儲能系統參與黑啟動應用思路研究

王龍龍 劉沛森

【摘 要】文章介紹了黑啟動的概念及其重要意義，闡述了黑啟動過程的3個階段，通過分析黑啟動各個階段所面臨的主要問題，結合儲能技術調頻、調壓響應速度快、調節精度高等優勢，提出儲能在黑啟動各個階段參與應用的思路。

【關鍵詞】儲能;黑啟動;調頻;調壓

【中圖分類號】TM614 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）10-0041-02

0 引言

隨著智能電網的不斷發展，電力系統的規模越來越大，分布式電源的大量引入讓電網的運行條件越來越復雜，加上網架結構薄弱、裝置拒動、自然災害、網絡攻擊等問題，使得電網的安全穩定運行面臨巨大挑戰。2005年9月26日，臺風“維達”登陸海南省，對海南省電力設施造成嚴重破壞，使得全省范圍內大面積停電。海南電網公司緊急啟動了黑啟動預案，成功實現了系統的快速恢復，這是國內迄今為止除演習以外的第一次黑啟動。

黑啟動（Black Start）是指整個系統因故障停電后，不依賴系統外電源的幫助，通過系統內具有自啟動能力的機組先行啟動，然后帶動無自啟動能力的機組，逐漸擴大系統供電范圍，最終實現整個系統恢復供電的過程。黑啟動的背景是一種極端情況，即系統全部停電或大面積停電，黑啟動的過程中涉及發電、輸電和配電的各個環節。電網發生大面積停電事故后，如果不能夠在短時間內恢復供電，國民經濟將遭受巨大損失。

儲能作為一個新興產業，近年來在國內發展迅速，目前已在各地區電力系統中有一定規模的投入。儲能系統具有充放電轉換靈活、功率因數可調、響應速度快等優點，這與黑啟動在某些方面的需求具有相契合的特點，因此儲能系統參與黑啟動應用的研究，具有極其重要的理論意義和實際價值。

1 黑啟動過程

黑啟動是系統大停電事故后電力恢復的過程，其總體目標是安全、快速地恢復電網供電，最大限度地減少電網大停電造成的影響。黑啟動的過程一般分為黑啟動初始階段、網架重構階段和負荷恢復階段。

黑啟動初始階段：指利用系統中各個具有自啟動能力的黑啟動電源點向停運的火力機組提供啟動電源，使其先行恢復啟動，繼而向電網供電，開始形成供各個電子系統的過程。網架恢復階段：指各個供電子系統內的主力發電機組、重要變電站和輸電線路逐步恢復供電，并形成系統主網架的過程。負荷恢復階段：指各個供電子系統內的大部分發電機組已經啟動，具備一定的發電能力，并且已建立較為穩定的網架之后，系統逐漸恢復負荷的過程。

2 應用思路

目前，國內學者針對儲能系統參與黑啟動的研究大多局限在黑啟動初始階段，而在網架恢復階段和負荷恢復階段的研究相對較少。

2.1 黑啟動初始階段

進行黑啟動首先要保證可靠的黑啟動電源，然后通過它啟動附近的火電機組。水電機組和燃氣機組因其廠用電負荷低、啟動速度快，是目前黑啟動電源的首選，然而水電機組受水資源分布限制，燃氣機組運行維護要求較高，故目前國內電網面臨著黑啟動電源不足及分布不合理的實際問題。相對而言，儲能系統具有占地規模小、布點靈活等優點，在黑啟動初始階段可有效替代成為黑啟動電源點。筆者認為可以從以下兩個方面考慮。

（1）輔助火電機組黑啟動?；痣姍C組啟動時需要一定容量的廠用電，而廠用設備中一般都有一些大容量的輔機，這些輔機多為異步電動機，在啟動時產生的沖擊會引起其供電系統較大的電壓和頻率跌落，故一般其啟動電源都從附近的發電廠或變電站引接。如果為火電機組配置足夠容量的儲能系統，儲能系統啟動速度快，同時合理安排各輔機的恢復順序，將大大提高黑啟動的恢復效率。例如，國家電投珠海橫琴熱電有限公司投資的20 MW·h的儲能項目已經啟動，該項目預計2019年投產，建成后將是世界首例采用儲能系統實現F級燃機黑啟動的項目。

（2）輔助風電機組黑啟動。一般黑啟動電源會優先考慮啟動火電機組，但隨著風電機組的可調節性能日漸增強，通過合理的策略和方法利用風電場自身的啟動能力，同時結合風電場內無功補償設備、小容量儲能系統的合理配置，使得將風電機組作為黑啟動電源具備了一定的可行性。國內對此方面的研究較多，例如有學者提出了混合儲能與風力發電相結合的黑啟動方案，并通過搭建仿真模型，仿真分析驗證了該方案的可行性[1]。還有學者建立了儲能系統和風電機組的多工況仿真模型，通過分析研究提出了黑啟動初期風儲火系統的分層協調控制策略[2]。

2.2 網架重構階段

網架重構初期，黑啟動機組工作于一種特殊的運行方式，即孤網運行方式，系統頻率、電壓都處于極不穩定的狀態。黑啟動機組啟動后系統中可能會產生多種類型的過電壓，主要有工頻過電壓和操作過電壓兩種。目前，國內針對該階段儲能參與黑啟動的研究較少，筆者認為可以從以下兩個方面考慮。

