胡應(yīng)宏 ，余志森 ，鄧 春 ，王勁松 ，李 雨

（1.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045；2.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京 100045）

0 引言

風(fēng)光儲(chǔ)電站地處偏遠(yuǎn)，一旦外部電網(wǎng)發(fā)生故障，將對(duì)電站內(nèi)的正常安全生產(chǎn)和日常生活造成極大影響［1-2］。大停電后的有效恢復(fù)控制是減小停電損失的重要措施，根據(jù)恢復(fù)過程中不同時(shí)期的任務(wù)，通常分為黑啟動(dòng)、網(wǎng)架重構(gòu)和負(fù)荷恢復(fù)3個(gè)階段［3-6］。傳統(tǒng)的黑啟動(dòng)主要依靠水電機(jī)組或抽水蓄能機(jī)組作為電源進(jìn)行啟動(dòng)［7-10］。文獻(xiàn)［10-14］進(jìn)行了黑啟動(dòng)的策略評(píng)價(jià)研究及在線決策等。文獻(xiàn)［15-17］對(duì)含風(fēng)機(jī)、光伏等新能源分布式電源及智能配電的黑啟動(dòng)及相關(guān)控制策略進(jìn)行了理論研究。風(fēng)光儲(chǔ)電站由于包含大規(guī)模的儲(chǔ)能設(shè)備、雙向變流設(shè)備和較為完備的功率控制系統(tǒng)，能夠?yàn)殡娬竞趩?dòng)提供基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)外研究成果中尚未有利用風(fēng)光儲(chǔ)電站進(jìn)行黑啟動(dòng)的工程研究和試驗(yàn)工作，相關(guān)的研究也未見報(bào)道。風(fēng)光儲(chǔ)示范電站具備黑啟動(dòng)能力對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)公司、冀北電力公司乃至國(guó)家電網(wǎng)公司都具有重要意義。對(duì)于風(fēng)光儲(chǔ)公司而言，風(fēng)光儲(chǔ)電站具備黑啟動(dòng)能力將極大提高安全穩(wěn)定運(yùn)行能力；對(duì)于冀北電力公司而言，風(fēng)光儲(chǔ)電站將為冀北電網(wǎng)提供潛在的黑啟動(dòng)可能性；對(duì)于國(guó)家電網(wǎng)公司而言，風(fēng)光儲(chǔ)電站的黑啟動(dòng)能力將具有良好的示范作用，使儲(chǔ)能電站具備特殊情況下支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的作用。同時(shí)，風(fēng)光儲(chǔ)電站黑啟動(dòng)的研究和實(shí)現(xiàn)，將為新能源、局部微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)特殊方式下的運(yùn)行提供工程示范。

本文首先對(duì)風(fēng)機(jī)參與風(fēng)光儲(chǔ)電站黑啟動(dòng)的過程進(jìn)行了分析，重點(diǎn)分析了風(fēng)機(jī)啟動(dòng)造成儲(chǔ)能變流器跳閘的過程，并對(duì)風(fēng)機(jī)參與黑啟動(dòng)的過程進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，指出由于風(fēng)機(jī)缺少恰當(dāng)?shù)能泦?dòng)過程，導(dǎo)致啟動(dòng)過流，使得黑啟動(dòng)失??；然后，提出了風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)的控制策略，并利用仿真方法對(duì)提出的控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證，表明提出的方法能夠很好地避免風(fēng)機(jī)變流器的啟動(dòng)過流問題。

1 永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)及其啟動(dòng)過程

1.1 永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)的拓?fù)淙鐖D1所示，其由六相的永磁電機(jī)、二極管整流器、斬波升壓電路、直流電容、制動(dòng)電路以及變流器組成。發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)二極管整流器，變?yōu)檩^低的直流電壓，該直流電壓經(jīng)斬波升壓電路變?yōu)槟繕?biāo)直流電壓，然后經(jīng)變流電路變?yōu)榻涣麟娐?，每相?jīng)過2個(gè)橋臂輸出，增大了變流器的容量。

