厲成元，張超，李哲，劉博暢，高靖，金朋飛

（1.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180；2.永青集團有限公司，浙江溫州 325000）

隨著我國一帶一路政策的持續(xù)推進(jìn)，中國企業(yè)去海外投資建廠越來越多。然而，由于一帶一路國家的電力供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施普遍比較薄弱，電力供應(yīng)無法保障，為滿足大工業(yè)的生產(chǎn)用電，工礦企業(yè)普遍建設(shè)了獨立的火力發(fā)電廠。而這類孤島電網(wǎng)普遍具有電網(wǎng)容量小，網(wǎng)內(nèi)生產(chǎn)負(fù)荷波動劇烈，電網(wǎng)運行穩(wěn)定性差的特點，無法保障大功率生產(chǎn)負(fù)荷可靠用電。同時，在這類電網(wǎng)中，為減少化石能源的消耗，提高生產(chǎn)經(jīng)濟性，往往存在一定比例的新能源發(fā)電電源。如何保障電力負(fù)荷平衡，且在電網(wǎng)發(fā)生系統(tǒng)性崩網(wǎng)后，如何快速成功實現(xiàn)孤網(wǎng)黑啟動，一直是此類電網(wǎng)運行最大的痛點。

儲能技術(shù)作為構(gòu)建新一代電網(wǎng)的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，其在新能源消納、平抑波動、電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、火電輔助調(diào)頻、虛擬電廠等方面將發(fā)揮積極的作用。大規(guī)模儲能集群控制系統(tǒng)以其靈活的布置、智能的充放電控制，在解決電力負(fù)荷平衡、保安電源、黑啟動電源等方面發(fā)揮著不可替代的作用。文獻(xiàn)[1]論述了柴油發(fā)電機作為單一黑啟動電源進(jìn)行礦山孤網(wǎng)黑啟動方法，該方法為目前傳統(tǒng)的孤島電網(wǎng)啟動方法，需要借助多臺柴油發(fā)電機并列運行為電廠廠用電提供負(fù)荷。在實際操作過程中容易出現(xiàn)柴油發(fā)電機并列運行失敗、電網(wǎng)穩(wěn)定性弱導(dǎo)致黑啟動失敗的情況。文獻(xiàn)[2]分析了微電網(wǎng)中各類微電源黑啟動能力、參考源的選取及黑啟動過程中微電源控制方式。文獻(xiàn)[3]研究了儲能系統(tǒng)作為火電廠黑啟動電源的控制策略，提出多個儲能變流器（power converter system，PCS）并聯(lián)運行的下垂控制策略，通過虛擬阻抗環(huán)節(jié)，保證了功率均分與電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）的均衡，采用軟啟升壓方式建立多變流器并聯(lián)的儲能系統(tǒng)離網(wǎng)電源。文獻(xiàn)[4]介紹了一種采用虛擬同步機方式在孤網(wǎng)中多臺儲能變流器并列運行及多變流器之間的同期控制技術(shù)。

本文以PCS 多機并聯(lián)運行系統(tǒng)與柴油發(fā)電機并列運行控制策略為研究對象，著手解決兩種不同特性的電壓源之間功率平滑過渡問題，提出一種基于虛擬阻抗的統(tǒng)一下垂控制的功率分配策略。儲能系統(tǒng)經(jīng)高廠變升壓之后為黑啟動負(fù)載供電，在電力不足時，柴油發(fā)電機組啟動，并聯(lián)到PCS 升壓后的母線上，共同為負(fù)載供電。通過負(fù)荷分配策略，將PCS 承擔(dān)的大部分負(fù)載逐步轉(zhuǎn)移到柴油發(fā)電機組上，再控制儲能變流器退出，柴油發(fā)電機組獨立進(jìn)行微電網(wǎng)黑啟動負(fù)荷供電。

