu ( S ) Un-refZ ( S ) ( i 0η+ ? Zn ) (5)[0086] 其中，電壓比例增益傳遞函數為下式，
[0088]單軸逆變器的等效輸出阻抗為下式，
[0090] 根據公式（1)-公式(5)，得到雙環控制的閉環傳遞函數是一個三階系統，采用極點 配置法進行控制器的參數配置，[0091] 雙環控制系統的閉環特征根D(S)，如公式(6)所示，
[0093]雙環控制系統的期望特征方程，如公式(7)所示，
[0095]
為主導閉環期望極點，& = _πιξωτ為非主導閉 環期望極點，m為開環極點數，ω為參考角頻率，ωτ為自然振蕩頻率、ξ為期望阻尼比，對比 公式(6)和公式(7)，得到公式(8)，
[0099] 從公式(9)得到，電流內環的頻帶較寬，動態性能好，能夠實現實時跟蹤，相位裕度 相對較大，但不如電壓外環穩定；電壓外環的相位裕度很大，超調量較小，穩定性較好，兩者 配合得到改進的雙環控制系統，穩定性高；
[0100] 步驟(D)，基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，并通過一次性合閘方法對長距離 空載輸電線進行充電后再啟動廠用異步電動機，實現電網的黑啟動，包括以下步驟，
[0101] (D1)對長距離空載輸電線進行充電
[0102] 在黑啟動過程中，光儲發電系統作為黑啟動電源，需要對長距離空載輸電線路充 電并帶動廠用機組發電，恢復電力系統中的主力機組，實現逐步恢復電力系統供電，在空充 長線路時，其電容效應使得空載長線路末端電壓遠高于首端電壓，此時，工頻過電壓的大小 將直接操作過電壓的幅值，進而影響電氣設備的絕緣、運行性能以及保護電器的工作條件， 在電力設備絕緣中，根據DL/T620-1997過電壓保護標準對操作過電壓倍數，如下表1所示，
[0103] 表1操作過電壓倍數規定
[0104]
[0105]根據表1，在光儲發電系統作為黑啟動電源時，采用一次性合閘方式對長距離空載 輸電線進行充電；
[0106] (2)啟動電廠異步電動機
[0107] 在對長距離空載輸電線路充電的過程中，若工頻過電壓和操作過電壓均在DL/ T620-1997規定范圍內，光儲發電系統在對空載長線路充電后啟動異步電動機，進一步保證 遠距離啟動火電機組廠用電時的電力系統電壓及頻率的穩定。
[0108] 下面根據本發明的基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，介紹一具體實施例，由 于光伏電站具有啟動速度快但容量較小的特點，本發明的啟動策略如下:光伏電站作為大 型火力發電機組的啟動電源，供給火力發電機組的廠用負荷，再由火力發電機組進行常規 的電網黑啟動，采用如圖7所示，仿真架構模擬標準環境參數下光伏電站帶動1MW廠用負荷， 廠用負荷簡化為額定功率1MW的異步電動機，仿真架構采用兩級式并網發電系統結構:光伏 陣列和儲能單元系統分別通過單向和雙向DC/DC變換器并入800V直流母線，然后由三相全 橋整流逆變器將直流逆變為380V交流電，在此種拓撲結構中，單向boost變換器實現光伏陣 列的輸出功率跟蹤，雙向Buck/Boost變換器控制儲能單元的功率流向并且維持直流母線電 壓恒定，各級變換器工作任務明確，簡化了各級控制器的設計，同時對光伏陣列輸出電壓的 等級要求降低，便于光伏陣列的擴展。
[0109] 從仿真框架可以看出，黑啟動整體可以視作兩部分，直流側控制目標為電壓值穩 定在800V左右，逆變后交流側控制目標為線電壓有效值穩定在380V左右并且頻率穩定在 50Hz，電網系統穩定的前提是供需的功率達到平衡，以此為思路，綜合控制策略，具體如下，
[0110] 1.光伏陣列的單向boost變換器控制策略
[0111] 由于在黑啟動空充線路和帶動廠用電動機過程中負荷特性發生巨大的變化，為了 使光伏陣列能夠跟蹤負荷功率變化，快速維持系統的供需功率平衡，光伏陣列不再是傳統 的最大功率(MTTP)控制，而是改進為如下的控制策略，具體如下，
[0112] (1)光伏陣列輸出最大功率小于負荷需求功率時，光伏發電采取MPPT模式輸出，不 足功率由儲能提供補償；
[0113] (2)光伏陣列輸出最大功率大于負荷需求功率時，光伏發電采取限功率模式輸出， 輸出功率等于負荷需求功率，為了控制光伏陣列按需要的功率輸出，采用擾動觀察法對光 伏陣列出口單向Boost電路的PWM調制信號進行擾動跟蹤，使光伏陣列功率輸出逐漸趨近于 負荷需求功率。
