CN104836254B - 一种电网黑启动系统和光伏电站参与电网黑启动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网黑启动系统和光伏电站参与电网黑启动的方法，以恢复火电厂辅机系统为目标，考虑了光伏电站在黑启动过程中功率动态平衡和电能质量问题，并采用光伏发电设备、储能装置和SVC协调控制，通过有序地投入光伏阵列，来确保光伏电站作为黑启动电源的可行性。与传统的黑启动电源相比，光伏电站具有响应时间短，功率调节迅速及运行经济的优点。因此，研究光伏电站参与电网黑启动的方法既有助于为电网应对紧急事故提供迅速高效的黑启动方案，也有益于进一步探索新能源电站作为电网黑启动电源的实施方案。

Description

一种电网黑启动系统和光伏电站参与电网黑启动的方法

技术领域

本发明涉及电力系统安全控制领域，尤其涉及一种电网黑启动系统和光伏电站参与电网黑启动的方法。

背景技术

黑启动是指整个系统因故障停电后，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，黑启动电源的首选是水电机组，然而利用水电机组实现黑启动，存在以下问题：黑启动初期、低负荷情况下机组振动较大；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。某些地区电网常规水电机组较少，水资源匮乏，但是日照资源丰富，光伏电站具有响应时间短，功率调节迅速及运行经济性的优点。如能利用光伏电站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。

目前，国内外缺乏对光伏电站参与黑启动过程的实质性研究，主要由于对日照资源的间歇性、光伏电站有功无功控制能力、光伏电站黑启动过程中功率动态平衡问题等解决方案的匮乏，然而，光伏发电技术的发展、储能装置及动态无功装置的配置已然为光伏电站作为电网黑启动电源提供了条件。

发明内容

发明目的：为了克服现有新能源电站参与电网黑启动技术存在的不足，本发明提供一种电网黑启动系统和光伏电站参与电网黑启动的方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供的电网黑启动系统，通过输电线路与系统主网连接，该系统包括：若干条并联的光伏电源支路、无功补偿装置SVC以及储能装置，所述光伏电源支路包括光伏阵列、直流侧配电箱和逆变器，三者依次串联，所述直流侧配电箱内部设置有汇流箱，所述无功补偿装置和储能设备并联设置在所述系统主网与所述光伏电源支路的并网点处。

其中，所述无功补偿装置为TSC-TCR型无功补偿装置SVC。

进一步地，本发明还提供一种光伏电站参与电网黑启动的方法，该方法包括如下步骤：

(1)当系统主网发生故障停电时，根据光伏电站能量管理系统的光伏电站运行状态分析及发电预测判断光伏电站的预期供电能力是否充足，满足则进行步骤(2)，否则采用传统黑启动电源；

(2)将光伏电站作为电网黑启动的电源，获取此时光伏电站的运行状态信息，所述运行状态信息包括光伏电站的功率送出能力，并将其与火电厂辅机启动所需功率进行比较，调整光伏电站的输出功率；

(3)当光伏电站输出功率达到火电厂辅机全部启动所需的功率值的一半时，在并网点处，对光伏电站的电能质量进行检测，若电能质量不符合对发电厂辅机供电的最低标准，则通过逆变器、无功补偿装置SVC以及储能装置进行调节，当电压不在标准范围内时，投切SVC设备或调整逆变器的输出功率因数，当频率不在标准范围内时，调整储能装置的出力；若电能质量符合对发电厂辅机供电的标准，则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。

其中，步骤(1)中所述传统黑启动电源为水电机组或具有自启动能力的火电机组。

其中，步骤(1)判断光伏电站的预期供电能力充足是指：储能装置荷电状态大于0.2，光伏发电及控制设备状态正常且未来五小时内能稳定输出电能。

其中，步骤(2)中所述调整光伏电站的输出功率是指：若光伏电站的输出功率达到所有火电厂辅机启动所需的功率值，则维持稳定的输出功率，若输出功率未达到所有火电机组辅机启动所需的功率值，则通过投运光伏阵列的方式增加光伏电站的输出功率。

其中，所述投运光伏阵列的方式增加光伏电站的输出功率包括以下步骤：

将光伏阵列接入光伏电站的发电系统中，检测其端电压是否达到逆变器额定电压，若未达到，则继续在该光伏阵列中串联光伏发电装置，若达到，则检测汇流箱的电流值是否达到逆变器额定电流值，若未达到，则在所述汇流箱中继续并联光伏发电装置，直至所述汇流箱电流值达到逆变器额定电流值为止。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)将指导光伏电站作为黑启动电源点的进一步的研究与应急响应方案的制定，光伏电站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，光伏电站参与黑启动具有更为广泛的应用价值。

