徐天樂，白 茹，王 光，徐光福，朱皓斌

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.國網(wǎng)山東省電力公司日照供電公司，山東 日照 276826）

0 引言

獨(dú)立型微電網(wǎng)一般應(yīng)用于大電網(wǎng)未覆蓋的農(nóng)村、海島等偏遠(yuǎn)地區(qū)，不與常規(guī)電網(wǎng)相連接，孤島運(yùn)行，利用自身分布式電源滿足微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷需求［1-2］。根據(jù)分布式電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，獨(dú)立型微電網(wǎng)主要有以下3 種類型：交流型、直流型和交直流混合型［3-4］。由于交直流混合型微電網(wǎng)具有運(yùn)行工況清晰、支持負(fù)荷類型廣泛、運(yùn)維檢修方便等特點(diǎn)，目前已得到專家的普遍認(rèn)可并推廣［5-6］。

相對于大電網(wǎng)，獨(dú)立型微電網(wǎng)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)冗余度較低、電力電子器件占比較高以及慣性較差，任一關(guān)鍵設(shè)備故障停機(jī)都有可能造成整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)失電［7-8］。為了大幅度降低微電網(wǎng)系統(tǒng)失電帶來的負(fù)面影響，往往要求獨(dú)立型微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的分布式電源都應(yīng)具備黑啟動(dòng)功能，以便實(shí)現(xiàn)快速重新啟動(dòng)并逐漸恢復(fù)整個(gè)微電網(wǎng)供電，從而大大提高用電的持續(xù)性和穩(wěn)定性［9］。對于獨(dú)立型微電網(wǎng)黑啟動(dòng)問題，國內(nèi)外已有多篇文獻(xiàn)進(jìn)行分析，但主要研究的是獨(dú)立型交流微電網(wǎng)系統(tǒng)中具備黑啟動(dòng)的微電源之間無縫切換和模式切換的問題［10-12］。然而，獨(dú)立型微電網(wǎng)往往采用風(fēng)機(jī)、光伏、柴油發(fā)電機(jī)、儲能及波浪能等新能源發(fā)電，運(yùn)行方式隨自然環(huán)境變化也不盡相同，黑啟動(dòng)的運(yùn)維操作十分復(fù)雜［13］。因此，對獨(dú)立型微電網(wǎng)系統(tǒng)全自動(dòng)控制的需求尤為迫切。

結(jié)合某海島獨(dú)立型交直流混合微電網(wǎng)項(xiàng)目，分析其微電源種類和控制方式，并提出一種基于模式自動(dòng)識別的一鍵黑啟動(dòng)控制策略。

1 典型獨(dú)立型交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

某獨(dú)立型交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，采用交直流混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包含儲能電池、柴油發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電4 個(gè)微電源。本微電網(wǎng)與大電網(wǎng)隔離，獨(dú)立運(yùn)行，且能同時(shí)接入交流和直流負(fù)荷。為保障供電可靠性，DC／DC 儲能裝置、DC／AC 變流器和儲能電池均采用雙套配置。

圖1 典型獨(dú)立型交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 微電源控制模式

在微電網(wǎng)黑啟動(dòng)過程中，具有黑啟動(dòng)能力的微電源一般采用恒壓恒頻控制模式（VF 控制）或調(diào)頻調(diào)壓下垂控制模式（VF-droop 控制），為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率。不具備黑啟動(dòng)能力的微電源一般采用功率控制模式（PQ 控制）、最大功率追蹤控制模式（MPPT 控制）等，為系統(tǒng)提供有功功率和無功功率。本微電網(wǎng)系統(tǒng)黑啟動(dòng)有4 種微電源的控制模式。

儲能電池系統(tǒng)控制模式。儲能系統(tǒng)的2 組DC／AC 變流器均采取VF-droop 控制模式，并列運(yùn)行，一起維持系統(tǒng)的電壓頻率；同時(shí)可以響應(yīng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)下發(fā)的AGC 和AVC 等控制指令，參與系統(tǒng)的二次調(diào)頻調(diào)壓。

