风光储微电网-火电机组黑启动全过程储能控制策略研究_谢楠.pdf
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1、电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报Proceedings of the CSU-EPSA第 35 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.35 No.2Feb.2023风光储微电网-火电机组黑启动全过程储能控制策略研究谢楠1,2,杨沛豪3,4,何萍5,陈垚1,2(1.商洛学院电子信息与电气工程学院,商洛 726000;2.商洛市分布式新能源应用技术研究中心,商洛 726000;3.西安交通大学电气工程学院,西安 710049;4.西安热工研究院有限公司,西安 710054;5.国网吴忠供电公司,吴忠 751100)摘要:在风光新能源微电网中,配置储能可以作为稳定电源点实现风光储微电网
2、-火电机组黑启动。为实现黑启动过程中稳定供电,研究了黑启动全过程储能控制策略,提出了一种变斜率储能换流装置电压控制方案,并在传统无功-电压下垂控制中引入变斜率传递函数模块;再提出一种黑启动并列运行时含有非线性补偿模块的下垂控制方案,并通过小信号模型进行稳定性分析。仿真结果表明:电压控制方案可以抑制黑启动建压过程中的冲击电流,保持储能空充线路时电压稳定;新型下垂控制方案可以抑制风光储微电网-火电机组并列运行时,频率、电压暂态波动。控制策略可以满足风光火储黑启动全过程要求。关键词:新能源微电网;火电机组;黑启动;储能;变斜率电压控制;非线性补偿模块中图分类号:TM273文献标志码:A文章编号:10
3、03-8930(2023)02-0075-08DOI:10.19635/ki.csu-epsa.001076Research on Energy Storage Control Strategy During Whole Black Start Process of Wind-PV-Energy Storage Microgrid and Thermal Power UnitXIE Nan1,2,YANG Peihao3,4,HE Ping5,CHEN Yao1,2(1.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Sh
4、angluo University,Shangluo 726000,China;2.Shangluo Distributed New Energy Application Technology Research Center,Shangluo 726000,China;3.School of Electrical Engineering,Xi an Jiaotong University,Xi an 710049,China;4.Xi anThermal Power Research Institute Co.,Ltd,Xi an 710054,China;5.State Grid Wuzho
5、ngPower Supply Company,Wuzhong 751100,China)Abstract:The configuration of energy storage in a wind-PV new energy microgrid can be used as a stable power sourcepoint to realize the black start of a wind-PV-energy storage microgrid and a thermal power unit.To realize a stable powersupply during the bl
6、ack start process,an energy storage control strategy during the whole black start process is studiedin this paper.First,a voltage control scheme for a variable slope energy storage converter is proposed,and a variableslope transfer function module is introduced into the traditional reactive power-vo