1 孤網(wǎng)黑啟動

1.1 孤網(wǎng)黑啟動供電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

孤網(wǎng)黑啟動指整個系統(tǒng)不依賴公共電網(wǎng)的幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力的機組的啟動，帶動無自啟動能力的機組，逐步擴大電力系統(tǒng)的恢復(fù)范圍，最終實現(xiàn)整個電力系統(tǒng)的啟動或恢復(fù)，即通過黑啟動電源逐步啟動全網(wǎng)所有設(shè)備。孤網(wǎng)黑啟動一般在電力系統(tǒng)首次啟動或者整個電力系統(tǒng)因故障停運后進(jìn)行。

具備儲能系統(tǒng)的孤網(wǎng)黑啟動供電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。在孤網(wǎng)電網(wǎng)正常運行時，儲能系統(tǒng)通過降壓變接入150 kV 的主電網(wǎng)，進(jìn)行電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻。當(dāng)電網(wǎng)失電后，孤島電網(wǎng)需要黑啟動時，儲能系統(tǒng)通過聯(lián)絡(luò)變，與柴發(fā)10 kV 交流母線連接，接入黑啟動電網(wǎng)。黑啟動電源供電回路如圖1中虛線所示。

圖1 孤網(wǎng)黑啟動電網(wǎng)架構(gòu)Fig1 Isolated grid black start grid architecture

1.2 孤網(wǎng)黑啟動電源特性介紹

在孤網(wǎng)的黑啟動過程中，由于孤網(wǎng)一定是脫離大電網(wǎng)運行在孤島模式下的，因此在分層控制的微電網(wǎng)中需要一個主參考源來提供系統(tǒng)的參考電壓及頻率。文獻(xiàn)[5]總結(jié)了主參考源應(yīng)具備的特征，其中最重要的有：能快速實現(xiàn)自身的黑啟動；能夠提供穩(wěn)定的電壓及頻率；能快速跟蹤負(fù)荷變化以免產(chǎn)生大幅波動?？紤]到微型燃?xì)廨啓C、燃料電池及柴油發(fā)電機良好的負(fù)荷跟隨及抗擾動特性，它們無疑是孤網(wǎng)黑啟動主參考源的最佳選擇。故在傳統(tǒng)的孤島電網(wǎng)中，常選用柴油發(fā)電機作為黑啟動電源的首選。

隨著可再生發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，電力電子技術(shù)應(yīng)用更加成熟。理論上，在電力電子變換器的直流側(cè)加裝適當(dāng)?shù)膬δ茉O(shè)備，就能使該微電源具備黑啟動能力。但是，考慮到黑啟動微電源需要在一段時間內(nèi)能獨立、穩(wěn)定帶負(fù)荷運行，一些能源供給具有較大波動或受較多因素影響的P/Q 源是不適合作為黑啟動電源的，如光伏微電源、風(fēng)力發(fā)電微電源；而電池儲能系統(tǒng)，由于電力電子直流側(cè)接入較為穩(wěn)定的直流電壓源，故在V/F 運行模式下，可以為負(fù)荷提供穩(wěn)定的電壓和頻率參考，是一種非常理想的黑啟動電源[5]。受限于直流側(cè)儲能電池的SOC，儲能系統(tǒng)可以與柴發(fā)并聯(lián)運行，共同提供黑啟動電源，降低化石能源消耗，減少黑啟動時間，提高黑啟動成功率。

2 多變流器并聯(lián)離網(wǎng)運行控制

2.1 多變流器并聯(lián)控制

當(dāng)前各類分布式電源的容量越來越大，由于開關(guān)器件等關(guān)鍵器件的限制，單臺變流裝置的容量有限，采用多變流器并聯(lián)可以有效提高系統(tǒng)功率等級、系統(tǒng)效率和可靠性，已成為近年研究和應(yīng)用的熱點。本控制策略中儲能系統(tǒng)為提升功率等級，采用直接并聯(lián)方式，多機并聯(lián)的各臺變流器以電壓源方式運行，并聯(lián)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多機并聯(lián)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of multi machine parallel system