(2)本发明为电网紧急事故响应与黑启动电源点备选方案，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。

附图说明

图1为本发明的电网黑启动系统结构示意图；

图2为本发明光伏电站参与电网黑启动方法的流程图；

图3为TSC-TCR型SVC电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

图1中的电网黑启动系统，包括：若干条并联的光伏电源支路、无功补偿装置SVC以及储能装置，光伏电源支路包括光伏阵列、直流侧配电箱和逆变器，三者依次串联，直流侧配电箱内部设置有汇流箱，无功补偿装置和储能装置并联设置在系统主网与所述光伏电源支路的并网点处，该系统通过输电线路与系统主网连接。

通过光伏阵列自启动来保证光伏发电设备顺利启动，同时利用逆变器、储能装置及无功补偿装置SVC来保证黑启动过程中有功功率和无功功率的动态平衡问题，以及电能质量问题，黑启动流程如图2所示。

经过核算，光伏电站厂用电主要包括：逆变器室照明风机，控制及监视设备用电，变压器损耗等。以含有5MW储能装置的20MW光伏电站为例，在极端工况下，光伏电站在1个小时黑启动工作时间中需要400kWh电量，在储能装置荷电状态>0.2时，该储能装置就能够保证光伏电站在满足发电条件的情况下顺利自启动。

本方法的实施前提在于光伏电站具有充足的预期发电能力，主要评价指标包括储能装置的荷电状态、光伏发电装置状态以及未来五小时发电能力预测。若储能装置荷电状态>0.2，光伏发电装置能正常运行，且未来五小时能稳定输出电能，则满足预期发电能力充足的条件，否则即为预期发电能力不足。

在满足上述条件下，光伏发电装置自启动过程具体如下：

光伏阵列的启动方式，将光伏阵列接入光伏电站的发电系统中，检测其端电压是否达到逆变器额定电压，若未达到，则继续在该光伏阵列中串联光伏发电装置，若达到，则将该组光伏阵列与其他光伏阵列在汇流箱中并联起来，检测汇流箱电流值是否达到逆变器额定电流值，若未达到，则继续启动下一组光伏阵列，通过并联接入汇流箱中；若达到，将该部分光伏阵列接入光伏电站的发电系统中。此时光伏电站开始具备发电能力，参与发电的光伏阵列以最大功率输出模式运行，输出的电能用以保证光伏电站的厂用电，剩余的电能由储能装置吸收。

本方法针对光伏电站启动过程中功率动态平衡问题以及电能质量问题，采用电力设备进行调整的方法，例如，无功功率平衡及电压调整主要依靠逆变器和无功补偿装置SVC，有功功率平衡及频率调整主要依靠储能装置，其工作原理及方式如下：

(1)无功功率平衡及电压调整

根据输出变量的不同，逆变器通常可以分为电压源输出型与电流源输出型两种。电压源输出型逆变器输出电压受控，而输出电流则由负载决定，而电流源输出型逆变器的输出电流是受控的，而电压则由负载或其他电源决定。因此，若逆变器为电压源输出型逆变器，则光伏电站接入点电压可控，若逆变器为电流源输出型逆变器，则在电网电压建立的情况下，可以通过控制输出电流的幅值I及与电压之间的相位角θ，来调整与电网的有功功率P和无功功率Q的交换，其原理公式如下：

P＝U×I×cosθ

Q＝U×I×sinθ

无功补偿装置SVC可以调节电感性和电容性无功功率，主要通过调节晶闸管的导通角实现，比较检测装置所获得的出口处的电流电压信号和电网接入点的电气信号能得到SVC的控制信号，该信号能控制晶闸管的导通角，无功补偿装置SVC的调节响应时间为40-60ms。其中TSC-TCR型无功补偿装置SVC具备减少元件上浪费、运行灵活性较好、响应速度快、能快速切除电容器且避免谐振等优点，因此广泛应用于无功补偿。图3中TSC-TCR型的结构由m条TSC支路和n条TCR支路构成。

TSC支路基本工作原理和并联电容器相似，只能分组投切，不能连续调节无功，由图3可知，其主要由电容器与两个反并联的晶闸管串联构成。电容器只有两种运行状态：退出运行或并联系统中运行。根据无功补偿容量的需要，一个无功补偿装置SVC可以采用多个TSC支路并联。

