储能系统黑启动功率分配控制策略

厉成元，张超，李哲，刘博畅，高靖，金朋飞

（1.天津电气科学研究院有限公司，天津 300180；2.永青集团有限公司，浙江温州 325000）

随着我国一带一路政策的持续推进，中国企业去海外投资建厂越来越多。然而，由于一带一路国家的电力供应基础设施普遍比较薄弱，电力供应无法保障，为满足大工业的生产用电，工矿企业普遍建设了独立的火力发电厂。而这类孤岛电网普遍具有电网容量小，网内生产负荷波动剧烈，电网运行稳定性差的特点，无法保障大功率生产负荷可靠用电。同时，在这类电网中，为减少化石能源的消耗，提高生产经济性，往往存在一定比例的新能源发电电源。如何保障电力负荷平衡，且在电网发生系统性崩网后，如何快速成功实现孤网黑启动，一直是此类电网运行最大的痛点。

储能技术作为构建新一代电网的关键核心技术之一，其在新能源消纳、平抑波动、电网调峰调频、火电辅助调频、虚拟电厂等方面将发挥积极的作用。大规模储能集群控制系统以其灵活的布置、智能的充放电控制，在解决电力负荷平衡、保安电源、黑启动电源等方面发挥着不可替代的作用。文献[1]论述了柴油发电机作为单一黑启动电源进行矿山孤网黑启动方法，该方法为目前传统的孤岛电网启动方法，需要借助多台柴油发电机并列运行为电厂厂用电提供负荷。在实际操作过程中容易出现柴油发电机并列运行失败、电网稳定性弱导致黑启动失败的情况。文献[2]分析了微电网中各类微电源黑启动能力、参考源的选取及黑启动过程中微电源控制方式。文献[3]研究了储能系统作为火电厂黑启动电源的控制策略，提出多个储能变流器（power converter system，PCS）并联运行的下垂控制策略，通过虚拟阻抗环节，保证了功率均分与电池荷电状态（state of charge，SOC）的均衡，采用软启升压方式建立多变流器并联的储能系统离网电源。文献[4]介绍了一种采用虚拟同步机方式在孤网中多台储能变流器并列运行及多变流器之间的同期控制技术。

本文以PCS 多机并联运行系统与柴油发电机并列运行控制策略为研究对象，着手解决两种不同特性的电压源之间功率平滑过渡问题，提出一种基于虚拟阻抗的统一下垂控制的功率分配策略。储能系统经高厂变升压之后为黑启动负载供电，在电力不足时，柴油发电机组启动，并联到PCS 升压后的母线上，共同为负载供电。通过负荷分配策略，将PCS 承担的大部分负载逐步转移到柴油发电机组上，再控制储能变流器退出，柴油发电机组独立进行微电网黑启动负荷供电。

1 孤网黑启动

1.1 孤网黑启动供电网络架构分析

孤网黑启动指整个系统不依赖公共电网的帮助，通过系统中具有自启动能力的机组的启动，带动无自启动能力的机组，逐步扩大电力系统的恢复范围，最终实现整个电力系统的启动或恢复，即通过黑启动电源逐步启动全网所有设备。孤网黑启动一般在电力系统首次启动或者整个电力系统因故障停运后进行。

具备储能系统的孤网黑启动供电网络架构如图1 所示。在孤网电网正常运行时，储能系统通过降压变接入150 kV 的主电网，进行电网的调峰调频。当电网失电后，孤岛电网需要黑启动时，储能系统通过联络变，与柴发10 kV 交流母线连接，接入黑启动电网。黑启动电源供电回路如图1中虚线所示。

图1 孤网黑启动电网架构Fig1 Isolated grid black start grid architecture

1.2 孤网黑启动电源特性介绍

在孤网的黑启动过程中，由于孤网一定是脱离大电网运行在孤岛模式下的，因此在分层控制的微电网中需要一个主参考源来提供系统的参考电压及频率。文献[5]总结了主参考源应具备的特征，其中最重要的有：能快速实现自身的黑启动；能够提供稳定的电压及频率；能快速跟踪负荷变化以免产生大幅波动。考虑到微型燃气轮机、燃料电池及柴油发电机良好的负荷跟随及抗扰动特性，它们无疑是孤网黑启动主参考源的最佳选择。故在传统的孤岛电网中，常选用柴油发电机作为黑启动电源的首选。

