CN104716671B - 一种电网黑启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电网黑启动方法，该启动方法包括如下步骤：当电力系统发生故障停电时，根据风电场内配置的储能系统荷电状态判断是否采用风电场作为黑启动电源，如果储能系统荷电状态＜0.2，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；如果储能系统荷电状态≥0.2，则采用风电场黑启动方法，对外逐步恢复电网。该黑启动方法充分利用风资源，以风电场作为黑启动电源进行电网黑启动。

Description

一种电网黑启动方法
技术领域
本发明涉及一种黑启动方法，具体来说，涉及一种电网黑启动方法。
背景技术
黑启动是指整个电网系统因故障停电后，不依赖别的系统帮助，通过系统中具有自启动能力机组的启动带动无自启动能力的机组，逐渐扩大系统供电范围，最终实现整个系统恢复的过程。
通常来说，传统的黑启动电源包括水轮机和具有黑启动能力的燃气轮机，然而利用水轮机实现黑启动，黑启动初期、低负荷情况下，机组振动大；且在枯水期及水资源匮乏地区，既要满足居民及工业用水，又要保证电力供应，压力非常大，时常二者无法兼顾。燃气轮机亦存在设备复杂、维护成本高等问题。某些地区电网常规水电机组较少，水资源匮乏，但是风资源丰富，风电机组响应快，功率调节迅速，如能利用风电机组的自启动能力实现黑启动，提供相应的黑启动电源点备选方案，则对于区域电网快速恢复供电具有重要意义。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种电网黑启动方法，该黑启动方法充分利用风资源，以风电场作为黑启动电源进行电网黑启动。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例采用以下的技术方案：
一种电网黑启动方法，该启动方法包括如下步骤：当电力系统发生故障停电时，根据风电场内配置的储能系统荷电状态判断是否采用风电场作为黑启动电源，如果储能系统荷电状态＜0.2，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；如果储能系统荷电状态≥0.2，则采用风电场黑启动方法，对外逐步恢复电网。
作为一种实施例，所述的采用风电场黑启动方法包括以下步骤：
步骤10）获取风电场中的风向数据，选取最佳启动风机；
步骤20）步骤10）选取的启动风机进行自启动发电运行：风电场中的储能系统为风机的辅助系统供电，如果30分钟内持续实测风电场的平均风速小于风机的启动风速，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；如果30分钟内持续实测风电场的平均风速大于或等于风机的启动风速，则风机开始对风偏航、自检、发电机空转初始化；发电机转速逐渐增加，当发电机转速大于发电机空转转速时，风机自启动发电运行；
步骤30）当步骤10）选取的风机启动后，进行限功率运行，发电功率为下一台风机提供自启动电能，如果仍有富余电能或者出现有功缺额，则由储能系统促进有功功率动态平衡；同时，位于风电场中的公共连接点的静止无功发生器为风电场黑启动过程提供无功电压支撑；
步骤40）当风电场输出功率没有达到对侧火电厂辅机容量一半时，返回步骤30）；当风电场输出功率达到对侧火电厂辅机容量一半时，调整控制风机处于最大功率跟踪运行状态，风电场对对侧火电厂辅机输出电能，逐步按批次恢复火电厂辅机供电，以此启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网。
作为一种实施例，所述的步骤20）中风机自启动发电运行过程为：
步骤201）储能系统为风机供电，待风机到达顺桨位置时，若无故障和维护指令，即发送启动指令，进入步骤202）；若有故障和维护指令，则进行检测，直至清除故障；
步骤202）风电场中30秒平均风速大于风机启动风速，且该状态保持120秒，液压系统正常，则进入步骤203）；否则返回步骤201）；如果30分钟内持续实测风电场的平均风速小于或等于风机的启动风速，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；
步骤203）30秒平均风向偏差小于的允许偏差，则完成对风偏航，进入步骤204）；否则返回步骤202）；