7、ltage droop control.Then,a droop control scheme with a nonlinear compensation module is put forward for the parallel operation of black start,and the corresponding stability is analyzed by a small signal model.Simulation results show that the proposed voltage control schemecan suppress the surge cur
8、rent during the process of black start voltage buildup and keep the voltage stable when the energy storage line is empty and charged.The novel droop control scheme can suppress the transient fluctuations of frequency and voltage when the wind-PV-energy storage microgrid and thermal power unit are op
9、erating in parallel.Therefore,the proposed control strategy can meet the requirements during the whole black start process of the wind-PV-energystorage microgrid and thermal power unit.Keywords:new energy microgrid;thermal power unit;black start;energy storage;variable slope voltage control;nonlinea
10、r compensation module随着新能源发电渗透率不断提高,电力系统网架结构变得越加复杂,在风光新能源微电网中配套相应规模储能设备已经成为行业共识1-3。大规模储能技术作为能源变革关键技术之一,因为可以为电网提供调峰、调频、应急响应等多种服务,近年来发展迅速4-5。收稿日期:2022-04-22;修回日期:2022-08-11网络出版时间:2022-08-25 16:07:33基金项目:商洛学院科研基金资助项目(18SKY-FWDF005)谢楠等:风光储微电网 火电机组黑启动全过程储能控制策略研究电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报76第 2 期“黑启动”作为电网应急响应辅助
11、服务之一,可以协助停电区域快速恢复供电、减少经济损失。通过内部自启动能力的部件向其他发电单元送电,逐步恢复系统运行和有序供电,最终实现电站自启动。风光储黑启动是微电网在失去外部电网供电的情况下,通过内部自启动能力的部件储能实现微电网自启动,启动输电线路对侧火电厂辅机设备,使火电机组恢复运行,逐步扩大电力系统恢复范围,最终实现整个电力系统的恢复6-9。为了实现新能源储能辅助电网黑启动,文献10从黑启动储能出力、线路空充时间及黑启动过程中储能换流器控制方式3个方面,提出一种基于3层多代理(Agent)系统的储能黑启动控制策略。针对储能设备不能满足黑启动零启升压所需功率,文献11提出一种快速跟踪线路
12、对侧负荷与新能源最大功率追踪控制相结合的方法,实现新能源发电单元储能设备协调控制,使新能源储能可以作为电网黑启动稳定电源点12。为了实现储能黑启动所需储能容量最优配置,文献13以储能黑启动全过程有功、无功输出极限为约束条件,以全寿命周期费用最小为目标函数,得到黑启动所需储能容量最优配置14。为了实现黑启动初期有功功率、无功功率快速调节,文献15提出一种虚拟惯量控制方式,将实时频率偏差引入风电及储能换流器控制系统中,通过释放旋转动能,可以快速进行功率调节,为系统提供一定频率支撑16。为了在新能源储能-火电并列运行瞬间,实现储能换流器控制方式平滑切换,文献17提出一种基于状态跟随控制器的控制策略切
