[科普中国]-充放储一体化电站黑启动方案

简介

电网规模不断扩大，潜在的大电网全停事故发生的危险性也在增加。2003年8月14日，北美发生美加大停电事故，随后英国伦敦、意大利等也出现了大面积停电事故。在发生大停电事故后，制定有效可靠的恢复方案，快速地恢复系统供电，对电网来说有重要的意义。

电力系统发生停电事故后，整个网络就会解列为很多停电的小系统，此时个别孤立的系统可能仍在运行。电网通过内部具有自启动能力的发电机组带动无自启动能力的机组发电，最终实现整个系统电力恢复的过程，即为电力系统的黑启动1。

大部分电网所制订的恢复计划基本都是利用水轮机和燃气轮机作为黑启动电源。主要是因为:火电厂没有厂用电时无法启动，而水轮机和燃气轮机对厂用电的要求较低，容易启动。但水电站通常位于距离城市电网较远的边远地区，并且水电机组调速系统反应较慢，这些缺点在一定程度上限制了其作为黑启动电源的能力;燃气轮机在启动初期时需要外部动力把机组带至一定的转速才能点火升速，国外大都采用柴油机作为起动机，国内主要采用电动机。

作为给电动汽车提供能量的电动汽车充放储一体化电站，可以视作配电网中的分布式电源。当主电网发生故障或进行检修、维护时，具有独立控制系统的一体化电站要离网独立运行，并在电网恢复正常之后可以随时并网。在主电网发生崩溃全黑以，一体化电站进入孤岛运行状态，孤岛运行的一体化电站可以运行在电压源模式，相当于一台发电机。此时，一体化电站可以作为一种黑启动电源，参与电网的黑启动。

充放储一体化电站原理为电动汽车提供充电服务的充放储一体化电站主要由四部分构成:调度中心、多用途变流装置、充放储电池更换系统和梯次电池储能系统1。

充放储一体化电站综合了电动汽车充电站、电池更换站与电池储能电站的功能，完成与电网、电动汽车间的信息交互，实现有序能量管理，既可以作为区域电网中的用电负荷，也可以作为分布式电源向电网供电。

一体化电站可等效为四象限变流装置控制的电流源或电压源，其电压源控制算法通过SVPWM控制，使一体化电站作为电压和相角可调的受控电压源来运行，即电压源运行模式。如果将输出电抗器作为内部等值电抗，一体化电站就可以等值于同步发电机。

黑启动原理黑启动电源黑启动电源可以分为两类:第一类是本身具有黑启动能力的机组，主要为水轮机和具有自启动能力的燃气轮机;第二类是事故后残存的机组和孤岛，另外还有相邻系统的支援。 电网中除了具备自启动能力的黑启动机组之外，还有一种没有自启动能力的机组，但在其厂用电恢复后能快速恢复供电，并参与以后的系统恢复过程，这种机组称为非黑启动机组

黑启动的原则1)目标

电网恢复的总目标是在最短时间内使电网恢复正常运行，满足负荷的用电需求，把停电损失降到最低。具体包括三个方面:用最小的启动功率启动机组;提高一次启动的成功率;优先恢复对重要负荷供电。

2)恢复方法

黑启动方案的网架恢复策略可分为向上恢复(又称并行恢复)和向下恢复(又称串行恢复))}16}。向上恢复是多个黑启动电源并行启动，形成多个独立分散运行的小系统后同步并网;向下恢复与之相反，通过一个黑启动电源建立电压后，其他电源以此为同步逐步并网。

3)划分子系统

为了加快事故后区域大电网的恢复速度，黑启动时常常需要将电网划分成若干个具有自启动能力的子系统，各子系统内部可以同时进行黑启动，子系统正常运行之后，再在同期点逐步并列、合环。

4)恢复过程

在子系统恢复正常之后，开始对输电线充电，子系统依次同步，逐渐完成网络的重建，同时监测系统电压、频率和功率平衡。在火电机组都已启动并具有一定的发电能力之后，就可以通过较稳定的网架，在保证线路不过载的情况下恢复负荷。

一体化电站参与黑启动的基本原理一体化电站作为有源型储能装备，可以在电网峰荷时向电网输出功率，分担区域电网的供电任务; 在电网处于谷荷状态时，电网给一体化电站充电，把电网中多余的电能储存起来，功能类似于抽水蓄能电站。文献【12]指出，当电网出现短时和长时故障或因故障全黑时，一体化电站进入相应的运行状态:短时同步、长时同步和孤岛运行。在短时和长时故障修复后，一体化电站和电网重新无缝同期。孤岛运行的一体化电站完全依靠储存的电能维持自身的运行，并且可以给区域内的重要负荷供电1。

