微電網黑啟動

微電網黑啟動是指在整個微電網因外部或內部故障停運進入全黑狀態後，不依靠大電網或其他微電網的幫助，僅通過啟動微電網內部具有黑啟動能力的微源，進而帶動微電網內無黑啟動能力的微源，逐步擴大系統的恢復範圍，最終實現整個微電網的重新啟動.微電網的黑啟動能力既可以保證關鍵負荷供電和微電網的連續穩定運行，在一定條件下還可以為大電網的恢復提供黑啟動電源，可有效地減小傳統電力系統在黑啟動過程中因選擇距離負荷中心較遠的水電機組作為黑啟動電源所引起的發電機自勵磁和過電壓的影響，實現系統由點及而的恢復，縮短了整個系統的恢復時間，減少了停電造成的損失。

基本介紹

• 中文名：微電網黑啟動
• 外文名：Microgrid black starts
• 類型：智慧型電網關鍵技術
• 關鍵：分散式電源控制
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

基本介紹

隨著國民經濟的快速穩定發展，電力負荷迅速增長，能源短缺也日漸成為經濟發展的瓶頸，因此開發利用清潔高效的可再生能源引起人們的高度重視，並成為實現我國“節能減排”目標的重要手段之一。根據資源條件，合理選擇開發利用多種可再生能源組成可再生能源分散式供能體系，構成微電網，實現獨立或併網運行，是今後可再生能源高效利用的重要方向.

微電網是智慧型電網的重要組成部分，是由分散式電源、儲能系統、能量轉換裝置、監控和保護裝置、負荷等匯集而成的小型發、配、用電系統，是一個具備自我控制和自我能量管理的自治系統。未來的微電網將會從比較單一的、小型的體系結構向複雜的、大型的微電網發展演化，將會是分布的、多級的架構。這種積木式的架構具有良好的可擴充性，覆蓋的電壓等級會越來越高，容量會越來越大。

微電網既可以看作是一個小型的電力系統，也可以認為是智慧型電網的一個“虛擬”的電源或負荷，因此分散式電源、微電網和智慧型電網將改變電力系統的結構與運行方式。對於多級微電網，每個微電網都可以自身或連帶下級微電網一起孤立運行，也可以與上級微電網或大電網併網運行。特別地，微電網的獨立運行模式可以在外部電網故障時繼續向關鍵負荷供電，提高了用電的安全性和可靠性.考慮到微電網系統孤島運行時，可能由於某些故障而導致系統失電，為進一步提高系統的供電可靠性，微電網系統應具有孤島運行狀態下的黑啟動功能[[6]。微電網黑啟動是指在整個微電網因外部或內部故障停運進入全黑狀態後，不依靠大電網或其他微電網的幫助，僅通過啟動微電網內部具有黑啟動能力的微源，進而帶動微電網內無黑啟動能力的微源，逐步擴大系統的恢復範圍，最終實現整個微電網的重新啟動.

微電網的黑啟動能力既可以保證關鍵負荷供電和微電網的連續穩定運行，在一定條件下還可以為大電網的恢復提供黑啟動電源，可有效地減小傳統電力系統在黑啟動過程中因選擇距離負荷中心較遠的水電機組作為黑啟動電源所引起的發電機自勵磁和過電壓的影響，實現系統由點及而的恢復，縮短了整個系統的恢復時間，減少了停電造成的損失。

目前，國內外對電力系統的黑啟動已有很多研究，但這些研究成果多針對傳統電網，很少涉及微電網的黑啟動研究。微電網中分散式電源的輸出多為直流或高頻交流電，需經電力電子裝置接入到電網，這些電力電子裝置控制靈活、回響速度快，但過載能力、故障穿越能力和單機發電容量均遠小於傳統旋轉機械類電源，且微電網容量相對較小、結構簡單、微電源類型多樣，這就使得微電網在黑啟動電源的選擇以及黑啟動方案的制定等方面與傳統電網有著很大的區別。

類型選擇

微電網黑啟動電源的類型選擇

微電網的黑啟動主要靠具有黑啟動能力的電源帶動非黑啟動電源，進而逐步實現整個系統的恢復。因此，黑啟動電源在微電網的黑啟動中起著決定性的作用。微電源具備如下2個條件就有可能實現黑啟動:在微電源電能轉換的直流側並聯適當的儲能裝置(蓄電池或超級電容器);微電源逆變器採用電壓控制方式以建立低壓配電網路。因此，能源供給穩定且微電源動態性能及抗擾動性能和負荷跟蹤特性較好的微型燃氣輪機、柴油發電機、燃料電池及大容量儲能單元都可以成為黑啟動電源的首選.