[0114] 2.儲能單元的雙向Buck/Boost變換器控制策略
[0115] 由于光伏輸出易受光照強度、溫度等環境因素影響，儲能單元作為輔助設施，協助 維持直流母線電壓恒定，其作用機理是:光伏實際輸出高于負荷所需時，多余功率向儲能單 元充電；反之則儲能單元向主電路放電，以此維持功率的實時平衡，儲能單元的充放電主電 路采用雙向Buck/Boost變換器，以滿足蓄電池能量雙向流動的要求，采用電壓外環控制結 構，通過控制作用在兩晶體管的PWM調制信號，維持直流母線電壓的穩定。
[0116] 3.光儲發電系統的V/f控制策略
[0117] 考慮到黑啟動過程中需要保持電壓及頻率穩定，孤島運行狀態下的光儲電站采用 V/f控制策略，如圖2所示，為光儲發電系統的V/f控制策略圖，A、B、C表示三相電壓的情況， 如圖8所示，為基于V/f控制策略的光儲發電系統控制電路結構圖，涉及的參數詳情如下(其 中n = a、b、c，三相），Ln:濾波電感;Cn:濾波電容;Rn:濾波電阻;Z n:負載阻抗;vn:逆變器橋輸 出電壓；iu:輸出電流（即濾波電感電流）；un:負載電壓（即濾波器電容電壓）；4":濾波電容 電流;i Zn:負載電流;iQn:流向微網饋線的電流;可控正弦調制信號；
[0118] 考慮到LC濾波器容易發生振蕩，所以圖8中串聯一個小阻尼電阻匕，用于抑制振蕩。[0119] 4.基于光儲發電系統的改進雙環控制方案[0120] 在旋轉dq坐標系下采用雙環控制方案，如圖3所示，d軸和q軸的控制器設計基本一 致，且兩個軸可以分開控制，根據電路原理，忽略濾波阻抗的影響，逆變器方程為：
[0122] 逆變器的雙環控制系統在旋轉d、q坐標系下的控制框圖，如圖3所示，其中，電流內 環比例控制器傳遞函數為k，電壓外環比例積分控制器傳遞函數為k up+kul/S，SPWM控制逆變 器傳遞函數為kpwm，取kp?i=VdC/2 ;[0123] 如圖3所示，逆變器為強耦合系統，為了分開設計d軸和q軸的控制器，在系統中加 入ω Cuq-ref、_ ω Cuq-ref兩個前饋解耦環節，則單軸逆變器S域控制框圖，如圖4所示，若參考 電壓為三相對稱的基頻正弦波，則d軸參考電壓Ud-ref為基波幅值，q軸參考電壓Uq-ref = 0，如 圖4可知，電流內環以i&?f為輸入，iCn為輸出，傳遞函數為，

[0125]電流比例增益傳遞函數Gi(S)為：
[0127]電壓外環以Un-ref為輸入，Un為輸出，傳遞函數為：
[0129] 綜合上述式子，可得：[0130] Un = Gu(S)Un-ref-Z(S) (i〇n+iZn)[0131] 其中，電壓比例增益傳遞函數：
[0133]逆變器的等效輸出阻抗為：
[0135]由以上分析可知，雙環控制的閉環傳遞函數是一個三階系統，采用極點配置法進 行控制器的參數設計，其系統閉環特征根為：
[0137]系統的期望特征方程為：
[0139]
為主導閉環期望極點，& = _πιξωτ為非主導閉 環期望極點，則對比系統閉環特征根和系統的期望特征，可得：
[0143] 取自然振蕩頻率ω r = 4000，期望阻尼比ξ = 0.8，ηι=10,參數設置如下表2:[0144] 表2雙環控制模型參數設置
[0148] 因此，得到雙環控制模型結合了電流環和電壓環的優點，系統穩定性更高。
[0149] 5.基于光儲發電系統的電網黑啟動
[0150] 1)對空載長線路充電
[0151]在光儲電站作為黑啟動電源時，采用一次性合閘方式對空載長線路進行充電試驗 (0.5秒的時候一次性合閘，直接對35kV空載長線路和10kV空載長線路充電），接線圖如圖5 所示，仿真結果，如圖9所示，由圖9可知，一次性合閘充電時操作過電壓為50kV左右，工頻過 電壓為36.5kV左右，均在規定的過電壓倍數的范圍內，符合要求；
[0152] 2)啟動廠用異步電動機