柴油發(fā)電機(jī)控制模式。柴油發(fā)電機(jī)有2 種控制模式，作為主電源時(shí)采用VF 控制模式，用于穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓頻率；作為輔助電源時(shí)采用PQ 模式，根據(jù)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器要求輸出有功功率和無功功率。

光伏發(fā)電控制模式。光伏發(fā)電MPPT 控制模式和限功率控制模式，正常情況下使用MPPT，用于提高太陽能的利用率；在應(yīng)急情況下處于限功率控制，避免因光伏出力波動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。

風(fēng)力發(fā)電控制模式。風(fēng)力發(fā)電MPPT 控制模式，用于提高風(fēng)能的利用率。

3 一鍵黑啟動(dòng)流程

針對如圖1 所示的獨(dú)立型交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出基于模式自動(dòng)識別的一鍵黑啟動(dòng)控制策略。微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器通過GOOSE、IEC103、串口MODBUS 等方式實(shí)時(shí)監(jiān)測各設(shè)備狀態(tài)，實(shí)時(shí)計(jì)算黑啟動(dòng)模式及最佳啟動(dòng)順序，從而實(shí)現(xiàn)模式自動(dòng)識別的一鍵黑啟動(dòng)。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識別黑啟動(dòng)模式，先把儲能系統(tǒng)（電池+DC／DC 儲能裝置+DC／AC 變流器）當(dāng)成一個(gè)整體，那么黑啟動(dòng)方式主要有以下3 種模式（此處只考慮具有黑啟動(dòng)能力的柴油發(fā)電機(jī)和儲能系統(tǒng)，光伏和風(fēng)力發(fā)電檢測到直流母線帶電后自動(dòng)啟動(dòng)）。

1）柴油發(fā)電機(jī)黑啟動(dòng)模式。當(dāng)儲能系統(tǒng)異常（DC／AC 變流器均故障、儲能電池均故障或養(yǎng)護(hù)）時(shí)，僅須啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)給交流負(fù)荷供電。

2）儲能黑啟動(dòng)模式。當(dāng)直流側(cè)儲能電池具備啟動(dòng)條件時(shí)，啟動(dòng)DC／DC 儲能裝置建立直流母線電壓，允許投入直流負(fù)荷，然后黑啟動(dòng)DC／AC 變流器，建立交流母線電壓和頻率，投入交流負(fù)荷。

3）柴-儲黑啟動(dòng)模式。當(dāng)直流側(cè)儲能電池不具備啟動(dòng)條件時(shí)（比如電池電量過低、溫度過低等），先啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)建立交流母線電壓和頻率，再啟動(dòng)DC／DC 儲能裝置建立直流母線電壓，最后并網(wǎng)啟動(dòng)DC／AC 變流器，投入交流和直流負(fù)荷。

自動(dòng)識別黑啟動(dòng)模式邏輯如圖2 所示。

本微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)采用雙套配置，在不同狀態(tài)下，2 組DC／DC 儲能裝置和2 組DC／AC 變流器的啟動(dòng)順序各不相同，儲能系統(tǒng)黑啟動(dòng)順序各多達(dá)12種。為了自動(dòng)尋找最佳黑啟動(dòng)路徑，先設(shè)置啟動(dòng)邏輯如下所示。

1）2 臺DC／DC 儲能裝置控制邏輯。

2 臺DC／DC 儲能裝置無故障的情況下按荷電狀態(tài)確定啟動(dòng)優(yōu)先級。先啟動(dòng)的DC／DC 儲能裝置以恒壓模式運(yùn)行，用于維持直流母線電壓；后啟動(dòng)的DC／DC 儲能裝置以恒功率模式運(yùn)行，實(shí)時(shí)接收微網(wǎng)控制器目標(biāo)輸出功率指令。