步骤204）风机进行自检，完成确认后开始空转初始化，此时桨叶保持40°，发电机空转等待，当发电机转速大于发电机空转转速，且齿轮箱温度>50℃，发电机进入空转加速，进入步骤205）；如果风机自检不确认，否则返回步骤203）；
步骤205）变流器向风机控制系统反馈信号，风机发电运行。
作为一种实施例，当风机为双馈风机时，所述的步骤205）中，储能系统为双馈风机提供励磁，变流器向风机控制系统反馈信号，双馈风机发电运行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）应用范围广，尤其是水资源相对匮乏地区。本发明将风电场作为黑启动电源参与电网黑启动几乎不需要额外投资，在电网相对薄弱又缺少水电的地区，风电场参与黑启动具有更为广泛的应用价值。
（2）实现多电源和多路径实施黑启动，确保电网尽快恢复供电。多电源、多路径即在电网全黑的情况下，同时利用风电场和传统黑启动电源进行黑启动过程，由于风电场具有较为特殊的地理位置限制，其恢复路径和传统黑启动电源不同，故为多路径。在极端情况下，仅具有单一黑启动电源、单一黑启动路径，难以恢复电网供电，多电源、多路径实施黑启动能保证更可靠、更迅速、更全面的恢复电网。
（3）风电机组响应快，功率调节迅速。本发明中配置储能系统与SVG将会提高风机本身对电压、频率变化的响应速度，并且更容易调节有功功率及无功功率。
附图说明
图1为本发明的流程框图。
图2为本发明中风电机组自启动的流程框图。
图3为本发明实施例的电网系统框图。
图4为本发明实施例的风电机组自启动的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的一种电网黑启动方法，包括如下步骤：当电力系统发生故障停电时，根据风电场内配置的储能系统荷电状态判断是否采用风电场作为黑启动电源，如果储能系统荷电状态＜0.2，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；如果储能系统荷电状态≥0.2，则采用风电场黑启动方法，对外逐步恢复电网。大容量火电机组是指功率大于300MW的火电机组。
上述方法中，如图1所示，采用风电场黑启动方法包括以下步骤：
步骤10）获取风电场中的风向数据，选取最佳启动风机。
步骤20）步骤10）选取的启动风机进行自启动发电运行：风电场中的储能系统为风机的辅助系统供电，如果30分钟内持续实测风电场的平均风速小于风机的启动风速，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；如果30分钟内持续实测风电场的平均风速大于或等于风机的启动风速，则风机开始对风偏航、自检、发电机空转初始化；发电机转速逐渐增加，当发电机转速大于发电机空转转速时，风机自启动发电运行。当所述的风机为双馈风机，发电机转速大于发电机空转转速时，储能系统为双馈风机提供励磁，双馈风机自启动发电运行。当所述风机为永磁直驱风机，发电机转速大于发电机空转转速时，永磁直驱风机自启动发电运行。
步骤30）当步骤10）选取的风机启动后，进行限功率运行，发电功率为下一台风机提供自启动电能，如果仍有富余电能或者出现有功缺额，则由储能系统促进有功功率动态平衡；同时，位于风电场中的公共连接点的静止无功发生器为风电场黑启动过程提供无功电压支撑；
步骤40）当风电场输出功率没有达到对侧火电厂辅机容量一半时，返回步骤30）；当风电场输出功率达到对侧火电厂辅机容量一半时，调整控制风机处于最大功率跟踪运行状态（Maximum Power Point Tracking, MPPT），风电场对对侧火电厂辅机输出电能，逐步按批次恢复火电厂辅机供电，以此启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网。逐步按批次是指首先启动汽机部分辅机，其次启动锅炉部分辅机，再启动磨煤机，最后加励磁启动发电机。
如图2所示，在步骤20）中，风机自启动发电运行过程为：
步骤201）储能系统为风机供电，待风机到达顺桨位置时，若无故障和维护指令，即发送启动指令，进入步骤202）；若有故障和维护指令，则进行检测，直至清除故障；
步骤202）风电场中30秒平均风速大于风机启动风速，且该状态保持120秒，液压系统正常，则进入步骤203）；否则返回步骤201），如果30分钟内持续实测风电场的平均风速小于或等于风机的启动风速，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；
