含分布式電源配電網的黑啟動運行特性研究

喬紅，溫智平，周倩，謝永濤（.西安電力高等專科學校，陜西西安700；.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西西安70054；.西安理工大學，陜西西安70048）

含分布式電源配電網的黑啟動運行特性研究

喬紅1，溫智平2，周倩2，謝永濤3
（1.西安電力高等專科學校，陜西西安710032；2.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西西安710054；3.西安理工大學，陜西西安710048）

對于電力系統局部失電或大面積失電，利用分布式電源恢復供電的黑啟動方案具有重要意義。文中在分布式電源配電網建模的基礎上，結合含分布式電源的配電網自身特點，以配有儲能裝置、具有電壓/頻率控制能力的分布式電源作為黑啟動電源，分析其黑啟動運行特性，給出含分布式電源黑啟動的優化組合方案。最后，仿真驗證了優化配置方案的有效性，為配電網實現黑啟動預案提供必要的理論基礎。

分布式電源；配電網；黑啟動

電力系統受各類自然災害和人為因素導致電網發生局部失電或大面積失電等嚴重事故無法避免，采取有效的故障自愈措施有利于快速恢復供電，其中在電力系統大停電后采取切實可行的黑啟動預案對快速恢復系統供電具有重大意義[1-3]。對于含有分布式電源（包括微網、儲能裝置等）的配電網局部失電時，可以通過分布式電源/微網/儲能設備等，實現部分供電恢復與負荷轉移，減少停電范圍[4-6]。對于電力系統大面積失電，在輸電網絡排除故障與恢復供電的過程中，可以通過配電網絡的黑啟動方案，利用分布式電源/微網/儲能裝置實現配電網大范圍快速供電恢復[7-10]。顯然，利用分布式電源/微網/儲能裝置恢復供電的黑啟動方案，適用于配電網全面失電/部分失電的快速供電恢復。

本文結合含分布式電源配電網的自身特點與可控分布式電源輸出特性，以配有儲能裝置、具有電壓/頻率控制能力的分布式電源作為黑啟動電源，借鑒主電網黑啟動技術，分析其黑啟動運行特性，給出含分布式電源黑啟動的優化組合方案，為配電網實現黑啟動提供理論基礎。

1　含分布式電源配電網建模

以圖1所示含分布式電源的配電網局部為例，研究典型分布式電源的運行特性。其中，分布式電源電壓等級0.4 kV，配電網母線電壓20 kV。

圖1　含分布式電源的配電網Fig.1　Distribution network with distributed generation

由于大部分分布式能源通過逆變器與電網相連，逆變器典型的控制方式為PQ控制（控制逆變器輸出的有功、無功）和Vf控制（控制逆變器輸出的電壓、頻率），圖1簡化結構見圖2。

圖2　含分布式電源配電網結構簡圖Fig.2　Structure of the distribution network with distributed generation

圖中，分布式電源包括光伏發電（PV單元）、風力發電（WT單元）與小型燃氣輪機等，網絡含有儲能單元（ESS單元）。對各逆變式電源，逆變器、濾波器和線路阻抗未畫出，逆變器的控制方式為PQ控制，即根據指令發出有功和無功功率。對儲能單元，僅給出了雙向變換器（VSC）和LC濾波器，線路阻抗未畫出。

儲能單元的變換器可以實現能量雙向流動，具有整流和逆變的功能。變換器的控制方式為Vf控制，即按照指令發出一定幅值和頻率的交流電壓，母線（MG BUS）的電壓ubus由其維持。維持一定的電壓幅值和頻率，本質上由平衡整個微電網內的有功和無功功率來實現。配有儲能裝置的Vf控制逆變器（或變換器）并網的分布式電源具有作為黑啟動電源的可能，下面重點研究該類分布式電源作為黑啟動電源的運行特性與優化組合方案。儲能裝置在黑啟動過程中輸出能量，變換器主要起逆變作用。Vf控制框圖如圖3所示。

圖3　逆變器Vf控制圖Fig.3　Vf control chart of the inverter

采用母線電壓矢量定向控制，母線相電壓峰值指令值和角頻率指令值由外部給定=311 V， uqref=0；ωref=100π。

2　分布式電源黑啟動能力與運行特性分析

如第1節所述，配有儲能裝置的Vf控制逆變器并網的分布式電源可能作為黑啟動電源，主要研究該類分布式電源在母線失電情況下，與不同類型負載連接的運行特性，評定其黑啟動能力，得到不同分布式電源的優化配置方案。

