CN106026177A - 基于光储发电系统的电网黑启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光储发电系统的电网黑启动方法，包括A）对单向Boost的PWM变换器调制信号进行扰动观察，使光伏阵列实现快速跟踪负荷功率变化，且光伏阵列功率输出逐渐趋近于负荷需求功率；B）对储能单元部分进行控制，并通过控制晶闸管的PWM调制信号来维持直流母线电压的稳定；C）根据恒压恒频的V/f控制策略和d、q旋转坐标系下改进的双环控制，实现对电压幅值和频率的快速调节和实时跟踪；D）通过一次性合闸方法对长距离空载输电线进行充电后再启动厂用异步电动机，实现电网的黑启动。本发明利用光储发电系统对断电后的电网进行逐步恢复的功能，保证了黑启动过程中电网电压幅值和频率的稳定性，具有良好的应用前景。

Description

基于光储发电系统的电网黑启动方法

技术领域

本发明涉及电力系统恢复技术领域，具体涉及一种基于光储发电系统的电网黑启动方法。

背景技术

近年来，随着“坚强智能电网”概念的提出和建设，电力系统在可靠性、灵活性等方面有了长足的发展，但恶劣天气、自然灾害、设备故障等原因引发的大面积停电事故却仍然难以避免。近年来，全世界范围内陆续发生的多起大规模停电事故(如2003年8月的美加大停电事故、2005年9月的海南全省大停电、2006年11月的西欧大停电、2012年7月的印度大停电事故等)，造成了巨大的经济损失和社会影响。随着电网规模的不断增大，电网的恢复工作也变得越来越困难，因此，对大停电后电力系统的恢复进行研究，以将事故损失控制在最小范围显得尤为重要。

黑启动过程包括三个阶段，包括黑启动阶段、网架恢复阶段和负荷恢复阶段，其中，黑启动电源的选择和启动，是电网恢复首要解决的关键问题，水轮发电机组与火电、核电机组相比，具有辅助设备简单、厂用电少，启动速度快等优点，因此，在传统黑启动方案中成为黑启动电源的首选。但是，光伏发电作为一种清洁能源，由于其分布范围广，并网迅速，以及具有良好的自启动能力，在电力系统黑启动中有着巨大的应用潜力，如何正确代替水轮发电机组，是当前急需解决的问题。

近年来，随着智能电网的建设以及新能源并网技术的发展，电网中分布式新能源的渗透率越来越高，而随着能源互联网概念的兴起和蓬勃发展，光伏发电等分布式新能源由于其清洁无污染的特性，其地位势必将会越来越重要。根据能源局规划，2015年我国分布式光伏发电新增装机预计占年度新增装机总量的45％以上。随着光伏电站的容量越来越大，其成本也在逐渐降低，预计在不久的将来，能与常规发电机组的发电成本形成有力的竞争，从而极大的重塑我国发电侧的市场模式。

综上所述，基于光伏电站的黑启动在可行性、启动特性、恢复策略研究具有重要的意义，是当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服如何基于光储发电系统，进行电网恢复的黑启动问题。本发明的基于光储发电系统的电网黑启动方法，利用光储发电系统对断电后的电网进行黑启动，节能环保，方法合理、有效、可行，满足电网发展和工程实际应用的需求，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于光储发电系统的电网黑启动方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤(A)，基于改进MTTP策略的光伏阵列单向Boost变换器控制策略，并对单向Boost的PWM变换器调制信号进行扰动观察，使光伏阵列实现快速跟踪负荷功率变化，且光伏阵列功率输出逐渐趋近于负荷需求功率；

步骤(B)，基于电压外环控制结构的双向Buck/Boost变换器控制策略，对储能单元部分进行控制，并通过控制晶闸管的PWM调制信号来维持直流母线电压的稳定；

步骤(C)，根据恒压恒频的V/f控制策略，控制黑启动过程中逆变器输出电压幅值和频率的稳定，并基于d、q旋转坐标系下改进的双环控制，实现对电压幅值和频率的快速调节和实时跟踪；