[0153] 在對長距離空載輸電線路充電的過程中，若工頻過電壓和操作過電壓均在規定范 圍內，則需要進一步考慮遠距離啟動火電機組廠用電時的系統電壓及頻率的穩定問題。在 黑啟動恢復初期，待啟動機組大多都會選擇風機、水栗等感應電機，感應電機由于其自身特 性，在啟動初期會出現遠遠大于額定值的啟動電流，這會對系統電壓、頻率造成很大沖擊， 此時電網系統結構仍處于不穩定狀態，更加加大了沖擊的力度，甚至導致系統因為電壓和 頻率的嚴重下降而再次崩潰。因此，為保證黑啟動恢復過程的順利進行，需要對光儲電站帶 動廠用機組過程中系統的電壓和頻率的穩定問題進行詳細的建模仿真研究，光儲電站經過 逆變器后對空載長線路進行充電，再啟動廠用異步電動機的試驗，在0.5秒時對35kV的空載 長線路充電，等到電壓和頻率穩定后，在1秒時啟動異步電動機，接線圖如圖6所示，系統相 電壓波形，如圖10所示，電動機端相電壓波形如圖11所示，由圖10可知，系統相電壓波形一 直穩定在幅值311V左右(相電壓有效值為220V)，且為三相對稱的正弦波形，符合要求；由圖 11可知，在啟動廠用異步電機的時候，電動機端過電壓幅值為520V左右，在規定的規定倍數 范圍之內，符合要求。
[0154] 綜上所述，本發明的基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，能夠實現利用光儲發 電系統對斷電后的電網進行逐步恢復的功能，保證了黑啟動過程中電網電壓幅值和頻率的 穩定性，節能環保，方法合理、有效、可行，滿足電網發展和工程實際應用的需求，具有良好 的應用前景。
[0155] 以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征及優點。本行業的技術人員應該 了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原 理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進 都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界 定。
【主權項】
1. 基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，其特征在于:包括以下步驟， 步驟(A)，基于改進MTTP策略的光伏陣列單向Boost變換器控制策略，并對單向Boost的 PWM變換器調制信號進行擾動觀察，使光伏陣列實現快速跟蹤負荷功率變化，且光伏陣列功 率輸出逐漸趨近于負荷需求功率； 步驟(B)，基于電壓外環控制結構的雙向Buck/Boost變換器控制策略，對儲能單元部分 進行控制，并通過控制晶閘管的PWM調制信號來維持直流母線電壓的穩定； 步驟(C)，根據恒壓恒頻的V/f控制策略，控制黑啟動過程中逆變器輸出電壓幅值和頻 率的穩定，并基于d、q旋轉坐標系下改進的雙環控制，實現對電壓幅值和頻率的快速調節和 實時跟蹤； 步驟(D)，基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，并通過一次性合閘方法對長距離空載 輸電線進行充電后再啟動廠用異步電動機，實現電網的黑啟動。2. 根據權利要求1所述的基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，其特征在于:步驟(A)， 基于改進MTTP策略的光伏陣列單向Boost變換器控制策略，具體如下， (Al)光伏陣列輸出最大功率小于負荷需求功率時，光伏發電采取MPPT模式輸出，不足 功率由儲能單元提供補償； (A2)光伏陣列輸出最大功率大于負荷需求功率時，光伏發電采取限功率模式輸出，輸 出功率等于負荷需求功率。3. 根據權利要求1所述的基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，其特征在于:步驟(B)， 基于電壓外環控制結構的雙向Buck/Boost變換器控制策略，對儲能單元部分進行控制，并 通過控制晶閘管的PWM調制信號來維持直流母線電壓的穩定，具體如下， (BI)當光伏陣列輸出功率輸出高于負荷需求功率時，則多余的功率向儲能單元充電； (B2)當光伏陣列輸出功率輸出低于負荷需求功率時，則儲能單元向雙向Buck/Boost變 換器放電，采用電壓外環控制結構，通過控制作用在晶體管的P麗調制信號，維持直流母線 電壓的穩定，保證光伏陣列輸出功率、負荷需求功率的實時平衡。4. 