随着可再生发电技术的快速发展，电力电子技术应用更加成熟。理论上，在电力电子变换器的直流侧加装适当的储能设备，就能使该微电源具备黑启动能力。但是，考虑到黑启动微电源需要在一段时间内能独立、稳定带负荷运行，一些能源供给具有较大波动或受较多因素影响的P/Q 源是不适合作为黑启动电源的，如光伏微电源、风力发电微电源；而电池储能系统，由于电力电子直流侧接入较为稳定的直流电压源，故在V/F 运行模式下，可以为负荷提供稳定的电压和频率参考，是一种非常理想的黑启动电源[5]。受限于直流侧储能电池的SOC，储能系统可以与柴发并联运行，共同提供黑启动电源，降低化石能源消耗，减少黑启动时间，提高黑启动成功率。

2 多变流器并联离网运行控制

2.1 多变流器并联控制

当前各类分布式电源的容量越来越大，由于开关器件等关键器件的限制，单台变流装置的容量有限，采用多变流器并联可以有效提高系统功率等级、系统效率和可靠性，已成为近年研究和应用的热点。本控制策略中储能系统为提升功率等级，采用直接并联方式，多机并联的各台变流器以电压源方式运行，并联系统拓扑结构如图2所示。

图2 多机并联系统拓扑结构Fig.2 Topology of multi machine parallel system

图2中为多个LCL型变流器直接并联于电力变压器的低压侧。PCC 点为多个变流器公共并网点。

多变流器直接互联时，由于各变流器功率器件瞬时开关序列不一致、存在LCL 滤波谐振点等原因，系统中除共同向外输出的电流以外，各变流器之间还存在差模环流，该环流与各变流器的瞬时开关状态（频谱分布）、滤波器与线路参数、电网容量等因素有关[6]。在图2 所示的开关状态下的等效电路如图3所示。

图3 并联变流器等效电路Fig.3 Equivalent circuit of parallel converter

图3 中，Uo1，Uo2分别为两台变流器瞬时输出电压；Za，Zb，Zc为变流器各相等效阻抗；Ua，Ub，Uc为三相电网相电压；Zs为电网等效阻抗。

式中：iom，iol分别为第m，l台变流器输出电流；Uoi为各变流器输出电压；Us为电网电压；Yoi为各变流器输出电纳（Yom和Yol为第m台和第l台变流器输出电纳）；Ys为电网等效电纳；n为并联变流器数量。

由于各变流器之间的差模环流主要存在于谐振点附近，低频及高频分量都较小，各变流器之间的差模谐振环流取决于各变流器输出电压谐振频率分量之差[7]。此时，导纳Y近似为无穷大，远大于Ys，环流仅存在于各变流器之间，并不流入电网（Y为各台变流器谐振频率下输出电纳，假设各变流器输出导纳相等）。

为抑制多机并联系统中变流器之间的环流，采用载波同步方式，实现多变流器并联运行。多机系统同步线连接方式如图4所示。

图4 多机并联载波同步线连接方式Fig.4 Connection mode of multi machine parallel carrier synchronous line

图4中，每台变流器包括载波同步单元、数字信号处理器、变流器主电路三个组成部分，载波同步由各台设备之间的载波同步单元通过同步光纤连接实现。主机通过n+1条同步线分别连接至备用主机和n台从机，备用主机通过n+1条同步线分别连至主机和n台从机，各从机通过2条同步线分别与主机和备用主机相连，各从机之间无直接连接。

2.2 改进的统一下垂控制

在多变流器并联系统中，变流器之间功率均分精度是体现系统性能优劣的重要指标之一。在实际并联系统中，线路中阻抗空间分布的随机性将造成线路阻抗的不一致[8]。本系统从实际工程应用角度出发，除在线路上增加并网阻抗以保证并联回路阻抗一致性外，还采用了统一下垂控制方式，实现各变流器有功、无功负荷合理分配，同时抑制低频振荡。

多变流器并联系统离网运行时的等效电路如图5 所示（Zi为各变流器输出阻抗、升压变阻抗和相应线路阻抗之和，ZL为负荷等效阻抗、降压变阻抗和相应线路阻抗之和，Pi为第i台变流器有功功率，Qi为第i台变流器无功功率）。