當(dāng)其中一臺DC／DC 儲能裝置在黑啟動(dòng)過程中發(fā)生故障時(shí)，另外一臺DC／DC 儲能裝置立即切換至恒壓模式，快速維持直流母線電壓，以確保黑啟動(dòng)不受單一故障影響。

圖2 自動(dòng)識別黑啟動(dòng)模式邏輯框圖

2）2 臺DC／AC 變流器控制邏輯。

微網(wǎng)控制器在DC／DC 儲能裝置建立直流母線電壓后判別2 臺DC／AC 變流器的狀態(tài)信息（直流母線電壓恢復(fù)后，DC／AC 變流器直流側(cè)低壓報(bào)警返回），并按累計(jì)運(yùn)行時(shí)長確定啟動(dòng)優(yōu)先級。2 臺DC／AC 變流器啟動(dòng)后均采用VF-droop 模式并列運(yùn)行，任一臺故障都不影響交流母線供電，從而確保黑啟動(dòng)的成功率。

4 RTDS 仿真分析

為了研究儲能系統(tǒng)中DC／DC 儲能裝置和DC／AC 變流器的啟動(dòng)順序及時(shí)間配合，以便將基于模式自動(dòng)識別的一鍵黑啟動(dòng)控制策略有效地應(yīng)用于獨(dú)立型交直流混合微電網(wǎng)，在RTDS 試驗(yàn)平臺，搭建獨(dú)立型交直流混合微電網(wǎng)仿真模型，如圖3 所示。其中，2 臺DC／DC儲能裝置容量均為150 kW，2 臺DC／AC 變流器容量均為150 kW。同時(shí)設(shè)置1 號電池電量為50%，2 號電池電量為55%，啟動(dòng)柴發(fā)門檻電量定值為20%，1 號DC／AC 變流器累計(jì)運(yùn)行時(shí)間較長。

圖3 RTDS 仿真模型

試驗(yàn)Ⅰ：儲能系統(tǒng)正常狀態(tài)下一鍵黑啟動(dòng)模擬。儲能系統(tǒng)正常狀態(tài)下黑啟動(dòng)仿真結(jié)果如圖4 和圖5所示。

圖4 儲能系統(tǒng)正常狀態(tài)黑啟動(dòng)順序

如圖4 所示，當(dāng)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制下發(fā)“一鍵黑啟動(dòng)”命令后，由于2 號電池電量高，優(yōu)先自動(dòng)啟動(dòng)2號DC／DC 儲能裝置；2 號DC／DC 儲能裝置成功啟動(dòng)并建立直流母線電壓后，自動(dòng)下發(fā)1 號DC／DC 儲能裝置的啟機(jī)命令和1 號DC／AC 變流器的黑啟動(dòng)命令；1 號DC／AC 變流器成功啟動(dòng)并建立交流母線電壓后，自動(dòng)下發(fā)2 號DC／AC 變流器并網(wǎng)啟動(dòng)命令；2 號DC／AC 變流器運(yùn)行后，標(biāo)志一鍵黑啟動(dòng)流程結(jié)束。如圖5 所示，在儲能系統(tǒng)設(shè)備無異常時(shí)，一鍵黑啟動(dòng)技術(shù)能在5.259 s 左右恢復(fù)交流母線供電，12 s 左右完成所有黑啟動(dòng)流程。

圖5 儲能系統(tǒng)正常狀態(tài)黑啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)電壓頻率波形

試驗(yàn)Ⅱ：儲能系統(tǒng)異常狀態(tài)下一鍵黑啟動(dòng)模擬。以啟動(dòng)過程中1 號DC／AC 變流器發(fā)生異常為例，可得儲能系統(tǒng)異常狀態(tài)下黑啟動(dòng)仿真結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