步骤(D)，基于光储发电系统的电网黑启动方法，并通过一次性合闸方法对长距离空载输电线进行充电后再启动厂用异步电动机，实现电网的黑启动。

前述的基于光储发电系统的电网黑启动方法，其特征在于：步骤(A)，基于改进MTTP策略的光伏阵列单向Boost变换器控制策略，具体如下，

(A1)光伏阵列输出最大功率小于负荷需求功率时，光伏发电采取MPPT模式输出，不足功率由储能单元提供补偿；

(A2)光伏阵列输出最大功率大于负荷需求功率时，光伏发电采取限功率模式输出，输出功率等于负荷需求功率。

前述的基于光储发电系统的电网黑启动方法，其特征在于：步骤(B)，基于电压外环控制结构的双向Buck/Boost变换器控制策略，对储能单元部分进行控制，并通过控制晶闸管的PWM调制信号来维持直流母线电压的稳定，具体如下，

(B1)当光伏阵列输出功率输出高于负荷需求功率时，则多余的功率向储能单元充电；

(B2)当光伏阵列输出功率输出低于负荷需求功率时，则储能单元向双向Buck/Boost变换器放电，采用电压外环控制结构，通过控制作用在晶体管的PWM调制信号，维持直流母线电压的稳定，保证光伏阵列输出功率、负荷需求功率的实时平衡。

前述的基于光储发电系统的电网黑启动方法，其特征在于：步骤(C)，根据恒压恒频的V/f控制策略，控制黑启动过程中逆变器输出电压幅值和频率的稳定，并基于d、q旋转坐标系下改进的双环控制，实现对电压幅值和频率的快速调节和实时跟踪，包括以下步骤，

(C1)根据恒压恒频的V/f控制策略，通过设置电压参考值的虚拟锁相环进行恒压恒频的控制，保证分布式电源输出的电压和频率保持在恒定值，实现控制黑启动过程中逆变器输出电压幅值和频率的稳定；

(C2)基于d、q旋转坐标系下改进的双环控制，实现对电压幅值和频率的快速调节和实时跟踪。

在旋转d、q坐标系下采用双环控制，d轴和q轴的控制器设计一致，且两个轴可分开单独控制，根据电路原理，逆变器方程，如公式(1)所示，

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{Ln}}{dt}=v_n-u_n\\ C\frac{{\mathrm{du}}_n}{dt}=i_{Ln}-(i_{0n}+i_{Zn})\end{array}\right.,(n=a,b,c)---\left(1\right)$

其中，L为滤波电感、C为滤波电容，i_Ln为输出电流即为滤波电感电流、v_n为逆变器桥输出电压、u_n为负载电压即为滤波电容电压、i_0n为流向微电网馈线的电流、i_Zn为负载电流；

设电流内环比例控制器在S域下的传递函数为k，电压外环比例积分控制器在S域下的传递函数为k_up+k_ui/S，其中，k_up为可调比例系数，k_ui为可调比例系数与可调积分时间常数的比，SPWM控制逆变器传递函数为k_pwm，一般取k_pwm＝V_dc/2，V_dc为逆变器直流侧电压；逆变器为强耦合系统，为了分开建立d轴和q轴的控制器，在逆变器方程中加入-ωCu_d-ref、ωCu_q-ref两个前馈解耦环节，构成单轴逆变器的S域控制函数，前馈解耦环节中，ω为电网系统的参考角频率，C为滤波电容值，u_d-ref为d轴参考电压，u_q-ref为q轴参考电压，若参考电压为三相对称的基频正弦波，则d轴参考电压u_d-ref为基波幅值，q轴参考电压u_q-ref＝0，电流内环以i_Cn-ref为单轴逆变器输入，i_Cn为单轴逆变器输出，其在S域下的传递函数，如公式(2)所示，

$i_{Cn}=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}CS}{{\mathrm{LCS}}^2+{\mathrm{kk}}_{pwm}CS+1}{i}_{Cn-ref}-\frac{{\mathrm{LCS}}^2}{{\mathrm{LCS}}^2+{\mathrm{kk}}_{pwm}CS+1}(i_{0n}+i_{2n})---\left(2\right)$

电流比例增益传递函数G_i(S)，如公式(3)所示，

$G_i\left(S\right)=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}CS}{{\mathrm{LCS}}^2+{\mathrm{kk}}_{pwm}CS+1}---\left(3\right)$

电压外环以u_n-ref为单轴逆变器输入，u_n为单轴逆变器输出，其的传递函数，如公式(4)所示，

$(u_{n-ref}-u_n)(k_{up}+\frac{k_{ui}}{S})+u_{n-ref}CS=i_{Cn-ref}---\left(4\right)$