微電網黑啟動電源除能自主建立穩定的微電網系統交流母線電壓外，還應考慮到黑啟動無法一次成功的可能性，備用儲能單元剩餘容量應滿足系統連續進行多次黑啟動的需求;具有充足的發電容量，即其額定功率能夠保證配電變壓器勵磁損耗和微電網系統交流母線空載損耗，同時其輸出能力能夠承擔一定容量非黑啟動電源在啟動時所產生的短時功率衝擊。

最佳化選擇

在微電網的黑啟動過程中，微電網一定是脫離大電網運行在孤島模式下的，因此在確保黑啟動電源滿足基本要求的前提下，在微電網中還需要一個主參考源來提供系統的參考電壓和頻率。

微電網黑啟動過程中具有黑啟動能力的主參考電源應具備的特徵包括]:能快速實現自身的黑啟動;能夠提供穩定的電壓及頻率;能快速跟蹤負荷變化以免產生大幅波動。考慮到微型燃氣輪機、燃料電池及柴油發電機良好的負荷跟隨及抗擾動特性，它們無疑是微電網黑啟動主參考源的最佳選擇.

在此基礎上，可以綜合考慮黑啟動電源的經濟性、啟動速度等對微電網黑啟動的影響，進行黑啟動電源種類的最佳化組合、電源容量的最佳化選擇，從而制定合理而可靠的微電網黑啟動方案。

控制方式

目前，微電網中微電源的控制主要有電壓控制方式和電流控制方式。各微電源在自啟動過程和同期併網時並不是運行在某一控制方式下一成不變，而是會在不同的時期採用不同的控制方式，以滿足各個時期不同的需求。因此，在微電網黑啟動時，黑啟動電源控制方式的選擇就顯得很重要。

黑啟動電源自身帶一定負荷自啟動時運行在電壓控制方式下，其他非黑啟動電源採用電流控制方式，自啟動後非參考源與主參考源並聯運行時需切換至電流控制方式。同樣微電網與其他電網同期併網時需選擇一個系統作為主參考源保持電壓控制方式不變，其他小系統黑啟動電源全部轉變為電流控制方式。該過程中，存在的2個主要問題是非參考電源的模式切換和各小系統之間的同期併網時可能產生很大的衝擊電流或功率，甚至導致黑啟動失敗。因此在各子系統併網時需要一個預同步過程，同步條件為電壓幅值、頻率和相角一致，並通過本地微電源控制器監測開關兩側的電壓、電流信號，最大限度地減小併網時的衝擊電流和功率。另外還需要採取有效的控制手段實現電源控制模式的平滑切換，目前文獻中已有的控制方法有狀態補償法網、狀態跟隨模式切換法等。

控制方案

分散式電源與負荷有序而合理的啟動步驟以及有效的協調控制是微電網黑啟動成功的關鍵。微電網在黑啟動時可參考傳統電力系統將黑啟動方案分為串列恢復和並行恢復。串列恢復，是在大多數發電機併網前對整個網路進行充電;而所謂並行恢復，是指多個黑啟動電源同時啟動，形成多個獨立分散運行的小系統(串列恢復過程)，再同期併網。微電網中基於電力電子裝置的單台電源啟動時間(秒級)遠小於傳統電機電源(分鐘級)，因此在恢復供電速度上，雖然理論上串列恢複方案比並行恢複方案要慢，但實際區別並不顯著。且串列恢復策略有效解決了微電網系統內電壓源組網過程中的同期並列問題，從而有效化簡微電網系統硬體設計以及控制系統和微電源的軟體設計複雜程度。

串列恢復

在需要黑啟動的微電網範圍中僅啟用單個黑啟動電源時，其黑啟動採用串列恢複方式，其具體啟動步驟和協調配合如下。

(1}為避免低壓配電網路充電時因負荷過大引起故障停機，首先要斷開微電網系統所有負荷。

(2}啟動黑啟動電源，從而建立低壓配電網。為了安全地建立低壓配電網，有必要協調黑啟動電源與配電變壓器之間的控制，確保配電變壓器零起升壓。此時，黑啟動電源採用電壓控制方式以維持穩定的電壓和頻率。

(3)部分重要或可控負荷首先接入低壓配電網。所投入負荷應小於發電機所能發出的最大功率，並保證負荷投入時不會產生大幅度的電壓和頻率波動。同時，恢復前期投入部分可控負荷並通過對可控負荷的有效控制來協助系統頻率調節.