圖6 儲能系統(tǒng)異常狀態(tài)黑啟動(dòng)順序

如圖6 所示，當(dāng)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制下發(fā)“一鍵黑啟動(dòng)”命令后，優(yōu)先自動(dòng)啟動(dòng)2 號DC／DC 儲能裝置，建立直流母線電壓后，由于1 號DC／AC 變流器異常無法正常啟動(dòng)，系統(tǒng)會(huì)延時(shí)5 s 后 （用于判別1 號DC／AC 變流器狀態(tài)）進(jìn)入2 號DC／AC 變流器啟機(jī)流程。當(dāng)2 號DC／AC 變流器黑啟動(dòng)條件就緒后，自動(dòng)下發(fā)黑啟動(dòng)命令并報(bào)“啟動(dòng)1 號DC／AC 變流器失敗”信號，2 號DC／AC 變流器運(yùn)行后，標(biāo)志一鍵黑啟動(dòng)流程結(jié)束。如圖7 所示，8.3 s 左右（2 號DC／AC 變流器處于黑啟動(dòng)狀態(tài)），開始零起升壓，并在10.31 s左右，交流母線達(dá)到額定電壓。由此可見，在單一設(shè)備啟動(dòng)異常的情況下，一鍵黑啟動(dòng)技術(shù)不受影響，自動(dòng)判別最佳路徑，并在10.31 s 左右恢復(fù)交流母線供電并完成所有黑啟動(dòng)流程。

圖7 儲能系統(tǒng)異常狀態(tài)黑啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)電壓頻率波形

5 現(xiàn)場實(shí)例分析

某獨(dú)立型交直流混合微電網(wǎng)工程主接線如圖1所示，微電網(wǎng)具體參數(shù)如表1 所示。

表1 某獨(dú)立型交直流混合微電網(wǎng)參數(shù)

試驗(yàn)Ⅰ：柴油發(fā)電機(jī)黑啟動(dòng)模式。模擬2 組電池故障，當(dāng)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制下發(fā)“一鍵黑啟動(dòng)”命令后，自動(dòng)識別為柴油發(fā)電機(jī)黑啟動(dòng)模式，只向柴油發(fā)電機(jī)控制器下發(fā)黑啟機(jī)命令，柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行于VF 模式并建立交流母線電壓，從而完成黑啟動(dòng)流程。

圖8 為柴油發(fā)電機(jī)黑啟動(dòng)模式下，柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)黑啟動(dòng)并穩(wěn)定電壓頻率的過程。在柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)接觸器閉合時(shí)，由于DC／AC 變流器自帶隔離變壓器勵(lì)磁涌流的影響，柴油發(fā)電機(jī)輸出電流會(huì)有突變，經(jīng)過該暫態(tài)過程后，電壓、電流及頻率趨于平穩(wěn)。

圖8 系統(tǒng)電壓頻率和柴油發(fā)電機(jī)電流波形

試驗(yàn)Ⅱ：儲能黑啟動(dòng)模式。將2 組電池恢復(fù)正常狀態(tài)，電池電量高于一定值，同時(shí)儲能系統(tǒng)所有設(shè)備無故障。已知1 號電池電量高于2 號電池，1 號DC／AC 變流器累計(jì)運(yùn)行時(shí)間較長，微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制下發(fā)“一鍵黑啟動(dòng)”命令后，自動(dòng)識別為儲能黑啟動(dòng)模式。

圖9 為儲能黑啟動(dòng)模式全過程。當(dāng)下發(fā)“一鍵黑啟動(dòng)”命令后，先自動(dòng)啟動(dòng)1 號DC／DC 儲能裝置并建立直流母線電壓，而后同時(shí)向2 號DC／DC 儲能裝置和1 號DC／AC 變流器下發(fā)黑啟動(dòng)命令，當(dāng)1 號DC／AC 變流器零起升壓建立交流母線電壓后，向2號DC／AC 變流器下發(fā)并網(wǎng)啟動(dòng)命令。從圖9 可知，只需12 s 左右就完成儲能黑啟動(dòng)模式所有流程。