根据公式(2)和公式(4)，得到公式(5)，

u_n＝G_u(S)u_n-ref-Z(S)(i_0n+i_Zn) (5)

其中，电压比例增益传递函数为下式，

$G_u\left(S\right)=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}{\mathrm{CS}}^2+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up}S+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{ui}}{{\mathrm{LCS}}^3+{\mathrm{kk}}_{pwm}{\mathrm{CS}}^2+(1+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up})S+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{ui}}$

单轴逆变器的等效输出阻抗为下式，

$Z\left(S\right)=\frac{{\mathrm{LS}}^2}{{\mathrm{LCS}}^3+{\mathrm{kk}}_{pwm}{\mathrm{CS}}^2+(1+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up})S+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{ui}}$

根据公式(1)-公式(5)，得到双环控制的闭环传递函数是一个三阶系统，采用极点配置法进行控制器的参数配置，

双环控制系统的闭环特征根D(S)，如公式(6)所示，

$D\left(S\right)=S^3+\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}}{L}{S}^2+\frac{1+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up}}{LC}S+\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{ui}}{LC}---\left(6\right)$

双环控制系统的期望特征方程，如公式(7)所示，

$\begin{array}{c}{D}_r\left(S\right)=(S-S_1)(S-S_2)(S-S_3)=(S^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{r}S+{\mathrm{\ω}}_r^2)(S+\\ {\mathrm{m\ξ\ω}}_r)\end{array}---\left(7\right)$

其中，为主导闭环期望极点，S₃＝-mξω_r为非主导闭环期望极点，m为开环极点数，ω为参考角频率，ω_r为自然振荡频率、ξ为期望阻尼比，对比公式(6)和公式(7)，得到公式(8)，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ\ω}}_r(2+m)=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}}{L}\\ {\mathrm{\ω}}_r^2(1+2{\mathrm{m\ξ}}^2)=\frac{1+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up}}{LC}\\ {\mathrm{m\ξ\ω}}_r^3=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up}}{LC}\end{array}\right.---\left(8\right)$

整理后，得到公式(9)，

$\left\{\begin{array}{c}k=\frac{{\mathrm{\ξ\ω}}_r(2+m)L}{k_{pwm}}\\ k_{up}=\frac{{\mathrm{\ω}}_r^2(1+2{\mathrm{m\ξ}}^2)LC-1}{{\mathrm{kk}}_{pwm}}\\ k_{ui}=\frac{{\mathrm{m\ξ\ω}}_r^{3}LC}{{\mathrm{kk}}_{pwm}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

从公式(9)得到，电流内环的频带较宽，动态性能好，能够实现实时跟踪，相位裕度相对较大，但不如电压外环稳定；电压外环的相位裕度很大，超调量较小，稳定性较好，两者配合得到改进的双环控制系统，稳定性高。

前述的基于光储发电系统的电网黑启动方法，其特征在于：步骤(D)，基于光储发电系统的电网黑启动方法，并通过一次性合闸方法对长距离空载输电线进行充电后再启动厂用异步电动机，实现电网的黑启动，包括以下步骤，

(D1)对长距离空载输电线进行充电

在黑启动过程中，光储发电系统作为黑启动电源，需要对长距离空载输电线路充电并带动厂用机组发电，恢复电力系统中的主力机组，实现逐步恢复电力系统供电，在空充长线路时，其电容效应使得空载长线路末端电压远高于首端电压，此时，工频过电压的大小将直接操作过电压的幅值，进而影响电气设备的绝缘、运行性能以及保护电器的工作条件，在电力设备绝缘中，根据DL/T620-1997过电压保护标准对操作过电压倍数，在光储发电系统作为黑启动电源时，采用一次性合闸方式对长距离空载输电线进行充电；

(2)启动电厂异步电动机

在对长距离空载输电线路充电的过程中，若工频过电压和操作过电压均在DL/T620-1997规定范围内，光储发电系统在对空载长线路充电后启动异步电动机，进一步保证远距离启动火电机组厂用电时的电力系统电压及频率的稳定。