1.2 永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)過程

某風(fēng)機(jī)的預(yù)充電和配電回路如圖2所示。在變流器運(yùn)行前直流母線沒有電壓時(shí)，如果合閘，會(huì)導(dǎo)致很大的沖擊電流。預(yù)充電回路就是在回路中串入限流電阻，通過限流電阻為母線充電，使得直流電壓緩慢建立。主要通過斷路器1Q3、緩沖電阻以及斷路器1Q7，經(jīng)過變流器的二極管進(jìn)行不可控整流，它繞開了主回路斷路器，在主回路斷路器吸合前先將母線充電，以保護(hù)母線上電容不受電網(wǎng)電壓的沖擊。在充電一段時(shí)間后，閉合主斷路器，斷開緩沖電阻。620VAC經(jīng)過供電變壓器轉(zhuǎn)換為2路400VAC，一路為變流器主柜設(shè)備供電，另一路則為機(jī)艙供電。400V AC主要為400 V AC/24 V DC開關(guān)電源，IGBT模塊柜和塔底散熱風(fēng)機(jī)以及控制風(fēng)機(jī)的變頻器，主柜內(nèi)的照明、加熱、散熱、維護(hù)插座，塔架內(nèi)的照明、助力器、維護(hù)插座，主回路的儲(chǔ)能供電。

2 風(fēng)機(jī)參與黑啟動(dòng)試驗(yàn)分析

2.1 風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)過程

在風(fēng)光儲(chǔ)電站進(jìn)行黑啟動(dòng)過程中的電壓、電流錄波如圖3所示，風(fēng)機(jī)參與黑啟動(dòng)的過程如下。

a.零啟升壓過程中，電流經(jīng)斷路器1Q3、緩沖電阻接電容，斷路器1Q7處于斷開狀態(tài)，變流器沒有接入，電流中不含諧波電流。

b.電壓上升到變流器設(shè)置工作下限時(shí)，1Q7閉合，對(duì)變流器通過二極管不可控整流對(duì)直流電容充電。由于1Q7閉合，濾波電容上電壓突然升高，導(dǎo)致無(wú)功電流突然變大，使得機(jī)端電壓也有個(gè)跳變，具體波形如圖3中橢圓部分所示。

該過程中的電流為容性電流疊加充電時(shí)的沖擊電流，由于不可控整流的諧波含量非常豐富，使得電流畸變比較嚴(yán)重，隨著系統(tǒng)電壓升高，充電電流變大，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓畸變，電流放大后的波形如圖4所示。有功功率主要為線路損耗，其值很小，約為10 kW。

圖1 永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of permanent magnetic synchronous generator

圖2 永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)的預(yù)充電和配電回路Fig.2 Pre-charging and power distribution circuit of permanent magnetic synchronous generator

圖3 永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)參與黑啟動(dòng)時(shí)的電壓與電流Fig.3 Voltage and current of permanent magnetic synchronous generator during black-start

圖4 變流器接入后的電流波形Fig.4 Current waveform after converter is connected

c.中間電壓變化是由于投電加熱等負(fù)荷，導(dǎo)致電壓降低、諧波電流變小。系統(tǒng)穩(wěn)定后，電壓恢復(fù)，諧波電流也恢復(fù)為穩(wěn)態(tài)值。

d.并網(wǎng)過程中，由于由不可控整流到可控整流沒有軟啟動(dòng)過程，導(dǎo)致沖擊電流過大，使得儲(chǔ)能變流器過流，從而跳閘。

2.2 風(fēng)機(jī)的跳閘過程及原因分析

并網(wǎng)跳閘電流波形在可控整流之前，主要是無(wú)功電流，為了建立直流電壓，需要吸收有功，所以在變?yōu)榭煽卣鲿r(shí)，主要為有功電流，具體錄波波形如圖5所示，從波形可以看出可控整流前后相位的變化。

建立直流電壓過程中，如果沒有適當(dāng)?shù)能泦?dòng)過程，就會(huì)由于直流電壓建立過程太快造成較大的啟動(dòng)電流。為了抑制過大的啟動(dòng)電流，要進(jìn)行軟啟或者適當(dāng)增大軟啟動(dòng)的啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)度。與風(fēng)機(jī)在黑啟動(dòng)過程中跳閘仿真過程一致，表明所分析的跳閘原因符合現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象。

