多儲能電站黑啟動系統構架關鍵技術的設計與應用

萬更新

（上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240）

0 引言

區域電網發配電電力系統儲能電站的優化設計和運行控制是本文研究的方向，特別是對于局部電網薄弱的地區，比如I 類負荷，突然停電會給企業經濟和社會造成很大損失。為滿足該電網要求，需采取必要技術措施快速恢復電網供電運行。黑啟動技術是電力系統快速恢復電網供電運行關鍵技術之一，而黑啟動的關鍵技術是黑啟動電源接入系統部分設計及控制策略優化設計。在水力資源優越地區，水力發電優勢明顯，廠用電量不大，可快速啟動發電機組。

風光發電系統微電網電站，其風光發電的技術特性是波動性和多儲能系統，針對該電站多儲能聯合發電系統黑啟動電源，需考慮研究新技術應用，將黑啟動電源的啟動接入設計及控制策略進行優化設計，實現停電后可快速恢復電網供電，并確保電網供電穩定運行。本研究以“多儲能聯合發電系統”（是指由2 個及以上同類型或者不同類型儲能系統并聯向電網供電運行）為研究對象，提出并設計了以多儲能和黑啟動系統構架，實現多機并聯穩定電網供電運行，并從黑啟動能力和出力等方面通過對系統的動態運行分析，提出切實可行的運行控制策略，而后采取相應的技術手段實現系統安全可靠、高效地運行，該優化設計的重點關鍵技術均可應用于多儲能風、光發電聯合系統或大型燃機機組。

1 系統儲能方案選擇

方案1：多儲能發電系統并網點配置大型儲能電站。

該方案啟動發電場充放電的電力線路距離遠、線路損耗又大，黑啟動現場操作時需按部就班進行帶電倒閘等控制操作，需多個部分協調操作執行，效率較低。

方案2：多儲能發電系統匯集母線處配置中型儲能電站。

將風光發電電站集群劃分為若干部分，在電站群并網母線處建立1 個或多個中小型儲能電站，既可以在電網正常運行時實現調峰、調頻等多方面功能，又可以在事故斷電后，快速建立各電站廠用電母電壓、頻率等測控數據。該配置方案不僅可以簡化儲能系統電站機組啟動的過程，而且還可以發揮多個儲能系統在整個黑啟動過程中的聯合規模效益[3]。

2 多儲聯合系統黑啟動過程

利用多儲聯合系統作為機組的黑啟動電源時，應滿足機組啟動負荷特性要求，具體為：①儲能系統的放電容量及電量需滿足電站啟動過程電量的要求，并在設計時預留一定的裕度；②儲能系統的放電容量還需滿足最大一臺電動機工頻啟動時的容量要求。

區域電網電站事故停電后的恢復過程一般為：第一，啟動電源電站的確定，即多儲聯合系統是否可以作為黑啟動電源以及參與黑啟動的多儲能電站；第二，電站儲能系統自動啟動運行，建立起穩定的廠用電母線電壓、頻率等電量數據，并給電站提供系統供電，發電機組利用已建立的電壓、頻率等電量數據啟動并平穩運行；第三，儲能電站同期并網廠用電母線輔助發電，其為主力電源供給其主變壓器、輸電線路、廠用變至燃機電廠的廠用電母線充電，待燃機輔機啟動后再啟動其他機組；第四，逐步擴大發電和供電范圍，直至完成區域電網電站全部供電。

黑啟動過程按常規一般分為：黑啟動開始階段、系統構架重構階段和常用工作運行負荷恢復這幾個主要階段。

黑啟動開始階段：采用電站系統中各個具備啟動容量條件的儲能系統為黑啟動電源點，使其向相關停運發電機組提供啟動電源，使其先行恢復啟動發電，繼而同期并網發電向區域電站供電，即是各個子系統的供電形成過程。

系統構架重構階段：采用各個儲能單元供電，使其子系統內的主發電機組、重要電站先于輸電線路逐步恢復電壓供電，并形成系統主網構架供電過程。

常用工作運行負荷恢復階段：各個供電單元子系統內的大部分發電站已經啟動運行，并具備一定的發電供電能力，是在已經建立較為穩定的電壓網架以后，區域電站系統從暫態層面逐漸恢復常用運行負荷穩定供電運行的過程[1]。