(4)啟動其他可控微電源，並同步併入電網。由於黑啟動初期系統薄弱，容量較小，任何一個擾動都可能導致系統頻率或電壓的再次失穩，因此應優先啟動系統內具有調壓調頻能力的非黑啟動電源。同時考慮到逆變器型電源在啟動過程中可能存在啟動衝擊功率，這個能量可能遠大於正常運行時所需要的能量，因此，該類電源啟動前黑啟動電源和非黑啟動電源的容量要應確保滿足式(1)的要求。

(5)逐步增加其他負荷。隨著其他電源的接入，系統中電源所能提供的發電量也會隨之增加，此時可以根據發電量的大小和負荷特性逐步恢復系統內負荷。

(6)接入不可控電源，如光伏電站或風力發電機組。微電網系統中的這類可再生能源發電裝置多為電流源輸出特性，無調壓調頻能力或調壓調頻能力差，且輸出功率存在間歇性和隨機性。因此，需評估當前微電網系統對上述微電源容量的接納能力後，再逐步發出啟動指令。

並行恢復

對於具有多個可選黑啟動電源的微電網，為了縮短供電恢復時間，其黑啟動一般採用並行恢復策略，具體啟動步驟為:在串列恢復基礎上建立多個分散獨立運行的小系統，再進行同期併網。

微電網黑啟動的並行恢復過程中，目前需要解決的主要問題是非參考電源的模式切換和各小系統之間的同期併網問題。例如文獻[30]提出了一種分層多代理控制結構的黑啟動控制策略，在同期併網時加入預同步環節，減小了併網時的衝擊。但未考慮模式切換時所帶來的影響。而文獻[6」對黑啟動過程中微電源控制模式切換產生振盪的原因進行了分析，利用多代理系統的微電網黑啟動並行恢複方案，結合功率鎖存的模式切換方法希望實現平滑的模式切換，但仍舊無法實現無縫切換。

另外目前研究的並行恢復策略多採用分層控制，分層控制對通信具有很強的依賴性，一旦出現通信故障，很有可能直接導致黑啟動失敗。因此，有必要加強應對通信故障的應急策略研究或採用其他更好的控制方法。

方案最佳化

微電網重啟初期階段，意外的干擾或不合理的啟動方案很容易導致黑啟動失敗或經濟性的缺乏。因此在保證微電網黑啟動可靠完成的同時，對黑啟動步驟和負荷恢復順序進行最佳化選擇可以更快更經濟地完成微電網系統的恢復。

在對微電網黑啟動過程進行最佳化時，以負荷恢復最大、配電變壓器零起升壓時間最短、感性負載無功功率最小為最佳化指標的最最佳化模型，從而確定微電網黑啟動能力。建立了以恢復負荷最多、開關運算元最少為目標的供電恢復模型，並套用多代理理論，建立了一個由全系統控制協調代理、微電網控制代理、分散式電源代理以及母線代理組成的多代理系統，保證配電系統可靠地恢復供電。文獻[32」根據分散式電源的性能和重要負荷的分布對配電網進行劃分，然後對分區後分散式電源啟動順序及恢復路徑進行最佳化，以保證微電網內儘可能多的重要負荷在儘可能短的時間內恢復供電。

綜上所述，微電網黑啟動的最佳化，需要根據分散式電源的性能、微電網的組織結構、微電網控制方式對微電網黑啟動的影響等進行最佳化，確保微電網系統可靠而迅速地恢復。

問題及措施

電力系統恢復過程中，由於網架結構比較薄弱，會遇到很多問題影響系統的恢復。而微電網黑啟動具有電源類型多元化且容量小等特點，因此微電在黑啟動時需要注意解決下而幾類問題。