（1）降低工頻過電壓。工頻過電壓是指黑啟動機組空充長線路時，線路上的容性電流增大而導致的電壓升高，容性電流的助磁作用還會導致發電機端電壓升高，從而產生自勵磁，危及發電機和線路絕緣?？刂乒ゎl過電壓一般采取在線路上裝設并聯電抗器、增加感性負荷來抵消容性電流，削弱電容效應，從而降低工頻過電壓。儲能系統由于其儲能變流器具備功率因數超前0.9～滯后0.9范圍內動態可調的能力，可以考慮在黑啟動機組空充長線路時調節其功率因數，以感性負荷或容性電源投入系統，幫助系統吸收過多的無功功率，有效削減電容電流，降低工頻過電壓，保護發電機和線路的設備安全。

（2）穩定操作過電壓。操作過電壓是指空載線路合閘到電源上引起的暫態過電壓，合閘過程中線路發生高頻振蕩，振蕩電壓由零值過渡到由電容效應決定的工頻穩態電壓值期間可能會出現電壓越限的情況。儲能系統由于其調頻、調壓響應速率快，調節精度高，在各段線路合閘到黑啟動電源上時，可根據需求快速響應并調節系統電壓、頻率，有效維持黑啟動初期各個供電子系統的穩定。

國內也有學者分析了黑啟動過程中的操作過電壓問題，通過建立空充輸電線路的貝瑞龍模型和變壓器等效模型，對不同的空充輸電線路方案進行過電壓校驗，為風儲黑啟動路徑及方案的制訂提供了重要參考[3]。

2.3 負荷恢復階段

為了最大限度地降低大電網停電造成的國民經濟損失，必須加快電網負荷恢復速度，對于規模較大的電網，建議采取并行恢復模式，即將電網劃分為若干子系統，各個子系統內黑啟動電源同時啟動，待各個子系統內部運行穩定后再進行同期并網。

負荷恢復階段涉及的主要問題：①控制負荷的增加量與系統的調頻、調壓特性相匹配;②并行恢復模式下各子系統的同期并網問題。目前，國內針對該階段儲能參與黑啟動的研究較少，筆者認為可以從以下兩個方面考慮。

（1）穩定系統頻率。黑啟動電源啟動后必須接入一定量的負荷，以保證黑啟動電源的最低負荷運行水平，按照負荷分類及大小來說，恢復過程中應逐步恢復直配小負荷、直配大負荷和電網負荷。調節機組出力與負荷大小就能控制系統頻率，進而會影響負荷恢復的速度。一方面，儲能系統適合作為火電機組或風電機組的黑啟動電源，在火電機組或風電機組成功自啟動后，儲能系統也可考慮作為其直配小負荷用于穩定前期機組的出力;另一方面，儲能系統AGC調節能力優越，電網負荷恢復階段各電網側儲能系統可有效降低電網功率供需逆差，穩定系統頻率。

（2）協助同期并網。并行恢復模式下，由于各個子系統是相互獨立的孤網，重新閉合聯絡線后勢必會導致潮流分配不合理，進而使聯絡線兩端各個子系統的相角差偏離，甚至會導致該條聯絡線的繼電保護裝置動作，阻止同期并網。在極端的情況下，可能導致黑啟動初期剛剛建立的小系統完全崩潰，再次全黑。

儲能系統由于其技術特殊性，既可作為電源進行放電，也可作為負荷進行充電。當電網配置了一定規模的儲能系統后，儲能系統可根據調度指令有效減少各子系統潮流逆差，降低聯絡線兩端母線的相角差，進而實現順利同期并網。

3 應用前景

本文充分借鑒國內儲能參與和電網黑啟動應用的研究方法和實踐經驗，根據黑啟動在各個階段中面臨的主要難點，結合儲能技術的優勢，全面分析并梳理了儲能系統在電網黑啟動各個階段中應用的研究思路，其主要應用前景如下：？譹？訛儲能系統可結合風電及火電機組實現黑啟動，有效補充了黑啟動電源的數量，有望解決各地區電網黑啟動電源不足及分布不合理的實際問題。？譺？訛通過儲能系統提供更多的黑啟動電源點，這為黑啟動的并行恢復提供了可能，并行恢復可有效提升黑啟動恢復效率，減少停電時間，降低經濟損失。？譻？訛儲能系統由于其調節性能的優越性，在黑啟動各階段都能對系統恢復提供積極的輔助措施，有效地提高了黑啟動效率和成功率。？譼？訛在目前電力市場環境下，大部分地區黑啟動輔助服務補償機制尚未明確，無法提高各機組提供輔助服務的積極性，如何設計公平并具備激勵效果的協調補償機制是后期推廣應用的關鍵點和難點。

參 考 文 獻

[1]潘道成.配置儲能系統的風電場在局域電網黑啟動中的應用研究[D].北京：華北電力大學，2014.

[2]劉力卿.儲能型風電場作為電網黑啟動電源的控制技術研究[D].北京：華北電力大學，2017.

[3]田武，劉莉，王剛，等.基于風儲聯合發電系統黑啟動過電壓研究[J].電氣應用，2017（15）：42-46.