13、换方案,有效减小了切换瞬间带来的暂态振荡问题。能源储能-火电并列运行后,由于储能设备容量较小,无法为系统提供稳定电压与频率支撑18。针对此问题,文献19提出一种将储能逆变器交流输电线路电压偏差和频率偏差作为负反馈阻尼环节添加至储能逆变器电压、频率PI控制环节中,并利用时域小信号模型分析所添加阻尼模块稳定性20。本文首先根据风光火储联合运行系统拓扑结构,分析风光储微电网联合火电机组黑启动全过程;然后建立储能换流装置有功-频率、无功-电压下垂控制模型,并对无功-电压下垂控制进行改进,提出一种引入变斜率传递函数的储能换流装置电压控制方案,并分析黑启动零起升压所需时间取值范围,实现在黑启动初始阶段储能
14、输出电压稳定;接着为了抑制风光储-火电机组并列运行时,系统频率、电压暂态波动,在储能换流器下垂控制中引入频率、电压非线性补偿模块,并建立小信号模型分析控制系统的稳定性;最后将上述控制策略通过Matlab/Simulink仿真来验证所提方案的有效性。1风光火储黑启动全过程为了分析风光火储黑启动全过程,建立如图1所示风光火储联合运行系统拓扑结构。图1中,光伏组件通过逆变装置、升压变及并网开关K1与交流母线相连;风电机组通过背靠背换流装置、升压变及并网开关K2与交流母线相连;储能设备通过换流装置、升压变与交流母线相连;用电负荷通过降压变与交流母线相连。光伏发电系统、风电发电系统、储能系统共同组成新能
15、源交流微电网。火电机组通过升压变及并网开关K3与电网连接,为了实现火电机组启动,需要先启动油系统、给水系统等辅机设备,辅机设备通过启备变及开关K4与电网相连。风光储微电网与火电机组通过变压器及输电线路相连。风光火储黑启动全过程可分为以下步骤。(1)切除风光储微电网中负荷,确保储能设备在空载状态下启动。(2)启动储能设备,采用零起升压的方法来逐步提升初始电压,向微电网交流母线进行供电。通过控制策略将交流母线电压幅值、频率控制在额定,为新能源发电系统提供稳定电压幅值和频率参考。(3)利用储能设备向风机辅机供电,当风速满足启动条件后,风机自动捕获风能,当电压幅值及频率达到交流母线电压幅值和频率参考值
16、时,闭合并网开关K2,风机实现组网。光伏组件工作于最大功率点追踪MPPT(maximum power point tracking)模式,当逆变器输出侧电压幅值及频率达到交流母线电压幅值和频率参考值时,闭合并网开关K1。(4)闭合开关K4,通过启备变给火电厂油系统、给水系统等辅机设备供电,辅机启动后,水蒸汽图 1风光火储联合运行系统拓扑结构Fig.1Topology of wind-PV-thermal-energy storagecombined operation system交流母线输电线路交流母线升压变辅机启备变变压器负荷降压变升压变火电机组DC/ACAC/DC光伏储能设备风电变压器D
17、C/AC升压变DC/AC升压变MK1K2K3K4-谢楠等:风光储微电网 火电机组黑启动全过程储能控制策略研究77第 35 卷推动汽轮机带发电机转子旋转产生磁场,定子切割磁感线产生电能,通过主变、升压站及并网开关K3接入电网。火电厂并网后,扩大黑启动恢复面。2储能换流装置黑启动下垂控制2.1储能有功、无功下垂控制策略图1中储能外接输电系统简化电路如图2所示。图2中:U0为储能系统输出电压;U0为空载输出电压幅值参考值;为电压功角;Z=R+jX为输电线路阻抗;X为输电线路感抗;Us0为微电网交流母线电压。储能输出有功P和无功功率Q可表示为|P=UsU0XsinQ=U0()Uscos-U0X(1)在
18、储能输电系统实际运行过程中,稳态运行时电压功角很小(lim0sin=1,)cos1,则式(1)可简化为|PUsU0XQU0()Us-U0X(2)根据式(2)可知:储能有功功率调节决定于电压功角,功角变化与频率变比有关,储能无功功率调节取决于储能系统输出电压。本文在储能黑启动全过程中,通过模拟同步发电机下垂外特性实现对储能换流装置的控制。有功-频率及无功-电压下垂控制的控制方程为=0-mPU=U0-nQ(3)式中:为储能换流装置输出电压频率;0为空载输出电压频率参考值;m为有功下垂系数;U为储能换流装置输出电压幅值;n为无功下垂系数。可以得到有功-频率和无功-电压下垂特性,如图3所示。在黑启动初
19、始阶段储能系统孤网运行,储能换流装置按照下垂系数进行有功、无功调节,此阶段需要维持电压和频率保持在一定范围内。当输电线路空充完毕,启动对侧火电机组辅机,储能系统并网运行,此时储能下垂控制系统通过调节电压频率和电压幅值来输出恒定有功、无功,储能黑启动全过程中采用下垂控制避免了黑启动过程中储能V/f控制和P/Q控制的切换,简化了控制系统,提高了可靠性。但是传统下垂控制中,下垂系数m、n为定值,有功-频率、无功-电压下垂特性为线性,斜率固定,下垂控制灵活性不高。2.2变斜率储能换流装置电压控制策略为了在黑启动初始阶段即储能零启升压空充线路过程中保持风光储微电网交流母线稳定,本文提出一种变斜率储能换流