3 大容量多儲能聯合系統設計選型及系統架構

儲能是新能源發電、智能電網、可再生能源并網的重要組成部分和關鍵支撐技術。儲能系統既可以并網運行，為智能電網提供調峰、調頻、調壓、緊急功率支撐等服務，也可以離網運行，提供黑啟動電源、應急電源等功能。為了充分發揮多儲能聯合系統應用價值，獲得理想的經濟效益，目前在重燃電廠中，單純依靠輔助調頻或黑啟動情況較多。為更好地對新技術進行應用，下面分析介紹輔助調頻與黑啟動相結合的多儲能聯合發電系統新技術。

1）儲能系統選型

儲能技術方式可以為單一的或多種構成，按其電能轉換方式的不同，可以分為電化學儲能、熱儲能、機械儲能、電磁儲能等。目前產品市場規模占比最大，布點靈活，不受外界環境影響的限制，可以直接充放電。電氣設計設備選型常為電化學儲能，其是未來的重點發展方向。設計儲能系統作為電網黑啟動的“打火機”，需具備啟動響應速度快，設備布點靈活多樣，調節能力強，具有四象限運行等優點。結合電站黑啟動本身對儲能技術的要求，選擇目前電網應用較成熟的鋰電池設備較適用，適合作為輔助電站參與黑啟動的儲能電池[6]。

2）容量配置

輔助AGC 調頻儲能系統一般配置原則為：功率按機組功率3%左右配置，電量約按0.8 h 左右配置。輔助黑啟動儲能系統，需要按實際電負荷統計的黑啟動必需廠用電功率，及黑啟動過程消耗的電量進行配置，一般功率為機組功率的6%左右，同時考慮到燃機啟動過程約為0.5h 左右。以上是常規設計經驗的容量配置，具體容量需根據系統需要及經濟效益綜合考慮進行配置。

3）接入方式

輔助AGC 調頻及黑啟動的儲能系統均接入廠用電母線，具體接入高壓廠用電，還是低壓廠用電，需根據電站本身系統實際情況需求考慮接入。

接入的儲能系統可以為：電池、柴油發電機或壓縮空氣儲能等，需根據地區電站情況確定。盡管儲能發電聯合系統形式是多樣的，僅需對多儲能發電聯合系統將黑啟動和輔助調頻功能技術進行可靠有機結合起來，形成“黑啟動+輔助調頻”多儲能聯合系統整體解決方案[2]。系統構成如圖1 所示。

圖1 “黑啟動+輔助調頻”多儲能聯合系統一次接線圖Fig.1 Primary wiring diagram of "black start+auxiliary frequency modulation" multi-energy storage combined system

4）控制要求

輔助AGC 調頻及黑啟動的多儲能聯合系統均需要高性能的新技術控制系統，保證暫態調節響應的快速性和可靠性。

對于重型燃機電站，需要配置大容量的多儲能系統，一般由多個儲能單元并聯組成，每個儲能單元分別配置電池艙、儲能變流器艙、接入匯流艙等設備。儲能系統采用“三層兩網”式控制架構，三層由上到下分別為：能量管理系統（energy management system，EMS）、功率協調控制系統（power management system，PMS）、儲能變流系統（PCS），兩網均基于IEC61850 分別為：常規監控網、快速控制網；配置電氣測控設備一般為：AGC 柜、PMU 柜、EMS 柜、DCS 機柜及遠動柜等[7]。

三層配置中：EMS 處理數據監控、存儲、人機交互及計劃曲線等秒級的穩態數據；PMS 處理調頻調壓、緊急功率支撐、并離網模式切換等毫秒級的暫態控制；PCS 負責功率變換，執行PMS 指令，黑啟動時完成廠用電的軟啟動，建立并穩定廠用電的頻率和電壓。

兩網配置中：常規監控網采用制造報文規范（manufacturing message specification，MMS）協議，即是指通過對現場設備進行面向對象建模方式，實現在網絡構架環境下不同通信設備之間的上下交換操作，一般用于EMS 對PMS 及PCS 的穩態慢速通訊，實現對系統設備信息交換及監控功能；快速控制網采用面向電站事件進行通信，該標準用于電站自動化系統快速報文需求機制，主要用于實現遠動智能柜、AGC 柜、DCS 機柜等設備之間的快速信息傳遞，具有延時小、傳輸成功率高的特點，用于PMS 對PCS 的暫態快速通訊，實現電池系統的保護及監測功能。控制系統構成如圖2 所示。

