樊宏濤，李昕然，孫耀杰

(復(fù)旦大學(xué) 電光源研究所，先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200433)

引言

近些年來(lái)，可再生能源發(fā)電技術(shù)迅猛發(fā)展，應(yīng)用于商場(chǎng)、寫(xiě)字樓屋頂?shù)姆植际焦夥娬狙b機(jī)量不斷增加；隨著儲(chǔ)能設(shè)備的大量投入，光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)也可在外部電網(wǎng)故障時(shí)作為建筑物的備用照明能源，為備用照明設(shè)備進(jìn)行供電，保證營(yíng)業(yè)、工作活動(dòng)不中斷。

黑啟動(dòng)[1]是指在外部電網(wǎng)因?yàn)楣收线M(jìn)入全黑狀態(tài)時(shí)，通過(guò)啟動(dòng)系統(tǒng)中具有自啟動(dòng)能力的電源，帶動(dòng)無(wú)自啟動(dòng)能力的電源，逐步擴(kuò)大系統(tǒng)恢復(fù)范圍，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)的過(guò)程,其策略可以分為串行恢復(fù)和并行恢復(fù)兩類[2]。串行恢復(fù)是由主電源建立參考電壓和頻率，其他參考源參考主電源啟動(dòng)。串行恢復(fù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但是恢復(fù)速度較慢。并行恢復(fù)是使具有黑啟動(dòng)能力的微源同時(shí)啟動(dòng)，通過(guò)同步后聯(lián)網(wǎng)完成恢復(fù)。并行恢復(fù)恢復(fù)速度快但是沖擊電流容易過(guò)大。

黑啟動(dòng)作為停電事故后能夠快速恢復(fù)電網(wǎng)供電的重要措施，引起了國(guó)內(nèi)外眾多專家的關(guān)注與研究。文獻(xiàn)[3]對(duì)微電網(wǎng)黑啟動(dòng)的電源選擇和控制方法，主要的黑啟動(dòng)策略進(jìn)行了介紹。文獻(xiàn)[4]針對(duì)光伏和儲(chǔ)能的多微網(wǎng)提出了一種三層結(jié)構(gòu)的分層控制。文獻(xiàn)[5]基于常規(guī)MPPT算法提出跟蹤負(fù)荷變化適用于黑啟動(dòng)的協(xié)調(diào)控制策略，保證光伏出力最多。以上的黑啟動(dòng)策略主要是從電源出力角度分析分布式電源的黑啟動(dòng)能力及黑啟動(dòng)方案，根據(jù)負(fù)載情況選擇黑啟動(dòng)策略的研究較少。

本文建立了光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型，并在傳統(tǒng)并行恢復(fù)黑啟動(dòng)策略的基礎(chǔ)上，提出一種基于負(fù)載情況尋優(yōu)的黑啟動(dòng)策略，通過(guò)負(fù)載情況選擇同時(shí)并網(wǎng)的光儲(chǔ)單元數(shù)量，使系統(tǒng)沖擊最小，負(fù)載更加均衡。最后利用Matlab/Simulink建立了光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了策略的可行性。并對(duì)某屋頂有光儲(chǔ)電站的寫(xiě)字樓模擬了黑啟動(dòng)對(duì)備用照明設(shè)備供電的應(yīng)用方案，根據(jù)照明燈具的功率分析方案可行。

1 光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

為保證研究結(jié)果的廣泛適用性，本文所研究的是目前較為常用的光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)?，?chǔ)能單元在交流側(cè)接入，方便擴(kuò)充容量；具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由光伏陣列、DC/DC變換器、DC/AC變換器，儲(chǔ)能電池組、電網(wǎng)、負(fù)載組成。由斷路器KM1-4控制光伏單元接入；斷路器KM5-8控制儲(chǔ)能單元接入；采用目前較為常用的分層控制。斷路器KM1-8均由供電控制GC(generator control)模塊控制開(kāi)關(guān)。斷路器LG控制電網(wǎng)接入；斷路器L1～L4由負(fù)載控制(load control)控制接入，供電控制和負(fù)載控制都與網(wǎng)側(cè)控制中心GCC(grid control center)保持通信。

圖1 光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of PV-Energy storage system

2 并網(wǎng)的光儲(chǔ)單元數(shù)目對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響

