趙俊杰，劉旭東，肖 朋

（營口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營口 115000）

0 引 言

大電網(wǎng)的運(yùn)行結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一旦電網(wǎng)發(fā)生故障或受到大的擾動，與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)可切換至離網(wǎng)狀態(tài)孤立運(yùn)行，從而與大電網(wǎng)分離。在微電網(wǎng)孤立運(yùn)行的過程中，仍有可能出現(xiàn)故障使其癱瘓進(jìn)入全黑狀態(tài)，因此孤立微電網(wǎng)自身需要具備黑啟動的功能[1]。目前，人們對于微電網(wǎng)黑啟動技術(shù)大多側(cè)重于對其控制策略方法的研究，因此開發(fā)新的理論支撐決策以完善黑啟動技術(shù)在實(shí)際生活中的適應(yīng)性十分必要。由于受微電網(wǎng)中多種因素的影響，使得在啟動電源的選擇、啟動策略的制定等方面都存在諸多困難。隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不斷變革更新，對黑啟動技術(shù)的研究也開始逐漸擴(kuò)展到分布式供電結(jié)構(gòu)方面。結(jié)合分布式供電結(jié)構(gòu)所具備的多種優(yōu)良特性，對大電網(wǎng)的黑啟動過程提供相應(yīng)的技術(shù)支持[2]。但是，目前所研究出的黑啟動理論只有一小部分能夠適用于孤立的微電網(wǎng)，所以本文結(jié)合研究現(xiàn)狀，以孤立微電網(wǎng)作為理論前提，解決黑啟動策略制定和黑啟動過程中的一些難點(diǎn)問題，應(yīng)用改進(jìn)后的技術(shù)方案，大幅度提升微電網(wǎng)應(yīng)對突發(fā)狀況的能力。

1 一種微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文中采用了一種易于工程實(shí)現(xiàn)、適合我國國情的以清潔能源為主的典型微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)和主網(wǎng)之間通過PCC連接，并在此處設(shè)置并/離網(wǎng)切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種模式的切換。系統(tǒng)中有4個可調(diào)負(fù)載作為負(fù)荷，分別接入柴油發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電以及蓄電池作為系統(tǒng)的微源。

微電網(wǎng)按照多代理系統(tǒng)分層控制的思想，其中微電網(wǎng)中心控制系統(tǒng)（Micro Grid Central Controller，MGCC）主要負(fù)責(zé)微網(wǎng)系統(tǒng)各單元的優(yōu)化、能量管理、與下層系統(tǒng)之間的通信和調(diào)度以及黑啟動控制等。微電網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備控制包括微電源控制層和負(fù)荷控制層，前者與MGCC相配合，主要負(fù)責(zé)控制微電源的運(yùn)行、上傳微電源的信息至MGCC。負(fù)荷控制器（Load Controller，LC）與MGCC相配合，主要負(fù)責(zé)控制負(fù)荷的投切并上傳負(fù)荷的信息至MGCC。

2 黑啟動微源的選取

通常情況下，微電網(wǎng)都是工作在并網(wǎng)模式與大電網(wǎng)并列運(yùn)行，但是當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動等情況時，微電網(wǎng)就會切換到離網(wǎng)模式孤立運(yùn)行。在孤立運(yùn)行的情況下，微電網(wǎng)本身仍有發(fā)生故障的可能性，因此孤立運(yùn)行的微電網(wǎng)需要具有在離網(wǎng)運(yùn)行情況下自身實(shí)現(xiàn)黑啟動恢復(fù)供電的能力[3]。

根據(jù)微電網(wǎng)系統(tǒng)中的微源是否具有黑啟動能力，可將其分為兩類，具有黑啟動能力的微源通常稱為黑啟動分布式電源（Black-start DG，BDG），不具有黑啟動能力的微源通常稱為非黑啟動分布式電源（Non Black-start DG，NBDG）。微電網(wǎng)的黑啟動主要就是借助黑啟動微源帶動整個微電網(wǎng)的恢復(fù)，因此黑啟動微源的選取直接影響著微網(wǎng)黑啟動是否能夠成功完成。

通常選擇黑啟動微源時要考慮以下幾點(diǎn)：一是機(jī)組的容量。盡量選擇容量大的BDG，這樣可以增大啟動功率，同時也可以縮短系統(tǒng)故障恢復(fù)時間。二是微源的調(diào)頻調(diào)壓能力。為了使微源啟動后孤立微電網(wǎng)保持運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要選擇具有一定調(diào)頻調(diào)壓能力的微電源來維持微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。三是微源的升負(fù)荷速度。微源的升負(fù)荷速度直接影響微源的帶負(fù)載能力，而選擇帶負(fù)載能力強(qiáng)的微源能保障重要負(fù)荷的供電，因此選擇升負(fù)荷速度較快的微源更佳。四是微源的抗擾動性能。能源供給波動較大或含有較多影響因素的微電源不應(yīng)作為黑啟動微電源，如光伏、風(fēng)力發(fā)電等。而能源供給穩(wěn)定且具有良好的動態(tài)性能和抗擾動性能的微電源適合作為黑啟動微電源，如微型燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)以及燃料電池等。