一体化电站对黑启动原则的满足(1)一体化电站作为黑启动电源的优势

首先，系统中的重要负荷和一体化电站多位于市区，在系统故障后可以迅速地对重要负荷供电。其次，在电网崩溃之后，大量的一体化电站都处于孤岛运行状态，一体化电站可以通过SVPWM控制策略运行于电压源模式，其独立的控制系统可以调节孤岛运行时的电压、频率和相位，可以随时作为黑启动电源参与电网的黑启动。

当含有一体化电站的电网进入全黑状态时，一体化电站与电网脱离，并采取一定的控制策略保持自身孤岛的稳定运行，其切除负荷顺序如表1所示。

孤岛运行的一体化电站在参与黑启动时，只保留了站内的第三种负荷，所以自身用电很少，类比于其他黑启动电源，厂用电负荷很小，这也就很好地保证了一体化电站能以最小的启动功率参与黑启动。

综上可知，一体化电站出色地满足了黑启动第一个原则的三个方面1。

(2)一体化电站作为黑启动电源的恢复方法 传统的系统恢复方法对一体化电站也同样适用。含有一体化电站的大系统，可以划分为n个子系统，第。个子系统有n、个一体化电站，并且至少有一个容量足够大的非黑启动机组，其划分如图5所示。

此后将继续同期其他一体化电站，保证有足够容量来动下一个非黑启动机组，重复以上过程，可以完成1区的黑启动。在每个区域，用同样的方法进行黑启动，在所有的子系统都成功启动之后，在同期点并列即可实现整个系统的恢复。可见，一体化电站所在的大系统同时满足了划分子系统和向上恢复的黑启动原则。

(3)一体化电站作为黑启动电源的恢复过程

参与黑启动的一体化电站处于电压源运行模式，利用一体化电站很好的调频调压能力就可以保证各个子系统的电压和频率在允许的范围内波动，实现子系统平稳的恢复。根据一体化电站的运行特点，它所在的子系统采用向下恢复的策略进行启动。一体化电站在对空载线路进行充电时，会产生大量的无功，而一体化电站不仅可以产生无功，还能吸收无功，相当于具有一定进相运行能力的发电机组。所以，一体化电站也能够满足黑启动的第四个原则。

因此，一体化电站在电网崩溃后不仅能够参与电网的黑启动，还可以有效地解决电网中黑启动电源不足的问题。

一体化电站参与黑启动的其他优势(1)启动方案简化

传统大电网在黑启动过程中，由于输电线路太长，线路的分布电容可能会使得同步发电机产生自励磁现象，机端电压将自发增大，越来越高，带来不安全的因素，甚至导致事故。而一体化电站不存在自励磁的问题，可以提高启动成功的机率。此外，在以一体化电站为黑启动电源的方案中，一体化电站可以快速为其他非黑启动电源提供同步电压，可以大大减少同期点的设置，从而使黑启动的方案简化。

(2)启动时间短1

传统的黑启动方案多是利用水电机组启动火电机组，水电站本身的成功自启动是有一定概率的，并且水电站多位于偏远地区，很可能会由于线路问题或者操作时间过长导致送电失败;一体化电站随时可以参与黑启动，而且位于市区，送电时间要比水电机组短。水电机组与一体化电站的黑启动时间如表2所示。效地降低停电损失。

(3)成本优势

从黑启动成本方面来说，专门设置的要比一体化电站大的多。专门设置的黑启动哇

除了初期比较大的静态投资之外，在平时闲置郎候还要进行定期的维护和试验，保证在发生意故的情况下，它能够成功启动。

而一体化电站可以直接参与电网的运行，渠一定的经济收益，平时的运行成本比黑启动电厂维护费用要少，并且一体化电站一直在运行，札于处在热备用状态，在需要参与黑启动时只要架运行模式即可。能够完成黑启动的一体化电站长容量的传统黑启动电源相比，不仅经济，而且夏环保，。

总结:

(1)一体化电站黑启动完全满足黑启动的基本原则:启动功率小，一次启动成功率高，可以优先给区域重要负荷供电，并且采用向上恢复的方法完成电网黑启动，加快恢复进程1。

(2)一体化电站参与黑启动可以有效解决局部电网黑启动电源不足的问题，对电力系统崩溃后的-恢复具有重要意义，减少大停电损失。

(3)与传统黑启动电源相比，一体化电站参与黑启动时，启动速度更快，更加经济，更加可靠，具有非常广阔的前景。