本发明的有益效果是：本发明的基于光储发电系统的电网黑启动方法，能够实现利用光储发电系统对断电后的电网进行逐步恢复的功能，保证了黑启动过程中电网电压幅值和频率的稳定性，节能环保，方法合理、有效、可行，满足电网发展和工程实际应用的需求，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的基于光储发电系统的电网黑启动方法的流程图。

图2是本发明的光储发电系统的V/f控制策略图。

图3是本发明d、q旋转坐标系下光储发电系统的双环系统控制框图。

图4是本发明的逆变器S域控制结构框图。

图5是本发明的光储发电系统空载长线路充电接线图。

图6是本发明的光储发电系统启动异步电动机接线图。

图7是本发明一具体实施例的仿真验证系统及控制框架图。

图8是本发明的基于V/f控制策略的光储发电系统的控制电路结构图。

图9是本发明一具体实施例的空载长线路一次性合闸充电时35kV线路末端电压波形。

图10是本发明一具体实施例的启动异步电机的系统相电压波形图。

图11是本发明一具体实施例的的启动异步电机的电动机电压波形图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的基于光储发电系统的电网黑启动方法，包括以下步骤，

步骤(A)，基于改进MTTP策略的光伏阵列单向Boost变换器控制策略，并对单向Boost的PWM变换器调制信号进行扰动观察，使光伏阵列实现快速跟踪负荷功率变化，且光伏阵列功率输出逐渐趋近于负荷需求功率，即让两者接近相同，所述基于改进MTTP策略的光伏阵列单向Boost变换器控制策略，具体如下，

(A1)光伏阵列输出最大功率小于负荷需求功率时，光伏发电采取MPPT模式输出，不足功率由储能单元提供补偿；

(A2)光伏阵列输出最大功率大于负荷需求功率时，光伏发电采取限功率模式输出，输出功率等于负荷需求功率。

步骤(B)，基于电压外环控制结构的双向Buck/Boost变换器控制策略，对储能单元部分进行控制，并通过控制晶闸管的PWM调制信号来维持直流母线电压的稳定，具体如下，

(B1)当光伏阵列输出功率输出高于负荷需求功率时，则多余的功率向储能单元充电；

(B2)当光伏阵列输出功率输出低于负荷需求功率时，则储能单元向双向Buck/Boost变换器放电，采用电压外环控制结构，通过控制作用在晶体管的PWM调制信号，维持直流母线电压的稳定，保证光伏阵列输出功率、负荷需求功率的实时平衡；

步骤(C)，根据恒压恒频的V/f控制策略，控制黑启动过程中逆变器输出电压幅值和频率的稳定，并基于d、q旋转坐标系下改进的双环控制，实现对电压幅值和频率的快速调节和实时跟踪，包括以下步骤，

(C1)根据恒压恒频的V/f控制策略，通过设置电压参考值的虚拟锁相环进行恒压恒频的控制，保证分布式电源输出的电压和频率保持在恒定值，实现控制黑启动过程中逆变器输出电压幅值和频率的稳定；

(C2)基于d、q旋转坐标系下改进的双环控制，实现对电压幅值和频率的快速调节和实时跟踪，

在旋转d、q坐标系下采用双环控制，d轴和q轴的控制器设计一致，且两个轴可分开单独控制，根据电路原理，逆变器方程，如公式(1)所示，

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{Ln}}{dt}=v_n-u_n\\ C\frac{{\mathrm{du}}_n}{dt}=i_{Ln}-(i_{0n}+i_{Zn})\end{array}\right.,(n=a,b,c)---\left(1\right)$

其中，L为滤波电感、C为滤波电容，i_Ln为输出电流即为滤波电感电流、v_n为逆变器桥输出电压、u_n为负载电压即为滤波电容电压、i_0n为流向微电网馈线的电流、i_Zn为负载电流；

设电流内环比例控制器在S域下的传递函数为k，电压外环比例积分控制器在S域下的传递函数为k_up+k_ui/S，其中，k_up为可调比例系数，k_ui为可调比例系数与可调积分时间常数的比，SPWM控制逆变器传递函数为k_pwm，一般取k_pwm＝V_dc/2，V_dc为逆变器直流侧电压；逆变器为强耦合系统，为了分开建立d轴和q轴的控制器，在逆变器方程中加入-ωCu_d-ref、ωCu_q-ref两个前馈解耦环节，构成单轴逆变器的S域控制函数，前馈解耦环节中，ω为电网系统的参考角频率，C为滤波电容值，u_d-ref为d轴参考电压，u_q-ref为q轴参考电压，若参考电压为三相对称的基频正弦波，则d轴参考电压u_d-ref为基波幅值，q轴参考电压u_q-ref＝0，电流内环以i_Cn-ref为单轴逆变器输入，i_Cn为单轴逆变器输出，其在S域下的传递函数，如公式(2)所示，(下列所有公式均在S域情况下考虑)