步骤203）30秒平均风向偏差小于允许偏差，则完成对风偏航，进入步骤204）；否则返回步骤202）；
步骤204）风机进行自检，完成确认后开始空转初始化，此时桨叶保持40°，发电机空转等待，当发电机转速大于发电机空转转速，且齿轮箱温度>50℃，发电机进入空转加速，进入步骤205）；如果风机自检不确认，否则返回步骤203）；
步骤205）变流器向风机控制系统反馈信号，风机发电运行。当风机为双馈风机时，所述的步骤205）中，储能系统为双馈风机提供励磁，变流器向风机控制系统反馈信号，双馈风机发电运行。当风机为永磁直驱风机时，不需要储能系统为永磁直驱风机提供励磁，变流器直接向风机控制系统反馈信号，永磁直驱风机发电运行。
以双馈风机为例，下面例举一实施例。
如图3和图4所示，整个电网系统包括风力机、双馈感应发电机、箱变、储能系统、SVG、输电线路及系统主网，其中风力机、双馈感应发电机和箱变组成一台独立风机发电系统，多台风机发电系统通过35kV馈线进行相连，不同馈线的风机发电系统在PCC点汇合对外通过升压变压器与输电线路及系统主网相连，储能系统及SVG均布置在PCC处。电网黑启动方法的过程为：
（1）当系统发生故障停电的时候，根据风电场内配置储能系统荷电状态（State ofCharge, SOC）判断是否采用风电场作为黑启动电源，如果储能系统荷电状态SOC＜0.2，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；如果储能系统荷电状态SOC≥0.2，则采用下述步骤（2）～步骤（5）的风电场黑启动方法，对外逐步恢复电网；
（2）将风电场作为黑启动电源，获取此时风向数据，以此判断选取最佳启动风机，优先启动此风机；根据风电场测风塔中的风速计和风向标的实时数据，选取主风向与叶片平面垂直且桨距角接近45°的风机进行启动；
（3）风机自启动流程：储能系统为双馈风机的变桨、偏航、控制回路等供电，如果30分钟内持续实测平均风速＜启动风速，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；如果满足平均风速≥启动风速，则开始对风偏航、自检、空转初始化等过程；当发电机转速>空转转速时，储能系统为双馈风机提供励磁，风机即可自启动发电运行。
（4）当一台风机启动后，调整风机控制策略，使其限功率运行，发电功率为下一台风机提供自启动电能，如果仍有富余电能或者出现有功缺额，则由储能系统辅助以促进有功功率动态平衡；同时，位于公共连接点（Point of Common Coupling, PCC）的静止无功发生器（Static Var Generator, SVG）为风电场黑启动过程提供无功电压支撑；
（5）当风电场输出功率达到对侧火电厂辅机容量的一半时，调整风机控制策略，开始对外输出有功，逐步按批次恢复火电厂辅机供电，以此启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网。
风电场内配置的储能系统荷电状态（State of Charge, SOC）要求的依据为：经过核算，风机内部厂用电包括主控用电、变流器用电、变桨用电以及机舱内辅助设备用电，在极端工况下，1个小时黑启动工作时间需要300kW h，考虑到励磁系统的用电，储能系统至少保持SOC>0.2。以5MW储能系统为例，至少能为风机自启动供电1MW，以保证2-3台风机在满足风速条件下顺利自启动。
在满足上述条件下，风机自启动过程具体如下：
（1）当储能系统为双馈风机的变桨、偏航、控制回路等供电后，等待风机到达顺桨位置，此时若无故障、无维护指令，即可发送启动指令；
（2）风电场中30秒平均风速>启动风速，且该状态保持120秒，保证液压系统正常，即可进入对风偏航；如果30分钟内持续实测风电场的平均风速小于或等于风机的启动风速，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；
（3）30秒平均风向偏差<允许偏差，完成对风，进入自检；
（4）自检完成确认即可开始空转初始化，此时桨叶保持40°，空转等待；当发电机转速>空转转速，且齿轮箱温度>50℃，进入空转加速；
（5）储能系统为双馈风机提供励磁，变流器反馈，即可发电运行。
