复杂拓扑结构光储型微电网黑启动策略

杨 苹，许志荣，郑群儒，曾智基，周少雄，尹 旭



复杂拓扑结构光储型微电网黑启动策略

杨 苹1,2，许志荣1,3，郑群儒1，曾智基1，周少雄4，尹 旭4

(1.华南理工大学电力学院，广东 广州 510640；2.华南理工大学广东省绿色能源技术重点实验室，广东 广州 511458；3.华南理工大学风电控制与并网技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 511458；4.广东智造能源科技研究有限公司，广东 广州 511458)

随着微电网大力发展，逐渐形成了结构及控制模式更加复杂的微电网。针对较具推广价值的光储型微电网，研究安全有效的黑启动方案对提高其供电可靠性具有重要意义。在分析具有复杂拓扑的光储型微电网及控制系统的基础上，提出一种基于分层控制的光储型微电网黑启动策略。综合考虑多个储能系统当前状态以选定黑启动主电源，结合光伏发电系统多种运行状态，以网架串行恢复形式进行分层分级黑启动。经仿真验证，所提方法可安全有效地完成复杂拓扑结构的光储型微电网黑启动，为相应实际微网工程黑启动方式提供一定的借鉴意义。

微电网；黑启动；分层控制；复杂拓扑结构

0 引言

近年来，随着经济的快速发展，能源的需求急剧增加，分布式发电技术以其低污染性、高能源利用率和安装位置灵活等特点得到越来越广泛的应用，但是分布式电源(Distributed Generation, DG)存在着单电源接入成本高、控制困难和并网运行对大电网的安全稳定运行有重大影响等问题[1-2]。

为了协调大电网与分布式电源之间的矛盾，微电网将分布式电源与本地负荷组成一个整体，通过控制策略降低分布式电源直接并网对大电网的影响。微电网的灵活性使其既能够并网运行，又可以在大电网故障时与大电网断开连接，进入孤岛运行状态，保证微电网内的供电可靠性[3-6]。

微电网难免因内部或外部故障停运进入全黑状态，这将会给居民日常生活带来不便，并且带来经济损失。为了减少停电时间以及停电引起的经济损失，迅速可靠的微电网黑启动方案不可或缺。所谓的黑启动，是指整个系统因故障停运后，不依赖于其他的网络帮助，通过启动系统中具有自启动能力的电源，带动无自启动能力的电源，逐步扩大系统恢复范围，最终实现整个系统恢复的过程[7-8]。

传统电力系统的黑启动过程可以划分为三个阶段：准备阶段，恢复阶段，负荷恢复阶段。准备阶段中，需确定系统分区、选择网架恢复策略、选择恢复路径、确定黑启动电源等；恢复阶段需完成输电线路的充电、启动相应的黑启动机组、同步子系统、维持有功无功平衡等；负荷恢复阶段，需尽快恢复负荷[7-12]。

由于微电网系统结构特殊、微电源的特性与大电网系统中的传统旋转电机不尽相同，使得微电网的黑启动在黑启动电源以及黑启动方案的选择等方面有一定的区别[13]。微电网黑启动方案中的网架恢复策略可分为并行恢复和串行恢复。并行恢复方式中，具有黑启动能力的微电源完成自启动，建立多个子系统，通过同期并列装置进行同步。并行恢复方式具有恢复速度快、需要同期并列装置和系统复杂等特点，存在并联时冲击电流大的问题[13-15]。串行恢复方式中，主电源建立稳定的电压和频率，其他微电源以其作为参考进行启动。串行恢复方式具有无需同期并列装置、结构简单和恢复速度较并行控制方式慢等特点[16]。

微电网分层控制通过中央处理器和下层控制器实现多微网内各元件协调控制，是当前微电网控制的研究热点[17-18]。文献[19-20]基于分层控制的思想提出一种三层结构的控制策略，采用网架串行恢复的方式实现具有复杂结构的多微电网黑启动，其中第一层控制由中央自主管理控制器担任，第二层控制由微电网中央控制器担任，第三层控制由底层控制器组成，包括负荷控制器和微源控制器。

本文在分析光储型微电网结构及控制系统的基础上，提出一种基于分层控制的光储型微电网黑启动策略：综合考虑多个储能系统当前状态以选定黑启动主电源，结合光伏发电系统多种运行状态，以网架串行恢复形式进行光储型微电网分层分级黑启动。