考慮到以上幾點(diǎn)原則，本文所建立的微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，柴油發(fā)電機(jī)的可靠性高且基本不受其他因素影響，還具有良好的負(fù)荷跟隨特性，因此作為黑啟動微源的首選。蓄電池調(diào)節(jié)速度快，能夠快速在充放電狀態(tài)之間進(jìn)行切換，這一特點(diǎn)使得它能夠快速自啟動并能夠減緩其他微源的沖擊，因此可作為黑啟動微源。而光伏發(fā)電受外界天氣因素影響較大，并且容易給微網(wǎng)帶來頻率上的波動，因此不作為黑啟動微源[4-6]。

3 微電網(wǎng)黑啟動方案的選擇

電力系統(tǒng)黑啟動方式分為兩種，即串行恢復(fù)（向下恢復(fù)）和并行恢復(fù)（向上恢復(fù)），兩種恢復(fù)方式的微源啟動方式不同且各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

從表1中可以看出，并行恢復(fù)的微源啟動方式為并行啟動，加入同期并列裝置后并列組網(wǎng)，黑啟動恢復(fù)速度較快。串行恢復(fù)方式相比于并行恢復(fù)的恢復(fù)時間更長，但逐步組網(wǎng)的方式使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。本文在研究并行恢復(fù)和串行恢復(fù)的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于并行和串行恢復(fù)相結(jié)合的微電網(wǎng)黑啟動方案，充分結(jié)合并行恢復(fù)和串行恢復(fù)的優(yōu)點(diǎn)。

4 微電網(wǎng)黑啟動步驟

4.1 切除全部負(fù)荷

在黑啟動的初期，負(fù)荷過大極易造成微源故障停機(jī)的現(xiàn)象。為避免發(fā)生此類現(xiàn)象，MGCC應(yīng)首先切除微電網(wǎng)系統(tǒng)中的所有電力設(shè)備，即切斷全部負(fù)荷及微電源，這樣才能夠保證黑啟動微源在空載狀態(tài)下進(jìn)行黑啟動恢復(fù)供電。

4.2 啟動BDG并聯(lián)組網(wǎng)

由于微電網(wǎng)是脫離大電網(wǎng)孤立運(yùn)行的，因此在微電網(wǎng)中需要一個主參考源來提供參考電壓及頻率。本文選擇柴油發(fā)電機(jī)作為黑啟動的主參考源，并啟動蓄電池，各自建立它們的子網(wǎng)，分別使用其恒壓恒頻控制策略和下垂控制策略。主參考源柴油發(fā)電機(jī)的電壓和頻率作為整個系統(tǒng)的參考值，以下垂方式啟動的蓄電池參照此參考值將運(yùn)行模式切換至PQ模式，與柴油發(fā)電機(jī)并行組網(wǎng)，完成并行恢復(fù)[7]。

4.3 啟動光伏微電源并組網(wǎng)

黑啟動初期系統(tǒng)容量小，頻率和電壓有可能受擾動而失去穩(wěn)定。在黑啟動過程中，大量NBDG的同時啟動容易引起瞬時沖擊，因此本文實(shí)現(xiàn)對NBDG的串行恢復(fù)。首先啟動光伏微電源，以PQ方式啟動，并參考已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)黑啟動的BDG的電壓和頻率等參數(shù)，并組網(wǎng)[8-10]。

4.4 啟動風(fēng)能微電源并組網(wǎng)

經(jīng)過前面幾步的調(diào)整，各個分布式電源的接入增加了微電網(wǎng)的發(fā)電容量，電網(wǎng)的電壓和頻率得到穩(wěn)定控制，微電網(wǎng)有能力對更多的負(fù)載提供穩(wěn)定的電能。啟動風(fēng)能微電源，以PQ運(yùn)行模式啟動，并參考已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)黑啟動的BDG的電壓和頻率等參數(shù)，并組網(wǎng)。

最后，微網(wǎng)系統(tǒng)中接入其他負(fù)荷，使微電網(wǎng)系統(tǒng)帶更多的負(fù)載，保證負(fù)荷的穩(wěn)定供電。

5 組網(wǎng)控制器的設(shè)計(jì)

為了保證蓄電池和柴油發(fā)電機(jī)在組網(wǎng)時能夠順利完成，本文設(shè)計(jì)了組網(wǎng)控制器，如圖2所示，其中u和i分別為采集的電壓和電流。

初始狀態(tài)下，K1閉合，K2斷開，由主參考源柴油發(fā)電機(jī)提供給蓄電池參考電壓和功率，完成同步，運(yùn)行PQ控制器。然后在并網(wǎng)過程中模式切換時控制開關(guān)K2閉合，K1斷開，功率鎖存器計(jì)算的輸出功率為切換后提供參考，保持控制器的狀態(tài)不變。

6 結(jié) 論

提出一種含有光伏和風(fēng)能發(fā)電的微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上開發(fā)了基于并行和串行恢復(fù)相結(jié)合的微電網(wǎng)黑啟動方案，充分結(jié)合并行恢復(fù)和串行恢復(fù)的優(yōu)點(diǎn)，使微電源和負(fù)荷按照一定的步驟實(shí)現(xiàn)黑啟動，并為此設(shè)計(jì)了組網(wǎng)控制器，使組網(wǎng)能夠順利進(jìn)行。