20、装置电压控制方案,在传统无功-电压下垂控制中引入变斜率传递函数模块,抑制黑启动建压过程中的冲击电流。变斜率传递函数表达式为U0=tt)0TsU0t)Ts(4)式中:U0为储能换流装置黑启动过程中实时空载电压幅值参考值;为传递函数斜率,表征电压上升速率;t为电压调节时间;Ts为零启升压到额定值所需时间。变斜率传递函数及引入变斜率传递函数模块的无功-电压下垂控制示意如图4所示。图 2储能外接输电系统简化电路Fig.2Simplified circuit of energy storage connected totransmission system储能系统输电线路U0Us0Z=R+jX图 3下垂
21、特性示意Fig.3Schematic of droop characteristics(a)有功-频率(b)无功-电压UmaxU/kVU0-QmaxUmin+QmaxQ/MvarOmax/Hz0PminminPmaxP/MWP0图 4引入变斜率传递函数模块无功-电压下垂控制示意Fig.4Schematic of reactive power-voltage droop controlwith variable slope transfer function moduleU0U*0/kVTst/s0U*0=U0UmaxU/kVU*0=0.5U0U*0=0Umin-Qmax0+QmaxQ/Mvar
22、-电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报78第 2 期图4中,在黑启动初始阶段,即t)0Ts,储能设备零启升压空充线路,通过引入变斜率传递函数来抑制升压变初始阶段产生的冲击电流,U0以斜率由0逐渐增大为U0。当交流母线稳定至额定值,即Ts时刻,传递函数斜率=0,此时U0=U0,储能换流装置由黑启动升压控制状态转换为无功-电压下垂控制状态。2.3黑启动零起升压时间取值分析储能设备零启升压至额定所需时间Ts在整定时需要考虑所连升压变的磁通饱和现象,黑启动初始阶段,储能升压变原边端电压时域方程为u0()t=|U0tTscos()t+t)0TsU0cos()t+t)Ts(5)式中,为电压初相角。储
23、能升压变的原边端电压磁通表达式为u0()t=N1R1L1+N1ddt(6)式中,N1、R1、L1、分别为储能升压变原边线圈匝数、电阻、自感、总磁通。将式(5)代入式(6)中,忽略自感变化(L1为常数),可以得到储能升压变原边磁通分段表达式如下。当t)0Ts时,有mTstsin()t+1cos()t+A1e-R1L1t(7)当t)Ts时,有msin()t+A2e-R1L1t(8)式中:m为储能升压变原边磁通幅值,m=U0|N12+|R1L12;A1、A2为系数方程,分别表示为|A1=r-mTscosA2=r+mTs|cos()Ts+eR1L1Ts-cos(9)式中,r为初始时刻储能升压变剩余磁通
24、。定义初始时刻,即t=0时刻,电压初相角=180,储能升压变剩余磁通r=0。忽略原边磁通分段表达式中指数分量衰减,可以得到储能升压变铁心磁通最大值表达式为max=|max1=m2+m2Ts+mTst)0Tsmax2=m+mTs+mTs t)Ts(10)式中:max1为t)0Ts时间段内铁心磁通最大值;max2为t)Ts时间段内铁心磁通最大值。当t)0Ts时,需保持max1m来避免储能升压变原边因铁心饱和出现的暂态励磁电流冲击;当t)Ts时,铁心磁通已饱和,此时磁通为(1.21.4)m。将max1m及max21.4m代入式(10)中,可以得到储能设备零启升压至额定所需时间Ts取值范围为Ts|5.
25、83t)0Ts10 t)Ts(11)取式(11)中Ts取值范围交集,储能设备零启升压至额定所需时间Ts需满足Ts10。3黑启动并列运行下垂控制补偿模块3.1频率、电压非线性补偿模块当风光储微电网恢复供电,输电线路空充完毕,此时启动对侧火电厂辅机,风光储-火电并列运行,扩大黑启动供电恢复面。不同于传统电机,储能换流装置因为无惯性环节,在有功、无功调节过程中,常常存在频率、电压暂态波动,对整个系统稳定性带来不利影响,严重时将导致黑启动失败。为了增加黑启动供电恢复阶段储能下垂控制系统的鲁棒性,采用频率、电压非线性补偿模块作为有功-频率、无功-电压下垂控制的非线性补偿器。为了得到其表达式,首先根据式(
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