1 光储型微电网结构分析

光储型微电网结构如图1所示。该光储微电网为两层结构，上层结构包含子微电网M0，下层结构包含子微网M1和分布式电源接入区域M2。M0和M1中均包含负荷、光伏发电系统以及储能装置， M2则包含光伏发电系统和负荷。子微电网M0中的负荷、光伏发电系统和储能装置分别通过开关L1、L2和L3接入380 V交流母线，而子微电网M1和分布式接入M2通过子微网并/离网控制开关L4和L5接入380 V交流母线。整体微电网则通过微电网并/离网控制开关L0接入配电网。光储微电网各部分组成如表1所示。

表1 光储型微电网各部分的组成

如图1中给出光储微电网的二次拓扑主接线。该微电网设置一台区域型微电网中央控制器和3台区域型双向计量、监控、能效管理一体化终端。

其中，一体化终端0负责上层微电网M0内控制功能的实现，一体化终端1和一体化终端2则分别负责下层微电网M1和分布式接入M2区域内控制功能的实现。该微电网控制系统不需要设置以服务器为基础的微电网控制系统，而是分散至各控制器，能低成本、就地、分散地运算，只传输必要信息作为区域协调控制使用。

2 微电网分层控制

对光储型微电网而言，光伏发电系统发电功率受光照、温度等外界环境条件影响较大，具有明显的波动性和间歇性等不足；储能系统可通过适当的充放电控制，改变充放电状态和功率大小，与光伏发电系统实现功率输出互补，但由于成本问题，储能电池的容量受限，只能作为短时的能量补充。

针对光储型微电网的特点以及大规模推广应用的需求，本文采用基于分层结构的微电网控制系统。按照响应速度、时间尺度和通信需求，基于分层控制思想将微电网控制系统分为三层，如图2所示。

图2 基于分层控制思想的微电网控制系统

第一层为顶部控制层，由配电网调度中心组成。

配电网调度中心主要功能是：

(1) 负责多微电网之间的协调控制；

(2) 基于电压或频率调节制定配电网功率需求；

(3) 依据有关约束条件(功率损耗最小、经济成本最低等)协调各微电网出力。

第二层为中间控制层，由区域型微电网中央控制器和区域/户用型双向计量、监控和能效管理一体化终端组成。

区域型微电网中央控制器的主要功能是：

(1) 接受来自中间控制层的数据进行处理，并基于这些电气信息量对一体化终端进行控制，维持多层光储型微电网电压和频率稳定，以保障微电网内部安全稳定运行和满足功率限制等；

(2) 通过对一体化终端控制参数的设置，调整光储型微电网的输出功率和出口电压。

区域型双向计量、监控和能效管理一体化终端主要功能是：

(1) 基于光照、温度和历史数据等信息，实现对光伏发电系统和负荷的短期和超短期预测，对光伏发电系统和负荷进行控制；

(2) 接收来自底部控制层的电气信息量，并基于实时数据向底部控制层发送控制信号，以维持单微电网或者分布式接入区域的电压和频率稳定，保障单个微电网或者区域内的安全稳定运行和满足功率限制需求等；

(3) 接受顶部控制层区域型微电网中央控制器的控制，负责单个微电网或分布式接入区域与整体微电网的同步，调整子微电网或分布式电源接入区域与微电网的功率流动，减少子微网对整体微电网的冲击。

第三层为底部控制层，由负荷控制器、光伏发电系统控制器和储能控制器组成。主要功能是：

(1) 负荷控制器、光伏发电系统控制器和储能控制器接收中间控制层的各种控制指令后，在无需其他通信的前提下，基于本地测量信息实现对具体开关、光伏发电系统与储能的变流器以及可控负荷的控制和保护；

(2) 将储能荷电状态(State of Charge, SOC)和单体设备出口处的电压、电流、功率等工况信息上送至中间控制层，为微电网内部的运行控制提供实时数据。

3 黑启动策略

3.1 主电源选取

黑启动主电源的选择是微电网黑启动的关键。微电网的黑启动依靠具有黑启动能力的微电源进行自启动，建立稳定的电压频率后，带动系统中不具备自启动能力的电源，逐步扩大微电网的恢复范围，最终实现微电网的黑启动。

传统电力系统中，在黑启动电源选择上，有如下要求：黑启动电源在电网中的位置要求离大型机组近、启动路径短、电压等级变换少(历经的变压器数目少)、离重要负荷中心近、启动速度快、带负荷能力强、具有电压和频率调节功能、供电时间长[21]。

