李翠萍，王藝茗，李軍徽，張哲深，黃建文，陳培毅

（1.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點實驗室（東北電力大學），吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司蒼南縣供電公司，浙江 蒼南 325800）

0 引言

近年來，隨著電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模的不斷擴大，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性也受到了更多的考驗，局部的波動或者誤操作可能會對整個電網(wǎng)造成巨大的影響［1-2］，甚至造成大規(guī)模的停電事故［3-5］，對國家和社會造成極大的影響［6］，因此提前制定黑啟動方案是維護電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提之一［7］。

目前世界范圍內(nèi)的黑啟動方案依舊以水電機組及火電機組為主［8-9］，主要過程是通過水電機組恢復(fù)火電機組輔機，進一步恢復(fù)使發(fā)電廠形成供電子系統(tǒng)［10］。然而以我們國家西北等地區(qū)為例，水電資源較為匱乏，僅通過火電機組輔機自行啟動，耗時過長［11］，而西北地區(qū)的風光資源十分豐富［12-13］，因此通過新能源參與黑啟動方案逐漸成為現(xiàn)階段的研究對象［14-15］。

但由于光伏固有的隨機性、波動性等［16］特點，獨自作為黑啟動電源可能難以保證黑啟動的可靠性，而儲能以其快速響應(yīng)、可控性強等優(yōu)點可以彌補光伏系統(tǒng)的缺點［17］，同時可以使其輔助新能源供電快速穩(wěn)定地完成恢復(fù)任務(wù)?，F(xiàn)階段對于新能源系統(tǒng)完成黑啟動的可行性做了以下研究：文獻［18］通過將黑啟動負荷需求進行分析，構(gòu)建功率評價指標，設(shè)計了風光儲黑啟動的可行性評估方法；文獻［19-20］將微電網(wǎng)系統(tǒng)進行建模，通過典型場景的概率函數(shù)求取，從而確定微電網(wǎng)黑啟動的可行性；文獻［21］通過對風電場出力概率分析提出了通過儲能輔助風電場完成自啟動等過程的方案，驗證了儲能對于新能源黑啟動的可行性；文獻［22-23］建立了孤島運行狀態(tài)下的光儲黑啟動控制策略，從而進行可行性分析；文獻［24］分析了不同溫度和光照強度的輸出特性，并考慮儲能在不同環(huán)境下的被影響程度，進而確定考慮環(huán)境適應(yīng)性的控制策略，驗證光儲黑啟動可行性；文獻［25-26］主要從儲能輔助風光系統(tǒng)承擔黑啟動任務(wù)時儲能容量配置的方法進行研究。上述文獻都進行了新能源黑啟動的可行性分析，從光儲、風儲、風光儲等方面通過設(shè)計控制策略，驗證了黑啟動可行性，但是場景劃分可以更加精細，在此基礎(chǔ)上儲能的配置可以進一步優(yōu)化，本文從上述方向進行更加深入的研究。

本文對光伏電站作為黑啟動電源的可行性進行驗證，再計算光伏缺額，設(shè)計儲能的配置方案，再對光儲黑啟動可行性提升進行驗證。首先對照火電機組輔機的啟動過程進行黑啟動功率需求分析，確定黑啟動最小功率；然后根據(jù)不同季節(jié)的特征將光伏出力、溫度等影響因素進行場景劃分，根據(jù)場景特點設(shè)計相應(yīng)的光儲控制策略；結(jié)合控制策略確定儲能配置區(qū)間，引入可行度概念確定最優(yōu)儲能配置；最后通過MATLAB 仿真平臺，使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進行預(yù)測數(shù)據(jù)，結(jié)合所設(shè)計的方法確定光伏黑啟動可行性及儲能的配置，并經(jīng)過比較驗證配置儲能的有效性。

1 光儲黑啟動模型及負荷出力分析

1.1 光儲聯(lián)合系統(tǒng)黑啟動模型

光儲聯(lián)合系統(tǒng)黑啟動模型主要由光伏電站、儲能電站、變壓器、逆變器、待啟動火電機組輔機及其他廠用負荷等組成，結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。黑啟動結(jié)構(gòu)主要由黑啟動電源及負荷組成，光儲黑啟動電源主要由一個或多個光伏電站及儲能電站并聯(lián)組成；黑啟動負荷主要由火電機組及火電機組輔機組成。由于光伏電站及儲能電站不足以啟動整個火電機組，因此通過黑啟動電源將火電機組輔機啟動，再由輔機和黑啟動電源共同完成啟動整個火電機組，使火電機組為整個電力系統(tǒng)恢復(fù)供電。