图5 多机并联离网运行等效电路Fig.5 Equivalent circuit of multi machine parallel off grid operation

式中：Xi，Ri分别为第i台变流器的输出电抗、电阻；YL为负荷等效导纳；Yi为第i台变流器等效导纳。

当线路阻抗呈感性时，两台变流器的无功功率与线路阻抗有关，而有功功率关系不大。所以当并联变流器的线路阻抗出现明显差异，下垂系数和容量相同的变流器并联时，采用传统的下垂控制策略会出现明显的无功功率分配不均，而有功功率变化不大。相反，若线路阻抗呈阻性时，有功功率会分配不均，无功功率无明显差异。

由于线路阻抗中电阻成分的存在，使得系统的有功和无功功率不能解耦，因此采用修正下垂特性，实现有功功率与无功功率解耦。

基于统一控制的改进型下垂控制计算如下式所示：

式中：f，U分别为储能并联系统输出电压的频率及线电压有效值；P，Q分别为储能并联系统输出的有功、无功功率；μ为线路阻抗比；mf，nv分别为储能并联系统有功、无功下垂控制系数；fmax，fmin分别为系统允许输出的最高、最低频率；Umax，Umin分别为系统允许输出的最高、最低电压；Pmax，Qmax分别为系统允许输出的最大有功、无功功率。

基于统一下垂控制的结构如图6 所示。图6中，Uabc为电网三相电压；Ud，Uq分别为电网三相电压dq变换后的d，q轴分量；I1abc，Inabc分别为第1，n台变流器输出电流。

图6 统一下垂控制结构Fig.6 Unified droop control structure

2.3 基于虚拟阻抗的统一下垂控制

在实际低压孤网系统中，变流器接入的电网空间分布具有随机性，将造成连线阻抗的不一致。对于采用统一下垂控制的变流器并联系统，虽然可以使并联变流器系统接收统一下垂指令，但单机功率均分精度与输出电压跌落是一对固有矛盾。故由于下垂控制在低压微电网中应用仍存在一定的不足和缺陷，为解决下垂控制的问题，研究学者提出了虚拟阻抗方法[9-10]。

本控制策略中通过采样获得变流器输出电流，并与虚拟阻抗相乘计算出电压降，然后根据下垂控制策略得到电压参考值，并从电压参考值中减去上述电压降，产生新的参考电压，以达到模拟实际阻抗的作用，即实现线路阻抗重塑。基于虚拟阻抗的统一下垂控制结构如图7所示。其中kn为各变流器的虚拟阻抗。

图7 基于虚拟阻抗的统一下垂控制结构Fig.7 Unified droop control structure based on virtual impedance

3 储能黑启动功率控制策略

本控制策略主要针对并联变流器储能系统应用于海岛、矿区等孤岛电力系统的黑启动过程，储能系统首先采用零起升压方式，建立起离网电网，这一阶段由储能系统单独为重要负载提供黑启动电源，在储能系统荷电量不足够的情况下，供电系统转到第二阶段，该阶段由柴油发电机组做为独立的黑启动电源供电，同时储能系统退出供电过程。

为了减小黑启动负荷从储能系统独立供电转移到柴油发电机组独立供电过程中对电网的冲击，设计了多机并联储能系统基于虚拟阻抗的平滑过渡控制策略，在实现了大部分负荷在储能系统和柴油发电机组的逐步过渡后，再退出储能系统，而不是全部负荷在两个电源间的瞬间切换，从而有效避免了两个黑启动电源切换过程中对于电网的冲击，实现负荷的平滑转移。

黑启动电源供电系统模型如图8所示。

图8 黑启动电源供电系统模型图Fig.8 Model diagram of black start power supply system

本文提出的黑启动功率分配控制策略中，储能变流器进行电压控制，采用比例积分控制器（PI），在统一下垂控制的基础上增加了可调节的虚拟阻抗，用以控制黑启动过程中储能变流器输出的功率逐步减小，实现大部分负荷从储能变流器平滑过渡到柴油发电机组。