$i_{Cn}=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}CS}{{\mathrm{LCS}}^2+{\mathrm{kk}}_{pwm}CS+1}{i}_{Cn-ref}-\frac{{\mathrm{LCS}}^2}{{\mathrm{LCS}}^2+{\mathrm{kk}}_{pwm}CS+1}(i_{0n}+i_{2n})---\left(2\right)$

电流比例增益传递函数G_i(S)，如公式(3)所示，

$G_i\left(S\right)=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}CS}{{\mathrm{LCS}}^2+{\mathrm{kk}}_{pwm}CS+1}---\left(3\right)$

电压外环以u_n-ref为单轴逆变器输入，u_n为单轴逆变器输出，其的传递函数，如公式(4)所示，

$(u_{n-ref}-u_n)(k_{up}+\frac{k_{ui}}{S})+u_{n-ref}CS=i_{Cn-ref}---\left(4\right)$

根据公式(2)和公式(4)，得到公式(5)，

u_n＝G_u(S)u_n-ref-Z(S)(i_0n+i_Zn) (5)

其中，电压比例增益传递函数为下式，

$G_u\left(S\right)=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}{\mathrm{CS}}^2+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up}S+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{ui}}{{\mathrm{LCS}}^3+{\mathrm{kk}}_{pwm}{\mathrm{CS}}^2+(1+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up})S+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{ui}}$

单轴逆变器的等效输出阻抗为下式，

$Z\left(S\right)=\frac{{\mathrm{LS}}^2}{{\mathrm{LCS}}^3+{\mathrm{kk}}_{pwm}{\mathrm{CS}}^2+(1+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up})S+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{ui}}$

根据公式(1)-公式(5)，得到双环控制的闭环传递函数是一个三阶系统，采用极点配置法进行控制器的参数配置，

双环控制系统的闭环特征根D(S)，如公式(6)所示，

$D\left(S\right)=S^3+\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}}{L}{S}^2+\frac{1+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up}}{LC}S+\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{ui}}{LC}---\left(6\right)$

双环控制系统的期望特征方程，如公式(7)所示，

$\begin{array}{c}{D}_r\left(S\right)=(S-S_1)(S-S_2)(S-S_3)=(S^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{r}S+{\mathrm{\ω}}_r^2)(S+\\ {\mathrm{m\ξ\ω}}_r)\end{array}---\left(7\right)$

其中，为主导闭环期望极点，S₃＝-mξω_r为非主导闭环期望极点，m为开环极点数，ω为参考角频率，ω_r为自然振荡频率、ξ为期望阻尼比，对比公式(6)和公式(7)，得到公式(8)，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ\ω}}_r(2+m)=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}}{L}\\ {\mathrm{\ω}}_r^2(1+2{\mathrm{m\ξ}}^2)=\frac{1+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up}}{LC}\\ {\mathrm{m\ξ\ω}}_r^3=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up}}{LC}\end{array}\right.---\left(8\right)$

整理后，得到公式(9)，

$\left\{\begin{array}{c}k=\frac{{\mathrm{\ξ\ω}}_r(2+m)L}{k_{pwm}}\\ k_{up}=\frac{{\mathrm{\ω}}_r^2(1+2{\mathrm{m\ξ}}^2)LC-1}{{\mathrm{kk}}_{pwm}}\\ k_{ui}=\frac{{\mathrm{m\ξ\ω}}_r^{3}LC}{{\mathrm{kk}}_{pwm}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

从公式(9)得到，电流内环的频带较宽，动态性能好，能够实现实时跟踪，相位裕度相对较大，但不如电压外环稳定；电压外环的相位裕度很大，超调量较小，稳定性较好，两者配合得到改进的双环控制系统，稳定性高；