圖1 光儲聯(lián)合系統(tǒng)黑啟動模型圖Fig.1 Black start model diagram of photovoltaic energy storage combined system

1.2 光伏黑啟動負荷需求分析

火電機組的啟動是一段持續(xù)出力的過程，在這一段時間內(nèi)光伏出力及儲能出力要大于火電輔機啟動的需求功率，需要對黑啟動負荷需求作出分析，得到光伏黑啟動最小出力，從而作為光伏黑啟動可行性評估的一個評價指標。由于本文是通過光儲黑啟動系統(tǒng)為火電機組輔機供電，光儲黑啟動負荷主要由啟動火電機組輔機的各階段設(shè)備以及部分廠用電承擔。

所求得的火電機組輔機總?cè)萘靠梢栽O(shè)定為光儲系統(tǒng)黑啟動的負載出力。由此可以確定光伏系統(tǒng)黑啟動的最小出力，其定義為滿足黑啟動負載需求的最小出力。將火電機組輔機設(shè)為負載PF，并考慮一定的光伏電站的廠用電，光伏黑啟動最小出力Pbs-min可以通過下面的公式得出。

式中：PSZ為光伏電站廠用電及輔機自用電；系數(shù)ΔP%為線路損耗率及預(yù)留量。

所得出的光伏黑啟動最小出力可以作為后續(xù)工作的評估標準，通過將當前光伏出力與光伏黑啟動最小出力的比較，可以判據(jù)當前光伏出力是否可以完成黑啟動任務(wù)，從而完成黑啟動可行性評估。

2 光伏黑啟動的可行性評估

2.1 可行性評估基本思路

由于黑啟動是一段持續(xù)的過程，光伏出力需要保證在這一段時間內(nèi)始終高于黑啟動負荷需要的功率，可以將黑啟動過程視為一段固定時間尺度在光伏出力時間軸上滾動的窗口，每滾動到一個位置，判定該時間段內(nèi)的光伏出力是否滿足黑啟動出力，判定完成繼續(xù)向下滾動，將長的時間尺度分成無數(shù)個小的時間窗口進行評估，由此完成整段黑啟動可行性評估，基本思路如圖2所示。

圖2 可行性評估基本原理Fig.2 Basic principles of feasibility assessment

圖2 中S1 為光伏滿足黑啟動部分，S2 為光伏不滿足黑啟動部分，需要判定儲能是否足以補償，如果儲能足以補償，即可視為可以完成黑啟動任務(wù)。

2.2 可行性評估方法

評價每一個窗口內(nèi)的黑啟動可行性，具體方法如下所示。

通過光照輻射及溫度確定光伏出力模型，光伏出力模型用Ppv，day(t)表示，其中t為時間，每天的光伏出力隨時間變化而變化，其中每日光伏的最大值為

光伏系統(tǒng)的出力PPV采用式（2）進行計算。

式中：fPV為光伏系統(tǒng)的功率降額因數(shù)；YPV為光伏陣列容量；IT為實際光照度；IS為標準測試條件下的光照度；αp為功率溫度系數(shù)；Tcell為當前光伏電池的表面溫度；Tcell，STC為標準測試條件下的光伏電池溫度，一般取25 ℃。

將光伏黑啟動過程時長設(shè)為jmin。先將窗口內(nèi)整個光伏出力的電量算出來，光伏出力電量為：

式中PG(t)為光伏電站在t時刻的功率。

將光伏黑啟動出力在該時間尺度下所需要的電能進行比較，可以得出光伏出力與黑啟動最小出力的比值η。

式中Pbs-min為黑啟動最小出力。

根據(jù)η的大小可以分為如下3種情況。

1）當η≥1時

該情況為光伏出力電量大于黑啟動所需要電量，此時不需要儲能的動作，僅靠光伏出力，能夠完成黑啟動任務(wù)，可以直接視為可行。

2）當η＜1，但·100% ≥1時

式中Pbess-min為儲能最小出力，光伏出力電量小于光伏黑啟動最小出力電量，但通過儲能系統(tǒng)的彌補可以完成黑啟動任務(wù)。

式中Pbess-max為儲能最大出力。

在該時間段內(nèi)，光伏出力電量與儲能可以彌補的總電量之和仍小于光伏黑啟動最小出力電量，無法成功完成黑啟動過程，不可以在該時間段進行黑啟動操作，需要將窗口進行下一次滾動，再次進行計算。