根據權利要求1所述的基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，其特征在于:步驟(C)， 根據恒壓恒頻的V/f控制策略，控制黑啟動過程中逆變器輸出電壓幅值和頻率的穩定，并基 于d、q旋轉坐標系下改進的雙環控制，實現對電壓幅值和頻率的快速調節和實時跟蹤，包括 以下步驟， (Cl)根據恒壓恒頻的V/f控制策略，通過設置電壓參考值的虛擬鎖相環進行恒壓恒頻 的控制，保證分布式電源輸出的電壓和頻率保持在恒定值，實現控制黑啟動過程中逆變器 輸出電壓幅值和頻率的穩定； (C2)基于d、q旋轉坐標系下改進的雙環控制，實現對電壓幅值和頻率的快速調節和實 時跟蹤， 在旋轉d、q坐標系下采用雙環控制，d軸和q軸的控制器設計一致，且兩個軸可分開單獨 控制，根據電路原理，逆變器方程，如公式(1)所示，其中，L為濾波電感、C為濾波電容，Un為輸出電流即為濾波電感電流、Vn為逆變器橋輸 出電壓、Un為負載電壓即為濾波電容電壓、iQn為流向微電網饋線的電流、iZn為負載電流； 設電流內環比例控制器在S域下的傳遞函數為k，電壓外環比例積分控制器在S域下的 傳遞函數為kup+kui/s，其中，kup為可調比例系數，k ul為可調比例系數與可調積分時間常數的 比，SPWM控制逆變器傳遞函數為kP?，一般取k_=Vdcy2，Vdc為逆變器直流側電壓;逆變器為 強親合系統，為了分開建立d軸和q軸的控制器，在逆變器方程中加入-ω Cud-ref、ω Cuq-ref兩 個前饋解耦環節，構成單軸逆變器的S域控制函數，前饋解耦環節中，ω為電網系統的參考 角頻率，C為濾波電容值，Ud-rrf為d軸參考電壓，U trre3f為q軸參考電壓，若參考電壓為三相對 稱的基頻正弦波，則d軸參考電壓Ud-ref為基波幅值，q軸參考電壓Uq-ref = O，電流內環以 為里軸鎖奪器綸入，i α為里軸鎖奪器綸m,其亦s域下的傳遞函教，加公忒（2)所示，電壓外環以un-ref為單軸逆變器輸入，un為單軸逆變器輸出，其的傳遞函數，如公式(4) 所示，根據公式(2)和公式(4)，得到公式(5)， Un = Gu ( S ) Un-ref-Z ( S ) ( i On+1 zn ) (5) 甘由.由FRhk仿il憎益佑謙涵教為下尤.根據公式（1)-公式(5)，得到雙環控制的閉環傳遞函數是一個三階系統，采用極點配置 法進行控制器的參數配置， 雙環控制系統的閉環特征根D(S)，如公式(6)所示，)-.'、（ 7)其 為主導閉環期望極點，& = -πιξωτ*非主導閉環期 望極點，m737fi1、攸好、m，ω 73孩用M率，《!·為自然振蕩頻率、C為期望阻尼比，對比公式從公式(9)得到，電流內壞的頻帶較寬，動態性能好，能夠實現實時跟蹤，相位裕度相對 較大，但不如電壓外環穩定；電壓外環的相位裕度很大，超調量較小，穩定性較好，兩者配合 得到改進的雙環控制系統，穩定性高。5.根據權利要求1所述的基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，其特征在于:步驟(D)， 基于光儲發電系統的電網黑啟動方法，并通過一次性合閘方法對長距離空載輸電線進行充 電后再啟動廠用異步電動機，實現電網的黑啟動，包括以下步驟， (Dl)對長距離空載輸電線進行充電 在黑啟動過程中，光儲發電系統作為黑啟動電源，需要對長距離空載輸電線路充電并 帶動廠用機組發電，恢復電力系統中的主力機組，實現逐步恢復電力系統供電，在空充長線 路時，其電容效應使得空載長線路末端電壓遠高于首端電壓，此時，工頻過電壓的大小將直 接操作過電壓的幅值，進而影響電氣設備的絕緣、運行性能以及保護電器的工作條件，在電 力設備絕緣中，根據DL/T620-1997過電壓保護標準對操作過電壓倍數，在光儲發電系統作 為黑啟動電源時，采用一次性合閘方式對長距離空載輸電線進行充電； (2)啟動電廠異步電動機 在對長距離空載輸電線路充電的過程中，若工頻過電壓和操作過電壓均在DL/T620-1997規定范圍內，光儲發電系統在對空載長線路充電后啟動異步電動機，進一步保證遠距 離啟動火電機組廠用電時的電力系統電壓及頻率的穩定。
【文檔編號】H02J3/38GK106026177SQ201610555744
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月14日
【發明人】劉建坤, 周前, 汪成根, 陳亮, 衛鵬, 徐珂, 解兵, 徐青山
【申請人】國網江蘇省電力公司電力科學研究院, 國家電網公司, 東南大學