4 仿真验证

为验证本控制策略的有效性，结合实际工程系统参数，在Simulink 平台搭建了仿真模型。仿真模型由两台500 kV·A 储能变流器和一个模拟柴油发电机组的电压源组成，两台储能变流器并联运行，经变压器升压之后为负载供电，之后控制柴油发电机组启动，并联到储能变流器升压后的母线上，共同为负载供电。仿真控制虚拟阻抗使储能变流器承担的大部分负载逐步转移到柴油发电机组上，再使储能变流器退出，以此来减小对电网的冲击，之后柴油发电机组独立作为黑启动电源为负荷供电。

系统仿真参数设置如表1所示。

表1 黑启动功率分配仿真参数Tab.1 Simulation parameters of black start power allocation

在黑启动的初始阶段，储能系统以孤岛形式运行，承担全部负载。在0.2 s 时刻，柴油发电机电压建立起来，通过同期并网开关与储能电源并列运行。因为柴油发电机组采用电压源模拟，为了更好地模拟初始接入时的功率分配关系，利用电力系统有功、无功流动方向与电压幅值、相角关系，对电压源的电压幅值和相角进行了优化，故在0.2 s 时负载功率总体负荷有略微增大。在储能系统与柴油发电网并列运行之后，柴油发电机承担小部分负载功率，储能系统承担大部分负载功率。为了将储能系统承担的负载转移到柴油发电机组，并对柴油发电机组产生较小的冲击。0.6 s 时开始，在控制环路中使虚拟阻抗k逐渐增大，储能系统输出功率逐渐减小，柴油发电机组输出功率逐渐增大，最终实现了负荷在储能系统和柴油发电机组之间的平稳转移。此时控制储能变流器退出，相较于直接退出储能变流器可大大降低负荷对柴发电网的冲击。

图9、图10 分别为储能变流器1、变流器2 功率变化仿真结果图。

图9 储能变流器1功率变化Fig.9 Power change of energy storage converter 1

图10 储能变流器2功率变化Fig.10 Power change of energy storage converter 2

本系统策略采用基于虚拟阻抗的统一下垂控制，由图9～图10 可见，在虚拟阻抗的实时调节过程中，实现了两台储能变流器的功率精确均分。该控制策略可在实际应用中，有效保障储能变流器充放电过程中直流侧电池荷电量的平衡。

柴油发电模拟源在0.2 s时，经过同期并入储能系统建立的黑启动供电电网，两个电源并列运行，此时储能系统承担大部分负荷。随着虚拟阻抗的调节，在大约5.5 s 时，储能系统承担的负载功率从大约80%下降到约30%，柴油发电机组承担功率从大约20%增加到约70%。图11 为储能系统负载功率变化仿真结果图，图12为柴油发电模拟源功率变化情况仿真结果图。

图11 储能系统负荷功率变化情况Fig.11 Load power variation of energy storage system

图12 柴油发电模拟源负荷功率变化情况Fig.12 Load power variation of diesel generation simulation source

在储能系统和柴发模拟源功率分配的过程中，并网公共节点的稳态电压、电流一直保持平滑稳定，如图13 所示。负载接入点的稳态电压、电流亦未出现波动，负载功率保持稳定，如图14、图15所示。

图13 并网公共点稳态电压和电流波形Fig.13 Steady state voltage and current waveforms of grid connected common point

图14 负载稳态电压和电流波形Fig.14 Steady state voltage and current waveforms of load

图15 负载功率变化情况Fig.15 Load power variation

5 结论

首先介绍实际工程的孤网黑启动电网架构及黑启动电源特性。在此基础上结合储能变流器电压源多机并联控制，采用了载波同步技术，解决系统的同步问题，同时进一步分析了下垂控制原理，并对传统下垂控制进行了改进，结合系统并联和功率分配特点，提出统一下垂控制策略。针对在孤网中电网阻抗对于下垂控制的不利影响，在统一下垂控制结构基础上，叠加了可调节的虚拟阻抗机制，来实现多变流器电压源在低压孤网并联运行时的功率均分及平滑控制策略，最后通过建模进行了仿真验证。所提出的控制策略不仅可以做到在孤网中多变流器系统的功率精确均分，还可以在实际孤网黑启动中与传统的柴油发电机并列运行，共同作为黑启动电源，降低化石能源消耗，提高孤网黑启动成功率，具有非常高的实际工程应用价值。