3 光儲聯(lián)合系統(tǒng)下儲能配置方法

3.1 光伏場景的劃分

光伏電站受到季節(jié)、光照條件以及環(huán)境溫度的影響會對光伏出力產(chǎn)生較大的差異，需要對場景進行細致劃分。

首先確定強、弱光區(qū)的功率界限，結(jié)合光伏系統(tǒng)出力模型可知，光伏系統(tǒng)出力主要與該時刻的環(huán)境溫度與光照強度有關(guān)，將某時刻的環(huán)境溫度與光照強度的求取近似如式（5）—（6）所示。

式中：Gqd-i為i時刻光伏系統(tǒng)近似光照強度；IT-i為i時刻實際光照度；IS為標準測試條件下的光照度；fPV為為光伏系統(tǒng)的功率降額因數(shù)；Thj-i為i時刻環(huán)境溫度；αp為為功率溫度系數(shù)；Tcell-i和Tcell，STC分別為當前光伏電池的表面溫度和標準測試條件下的光伏電池溫度，一般取25 ℃。

由光伏出力模型可知：

式中PPV-dz為弱光區(qū)與強光區(qū)的臨界功率。將2.2節(jié)中滿足1）或2）兩種情況的數(shù)據(jù)作為良好數(shù)據(jù)進行計算，可知弱光區(qū)與強光區(qū)的臨界功率PPV-dz為：

式中：Plh為良好數(shù)據(jù)的功率值；nlh為良好數(shù)據(jù)的數(shù)量，在4個季節(jié)中分別計算強弱光臨界功率。

光伏系統(tǒng)實際功率在黑啟動時間段內(nèi)的平均功率為：

式中：Psj-i為i時刻的光伏實際功率；k為黑啟動設(shè)定的持續(xù)時間數(shù)量。

在強弱光區(qū)劃分的基礎(chǔ)上以環(huán)境溫度為條件約束進一步劃分為高、低溫區(qū)。與上述劃分方法相似，計算高低溫區(qū)間的臨界溫度Thj-dz。

式中Tlh為良好數(shù)據(jù)的溫度值。

根據(jù)各個季節(jié)的氣候特點將臨界溫度進行劃分，溫度高季節(jié)中臨界溫度適當提高，反之臨界值降低，防止部分場景數(shù)據(jù)過少。四季高低溫臨界溫度如表1所示。

表1 四季臨界溫度值Tab.1 Critical temperature value of four seasons

各個季節(jié)的高低溫區(qū)間分隔溫度在黑啟動時間段中此時段的平均溫度如式（11）所示。

式中：Tsj-i為i時刻的實際環(huán)境溫度；m為黑啟動設(shè)定的持續(xù)時間點數(shù)量。由此可以將區(qū)域劃分為，當Tsj-i＞Thj-dz時，為高溫區(qū)；當Tsj-i≤Thj-dz時，為低溫區(qū)。由此每個季節(jié)可以劃分為4 種場景：強光高溫區(qū)、強光低溫區(qū)、弱光高溫區(qū)、弱光低溫區(qū)，結(jié)合不等式以及各約束條件如圖3所示。

圖3 各季節(jié)不同場景的劃分Fig.3 Division of different scenes in each season

3.2 多場景光儲控制策略的設(shè)計

由上述場景可知，僅采用光伏電站不能保證黑啟動順利完成，需要儲能設(shè)備的輔助補充光伏出力。因此需要對儲能的配置進行研究，防止儲能配置的不足造成黑啟動任務(wù)無法完成或儲能配置過高而造成資源的浪費。根據(jù)不同的場景，光伏及儲能的控制方法如下所示。

1）強光高溫區(qū)

該區(qū)間為各個季節(jié)光伏出力環(huán)境最為理想的狀態(tài)，只需要光伏出力就可以滿足光伏黑啟動最小出力，在完成黑啟動任務(wù)的同時為儲能充電，依然存在多余功率時，采用棄光方式，該階段光伏電站采用減載控制策略而儲能采用額定狀態(tài)充電控制策略。

2）強光低溫區(qū)/弱光高溫區(qū)

兩個區(qū)間情況相似，共用一個控制策略。該區(qū)間為不確定區(qū)間，部分時間需要儲能補充出力才可以完成黑啟動任務(wù)，而部分時間光伏出力獨自就可以滿足黑啟動最小出力，該階段時光伏電站采用在出力充足時采用最小出力跟蹤方法，而出力不足時采用最大功率跟蹤控制策略。

3）弱光低溫區(qū)

該區(qū)間為光伏出力較少階段，整個區(qū)間內(nèi)大部分時間窗口無法滿足光伏黑啟動最小出力。該階段光伏電站無法完成光伏黑啟動任務(wù)，光伏電站以及儲能均不需要動作。