本实施例方法另一个关键点在于风电场黑启动过程中功率动态平衡问题，无功功率依靠大容量SVG加以支撑，有功功率动态平衡主要分为以下两部分：
a. 在启动初期，较少风机启动的情况下，调整风机控制策略，使其限功率运行，以2MW双馈风机为例，可限制到额定功率的10%正常运行，即输出0.2MW，此部分功率可对馈线上其余风机提供自启动电能，此时利用储能系统辅助加以平衡有功功率。
b. 以300MW火电机组为例，其厂用电辅机一般占到4%-8%，因此当风电场总体输出达到10MW（即启动5台风机以上），约为辅机容量的一半时，可开始逐步按批次对辅机的汽机部分、锅炉部分、磨煤机等启动，此时风机输出有功功率的波动性依赖储能系统加以平抑。
在满足上述要求的情况下，即可启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网。
本发明的黑启动方法基于完整的风电机组自启动逻辑，考虑风电场黑启动过程中功率动态平衡问题，以恢复对侧火电厂辅机系统为目标，采用风电场、储能系统和SVG协调控制，确保风电场作为黑启动电源的可行性。与现有黑启动电源相比，风电机组响应快，功率调节迅速，并且几乎不需要额外投资。

Claims (3)

1.一种电网黑启动方法，其特征在于，该启动方法包括如下步骤：当电力系统发生故障停电时，根据风电场内配置的储能系统荷电状态判断是否采用风电场作为黑启动电源，如果储能系统荷电状态＜0.2，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；如果储能系统荷电状态≥0.2，则采用风电场黑启动方法，对外逐步恢复电网；
所述的采用风电场黑启动方法包括以下步骤：
步骤10)获取风电场中的风向数据，选取最佳启动风机；
步骤20)步骤10)选取的启动风机进行自启动发电运行：风电场中的储能系统为风机的辅助系统供电，如果30分钟内持续实测风电场的平均风速小于风机的启动风速，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；如果30分钟内持续实测风电场的平均风速大于或等于风机的启动风速，则风机开始对风偏航、自检、发电机空转初始化；发电机转速逐渐增加，当发电机转速大于发电机空转转速时，风机自启动发电运行；
步骤30)当步骤10)选取的风机启动后，进行限功率运行，发电功率为下一台风机提供自启动电能，如果仍有富余电能或者出现有功缺额，则由储能系统促进有功功率动态平衡；同时，位于风电场中的公共连接点的静止无功发生器为风电场黑启动过程提供无功电压支撑；
步骤40)当风电场输出功率没有达到对侧火电厂辅机容量一半时，返回步骤30)；当风电场输出功率达到对侧火电厂辅机容量一半时，调整控制风机处于最大功率跟踪运行状态，风电场对对侧火电厂辅机输出电能，逐步按批次恢复火电厂辅机供电，以此启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网。
2.按照权利要求1所述的电网黑启动方法，其特征在于，所述的步骤20)中风机自启动发电运行过程为：
步骤201)储能系统为风机供电，待风机到达顺桨位置时，若无故障和维护指令，即发送启动指令，进入步骤202)；若有故障和维护指令，则进行检测，直至清除故障；
步骤202)风电场中30秒平均风速大于风机启动风速，且该状态保持120秒，液压系统正常，则进入步骤203)；否则返回步骤201，如果30分钟内持续实测风电场的平均风速小于或等于风机的启动风速，则采用传统的黑启动电源启动大容量火电机组，对外逐步恢复电网；
步骤203)30秒平均风向偏差小于允许偏差，则完成对风偏航，进入步骤204)；否则返回步骤202)；
步骤204)风机进行自检，完成确认后开始空转初始化，此时桨叶保持40°，发电机空转等待，当发电机转速大于发电机空转转速，且齿轮箱温度>50℃，发电机进入空转加速，进入步骤205)；如果风机自检不确认，否则返回步骤203)；
步骤205)变流器向风机控制系统反馈信号，风机发电运行。
3.按照权利要求2所述的电网黑启动方法，其特征在于，当风机为双馈风机时，所述的步骤205)中，储能系统为双馈风机提供励磁，变流器向风机控制系统反馈信号，双馈风机发电运行。
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