圖2 “黑啟動+輔助調頻”方式的“三層兩網”多儲能控制系統Fig.2 "Three layers and two networks" multi-energy storage control system with "black start+auxiliary frequency modulation" mode

以上系統，黑啟動采用下垂變流技術或VSG 控制策略模式時，對外呈現電壓源型外特性，具備自主調頻、自主調壓、慣性、阻尼等優良特質[4]。而傳統控制技術調節方案，是通過直接調節各PCS 的頻率、電壓或通過頻率、電壓差，計算新的有功、無功工作點的方式，容易造成系統振蕩或調節響應慢。

現采用通信新技術方式，通過上層PMS 將各PCS 運行的平均功率疊加閉環調節量并進行再分配后反饋回PCS；PMS 與PCS 間采用GOOSE 通訊技術，通過一方發指令，多方接收指令和無需回傳確認的高優先級通訊技術方式，可實現對群體眾多PCS 單元進行快速控制，通訊網絡延遲小于2ms，可實現確保所有并聯PCS 調節的同步性；多儲能聯合系統還可采用變分模態分解技術獲得儲能系統初始功率數據分配，平抑發電功率的波動。

4 儲能系統參與電網調峰控制策略

調峰控制策略采用switch 模塊對輸入數據負荷值進行判別分類，由計算得出的差值經PID 模塊輸入儲能控制系統并對其進行自動控制。具體控制流程見圖3

圖3 多儲能系統PID控制策略Fig.3 PID control strategy of multi-energy storage system

另外，電池荷電狀態SOC 是用來反映電荷剩余容量大小的物理量，使用儲能發電系統設計必須考慮電池剩余容量占電池容量的比例，低于40%為不正常充放電剩余容量，需控制其放電效率在40%～90%之間為正常充放電剩余容量。為防止多儲能系統發生過充或過放情況，需要對儲能部分系統發出和吸收的功率根據多儲能系統SOC 進行分配處理；可采用梯度充放電法對出力進行控制，可采用雙重模糊化控制器通過初始功率信號二次修正，以實現對SOC模糊化控制策略的目的。

通過以上對大容量多儲能聯合發電系統設計選型配置及系統架構技術介紹，不難得出以下結論：

1）該項技術應用可使新老電站技術改造變得很容易，不影響原有DCS 控制，不影響原有繼電保護裝置的整定，僅增加與原DCS 控制之間的聯鎖即可[5]。

2）結合儲能電站系統實際情況，依據黑啟動接入技術規范，配置合適的多儲能發電聯合系統，選擇設備電氣安裝位置及相應的協調控制策略系統，即可將老電站升級改造為新站，為多儲聯合發電系統黑啟動提供了設計技術創新發展。

5 結論

“輔助調頻+黑啟動”多儲能聯合系統采用本文設計中圖1 的系統一次拓撲和圖2 的多儲能二次控制系統架構，采用VSG 控制策略變流新技術，分析了燃機黑啟動過程及需要應對的問題，提出了多儲能聯合系統接入方案及滿足快速通訊的“三層兩網”架構的控制方案。

研究了多儲能聯合系統調壓、調頻、調峰穩定控制方法，通過虛擬阻抗及補償技術策略，既可以實現約22MW多儲能并聯穩定運行，又能補償虛擬阻抗電壓偏差。

提出了一種快速同步反饋的多儲能聯合系統黑啟動調頻調壓控制新技術，保證通訊收/發指令的快速性和同步性，方案可靠，避免出現間歇性功率突升突降或電壓跌落等系統振蕩，保證了系統穩定。

實現了多儲能聯合系統的黑啟動新技術應用。該系統將黑啟動和輔助調頻功能可靠有機地結合起來，形成“黑啟動+輔助調頻”多儲能聯合系統整體解決方案，充分發揮了多儲能聯合系統在傳統發電領域的應用價值，為多儲能黑啟動在電力系統領域提供了新技術的應用與擴展，為今后基于儲能系統或大型燃氣輪機機組黑啟動技術方案設計應用研究提供新思路。