3.3 儲能配置的確認

結(jié)合上述4 種場景下的儲能控制策略可以制定儲能的額定功率以及額定容量配置。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，采用滑動時間窗的方式，確定不同的儲能配置，再選取合適的儲能配置。將時間窗尺度設(shè)為k，k應(yīng)遠大于黑啟動時間j，使計算配置的儲能容量更加準確。

計算合適的儲能充放電功率PN，由于儲能成本高昂，大部分光伏電站在光伏出力充足時，會采用棄光策略，剩余的光伏出力無法完全由儲能吸收，因此不能通過光伏多余出力計算儲能的充電功率，會導(dǎo)致所配置的儲能功率及容量過高，根據(jù)儲能放電階段進行出力功率的計算，只需要在上述第2 個控制策略對應(yīng)的兩個場景內(nèi)計算即可。在兩個場景內(nèi)，選取不同時間段分別計算儲能需要的功率，再取平均值，計算如式（12）所示。

式中：tf為其中一段儲能放電的時長；t0為該時間段的起始時刻。計算得出i時間段的儲能功率Pi，求取Pi平均值可以作為儲能的額定功率PN。

再通過滑動窗口，經(jīng)過不同的區(qū)域，通過不同的放電控制策略，確定不同的時間窗口所需要配置的儲能值Ej。選取其中最大值Ej-max以及最小值Ej-min作為邊界值。再將儲能分別按照Ej-max和Ej-min設(shè)定，并引入可行度μ概念?？尚卸圈虨樵谠摃r間尺度儲能可以滿足控制策略動作的概率，如式（13）所示。

式中：t1為黑啟動所選擇的時間尺度；t0為在該時間尺度內(nèi)，儲能可以按照儲能控制策略動作的時長。

通過可行度的概念，可以判定所配儲能能完成該時間段工作任務(wù)的情況，進一步可以判定儲能的容量是否配置合理。在最大值Ej-max以及最小值Ej-min之間間隔賦值，求取合適的儲能容量。

4 算例分析

為了驗證上述所提出的光儲黑啟動可行性評估的方法的正確性，通過使用MATLAB 仿真程序進行模擬仿真。本文以吉林某地區(qū)的光伏電站所提供的一年的輻射數(shù)據(jù)以及環(huán)境溫度作為參考，其中數(shù)據(jù)采樣時間1 min。通過光儲系統(tǒng)聯(lián)合啟動一臺150 MW 的火電機組為例，具體參數(shù)如表2 所示，線損率參考2021 年線損率。其中11—1 月為冬季，2—4 月為春季，5—7 月為夏季，8—10 月為秋季。設(shè)黑啟動過程為60 min。

表2 參數(shù)數(shù)據(jù)Tab.2 Parameter data

輔機總?cè)萘繛? MW，2021 年的線損率為4.94%，再加上1%的預(yù)留量，按照文中提供的黑啟動最小出力為7.041 MW。

4.1 場景劃分

根據(jù)光伏電站所提供的數(shù)據(jù)，可以得出光伏全年出力曲線，如圖4所示。

圖4 吉林某光伏電站全年出力情況Fig.4 Annual output of a photovoltaic power station in Jilin

結(jié)合所計算的黑啟動最小出力，去掉不良數(shù)據(jù)，進行場景劃分，將全年分為春、夏、秋、冬4個階段，分別將四季數(shù)據(jù)與滿足黑啟動最小出力進行比較，如圖5 所示。各個季節(jié)除去極端天氣下，在環(huán)境溫度以及光照輻射度的雙重影響下，呈現(xiàn)不同的趨勢，秋冬季節(jié)與春夏季節(jié)相比滿足黑啟動最小出力的天數(shù)較少。

圖5 四季滿足黑啟動最小出力情況Fig.5 Minimum output of four seasons to meet black start

在季節(jié)的場景下，再進行場景劃分。圖6 表示為以春季為例的4 種場景的分布圖，分別用環(huán)境溫度以及光照幅度來表示，場景分界線根據(jù)式（7）來確定。

圖6 春季GT分布Fig.6 Spring GT distribution

以春季為例，劃分為強光高溫區(qū)、強光低溫區(qū)、弱光高溫區(qū)以及弱光低溫區(qū)4 個場景，如圖6所示。

以春天為例，結(jié)合光照強度以及溫度，將4 個場景的光伏輸出功率更加直觀的表現(xiàn)出來的三維圖，同時也體現(xiàn)出各個場景的不同特點。并結(jié)合其的特點進行儲能控制策略的劃分，如圖7所示。