圖2中為多個LCL型變流器直接并聯(lián)于電力變壓器的低壓側(cè)。PCC 點為多個變流器公共并網(wǎng)點。

多變流器直接互聯(lián)時，由于各變流器功率器件瞬時開關(guān)序列不一致、存在LCL 濾波諧振點等原因，系統(tǒng)中除共同向外輸出的電流以外，各變流器之間還存在差模環(huán)流，該環(huán)流與各變流器的瞬時開關(guān)狀態(tài)（頻譜分布）、濾波器與線路參數(shù)、電網(wǎng)容量等因素有關(guān)[6]。在圖2 所示的開關(guān)狀態(tài)下的等效電路如圖3所示。

圖3 并聯(lián)變流器等效電路Fig.3 Equivalent circuit of parallel converter

圖3 中，Uo1，Uo2分別為兩臺變流器瞬時輸出電壓；Za，Zb，Zc為變流器各相等效阻抗；Ua，Ub，Uc為三相電網(wǎng)相電壓；Zs為電網(wǎng)等效阻抗。

式中：iom，iol分別為第m，l臺變流器輸出電流；Uoi為各變流器輸出電壓；Us為電網(wǎng)電壓；Yoi為各變流器輸出電納（Yom和Yol為第m臺和第l臺變流器輸出電納）；Ys為電網(wǎng)等效電納；n為并聯(lián)變流器數(shù)量。

由于各變流器之間的差模環(huán)流主要存在于諧振點附近，低頻及高頻分量都較小，各變流器之間的差模諧振環(huán)流取決于各變流器輸出電壓諧振頻率分量之差[7]。此時，導(dǎo)納Y近似為無窮大，遠(yuǎn)大于Ys，環(huán)流僅存在于各變流器之間，并不流入電網(wǎng)（Y為各臺變流器諧振頻率下輸出電納，假設(shè)各變流器輸出導(dǎo)納相等）。

為抑制多機并聯(lián)系統(tǒng)中變流器之間的環(huán)流，采用載波同步方式，實現(xiàn)多變流器并聯(lián)運行。多機系統(tǒng)同步線連接方式如圖4所示。

圖4 多機并聯(lián)載波同步線連接方式Fig.4 Connection mode of multi machine parallel carrier synchronous line

圖4中，每臺變流器包括載波同步單元、數(shù)字信號處理器、變流器主電路三個組成部分，載波同步由各臺設(shè)備之間的載波同步單元通過同步光纖連接實現(xiàn)。主機通過n+1條同步線分別連接至備用主機和n臺從機，備用主機通過n+1條同步線分別連至主機和n臺從機，各從機通過2條同步線分別與主機和備用主機相連，各從機之間無直接連接。

2.2 改進(jìn)的統(tǒng)一下垂控制

在多變流器并聯(lián)系統(tǒng)中，變流器之間功率均分精度是體現(xiàn)系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。在實際并聯(lián)系統(tǒng)中，線路中阻抗空間分布的隨機性將造成線路阻抗的不一致[8]。本系統(tǒng)從實際工程應(yīng)用角度出發(fā)，除在線路上增加并網(wǎng)阻抗以保證并聯(lián)回路阻抗一致性外，還采用了統(tǒng)一下垂控制方式，實現(xiàn)各變流器有功、無功負(fù)荷合理分配，同時抑制低頻振蕩。

多變流器并聯(lián)系統(tǒng)離網(wǎng)運行時的等效電路如圖5 所示（Zi為各變流器輸出阻抗、升壓變阻抗和相應(yīng)線路阻抗之和，ZL為負(fù)荷等效阻抗、降壓變阻抗和相應(yīng)線路阻抗之和，Pi為第i臺變流器有功功率，Qi為第i臺變流器無功功率）。