光储型微电网在结构上比传统电力系统不同，微电网中微电源的特性与传统电网中的旋转机组也极为不同，因此对光储型微电网黑启动主电源的选择有如下要求：

(1) 具备储能功能；

(2) 具有调压调频能力，以保证微电网在离网情况下母线电压频率保持稳定；

(3) 具备足够备用容量；

(4) 具备充足发电容量。

因此，针对具有复杂结构的光储微电网的黑启动电源选择，应综合考虑储能装置的剩余电量及其变流器额定功率pcs共同作为主电源选取依据。

式中：为黑启动电源评价指标；为储能装置的容量；、为主电源决策影响系数。黑启动为短时过程，主要考虑变流器的额定功率以支撑微网源荷启动，容量及则为其次，故一般选取、。

3.2 网架串行恢复

在采用基于串行恢复策略的光储微电网黑启动过程中，主电源首先启动以建立交流母线的电压和频率，其控制方式采用V/f控制。然后逐步投入一定的负荷，再以PQ控制方式启动其他微电源，扩大微电网的恢复范围，最终实现微电网的黑启动。

其中，网架各组成部分的恢复顺序值得探讨。本文对储能系统、负荷、光伏发电系统各部分内部进行恢复次序上的分级排序：

(1) 对于储能系统，作为主电源的某台储能系统以V/f控制方式最先被恢复，然后闭合各层微电网的并/离网控制开关、依次闭合微电网中的各个储能开关，将其余的储能装置投入，并将其设置为PQ控制方式。在黑启动过程中，为了能尽快增加微电网系统内部电源的总备用容量，储能系统根据容量由大到小逐次投入。

(2) 对于负荷，根据微电网分层顺序以及实际负荷的重要程度进行排序。不考虑特殊情况，在如图1所示的光储微电网拓扑中，微电网/分布式接入区域的分层顺序为：M0>M1>M2(其中“>”表示优先级高于)，即对应具体负荷的恢复顺序为：LD0> LD1>LD2。考虑特殊情况(M1中LD1负荷最为重要时)，则负荷恢复顺序修改为LD1>LD0>LD2。

(3) 对于光伏发电系统，应当先投入最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)类光伏发电系统(下面简称为MPPT光伏)，其次是PQ类光伏发电系统(恒功率输出的光伏发电系统，下面简称为PQ光伏)。由于发电容量大的光伏可控性比较差，利用黑启动前期较大的备用容量能维持系统的平衡，因此光伏发电系统的投入顺序根据发电容量从大到小进行排列。

3.3 光储微电网黑启动路径及指令执行

根据前文的描述，本文采用基于串行恢复策略的黑启动方案。以图1所示的微电网系统拓扑为例，针对具体的光储微电网的黑启动操作流程如下：

(1) 区域型微电网中央控制器检查光储微电网是否满足黑启动条件。具体判断依据是：

1) 整体微网并/离网控制开关处于断开状态；

2) 所有负荷和微电源侧的控制开关处于断开状态；

3) 微电网交流母线上的电压和频率均为0；

4) 具有黑启动能力的储能系统能正常工作，且备用容量充足。

(2) 区域型微电网中央控制器择优选择系统中的一台储能装置作为黑启动主电源，并以V/f控制方式进行启动。在满足3.1节所述主电源选择依据的前提下，选择高、额定充放电功率大的储能系统作为主电源。

(3) 区域型微电网中央控制器根据采集到的电气量信息，判断电压和频率的稳定条件为

(4) 闭合所有子微网和分布式接入区域的并/离网控制开关，根据3.2节所述储能投入顺序逐次投入所有储能装置，并将除主电源外的储能系统设置为PQ控制方式。

(5) 微电网中央控制器判断负荷投入条件为

当条件符合时，一体化终端向PQ可调储能(下面简称为PQ储能)发送功率调整信号，PQ储能完成调整后，一体化终端向负荷控制器发送投入指令，闭合负荷开关，负荷投入。

(6) 区域型微电网中央控制器先检验MPPT光伏的投入条件。

图3 光储微电网黑启动控制流程

Fig. 3 Program flow chart of PV-ESS microgrid black start

(7) 当MPPT光伏完成投入后，区域型微电网中央控制器检验PQ光伏的投入条件为

(8) 检验是否还有未投入的负荷以及微电源，如果有则返回步骤(5)，若无，则进入步骤(9)。

(9) 微电网中央控制器结束黑启动控制流程，退出黑启动控制模式，进入离网运行控制模式。

4 实例验证

为了验证本文提出的光储微电网黑启动方法，本文在PSCAD/EMTDC平台上设置了一种典型工况进行仿真验证。

光储微电网拓扑如图4所示。微电网系统由光伏、储能和负荷组成：光伏系统由1台额定容量为30 kW的MPPT类型光伏和2台额定容量为30 kW的PQ类型光伏组成；储能系统由1台主电源和1台辅助电源组成，主电源额定容量为90 kW，辅助电源额定容量为30 kW；负荷为3台额定容量为50 kW的静态负荷。