圖7 春季GT分布三維圖Fig.7 3D Graph of spring GT distribution

4.2 儲能配置確定

首先需要以步長為1 h 的黑啟動過程窗口在數(shù)據(jù)中滾動，設(shè)定儲能電池的初始電量為額定電量的50%，得到不同起止時間段中的完成黑啟動任務(wù)的功率差值，數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 部分功率差值Fig.8 Partial power difference

再通過式（12）計算，得到功率為4.867 MW，由此可以近似得到儲能電站的額定功率為5 MW。根據(jù)整體功率差值計算，容量設(shè)定為2.357 MWh到14 MWh之間。

進而確定儲能電站的容量，根據(jù)計算得出的儲能功率，同時將已進行場景劃分的數(shù)據(jù)按照不同的儲能及光伏電站控制策略進行模擬，引入儲能容量可行度μ的概念，確定適合的儲能容量，儲能容量所對應(yīng)的可行度圖9 所示?？梢钥闯霎攦δ苋萘看蠹s到達9 000 kWh 左右可行度達到峰值，儲能容量繼續(xù)增加并不會提升可行度，會增加儲能的浪費，因此儲能容量選擇為10 MWh，儲能的配置為5 MW/10 MWh。

圖9 儲能可行度Fig.9 Feasibility of energy storage

4.3 可行性評估及儲能配置檢驗

將歷史數(shù)據(jù)通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行學習，結(jié)合氣象監(jiān)測部門提供的環(huán)境溫度及光照輻射度的預(yù)測值，進行光伏功率的預(yù)測，得到預(yù)測值如圖10所示。

圖10 光伏預(yù)測值Fig.10 PV predicted value

所得到的預(yù)測值進行可行性評估，先后對儲能參與前與儲能參與后進行仿真模擬，可以得到不同的黑啟動可執(zhí)行時間段，如圖11所示。

圖11 儲能配置前后某天功率Fig.11 Power of a day before and after energy storage configuration

圖11 為某時段儲能彌補前后的輸出功率對比，儲能彌補前可執(zhí)行時長僅為3.01 h左右，而在配置有效的儲能后增長到8.3 h 左右，可以看出合適的儲能配置可以大大提升光伏黑啟動的成功率。對春夏秋冬四季的儲能配置前后黑啟動可執(zhí)行度分別進行對比，并對全年黑啟動可執(zhí)行度進行對比，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 儲能參與前后黑啟動可執(zhí)行度Tab.3 Black start executable degree before and after energy storage participation %

表3 中，冬季提升最為顯著，提升了20.43%，春秋也均有較好的提升，分別提升13.99% 及14.27%，而夏季由于溫度及光照的自身優(yōu)勢，在配置儲能前及有較好的黑啟動能力，由于夏季存在較多的強光高溫場景，該場景的光伏電站會采用棄光策略，因此儲能對于夏季的黑啟動可執(zhí)行度提升不多，但夏季仍為可執(zhí)行度最高的季節(jié)。

可以看出，該方法可以有效判斷出光儲黑啟動的可行性，同時所確定的儲能可以大大提高光伏電站單獨作為黑啟動電源的成功率，也不會造成儲能配置過多的資源浪費。

5 結(jié)語

本文針對光伏系統(tǒng)能否承擔黑啟動任務(wù)進行了分析，由于光伏的不確定性，配置儲能系統(tǒng)進行平抑、輔助光伏系統(tǒng)進行黑啟動任務(wù)，設(shè)計了光伏作為黑啟動電源的可行性評估方法，同時將場景劃分，確定了儲能配置的方法，并進行驗證，結(jié)論如下。

1）根據(jù)文中所設(shè)計的光伏黑啟動可行性評估方式，首先進行光伏黑啟動最小功率的確定，排除不良數(shù)據(jù)，進而可以快速確定光伏黑啟動可行性，為后續(xù)的場景劃分提供基礎(chǔ)。

2）將光伏場景進行季節(jié)、環(huán)境溫度、光照輻射度的劃分，共分為16 種場景，并結(jié)合場景特征，進行控制策略的設(shè)計，同時根據(jù)控制策略進行儲能的功率及容量配置的可行區(qū)間的分析。

3）根據(jù)儲能的配置區(qū)間執(zhí)行光儲黑啟動可行性評估，并引入可行度概念，確定區(qū)間內(nèi)的儲能所得到的可行度，從而確定最優(yōu)的光儲系統(tǒng)黑啟動儲能配置，提升了光伏系統(tǒng)黑啟動可行性，同時對儲能的配置沒有造成不足或者大量的浪費。