圖5 多機并聯(lián)離網(wǎng)運行等效電路Fig.5 Equivalent circuit of multi machine parallel off grid operation

式中：Xi，Ri分別為第i臺變流器的輸出電抗、電阻；YL為負(fù)荷等效導(dǎo)納；Yi為第i臺變流器等效導(dǎo)納。

當(dāng)線路阻抗呈感性時，兩臺變流器的無功功率與線路阻抗有關(guān)，而有功功率關(guān)系不大。所以當(dāng)并聯(lián)變流器的線路阻抗出現(xiàn)明顯差異，下垂系數(shù)和容量相同的變流器并聯(lián)時，采用傳統(tǒng)的下垂控制策略會出現(xiàn)明顯的無功功率分配不均，而有功功率變化不大。相反，若線路阻抗呈阻性時，有功功率會分配不均，無功功率無明顯差異。

由于線路阻抗中電阻成分的存在，使得系統(tǒng)的有功和無功功率不能解耦，因此采用修正下垂特性，實現(xiàn)有功功率與無功功率解耦。

基于統(tǒng)一控制的改進(jìn)型下垂控制計算如下式所示：

式中：f，U分別為儲能并聯(lián)系統(tǒng)輸出電壓的頻率及線電壓有效值；P，Q分別為儲能并聯(lián)系統(tǒng)輸出的有功、無功功率；μ為線路阻抗比；mf，nv分別為儲能并聯(lián)系統(tǒng)有功、無功下垂控制系數(shù)；fmax，fmin分別為系統(tǒng)允許輸出的最高、最低頻率；Umax，Umin分別為系統(tǒng)允許輸出的最高、最低電壓；Pmax，Qmax分別為系統(tǒng)允許輸出的最大有功、無功功率。

基于統(tǒng)一下垂控制的結(jié)構(gòu)如圖6 所示。圖6中，Uabc為電網(wǎng)三相電壓；Ud，Uq分別為電網(wǎng)三相電壓dq變換后的d，q軸分量；I1abc，Inabc分別為第1，n臺變流器輸出電流。

圖6 統(tǒng)一下垂控制結(jié)構(gòu)Fig.6 Unified droop control structure

2.3 基于虛擬阻抗的統(tǒng)一下垂控制

在實際低壓孤網(wǎng)系統(tǒng)中，變流器接入的電網(wǎng)空間分布具有隨機性，將造成連線阻抗的不一致。對于采用統(tǒng)一下垂控制的變流器并聯(lián)系統(tǒng)，雖然可以使并聯(lián)變流器系統(tǒng)接收統(tǒng)一下垂指令，但單機功率均分精度與輸出電壓跌落是一對固有矛盾。故由于下垂控制在低壓微電網(wǎng)中應(yīng)用仍存在一定的不足和缺陷，為解決下垂控制的問題，研究學(xué)者提出了虛擬阻抗方法[9-10]。

本控制策略中通過采樣獲得變流器輸出電流，并與虛擬阻抗相乘計算出電壓降，然后根據(jù)下垂控制策略得到電壓參考值，并從電壓參考值中減去上述電壓降，產(chǎn)生新的參考電壓，以達(dá)到模擬實際阻抗的作用，即實現(xiàn)線路阻抗重塑?；谔摂M阻抗的統(tǒng)一下垂控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。其中kn為各變流器的虛擬阻抗。

圖7 基于虛擬阻抗的統(tǒng)一下垂控制結(jié)構(gòu)Fig.7 Unified droop control structure based on virtual impedance

3 儲能黑啟動功率控制策略

本控制策略主要針對并聯(lián)變流器儲能系統(tǒng)應(yīng)用于海島、礦區(qū)等孤島電力系統(tǒng)的黑啟動過程，儲能系統(tǒng)首先采用零起升壓方式，建立起離網(wǎng)電網(wǎng)，這一階段由儲能系統(tǒng)單獨為重要負(fù)載提供黑啟動電源，在儲能系統(tǒng)荷電量不足夠的情況下，供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)到第二階段，該階段由柴油發(fā)電機組做為獨立的黑啟動電源供電，同時儲能系統(tǒng)退出供電過程。