仿真系統結構如圖4所示，改變Bus1末端負荷的類型，分析電源運行特性，等效線路阻抗Zs=Rs+ jωLs（Ls=0.053 mH，Rs=0.128 Ω）。

圖4　仿真系統模型Fig.4　Simulation model

衡量電源運行特性主要通過3個指標：

2）母線相電壓有效值偏移量：

式中，urmsmax，urmsmin分別為相電壓有效值的最大值與最小值（取三相中最大的）；

3）母線相電壓總諧波畸變率：

式中，Uh為各次諧波有效值；UI為基波（50 Hz）有效值，取三相最大值。380 V配電網絡頻率容許范圍，50 Hz±0.2 Hz，電壓偏移容許范圍±5%，總諧波畸變率容許范圍±5%，黑啟動過程屬于極端情況，頻率、電壓和諧波范圍可以有所增加。

2.1啟動有功負載能力

Vf控制逆變器獨立運行，啟動1 kW純電阻負載，逆變器輸出電壓、電流諧波十分嚴重。母線電壓諧波總畸變率與A相（三相輸出完全對稱）電壓有效值變化過程如圖5所示。

圖5　母線A相電壓諧波畸變率與有效值Fig.5　Voltage harmonic distortion rate and the valid values of A phase in the bus

逆變器控制并網的電源，需要一段時間建立電壓，不計算0.025 s前數據（第一個周期數據產生的諧波畸變率和有效值計算存在偏差），Vf控制分布式能源帶1 kW純有功負載，電壓偏移du+=11%，du-=0%諧波總畸變率51%。增加負荷到5 kW純電阻負載，母線電壓、電流波形如圖6所示；輸出波形理想，母線電壓諧波總畸變率與A相電壓有效值變化過程如圖7所示。

圖6　母線電壓、電流波形Fig.6　Voltage and current waveforms of the bus

圖7　母線A相電壓諧波與有效值Fig.7　Voltage harmonic and the valid values of A phase in the bus

電壓總諧波畸變率0.88%，電壓偏移du+=0.2%，du-=-0.8%。進一步增加啟動的有功負荷，電源輸出出現飽和：Vf控制電源帶100 kW純電阻負載，電壓頻率偏移為0，諧波總畸變率4.5%，電壓偏移du+=0，du-=-17%逆變器輸出飽和，d軸輸出電流（有功電流）已達不到指令值，母線電壓下降嚴重。

由表1可知，不同純電阻性負載情況下，頻率偏移全部為0，Vf控制并網的分布式能源啟動一定范圍內（3～80 kW）的電阻性負荷，低于這個范圍諧波較大，高于這個范圍電壓跌落較大。Vf控制并網的分布式能源啟動有功負荷能力比較強，達到一定基礎負荷（3 kW）到輸出飽和（80 kW），均可輸出較好的電壓、電流波形。

表1　分布式電源啟動純電阻性負載能力Tab.1The ability to start pure resistive load for distributed generation

2.2啟動無功負載能力

Vf控制逆變器獨立運行，啟動1 kvar純電感負載，母線電壓、電流波形輸出波形極差，電壓偏移，du+=38%，du-=0諧波總畸變率101%。啟動1 kvar純電容負載，母線電壓、電流波形輸出波形更差，幾乎看不出明顯的50 Hz信號，電壓偏移電壓偏移du+=46%，du-=0諧波總畸變率111%。逆變器單獨啟動無功能力很差，一定容量的無功，必須有相應容量的有功與之搭配，才能輸出較好的波形。

分別進行1 kvar電感性無功或容性無功，搭配不同容量有功，母線電壓總諧波畸變率與電壓偏差如表2、表3所示。

表2　分布式電源啟動感性負載能力（QL=1 kvar）Tab.2The ability to start load for distributed generation（QL=1 kVar）

表3　分布式電源啟動容性負載能力（QC=1 kvar）Tab.3　The ability to start the load for distributed generation（QC=1 kvar）