圖5 風(fēng)機(jī)跳閘時(shí)的系統(tǒng)電壓、電流波形Fig.5 Voltage and current waveforms when wind turbine is tripped

3 風(fēng)機(jī)參與黑啟動(dòng)的仿真分析與改進(jìn)措施

3.1 仿真分析

為了驗(yàn)證分析的正確性，對(duì)風(fēng)機(jī)參與黑啟動(dòng)過程在RT-Lab進(jìn)行硬件在環(huán)仿真，系統(tǒng)未進(jìn)行分核，仿真時(shí)間步長(zhǎng)為8×10-5s，硬件為基于合作廠家某風(fēng)科技的硬件平臺(tái)進(jìn)行，基于其DSP+FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)算法。仿真系統(tǒng)為單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)，系統(tǒng)電壓為690 V，風(fēng)機(jī)為永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)，容量為2 MV·A。在22 s時(shí)刻，風(fēng)機(jī)端電壓滿足啟動(dòng)條件，合閘啟動(dòng)，但是在啟動(dòng)瞬間，由于缺少軟啟動(dòng)過程，導(dǎo)致VF電源過流跳閘，得到的仿真波形如圖6所示。

圖6 風(fēng)機(jī)參與黑啟動(dòng)的仿真波形Fig.6 Simulative waveform of black-start with wind turbine

3.2 風(fēng)機(jī)軟啟的改進(jìn)措施

3.2.1 已有的直流電壓軟啟策略

風(fēng)機(jī)已有的直流電壓軟啟動(dòng)過程，其軟啟動(dòng)示意圖如圖7所示，建立方法為逐步提高目標(biāo)電壓值，使得在軟啟過程中流入變流器的電流均較小，避免沖擊電流。但該措施無(wú)法避免由于控制器初始化等造成的過流，故需要對(duì)策略進(jìn)行修改。

圖7 直流電壓軟啟動(dòng)過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of DC-voltage soft-startup

3.2.2 控制器初始化參數(shù)造成的沖擊

針對(duì)控制器參與以及初始化等造成的沖擊電流，將啟動(dòng)的初始電壓設(shè)置為低于可控整流電壓，使得電流先流入系統(tǒng)，然后逐漸升高目標(biāo)電壓，由流入系統(tǒng)轉(zhuǎn)為流入變流器，避免初始時(shí)刻的過沖。軟啟動(dòng)初始時(shí)刻示意圖如圖8所示。

圖8 軟啟動(dòng)初始時(shí)刻示意圖Fig.8 Schematic diagram of starting process of soft-startup

3.2.3 改進(jìn)措施的仿真驗(yàn)證

對(duì)提出的直流側(cè)電壓軟啟的策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真條件同3.1節(jié)，修改直流電壓參考值，得到的仿真波形如圖9所示，其中圖9（a）為修改后的直流側(cè)參考電壓以及變流器直流電壓，從圖中可以看出，直流電壓從低于整流電壓值逐漸增大；圖9（b）為a相電流，從圖中可以看出該過程沒有沖擊電流，直流電壓也沒有異常，很好地實(shí)現(xiàn)了變流器的軟啟動(dòng)。

圖9 風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)過程中的仿真波形Fig.9 Simulative waveforms of wind turbine during soft-startup

4 結(jié)論

本文對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)參與風(fēng)光儲(chǔ)電站的黑啟動(dòng)過程進(jìn)行了分析，風(fēng)機(jī)變流器直流側(cè)電壓缺少軟啟動(dòng)過程導(dǎo)致風(fēng)機(jī)啟動(dòng)失敗，提出了風(fēng)機(jī)參與黑啟動(dòng)過程的修改方法，并對(duì)方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

a.對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行了分析，指出風(fēng)機(jī)在黑啟動(dòng)過程中存在啟動(dòng)沖擊電流的問題，需要進(jìn)一步對(duì)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)過程進(jìn)行優(yōu)化；

b.提出了風(fēng)機(jī)軟啟動(dòng)的控制策略，將直流母線的目標(biāo)電壓設(shè)置為低于整流電壓值，然后再逐漸提高直流母線的目標(biāo)電壓，避免了風(fēng)機(jī)啟動(dòng)過程中的沖擊電流，解決了風(fēng)機(jī)的軟啟動(dòng)過流問題。

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