為了減小黑啟動負(fù)荷從儲能系統(tǒng)獨立供電轉(zhuǎn)移到柴油發(fā)電機組獨立供電過程中對電網(wǎng)的沖擊，設(shè)計了多機并聯(lián)儲能系統(tǒng)基于虛擬阻抗的平滑過渡控制策略，在實現(xiàn)了大部分負(fù)荷在儲能系統(tǒng)和柴油發(fā)電機組的逐步過渡后，再退出儲能系統(tǒng)，而不是全部負(fù)荷在兩個電源間的瞬間切換，從而有效避免了兩個黑啟動電源切換過程中對于電網(wǎng)的沖擊，實現(xiàn)負(fù)荷的平滑轉(zhuǎn)移。

黑啟動電源供電系統(tǒng)模型如圖8所示。

圖8 黑啟動電源供電系統(tǒng)模型圖Fig.8 Model diagram of black start power supply system

本文提出的黑啟動功率分配控制策略中，儲能變流器進(jìn)行電壓控制，采用比例積分控制器（PI），在統(tǒng)一下垂控制的基礎(chǔ)上增加了可調(diào)節(jié)的虛擬阻抗，用以控制黑啟動過程中儲能變流器輸出的功率逐步減小，實現(xiàn)大部分負(fù)荷從儲能變流器平滑過渡到柴油發(fā)電機組。

4 仿真驗證

為驗證本控制策略的有效性，結(jié)合實際工程系統(tǒng)參數(shù)，在Simulink 平臺搭建了仿真模型。仿真模型由兩臺500 kV·A 儲能變流器和一個模擬柴油發(fā)電機組的電壓源組成，兩臺儲能變流器并聯(lián)運行，經(jīng)變壓器升壓之后為負(fù)載供電，之后控制柴油發(fā)電機組啟動，并聯(lián)到儲能變流器升壓后的母線上，共同為負(fù)載供電。仿真控制虛擬阻抗使儲能變流器承擔(dān)的大部分負(fù)載逐步轉(zhuǎn)移到柴油發(fā)電機組上，再使儲能變流器退出，以此來減小對電網(wǎng)的沖擊，之后柴油發(fā)電機組獨立作為黑啟動電源為負(fù)荷供電。

系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 黑啟動功率分配仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of black start power allocation

在黑啟動的初始階段，儲能系統(tǒng)以孤島形式運行，承擔(dān)全部負(fù)載。在0.2 s 時刻，柴油發(fā)電機電壓建立起來，通過同期并網(wǎng)開關(guān)與儲能電源并列運行。因為柴油發(fā)電機組采用電壓源模擬，為了更好地模擬初始接入時的功率分配關(guān)系，利用電力系統(tǒng)有功、無功流動方向與電壓幅值、相角關(guān)系，對電壓源的電壓幅值和相角進(jìn)行了優(yōu)化，故在0.2 s 時負(fù)載功率總體負(fù)荷有略微增大。在儲能系統(tǒng)與柴油發(fā)電網(wǎng)并列運行之后，柴油發(fā)電機承擔(dān)小部分負(fù)載功率，儲能系統(tǒng)承擔(dān)大部分負(fù)載功率。為了將儲能系統(tǒng)承擔(dān)的負(fù)載轉(zhuǎn)移到柴油發(fā)電機組，并對柴油發(fā)電機組產(chǎn)生較小的沖擊。0.6 s 時開始，在控制環(huán)路中使虛擬阻抗k逐漸增大，儲能系統(tǒng)輸出功率逐漸減小，柴油發(fā)電機組輸出功率逐漸增大，最終實現(xiàn)了負(fù)荷在儲能系統(tǒng)和柴油發(fā)電機組之間的平穩(wěn)轉(zhuǎn)移。此時控制儲能變流器退出，相較于直接退出儲能變流器可大大降低負(fù)荷對柴發(fā)電網(wǎng)的沖擊。