由表2可知，啟動1 kvar的感性無功負荷，至少需要20 kW的有功負荷有之匹配，才能輸出比較理想的波形。20 kW以上負荷與1 kvar電感性負荷搭配，有功所占比例較高，輸出與純電阻性負載基本相同。而對于電容性無功，相當于在母線上并聯電容，有利于母線電壓穩定，如逆變器啟動1 kvar電容性無功與3 kW有功，母線電壓、電流波形好于啟動3 kW純電阻性負載輸出的波形。如果增加電容性無功，逆變器輸出未達到飽和前，輸出波形更好。但啟動過大的電容性無功，合閘時出現過大的充電電流。

綜上分析可知，Vf控制方式的分布式電源，啟動一般的電阻、電感、電容性負荷的能力的基本規律：①一定容量的逆變器可以啟動一定范圍的有功（本仿真模型中的逆變器為3～80 kW）；②增加電感性無功，這個范圍將減小，且增加的感性無功越多，范圍減小越大（本算例中增加1 kvar電感性無功，啟動有功范圍減小為20～80 kW）；③增加電容性無功，可以增加啟動有功的范圍，且增加容性無功越多，范圍增加越大（本算例中，增加1 kvar電容性無功，啟動有功范圍不變，增加5 kvar電容性無功，可以啟動有功范圍增加為1～80 kW）；④逆變器啟動純感性或容性無功能力很差；⑤各類負荷對逆變器輸出頻率影響不大。

2.3恢復母線供電能力分析

黑啟動過程中，首先需要恢復的為母線，即需要考慮Vf控制逆變式電源空載線路充電能力與給低壓變壓器供電能力，配電網電壓等級低、線路長度短，線路對地電容小，空載線路充電相當于帶阻感負載，仿真結果與前面分析相同。主要考察Vf控制逆變式電源給低壓變壓器供電能力。仿真系統結構不變，Bus1末端負荷為空載變壓器（0.4/10 kV，容量400 kV·A）。Vf控制逆變式電源不帶任何負荷，給低壓變壓器上電，母線（0中Bus 1母線）電壓波形畸變十分嚴重，母線電壓偏移電壓偏移du+=0.5%，du-=-0.2%諧波總畸變率11.5%。

空載變壓器等效于勵磁電感與電阻串聯電路，相當于感性為主的負荷，Vf控制并網的分布式電源給空載變壓器充電能力與前面分析的啟動電感性負載的規律相同，需要有一定的有功負荷，再給變壓器上電。本算例中，需要逆變器有1.5 kW以上有功負荷，才能投入低壓變壓器。如果低壓變壓器單獨與分布式能源相連，則給低壓變壓器上電后，應盡快投入一定有功，以保證輸出波形質量。

2.4啟動電機類負荷

仿真系統結構不變，Bus1末端負荷為異步電動機，研究逆變器輸出波形。負荷電機為2.2 kW鼠籠型異步電動機，參數如表4所示。

表4　2.2 kW電機參數Tab.4　Parameters for 2.2 kW motor

時刻投入電動機，電動機過程中，相電流峰值最大值約50 A，電流電壓波形基本都能保持正弦，逆變器電流內環、電壓外環控制均比較理想。啟動過程中，電機轉速變化如圖8所示。

由圖8可知，0.7 s以內電機可以達到空載轉速。加大電動機啟動容量，則逆變器輸出發生飽和，如負荷為22 kW鼠籠型異步電機，參數如表5所示。

圖8　電動機轉速曲線Fig.8　Speed curve of the motor

表5　22kW電機參數Tab.5　Parameters for 22kW motor

t=0.5 s時刻投入電動機，啟動過程母線電壓、電流波形發生畸變。啟動過程中，相電流峰值最高為100 A，母線電壓偏移du+=14.6%，du-=-26%，諧波總畸變率17.5%。需要2 s達到額定轉速。電動機啟動后，空載或帶負載，對于逆變器等效于一般的電阻、電感、電容性負荷，輸出規律與前面相同。

3　分布式電源黑啟動的優化配置

配電網黑啟動過程中，一般選擇一個逆變式電源為Vf控制，其他采用PQ控制，首先，考察Vf控制逆變電源與PQ控制逆變電源并聯運行能力。仿真系統不變（如0），給定PQ逆變器指令值P=10 kW，Q=0與Vf控制逆變器并聯運行，母線電壓、電流波形如圖9所示。