(1)過電壓。

微電網孤島運行時，其逆變器接口側可能裝設配電變壓器。因微電網中逆變器型電源具有動態回響速度快的特點，過快地增加母線電壓幅值可能導致配電變壓器出現磁通飽和的現象，引起過電壓，影響系統的恢復。因此，要控制黑啟動電源的啟動速度，保證其零起升壓。

另外文獻[22」中基於分散式電源的黑啟動，考慮空載或輕載輸電線的電容效應，可能會造成輸電線上的電壓升高。為了防治該類過電壓，一方面，送電前黑啟動電源電壓儘量調低;另一方面，可選擇具有無功功率吸收能力的黑啟動電源，保持系統恢復初期的電壓穩定。

(2)系統電壓和頻率穩定。

為保持黑啟動過程中微電網的電壓和頻率穩定，除了需要按照前而的分析選擇可靠的主參考電源外，還需要逐步接入各類負荷。一般優先恢復重要和可控的負荷，然後逐步恢復較大的和非重要的負荷。負荷的少量恢復將延長系統恢復時間，但過快增長有使頻率下降的危險，所以增加負荷的比例必須在加快恢復速度和頻率穩定兩者之間平衡。

微電網中的微電源包含大量的可再生能源發電裝置，它們受自然環的影響很大，具有很強的隨機性和間歇性，一般可採用在逆變器直流側加入儲能裝置來加強對逆變器輸出電壓和頻率的控制。

(3)獨立運行小系統的暫態穩定。

目前，在微電網的黑啟動研究中，大多數研究採用基於並行恢復策略的黑啟動方案。因此，就不可避免地會存在多個分散獨立運行小系統穩定運行問題。為保證微電網黑啟動的順利進行，有必要對恢復初期各獨立運行小系統進行穩定分析。

對於小系統的抗大擾動能力，一般採用發生短路故障的方式來進行衡量。按照《電力系統穩定導則》的要求，黑啟動初期的小系統暫態穩定性一般只按單相短路接地的單一故障來考察。

(4)合環併網。

在微電網黑啟動過程中，當微電網採用並行恢復時，會而臨多個獨立分散運行小系統的同期併網問題，就不可避免地會產生合環電流，影響電網運行的安全性和穩定性，情況嚴重時可能會導致系統失穩、黑啟動失敗。產生合環電流主要有以下2個方而的原因:合環開關兩側母線或線路的電壓差產生環流;合環開關兩側母線或線路對系統的等值阻抗不同而產生環流。

(5)故障檢測和保護配置。

相對傳統電力系統，微電網系統的故障電流很小，而非黑啟動電源或負荷的接入所產生的衝擊電流可能會比系統的故障電流還大，使得故障檢測裝置往往很難確定該狀態下是瞬時的波動還是系統發生故障，影響了保護裝置的動作。因此，還應加強對微電網黑啟動過程中故障檢測裝置和繼電保護裝置與黑啟動的配合研究。

綜上所述，微電網黑啟動過程中所存在的主要問題與傳統電力系統黑啟動過程中碰到的問題不盡相同，在研究微電網黑啟動時，有必要對可能存在的問題加以關注，並採取有效的控制方案和恢復策略解決這些問題，從而保證微電網黑啟動的順利完成，促進微電網以及智慧型電網的發展。

展望

微電網是未來智慧型配電網實現自愈、用戶側互動和需求回響的重要途徑，隨著新能源、智慧型電網技術、柔性電力技術等的發展，微電網能更加有效地解決供電安全可靠性、節能減排、可再生能源利用率等問題，真正實現電力系統的安全、環保與高效運行。

為了保證微電網持續穩定的運行，充分發揮微電網的優勢，同時給大電網的黑啟動帶來一定的幫助，微電網在系統“全黑’，時能夠實現快速黑啟動已是勢在必行。目前，針對微電源和微電網的建模技術和理論體系還有待進一步的研究和完善，微電網的保護、控制以及運行模式切換都還需要進一步完善，這就導致在微電網黑啟動研究方面也需要同步的跟進。

本文基於國內外微電網黑啟動研究的現狀，從黑啟動電源的選擇及控制方法、微電網黑啟動策略和微電網黑啟動過程中存在的主要問題及相關措施等方面對微電網黑啟動問題進行了介紹和分析，可為微電網黑啟動的進一步研究和套用提供參考。