TCR支路基本工作原理是通过控制晶闸管的导通角来控制电抗器的投切，导通角为90度时输出的电感电流为0，导通角为180度时输出的电感电流为额定数值，导通角可以进行连续调节，从而达到快速平滑调节无功功率的效果。由于TSC只能吸收无功，不能发出无功，因此协调控制TSC和TCR可得到连续无功输出。

在额定电压下，投入所有TSC支路且断开全部TCR支路，TSC-TCR型SVC输出最大的容性无功功率Q_Cmax；投入所有TCR支路且断开全部TSC支路，SVC输出最大的感性无功功率Q_Lmax；当要求装置输出的容性无功功率小于最大容性无功功率时，则投入k条TSC支路，使得使误差为整数，然后调节TCR支路的触发α，将多余的容性无功功率吸收。

(2)有功功率平衡及频率调整

当光伏电站对外供电，由于光伏发电设备间歇性和波动性的特点，以及负荷运行功率的变化，造成系统有功功率不平衡，即频率偏离正常范围时，利用储能装置的调频能力，增加或减少储能装置的出力，从而实现有功功率的平衡及电网频率的调整。

(3)功率动态平衡的调整方式

a.在启动初期，较少光伏阵列发电的情况下，调整光伏装置控制策略，使其以最大功率运行，以1.25MW的光伏发电阵列为例，限制其以最大功率方式运行，此部分功率可对光伏电站的厂用电提供电能，并将剩余的电能贮存在储能装置中；

b.以300MW火电机组为例，其正常起机过程为：

①首先启动汽机部分：循环水泵(2100kW)→闭冷泵(400kW)→凝结水泵(1500kW)；

②其次启动锅炉部分，接汽机上水→引风机(5000kW)，送风机(3000kW)，一次风机(4000kW)，空压机(500kW)；

③启动磨煤机(2000kW)；

④汽机开始冲3000转，加励磁，发电机、励磁机开始工作。

其厂用电负荷一般占到4％-8％，因此当光伏电站总体输出达到10MW，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，此时光伏电站的有功功率输出依靠储能装置的帮助加以稳定。

Claims (5)

1.一种光伏电站参与电网黑启动的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)当系统主网发生故障停电时，根据光伏电站能量管理系统的光伏电站运行状态分析及发电预测判断光伏电站的预期供电能力是否充足，满足则进行步骤(2)，否则采用传统黑启动电源；

(2)将光伏电站作为电网黑启动的电源，获取此时光伏电站的运行状态信息，所述运行状态信息包括光伏电站的功率送出能力，并将其与火电厂辅机启动所需功率进行比较，调整光伏电站的输出功率；

(3)当光伏电站输出功率达到火电厂辅机全部启动所需的功率值的一半时，在并网点处，对光伏电站的电能质量进行检测，若电能质量不符合对发电厂辅机供电的最低标准，则通过逆变器、无功补偿装置SVC以及储能装置进行调节，当电压不在标准范围内时，投切无功补偿装置SVC或调整逆变器的输出功率因数，当频率不在标准范围内时，调整储能装置的出力；若电能质量符合对发电厂辅机供电的标准，则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.根据权利要求1所述的光伏电站参与电网黑启动的方法，其特征在于，步骤(1)中所述传统黑启动电源为水电机组或具有自启动能力的火电机组。

3.根据权利要求1所述的光伏电站参与电网黑启动的方法，其特征在于，步骤(1)所述光伏电站的预期供电能力充足是指：储能装置荷电状态大于0.2，光伏发电及控制设备状态正常且未来五小时内能稳定输出电能。

4.根据权利要求1所述的光伏电站参与电网黑启动的方法，其特征在于，步骤(2)中所述调整光伏电站的输出功率是指：若光伏电站的输出功率达到所有火电厂辅机启动所需的功率值，则维持稳定的输出功率，若输出功率未达到所有火电机组辅机启动所需的功率值，则通过投运光伏阵列的方式增加光伏电站的输出功率。

5.根据权利要求4所述的光伏电站参与电网黑启动的方法，其特征在于，所述投运光伏阵列的方式增加光伏电站的输出功率包括以下步骤：

将光伏阵列接入光伏电站的发电系统中，检测其端电压是否达到逆变器额定电压，若未达到，则继续在该光伏阵列中串联光伏发电装置，若达到，则检测汇流箱的电流值是否达到逆变器额定电流值，若未达到，则在所述汇流箱中继续并联光伏发电装置，直至所述汇流箱电流值达到逆变器额定电流值为止。