在并行恢復(fù)中，過(guò)多的光儲(chǔ)單元同時(shí)進(jìn)行并網(wǎng)時(shí)，容易造成沖擊過(guò)大的情況。剛剛建立的交流母線穩(wěn)定性不足，可以認(rèn)為是一個(gè)弱電網(wǎng)的情況，啟動(dòng)過(guò)程可以認(rèn)為是弱電網(wǎng)向理想電網(wǎng)過(guò)渡的過(guò)程。下面對(duì)弱電網(wǎng)受沖擊失穩(wěn)與啟動(dòng)光儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分析。在黑啟動(dòng)中，為了方便控制，除了主參考源，所有并網(wǎng)的光儲(chǔ)單元的逆變器控制均為PQ控制。 文獻(xiàn)[10]中表明當(dāng)并聯(lián)逆變器個(gè)數(shù)變?yōu)镹倍時(shí)，要使系統(tǒng)穩(wěn)定的電網(wǎng)阻抗變化范圍就要縮小N倍。文獻(xiàn)[11]中也提到弱電網(wǎng)情況下，在電網(wǎng)阻抗的影響下，并網(wǎng)逆變器個(gè)數(shù)越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差；過(guò)多的并網(wǎng)逆變器個(gè)數(shù)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。對(duì)于黑啟動(dòng)過(guò)程，已經(jīng)建立的電網(wǎng)阻抗同樣不可忽略，此時(shí)電網(wǎng)容量也很小，電壓頻率跟容易受到擾動(dòng)。與文獻(xiàn)中又有所不同。因此本文采用仿真對(duì)比的方法，搭建了光儲(chǔ)單元模型并對(duì)不同負(fù)載下同時(shí)啟動(dòng)的光儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)的不同對(duì)建立的交流母線電壓頻率的影響進(jìn)行仿真。選定交流母線電壓/頻率的波動(dòng)能量(電壓/頻率在時(shí)間上的積分)來(lái)描述交流母線電壓頻率穩(wěn)定性。

搭建的單個(gè)光儲(chǔ)單元模型如圖2所示；每個(gè)光儲(chǔ)單元包括光伏陣列、儲(chǔ)能陣列、逆變器模塊、備用照明設(shè)備。

圖2 光儲(chǔ)單元模型Fig.2 Model of PV-energy storage cell

對(duì)上述模型在不同負(fù)載和啟動(dòng)的光伏單元個(gè)數(shù)下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 不同負(fù)載下并網(wǎng)光儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)對(duì)頻率穩(wěn)定的影響Fig.3 Frequency influence of the number of grid-connected units under different loads

由圖3、圖4可以看出，在光儲(chǔ)單元并網(wǎng)時(shí)，交流母線的電壓頻率都出現(xiàn)了不同程度的波動(dòng)。同時(shí)并網(wǎng)的光儲(chǔ)單元為4個(gè)時(shí)，電壓和頻率的波動(dòng)明顯比并網(wǎng)個(gè)數(shù)為2個(gè)和3個(gè)的情況更大，恢復(fù)穩(wěn)定所需要的時(shí)間也越長(zhǎng)。當(dāng)同時(shí)啟動(dòng)的光儲(chǔ)單元增加時(shí)，在恢復(fù)負(fù)載相同的情況下，同時(shí)并網(wǎng)的光儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)越多，電壓恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間就越長(zhǎng)，波動(dòng)也越大，阻尼比越小。表1給出了固定負(fù)載下并網(wǎng)個(gè)數(shù)的阻尼比。

于是在并行恢復(fù)的黑啟動(dòng)策略下，我們可以以同時(shí)并網(wǎng)的光儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)最小為目標(biāo)對(duì)黑啟動(dòng)策略進(jìn)行優(yōu)化。

表1 不同并網(wǎng)光儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)對(duì)頻率/電壓穩(wěn)定的影響

圖4 不同負(fù)載下并網(wǎng)光儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)對(duì)電壓穩(wěn)定的影響Fig.4 Voltage influence of the number of grid-connected units under different loads

3 黑啟動(dòng)策略

本文在并行恢復(fù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)負(fù)載情況以同時(shí)并網(wǎng)的光儲(chǔ)單元數(shù)量最少為目標(biāo)進(jìn)行黑啟動(dòng)恢復(fù)，在負(fù)載接入時(shí)，使同時(shí)并網(wǎng)的光儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)最少以提高可靠性，并減小交流母線的頻率電壓波動(dòng)。具體黑啟動(dòng)策略如下。