圖9 儲能黑啟動(dòng)模式全過程

試驗(yàn)Ⅲ：柴-儲黑啟動(dòng)模式。儲能系統(tǒng)所有設(shè)備無故障，電池電量低于一定值，同時(shí)柴油發(fā)電機(jī)處于冷備用狀態(tài)。已知1 號電池電量高于2 號電池，1 號DC／AC 變流器累計(jì)運(yùn)行時(shí)間較長，微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制下發(fā)“一鍵黑啟動(dòng)”命令后，自動(dòng)識別為柴-儲黑啟動(dòng)模式，優(yōu)先向柴油發(fā)電機(jī)控制器下發(fā)啟動(dòng)命令，并在建立交流母線電壓后自動(dòng)進(jìn)入儲能系統(tǒng)啟動(dòng)流程。

圖10 系統(tǒng)電壓和頻率

圖11 柴油發(fā)電機(jī)電流和有功、無功功率

圖10 和圖11 分別為柴-儲黑啟動(dòng)模式過程系統(tǒng)電壓、柴油發(fā)電機(jī)電流、系統(tǒng)頻率、柴油發(fā)電機(jī)有功功率和柴油發(fā)電機(jī)無功功率的變化情況。當(dāng)下發(fā)“一鍵黑啟動(dòng)”命令后，柴油發(fā)電機(jī)先自動(dòng)啟動(dòng)，在0s時(shí)柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)并建立交流母線電壓頻率后 （柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間較長，為方便分析，將柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開關(guān)由分到合瞬間作為0 s），自動(dòng)向1 號DC／DC 儲能裝置下發(fā)啟動(dòng)命令；1 號DC／DC 儲能裝置成功啟動(dòng)并建立直流母線電壓后，而后啟動(dòng)2 號DC／DC 儲能裝置，同時(shí)并網(wǎng)啟動(dòng)1 號DC／AC 變流器，在10.31 s 時(shí)1 號DC／AC 變流器正常運(yùn)行后，再并網(wǎng)啟動(dòng)2 號DC／AC 變流器，12.24 s 時(shí)2 號DC／AC 變流器完成啟動(dòng)，最后在22.7 s 時(shí)將柴油發(fā)電機(jī)切換至恒功率模式運(yùn)行，至此標(biāo)志一鍵黑啟動(dòng)所有流程結(jié)束。整個(gè)黑啟動(dòng)過程，柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)躲過了勵(lì)磁涌流的沖擊，同時(shí)有效地避免了柴油發(fā)電機(jī)和DC／AC 變流器并列運(yùn)行時(shí)振蕩、環(huán)流及功率分配不均的問題，整個(gè)黑啟動(dòng)過程中電壓波動(dòng)小于0.5%，頻率波動(dòng)小于0.5 Hz。

6 結(jié)語

對獨(dú)立型交直流混合微電網(wǎng)的微電源特性及控制模式進(jìn)行分析，并研究各種黑啟動(dòng)方式及順序，提出了基于模式自動(dòng)識別的一鍵黑啟動(dòng)控制策略。通過RTDS 仿真分析和現(xiàn)場試驗(yàn)對所提控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明基于模式自動(dòng)識別的一鍵黑啟動(dòng)控制策略能在各種工況下精確識別黑啟動(dòng)模式，在保證電壓波動(dòng)小于0.5%，頻率波動(dòng)小于0.5 Hz 的情況下，快速完成微電網(wǎng)黑啟動(dòng)全過程。

所提控制策略已于2019 年6 月在江蘇省連云港開山島獨(dú)立型交直流混合微電網(wǎng)項(xiàng)目上成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了黑啟動(dòng)自動(dòng)化控制的需求，解決了島上無專業(yè)人員值守的難題，為提升獨(dú)立型交直流混合微電網(wǎng)供電可靠性和運(yùn)行操作便捷性提供了技術(shù)支持。