黑启动条件下风储系统控制策略研究

孙明辉，刘 鹏，史松杰，王 刚，刘 莉

(沈阳工程学院电力学院，辽宁沈阳110136)

随着社会的进步，经济的快速发展，电力用户和用电量大幅提高，电力需求越来越大。当前大容量的临界、超临界机组，高压、特高压长距离输电线路，交直流混合输电系统大量投入使用，电力系统向着大规模化迈进。由于人员操作失误或自然灾害等引起的电网事故可能会造成电网崩溃，酿成大面积、长时间的停电事故，严重影响人们的生产生活，给国民经济带来巨大损失和不良后果。随着电力系统规模和容量的增大，对电力系统的供电安全有了更高的要求，一旦发生电网系统的大面积停电，如何快速稳定的恢复电网的供电，是保证电网安全的基础。因此电力系统的黑启动研究有着重要的意义。

在电网发生大面积停电事故后，必须迅速进行黑启动，启动电网全停应急预案，在最短时间恢复电网出力，减少经济损失和社会动荡。制定黑启动方案首先要选定黑启动电源机组，传统的黑启动机组包括水轮机组，燃气机组和柴油发电机组。然而随着风力发电的发展，风力发电机组也可以作为本地黑启动的启动电源。

风能作为一种绿色的可再生能源，它的开发利用对于解决能源问题有着非常重要的意义。风电场输出功率的不稳定、波动大导致了风电与电网稳定运行上的困难，而大规模储能技术的发展为风电大规模发展提供了支撑。

1 储能系统模型构建

储能系统中，借助能量可以双向流动的PWM整流器实现三相交流和直流之间的转变。储能系统在三相电压型PWM整流器(VSR)下的电路结构见下图。

图1 储能系统模型

电池充放电控制实际为对双向逆变器的控制过程，通过控制算法得出需要调节的控制量，并将控制量转换为对应的脉宽调制信号，并通过脉宽调制系统实现对双向逆变器的开关控制，最终实现系统对电池的充放电定量控制。

VSR交流侧为实时变化的交流量，不利于控制系统的设计。因此可以通过坐标变换将三相对称静止坐标系(a，b，c)转换成以电网基波频率同步旋转的(d，q)坐标系，简化控制系统的设计。

通过坐标变换得到d轴和q轴分量的表达式:

在设计储能系统充放电控制策略时，选择利用SPWM的控制原理进行控制。SPWM依据冲量相等而形状不同的窄脉冲加在有惯性的环节上的时候，效果基本不变，用脉冲宽度按照正弦规律变化的SPWM波形控制开关器件的通断。

2 风机模型构建

在风机转子侧的控制中采用定子磁链定向，则转子侧电流可以被分解为直轴分量id和交轴分量iq。id分量产生气隙磁通，iq分量产生的磁通与气隙磁通矢量成直角。电机转矩是这2个矢量的向量积，因此iq控制电机转矩及有功功率，id控制进入电机的无功功率。

图2 风机转子侧控制

网侧风机的控制主要基于SPWM控制技术，采用电压外环和电流内环的双环控制策略。双环控制的外环电压控制，选择电容电压为外环电压控制的目标，目的是保持电容电压稳定在额定值附近，适应有功功率的容量。

3 风储联合单元黑启动策略

图3为利用PSCAD仿真软件搭建的风储联合单元模型。风机与储能电池并联在35 kV厂用母线。

图3 风储联合单元模型

图中风机采用1.5 MW的双馈型风机，风速选择为恒定风速10 m/s，风轮的功率系数为0.28，双馈异步电动机转子侧采用CRPWM控制，网侧采用SPWM控制。

电池储能系统为液流电池，额定功率为352 kW，额定电压为400～600 V。储能系统的控制采用SPWM控制方式。

模拟黑启动时，风机处于制动状态，由储能电池作为电源给风机供电使风机启动。图4与图5分别为储能电池输出的交流电流Ia与电压Ua波形。由图示波形可以看出，直流电流与电压经过SPWM变流器后输出稳定的正弦交流电流与电压。

图4 电流Ia波形

图5 电压Ua波形

当风机启动后，储能电池作为风机负荷由风机对其充电。由图可看出，在前0.6 s风机输出的为三相不平衡电压。风机转子与网侧控制策略的目的是使风机输出的电压电流稳定对称。

风机的额定输出电压为690 V，额定电压为线电压，通过软件仿真的测量值为相电压。利用转子与网侧的控制策略，使三相电压平衡，相电压稳定在500～600 V，符合风机输出电压限值上下浮动±10%的要求，实现了控制策略的目的。

风机的额定功率为1 500 kW，利用双馈风机转子与网侧的控制策略，使风机0.6 s后输出三相电流趋于稳定，波动幅值稳定在1.25 kA，达到控制策略的目的。

图6 风机输出电流波形

图7 风机输出电压波形

风机输出的交流电利用储能系统PWM变流器将交流电转换为直流电，通过SPWM控制保持直流电压稳定，经过短暂波动使直流电压稳定在560 V。

图8 直流电压曲线

电池的额定电压为400～600 V，满足电池充电要求。下图为电池电流曲线。

图9 直流电流曲线

4 结语

利用PSCAD仿真软件建立风机与储能电池的模型，将储能电池并联于风机的网侧，模拟电网停电黑启动时的启动过程。当电网停电时，由于风机处于制动状态，首先由储能电池作为启动电源，为风机提供电能使风机启动。风机启动后再向储能电池充电，风机与储能电池构成独立的稳定系统。

通过在PSCAD仿真软件上仿真运行分析，储能电池经过具有双向能量传输的PWM变流器可以完成充放电的任务，而且交流侧可以保证为正弦波形。双馈型风机通过转子侧与网侧的控制，也可以使风机输出的电压电流与电网电压电流一致。

［1］房鑫炎，郁惟镐，熊惠敏，等.电力系统黑启动研究［J］.中国电力，2000，33(1):23-27.

［2］聂凌云.基于RTDS的蒙西电网黑启动和风电参与黑启动的研究［D］.北京:华北电力大学，2013.

［3］李 蓓，郭剑波.平抑风电功率的电池储能系统控制策略［J］.电网技术，2012(2):101-103.

［4］李熔化，王桂华.基于d-q坐标的三相VSR建模与解耦分析［J］.电器开关，2009(3):192-196.

［5］黄汉奇，毛承雄，王 丹，等.可再生能源分布式发电系统建模综述［J］.电力系统及其自动化学报，2010，22(5):351-354.

［6］郝木凯.风光储系统物理建模系统研究［D］.合肥:合肥工业大学，2012.