3.1 光儲(chǔ)單元并網(wǎng)順序

下面分別從光儲(chǔ)單元控制、負(fù)載接入控制來(lái)描述恢復(fù)順序。

1)對(duì)于光儲(chǔ)單元，在光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的黑啟動(dòng)中，使用隨機(jī)編號(hào)對(duì)光儲(chǔ)單元進(jìn)行編號(hào)的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)即插即用的效果，不受個(gè)別損壞的光儲(chǔ)單元影響。儲(chǔ)能單元作為自啟動(dòng)源最先啟動(dòng)建立交流母線的電壓和頻率，采用電壓控制迅速恢復(fù)；啟動(dòng)之后，為光伏系統(tǒng)啟動(dòng)提供參考，其中主參考的儲(chǔ)能單元為電荷狀態(tài)和容量之積最大的儲(chǔ)能單元。預(yù)同步時(shí)，其它參考源以主參考源為標(biāo)準(zhǔn)追蹤主參考源的電壓相位，由電壓控制變?yōu)镻Q控制。而光伏單元，在儲(chǔ)能單元啟動(dòng)之后參考儲(chǔ)能單元所建立的電壓頻率進(jìn)行啟動(dòng)，光伏系統(tǒng)工作于PQ模式，方便控制。當(dāng)光伏單元參考儲(chǔ)能單元啟動(dòng)完畢，各個(gè)參考光伏單元也開(kāi)始以主參考源的電壓頻率為目標(biāo)進(jìn)行預(yù)同步，準(zhǔn)備并網(wǎng)。

通過(guò)第2節(jié)的分析，同時(shí)并網(wǎng)的光儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)應(yīng)盡量少以使交流母線電壓頻率波動(dòng)最小，為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，可通過(guò)對(duì)編號(hào)光儲(chǔ)單元的最大輸出功率進(jìn)行計(jì)算得到:

(1)

在控制光儲(chǔ)單元輸出時(shí)，因?yàn)楣夥鼏卧苡绊懸蛩剌^多，儲(chǔ)能單元優(yōu)先發(fā)出功率來(lái)保障電壓頻率的穩(wěn)定。

2)對(duì)于負(fù)載，根據(jù)負(fù)載的重要程度分為主負(fù)載(最重要)和次級(jí)負(fù)載(相對(duì)重要)。其中主負(fù)載LD0優(yōu)先度最高，在光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量足夠時(shí)首先接入；然后對(duì)次級(jí)負(fù)載進(jìn)行隨機(jī)數(shù)編號(hào)，啟動(dòng)順序?yàn)長(zhǎng)S1>LS2>LS3，采用隨機(jī)數(shù)編號(hào)可以避免次級(jí)負(fù)載過(guò)大導(dǎo)致光儲(chǔ)單元無(wú)法滿足啟動(dòng)條件一直無(wú)法啟動(dòng)。

3.2 預(yù)同步方法

當(dāng)主參考儲(chǔ)能單元和其它參考儲(chǔ)能單元完成自啟動(dòng)后準(zhǔn)備進(jìn)行并網(wǎng)時(shí)應(yīng)完成預(yù)同步過(guò)程。預(yù)同步方法為：在并聯(lián)前，待同步黑啟動(dòng)源的參考值根據(jù)自身的電壓控制提供，在需要進(jìn)行并聯(lián)時(shí)，參考值轉(zhuǎn)換為由主參考源實(shí)時(shí)提供，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)與主參考源的同步運(yùn)行。然后將儲(chǔ)能單元控制模式切換為PQ控制。為減小切換控制狀態(tài)過(guò)程中由于控制器狀態(tài)不同引發(fā)的波動(dòng)，采用電流參考補(bǔ)償算法進(jìn)行模式切換[9]。通過(guò)在切換時(shí)，對(duì)控制環(huán)增加一個(gè)上一控制狀態(tài)的補(bǔ)償量，避免切換控制模式后，控制環(huán)從0開(kāi)始追蹤誤差造成的波動(dòng)。

3.3 黑啟動(dòng)策略

根據(jù)上述所描述的啟動(dòng)順序，本文所描述的黑啟動(dòng)策略如下：

1)切除光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)負(fù)荷。為避免在黑啟動(dòng)初期微源因負(fù)過(guò)大而出現(xiàn)故障停機(jī)現(xiàn)象，應(yīng)首先切除系統(tǒng)內(nèi)所有用電設(shè)備，斷開(kāi)所有開(kāi)關(guān)，保證光伏單元所對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能單元在空載狀態(tài)下啟動(dòng)，建立交流母線電壓。對(duì)待同步光儲(chǔ)單元和次級(jí)負(fù)載進(jìn)行隨機(jī)數(shù)編號(hào)。