圖9　母線電壓、電流波形Fig.9　Voltage and current waveforms of the bus

母線電壓偏移電壓du+=2.5%，du-=-0.6%諧波總畸變率10.5%。

改變PQ逆變器有功、無功指令，得到母線電壓諧波總畸變率和電壓偏移如表6所示。

表6　逆變器不同有功指令時的母線電壓諧波畸變率和電壓偏移Tab.6　 Voltage harmonic and offset of the bus with different active power instruction of the inverter

Vf控制逆變器可以在空載情況下，與PQ控制逆變器并聯運行，在PQ控制逆變器輸出不發生飽和情況下（本算例中，PQ控制逆變器最大有功輸出為20 kW），母線電壓均比較理想。PQ控制逆變器在與Vf控制逆變器并聯前，如果已經帶有一定負荷，則需要同步裝置，才能實現兩種電源的并聯，否則在同步過程中，電壓、電流波形畸變比較嚴重。

與輸出有功的PQ控制逆變器并聯運行，可以提高Vf控制逆變器作為黑啟動電源的啟動能力，本算例中，Vf控制逆變器獨立運行最高可啟動有功負荷為80 kW，與輸出20 kW的PQ控制逆變器并聯運行，可啟動更大容量負荷，如接入負荷為100 kW時，母線電壓du+=0%，du-=-7.3%，諧波總畸變率4.3%，未出現飽和現象，作為黑啟動電源的分布式電源與輸出有功的PQ控制逆變器并聯運行，輸出有功的PQ控制逆變器不僅輸出能量，同時可以提高母線電壓、電流的穩定性。

4　結論

本文進行了分布式電源黑啟動運行特性分析，重點討論了Vf控制方式分布式電源與不同類型負載連接的運行特性，評定其黑啟動能力，并對分布式電源黑啟動的優化配置進行了仿真分析，具體結論如下：

1）一定容量的Vf控制方式分布式電源可以啟動一定容量范圍的有功負載，增加電感性無功，這個范圍將減小，而增加電容性無功，這個范圍將增大，但是Vf控制方式分布式電源啟動純感性或容性負載能力很差，且各類負荷對逆變器輸出頻率影響不大。

2）空載變壓器等效于勵磁電感與電阻串聯電路，相當于感性為主的負荷，Vf控制并網的分布式電源給空載變壓器充電與啟動電感性負載的規律相同，需要有一定的有功負荷，才能給變壓器充電。

3）與輸出有功的PQ控制分布式電源并聯運行，可以增強Vf控制分布式電源作為黑啟動電源的能力。

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（編輯李沈）

Research on the Feature of the Black-Start with Distributed Generation in Distribution Network

QIAO Hong1，WEN Zhiping2，ZHOU Qian2，XIE Yongtao3
（1.Xi’an Electric Power College，Xi’an 710032，Shaanxi，China；2.Shaanxi Electric Power Research Institute，Xi’an 710054，Shaanxi，China；3.Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

For partial or large-area power failure in the power system，it is of great significance to make use of blackstart scheme with distributed generation to restore power supply. In this paper，based on modeling of distribution network with typicaldistributedgenerationanditscharacteristics，the distributed generation equipped with energy storage device in voltage/frequency control mode is used as black-start source. By studying on black-start operation characteristics in different conditions，the optimized combination scheme of black-start with distributed generation is proposed.Finally，the simulation results verify the effectiveness of the optimized scheme，and it provides theoretical basis for black-start action in distribution network.

distributed generation；distribution network；black-start

1674-3814（2015）07-0054-06中圖分類號：TM74

A

含交直流混合多級微電網的國家級蘭州新區智能電網綜合建設工程之微電網實驗系統開發（5227221350BR）；微電網與配電網的互動模式與協調優化技術研究（52272214002Z）。

Project Supported by Development of Microgrid Testing System for the Construction of Integrated Smart Grid with AC-DC Hybrid Multi-LevelMicrogridinState-LevelLanzhouNewArea（5227221350BR）；Interactive Pattern and Optimized Coordinative Technology for Microgridand Distribution Network（52272214002Z）.

2015-03-16。

喬紅（1972—），女，碩士，講師，現就職于西安電力高等專科學校。