图4 光储微电网仿真拓扑图

如表2所示是典型工况的初始条件，包含仿真的环境信息、储能信息、光伏信息和负荷信息。

黑启动仿真波形如图5所示。

区域型微电网中央控制器检测到微电网满足黑启动条件后，选择能量状态与容量更优的储能BS_1担任系统黑启动主电源，并向储能BS_1发送V/f控制信号和投入信号，使储能BS_1采用V/f控制模式启动并投入微电网。储能BS_2则采用PQ控制模式启动并投入。

在1.2 s时，主电源BS_1建立了稳定的母线电压和频率，此时区域型微电网中央控制器检测到LD1满足负荷投入条件，在调节储能BS_2的出力后，负荷LD1投入。

表2 典型工况的初始条件

图5 光储微电网黑启动仿真波形

在3.4 s时，区域型微电网中央控制器检测到LD2满足负荷投入条件，在调节储能BS_2的出力后，负荷LD2投入。

在投入LD1和LD2后，LD3不再满足负荷的投入条件。区域型微电网中央控制器继而判断光伏发电系统是否满足投入条件。

在4.3 s时，检测到光伏PV_mppt满足MPPT类光伏发电系统的投入条件，在调节储能BS_2的出力后，光伏PV_mppt投入。

在5.0 s时，检测到光伏PV_PQ1满足PQ类光伏发电系统的投入条件，在调节储能BS_2的出力后，投入光伏PV_PQ1。光伏发电系统的投入增大了系统容量。

在7.9 s时，区域型微电网中央控制器判断LD3满足负荷投入条件，在调节储能BS_2的出力后，负荷LD3投入。

在8.5 s时，检测到光伏PV_PQ2满足PQ类光伏发电系统的投入条件，在调节储能BS_2的出力后，光伏PV_PQ2投入。

至此，所有负荷恢复供电，并且所有微电源成功投入，系统电压和频率满足运行要求，微电网黑启动成功。区域型微电网中央控制器退出黑启动控制模式，进入离网运行控制模式。

5 结论

本文针对结构及控制模式更加复杂的光储型微电网，提出一种基于分层控制的微电网黑启动策略。该策略考虑多个储能系统当前状态以选定黑启动主电源，结合光伏发电系统多种运行状态，以网架串行恢复形式进行光储型微电网分层分级黑启动。

仿真结果表明，在较短时间内负荷、储能系统和光伏发电系统重新投入，光储微电网系统恢复稳定运行状态。所提方法可安全有效地完成复杂结构光储型微电网的黑启动，为相应实际工程黑启动方式提供一定的借鉴意义。

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(编辑 周金梅)

Black start strategy of PV-ESS microgrid with complicated topology structure

YANG Ping1, 2, XU Zhirong1, 3, ZHENG Qunru1, ZENG Zhiji1, ZHOU Shaoxiong4, YIN Xu4

(1. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2. Guangdong Key Laboratory of Clean Energy Technology, South China University of Technology, Guangzhou 511458, China; 3. National-Local Joint Engineering Laboratory for Wind Power Control and Integration Technology, South China University of Technology, Guangzhou 511458, China; 4. Guangdong Intework Energy Technology Co., Ltd., Guangzhou 511458, China)

With the rapid development of microgrids, the microgrids with complicated structures and control modes are gradually formed. For the photovoltaic (PV) / energy-storage system (ESS) microgrids which have popularization value, it is important to study the safe and effective black start strategy of microgrids for improving the power supply reliability. Based on the analysis of the structure and control system of the PV-ESS microgrid with complicated topology structure, this paper puts forward a black start strategy based on the hierarchical control theory. The current states of multiple energy storage systems are considered to select the main power supply in the initial stage of the black start. Taking the multiple running modes of the photovoltaic systems into consideration, the microgrid restores based on a serial strategy. The simulation results show that the proposed method can safely and effectively complete the black start of the microgrid with complicated topology structure, providing a reference for the actual project. This work is supported by National High-tech R & D Program of China (863 Program) (No. 2014AA052001).

microgrid; black start; hierarchical control; complicated topology structure

10.7667/PSPC151466

国家高技术研究发展计划(863 计划，2014AA052001)；广东省科技计划项目(2012B040303005)；南沙区科技计划项目资助(2013P005)

2015-08-19；

2016-01-08

杨 苹(1967-)，女，博士，教授，研究方向为新能源并网发电及控制；许志荣(1989-)，男，通信作者，博士研究生，研究方向为微电网运行控制；E-mail: 407849739@qq.com 郑群儒(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为微电网运行控制。