2)啟動(dòng)各個(gè)儲(chǔ)能單元，以電壓控制方式進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的自啟動(dòng)，并具有調(diào)頻和調(diào)壓能力，保證光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)孤島運(yùn)行時(shí)的電壓和頻率穩(wěn)定。

3)啟動(dòng)儲(chǔ)能單元所對(duì)應(yīng)的光伏單元，光伏單元采用PQ控制。

4)當(dāng)光儲(chǔ)單元完成穩(wěn)定自啟動(dòng)后，進(jìn)行預(yù)同步。

5)主負(fù)載投入與光儲(chǔ)單元并網(wǎng)順序判斷。

(a)對(duì)于主要負(fù)載LD0，應(yīng)滿足

(2)

(b)對(duì)于次級(jí)負(fù)載，應(yīng)滿足

(3)

(4)

其中KLS_k為第j個(gè)次級(jí)負(fù)載投入時(shí)的沖擊系數(shù)；PLS_k為第j個(gè)次級(jí)負(fù)載功率；m為投入次級(jí)負(fù)載的個(gè)數(shù)；PMS_min為主參考光儲(chǔ)單元儲(chǔ)能模塊最小輸出功率；PSi_min為第i個(gè)光儲(chǔ)單元儲(chǔ)能模塊最小輸出功率。njmin為滿足上述條件的第j組光儲(chǔ)單元投入的最小啟動(dòng)光儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)，當(dāng)條件符合時(shí)，閉合相應(yīng)的光儲(chǔ)單元開(kāi)關(guān)進(jìn)行并網(wǎng)，待穩(wěn)定后投入次級(jí)負(fù)載LSm。余下未并網(wǎng)的光儲(chǔ)單元重新進(jìn)行隨機(jī)數(shù)編號(hào)。

6)當(dāng)所有可接入負(fù)載接入后，完成黑啟動(dòng)過(guò)程。

圖5 黑啟動(dòng)流程Fig.5 Black start process

4 仿真結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述黑啟動(dòng)策略的可行性，使用Matlab/Simulink對(duì)黑啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真。光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)淙鐖D1所示，模塊參數(shù)如表2所示(環(huán)境參數(shù)為25 ℃，1 000 W/m2)。

黑啟動(dòng)仿真波形如圖6所示。

表2 模塊參數(shù)

由圖6可以看出，啟動(dòng)過(guò)程如下：

視2.5 s建立起穩(wěn)定的電壓頻率，開(kāi)始投入主負(fù)載負(fù)載，主光儲(chǔ)單元1開(kāi)始輸出功率，其中光伏單元1輸出10 kW，儲(chǔ)能單元1輸出10 kW。

5.0 s時(shí)視電壓頻率穩(wěn)定，控制器檢測(cè)到光儲(chǔ)單元a不滿足次級(jí)負(fù)載1(14 kW)的投入條件。進(jìn)而判斷需要投入的光儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)并調(diào)整光儲(chǔ)單元a的輸出。光伏單元a輸出15 kW，儲(chǔ)能單元a輸出10 kW，投入光儲(chǔ)單元d，光伏單元d輸出5 kW，儲(chǔ)能單元d輸出4 kW，投入次級(jí)負(fù)載1(14 kW)。

7.5 s時(shí)視電壓頻率穩(wěn)定，繼續(xù)檢測(cè)到光儲(chǔ)單元a和d的容量不能滿足次級(jí)負(fù)載2(23 kW)的投入條件，進(jìn)而繼續(xù)判斷需要投入的光儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)并調(diào)整光儲(chǔ)單元a和d的輸出。此時(shí)光儲(chǔ)單元a已經(jīng)達(dá)到最大，調(diào)整光儲(chǔ)單元d的光伏單元輸出增大到8 kW，投入光儲(chǔ)單元b和c。光伏單元b輸出10 kW，儲(chǔ)能單元b輸出4 kW。光伏單元c輸出4 kW，儲(chǔ)能單元d輸出2 kW。滿足要求投入次級(jí)負(fù)載2(23 kW)。