圖9、圖10 分別為儲能變流器1、變流器2 功率變化仿真結(jié)果圖。

圖9 儲能變流器1功率變化Fig.9 Power change of energy storage converter 1

圖10 儲能變流器2功率變化Fig.10 Power change of energy storage converter 2

本系統(tǒng)策略采用基于虛擬阻抗的統(tǒng)一下垂控制，由圖9～圖10 可見，在虛擬阻抗的實時調(diào)節(jié)過程中，實現(xiàn)了兩臺儲能變流器的功率精確均分。該控制策略可在實際應(yīng)用中，有效保障儲能變流器充放電過程中直流側(cè)電池荷電量的平衡。

柴油發(fā)電模擬源在0.2 s時，經(jīng)過同期并入儲能系統(tǒng)建立的黑啟動供電電網(wǎng)，兩個電源并列運行，此時儲能系統(tǒng)承擔(dān)大部分負(fù)荷。隨著虛擬阻抗的調(diào)節(jié)，在大約5.5 s 時，儲能系統(tǒng)承擔(dān)的負(fù)載功率從大約80%下降到約30%，柴油發(fā)電機組承擔(dān)功率從大約20%增加到約70%。圖11 為儲能系統(tǒng)負(fù)載功率變化仿真結(jié)果圖，圖12為柴油發(fā)電模擬源功率變化情況仿真結(jié)果圖。

圖11 儲能系統(tǒng)負(fù)荷功率變化情況Fig.11 Load power variation of energy storage system

圖12 柴油發(fā)電模擬源負(fù)荷功率變化情況Fig.12 Load power variation of diesel generation simulation source

在儲能系統(tǒng)和柴發(fā)模擬源功率分配的過程中，并網(wǎng)公共節(jié)點的穩(wěn)態(tài)電壓、電流一直保持平滑穩(wěn)定，如圖13 所示。負(fù)載接入點的穩(wěn)態(tài)電壓、電流亦未出現(xiàn)波動，負(fù)載功率保持穩(wěn)定，如圖14、圖15所示。

圖13 并網(wǎng)公共點穩(wěn)態(tài)電壓和電流波形Fig.13 Steady state voltage and current waveforms of grid connected common point

圖14 負(fù)載穩(wěn)態(tài)電壓和電流波形Fig.14 Steady state voltage and current waveforms of load

圖15 負(fù)載功率變化情況Fig.15 Load power variation

5 結(jié)論

首先介紹實際工程的孤網(wǎng)黑啟動電網(wǎng)架構(gòu)及黑啟動電源特性。在此基礎(chǔ)上結(jié)合儲能變流器電壓源多機并聯(lián)控制，采用了載波同步技術(shù)，解決系統(tǒng)的同步問題，同時進(jìn)一步分析了下垂控制原理，并對傳統(tǒng)下垂控制進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)合系統(tǒng)并聯(lián)和功率分配特點，提出統(tǒng)一下垂控制策略。針對在孤網(wǎng)中電網(wǎng)阻抗對于下垂控制的不利影響，在統(tǒng)一下垂控制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，疊加了可調(diào)節(jié)的虛擬阻抗機制，來實現(xiàn)多變流器電壓源在低壓孤網(wǎng)并聯(lián)運行時的功率均分及平滑控制策略，最后通過建模進(jìn)行了仿真驗證。所提出的控制策略不僅可以做到在孤網(wǎng)中多變流器系統(tǒng)的功率精確均分，還可以在實際孤網(wǎng)黑啟動中與傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機并列運行，共同作為黑啟動電源，降低化石能源消耗，提高孤網(wǎng)黑啟動成功率，具有非常高的實際工程應(yīng)用價值。