儲能型風電場作為電網黑啟動電源的關鍵技術問題

杜平 萬玉良 吳堅 項頌

（國網內蒙古東部電力有限公司電力調度控制中心，內蒙古 呼和浩特 010020）

儲能型風電場作為電網黑啟動電源的關鍵技術問題

杜平 萬玉良 吳堅 項頌

（國網內蒙古東部電力有限公司電力調度控制中心，內蒙古 呼和浩特 010020）

本文以某實際儲能型雙饋風電場的一期工程為例，簡要介紹儲能型風電場的基本結構，提出儲能型風電場作為電網黑啟動電源的技術方案，并對其所涉及的關鍵技術問題進行詳細分析，以期為相關研究者提供借鑒。

儲能型風電場；黑啟動電源；出力可信度

1 研究背景

黑啟動服務就是一種發電廠商為電網提供的有償輔助服務。根據規定，電網需要根據黑啟動電源的投資成本、維護成本和黑啟動期間的運行費用為其提供補償［1］。在外部電網停電情況下，風電場內風電機組不具備自啟動的能力，必須通過外部電源為其偏航、變槳等設備提前供電才能啟動。因此，如果能夠利用電池儲能系統為風電機組的必要設備供電，輔助風電機組啟動，并與啟動后的風電機組一起帶動電網內其他發電廠啟動。利用將儲能型風電場作為電網的黑啟動電源，不僅能提高風電廠商的收益，同時能夠解決內蒙古、西北等地區電網內黑啟動電源容量不足的問題，提高其黑啟動能力。

本文提出利用儲能型風電場作為電網黑啟動電源的技術方案，并對涉及的關鍵技術問題進行分析。本研究是在智能電網快速發展的新形勢下，結合新能源發電與儲能技術對傳統黑啟動理論的突破，具有重要的學術意義和工程應用價值。

2 儲能型風電場的構成

儲能型雙饋風電場主要由雙饋風電機組、電池儲能系統和無功補償設備等構成。雙饋風電機組（Doubly Fed Induction Generator，DFIG）是目前國內外風電市場上的主流機型，其轉子繞組通過背靠背變頻器與電網相連，而定子繞組則直接與電網相連。電池儲能系統主要包括電池組、能量轉換系統（Power Conversion System，PCS）及其控制系統等［2］。風電場通常采用電容器組、靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）等裝置作為其無功補償設備。

本文以某實際儲能型風電場的一期工程為例，對儲能型風電場的基本結構進行介紹。該風電場主要由33臺額定功率為1.5MW的雙饋風電機組、1組額定功率為5MVar的SVC和3組容量均為1MW×2h的磷酸鐵鋰電池儲能系統等構成。如圖1所示，風電場內35kV匯流母線上共有8條進線支路和2條出線支路，所有支路上均配置了斷路器，能控制整條支路的投切。圖1中，支路A-D為風電機組進線支路，支路上每臺風電機組均與0.69/35kV箱式變壓器相連，并通過集電線路并聯連接至母線。箱式變壓器的高壓側和低壓側分別配置了負荷開關和斷路器，可以用于箱式變壓器和風電機組的投切控制；支路F-H為電池儲能系統進線支路，支路上電池儲能系統通過0.38/35kV變壓器連接至母線；支路J為無功補償進線支路，SVC通過斷路器直接連至母線；支路I為風電場的主變出線支路，風電場的功率經35/66kV主變輸送至電網；支路E為風電場的廠用電出線支路，廠用變的額定電壓為35/0.38kV。

圖1 某實際儲能型風電場的基本結構圖

3 儲能型風電場作為黑啟動電源的關鍵技術

3.1 儲能型風電場作為黑啟動電源的技術方案

本文參照水力發電廠黑啟動時的流程，以圖1所示儲能型風電場為例，提出了儲能型風電場作為電網黑啟動電源的技術方案：①確保35kV母線上所有進線支路和出線支路上的斷路器處于斷開狀態；②閉合電池儲能系統進線支路F-H上的斷路器，啟動電池儲能系統，為35kV母線充電；③依次閉合支路E、J及待啟動風電機組進線支路上的斷路器，為各支路上的變壓器充電，并進一步為風電場啟動所必需的設備供電；④空載啟動選定的風電機組，并與電池儲能系統、無功補償設備組成孤島系統運行；⑤閉合出線支路I上的斷路器，對風電場主變充電，按制定的電網黑啟動預案，依次對黑啟動路徑上的輸電線路、變壓器進行空載充電，并進一步為被啟動發電機組的輔機供電，以帶動被啟動發電機組啟動，或直接為地區內重要負荷供電。