圖6 黑啟動(dòng)過(guò)程仿真波形(負(fù)載啟動(dòng)順序：a→b→c)Fig.6 Simulation waveform of black start (load start sequence: a→b→c)

10 s時(shí)視電壓頻率穩(wěn)定，繼續(xù)檢測(cè)到光儲(chǔ)單元全部投入仍不能滿足次級(jí)負(fù)載3(40 kW)投入投入條件，至此，所有能投入的負(fù)載全部并網(wǎng)，黑啟動(dòng)結(jié)束。整個(gè)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入離網(wǎng)控制階段。

5 黑啟動(dòng)在備用照明中的應(yīng)用

備用照明是當(dāng)正常照明因電源失效后用于確保正常活動(dòng)繼續(xù)或暫時(shí)繼續(xù)進(jìn)行的應(yīng)急照明。它的應(yīng)急電源宜采用供電系統(tǒng)中有效地獨(dú)立于正常照明電源的專用饋電線路或自備發(fā)電機(jī)組[12]。在商場(chǎng)屋頂越來(lái)越多的建設(shè)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的情況下，在大電網(wǎng)掉電之后，可以通過(guò)黑啟動(dòng)恢復(fù)的電網(wǎng)來(lái)對(duì)備用照明設(shè)備進(jìn)行供電，逆變器動(dòng)作時(shí)間為一般為秒級(jí)可以快速恢復(fù)供電。

下面以某屋頂使用光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的寫(xiě)字樓為例。該樓總共12層，1～3層為商場(chǎng)，4～12層為辦公區(qū)；每層面積為2 260 m2，辦公區(qū)和商場(chǎng)主要使用的燈具為平板燈、格柵燈、筒燈和射燈；商場(chǎng)使用[13]所描述的照明方案，辦公區(qū)照明環(huán)境采用4 500 K色溫，500 lx照度[14]。商場(chǎng)共計(jì)500盞燈，總功率15.8 kW；平均照明功率密度為7 W/m2辦公區(qū)共計(jì)392盞燈，總功率為13.3 kW；平均照明功率密度為5.9 W/m2。

根據(jù)前面描述的負(fù)載分類情況，在備用照明設(shè)備中，主負(fù)載為人流量最大區(qū)域的備用照明設(shè)備或工作內(nèi)容最重要的備用照明設(shè)備，在本案例中為1～3層商場(chǎng)的備用照明設(shè)備。次級(jí)負(fù)載為4～12層的照明設(shè)備。

屋頂?shù)墓鈨?chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)為光伏單元110 kW，儲(chǔ)能單元55 kW。與備用電源的連接方式如圖7所示[15]。

圖7 含光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的備用電源連接方案Fig.7 Backup power connection scheme including PV-energy storage system

在此層辦公區(qū)的電網(wǎng)故障失去連接時(shí)，可使用屋頂?shù)墓鈨?chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行黑啟動(dòng)恢復(fù)。根據(jù)前面的仿真驗(yàn)證，光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)能夠在很短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)交流母線的電壓頻率，對(duì)備用照明設(shè)備進(jìn)行供電。這說(shuō)明該方案可行。

6 結(jié)束語(yǔ)

我們首先針對(duì)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)仿真分析了黑啟動(dòng)過(guò)程中，同時(shí)并網(wǎng)光儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)對(duì)交流母線電壓頻率的影響。在此基礎(chǔ)上提出了一種基于負(fù)載情況的并行恢復(fù)黑啟動(dòng)策略。通過(guò)要投入的隨機(jī)負(fù)載情況來(lái)判斷同時(shí)并網(wǎng)的光儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)光儲(chǔ)單元在對(duì)交流母線電壓頻率影響最小的情況下并網(wǎng)，順利快速的完成黑啟動(dòng)過(guò)程。對(duì)光儲(chǔ)單元進(jìn)行隨機(jī)數(shù)編號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)即插即用，對(duì)負(fù)載進(jìn)行隨機(jī)編號(hào)避免因?yàn)橐獑?dòng)的次級(jí)負(fù)載較大而出現(xiàn)空余光儲(chǔ)單元無(wú)法恢復(fù)負(fù)載的情況。結(jié)合仿真證明了本策略的可行性，同時(shí)對(duì)于屋頂裝有光儲(chǔ)電站的寫(xiě)字樓進(jìn)行黑啟動(dòng)備用照明設(shè)備供電，經(jīng)過(guò)分析該方案可行。