3.2 關鍵技術問題分析

3.2.1 風電場優選及儲能系統的合理配置研究。風電場優選和電池儲能系統的合理配置是儲能型風電場能作為電網黑啟動電源的基礎。風電場的優選應根據地區實際情況綜合考慮風電場的容量、風電機組的類型、風電場的出力可信度以及風電場內無功補償設備配置情況等因素。電池儲能系統在儲能型風電場作為黑啟動電源的整個過程中都發揮著關鍵作用，電池儲能系統的配置應綜合考慮其在以下幾方面應用中的作用：不受風電場內變壓器充電時所產生的勵磁涌流與和應涌流對其的影響，使風電機組能成功啟動；平抑風電場的瞬時功率輸出；提高儲能型風電場的出力可信度等。

3.2.2 儲能型風電場的自啟動控制技術研究。儲能型風電場的自啟動是儲能型風電場能作為電網黑啟動電源的前提。儲能型風電場自啟動的關鍵是如何通過電池儲能系統帶動不具有自啟動能力的風電機組、無功補償設備等啟動。儲能型風電場實現自啟動需要解決的問題主要有：研究電池儲能系統啟動的優化控制技術，使其能在為風電場提供穩定電壓的同時，減小風電場內集電線路、變壓器充電時產生的勵磁涌流；研究風電場內各支路的最優充電次序，以減小并聯變壓器相繼投入充電時所產生的和應涌流；研究風電機組的空載啟動技術，以提高其啟動成功的概率并減小對電池儲能系統的沖擊。

3.2.3 儲能型風電場孤島空載運行控制技術研究。孤島空載運行是儲能型風電場作為電網黑啟動電源的必要階段。在該階段，儲能型風電場內的風電機組、無功補償設備等順利啟動，與電池儲能系統組成孤島系統，并進一步完成對黑啟動路徑上輸電線路和變壓器等的充電。儲能型風電場實現孤島空載運行需要解決的問題主要有：研究風電機組與電池儲能系統之間有功功率的協調控制技術，以使儲能型風電場孤島空載運行時的頻率保持穩定，并優化電池儲能系統的利用。

3.2.4 儲能型風電場帶載運行控制技術研究。帶載穩定運行是儲能型風電場能作為電網黑啟動電源的關鍵階段。在該階段，儲能型風電場需要啟動被啟動發電機組的輔機，持續為其供電，直至被啟動發電機組并網發電，并進一步與被啟動發電機組組成小型獨立系統穩定運行，或直接恢復地區內重要負荷的供電。儲能型風電場實現帶載穩定運行需要解決的問題主要有：研究儲能型風電場的負荷快速追蹤技術，以使其能在被啟動發電機組的輔機投入瞬間，維持儲能型風電場孤島系統頻率和電壓的穩定；研究儲能型風電場的附加阻尼控制技術，以提高儲能型風電場與被啟動發電機組組成的小型獨立系統的慣性，使其能保持穩定運行，避免低頻振蕩的發生。

4 結語

本文針對區域電網所處條件和需求，設計了儲能型風電場的黑啟動方案，并對其黑啟動過程中所需研究解決的關鍵技術進行了分析。本文只是對儲能型風電場作為局域電網黑啟動電源進行了初步分析，未來將針對具體被控對象，對文中所提關鍵技術展開實質性研究，并通過仿真、實驗等手段進行驗證。

［1］ 林姿峰，閔勇，周云海，等.電力市場中的黑啟動服務［J］.電力系統自動化，2002（2）：9-13.

［2］ 北極星電力網.2013年中國風電裝機容量統計［EB/OL］.（2014-03-28）［2017-10-09］.http://news.bjx.com.cn/html/20140328/500349.shtml.

Key Technical Problem of Energy Storage Type Wind Farm as Power Supply for Power Grid

Du PingWan YuliangWu JianXiang Song
（Inner Mongolia Eastern Power of State Grid，Hohhot Inner Mongolia 010020）

Based taken an actual energy storage type of DFIG wind farm project as an example,this paper briefly introduced the basic structure of energy storage type wind energy storage type wind farm,put for?ward as a technical scheme of power grid black start power supply,and a detailed analysis of the key tech?nical issues involved,in order to study the related provide reference.

energy storage type wind farm；black start power supply；output reliability

TM614

A

1003-5168（2017）11-0127-02

2017-10-09

杜平（1962-），男，本科，高級工程師，研究方向：電力系統安全穩定分析控制。