步骤(D)，基于光储发电系统的电网黑启动方法，并通过一次性合闸方法对长距离空载输电线进行充电后再启动厂用异步电动机，实现电网的黑启动，包括以下步骤，

(D1)对长距离空载输电线进行充电

在黑启动过程中，光储发电系统作为黑启动电源，需要对长距离空载输电线路充电并带动厂用机组发电，恢复电力系统中的主力机组，实现逐步恢复电力系统供电，在空充长线路时，其电容效应使得空载长线路末端电压远高于首端电压，此时，工频过电压的大小将直接操作过电压的幅值，进而影响电气设备的绝缘、运行性能以及保护电器的工作条件，在电力设备绝缘中，根据DL/T620-1997过电压保护标准对操作过电压倍数，如下表1所示，

表1操作过电压倍数规定

根据表1，在光储发电系统作为黑启动电源时，采用一次性合闸方式对长距离空载输电线进行充电；

(2)启动电厂异步电动机

在对长距离空载输电线路充电的过程中，若工频过电压和操作过电压均在DL/T620-1997规定范围内，光储发电系统在对空载长线路充电后启动异步电动机，进一步保证远距离启动火电机组厂用电时的电力系统电压及频率的稳定。

下面根据本发明的基于光储发电系统的电网黑启动方法，介绍一具体实施例，由于光伏电站具有启动速度快但容量较小的特点，本发明的启动策略如下：光伏电站作为大型火力发电机组的启动电源，供给火力发电机组的厂用负荷，再由火力发电机组进行常规的电网黑启动，采用如图7所示，仿真架构模拟标准环境参数下光伏电站带动1MW厂用负荷，厂用负荷简化为额定功率1MW的异步电动机，仿真架构采用两级式并网发电系统结构：光伏阵列和储能单元系统分别通过单向和双向DC/DC变换器并入800V直流母线，然后由三相全桥整流逆变器将直流逆变为380V交流电，在此种拓扑结构中，单向boost变换器实现光伏阵列的输出功率跟踪，双向Buck/Boost变换器控制储能单元的功率流向并且维持直流母线电压恒定，各级变换器工作任务明确，简化了各级控制器的设计，同时对光伏阵列输出电压的等级要求降低，便于光伏阵列的扩展。

从仿真框架可以看出，黑启动整体可以视作两部分，直流侧控制目标为电压值稳定在800V左右，逆变后交流侧控制目标为线电压有效值稳定在380V左右并且频率稳定在50Hz，电网系统稳定的前提是供需的功率达到平衡，以此为思路，综合控制策略，具体如下，

1.光伏阵列的单向boost变换器控制策略

由于在黑启动空充线路和带动厂用电动机过程中负荷特性发生巨大的变化，为了使光伏阵列能够跟踪负荷功率变化，快速维持系统的供需功率平衡，光伏阵列不再是传统的最大功率(MTTP)控制，而是改进为如下的控制策略，具体如下，

(1)光伏阵列输出最大功率小于负荷需求功率时，光伏发电采取MPPT模式输出，不足功率由储能提供补偿；

(2)光伏阵列输出最大功率大于负荷需求功率时，光伏发电采取限功率模式输出，输出功率等于负荷需求功率，为了控制光伏阵列按需要的功率输出，采用扰动观察法对光伏阵列出口单向Boost电路的PWM调制信号进行扰动跟踪，使光伏阵列功率输出逐渐趋近于负荷需求功率。

2.储能单元的双向Buck/Boost变换器控制策略

由于光伏输出易受光照强度、温度等环境因素影响，储能单元作为辅助设施，协助维持直流母线电压恒定，其作用机理是：光伏实际输出高于负荷所需时，多余功率向储能单元充电；反之则储能单元向主电路放电，以此维持功率的实时平衡，储能单元的充放电主电路采用双向Buck/Boost变换器，以满足蓄电池能量双向流动的要求，采用电压外环控制结构，通过控制作用在两晶体管的PWM调制信号，维持直流母线电压的稳定。

3.光储发电系统的V/f控制策略

考虑到黑启动过程中需要保持电压及频率稳定，孤岛运行状态下的光储电站采用V/f控制策略，如图2所示，为光储发电系统的V/f控制策略图，A、B、C表示三相电压的情况，如图8所示，为基于V/f控制策略的光储发电系统控制电路结构图，涉及的参数详情如下(其中n＝a、b、c，三相)，L_n：滤波电感；C_n：滤波电容；R_n：滤波电阻；Z_n：负载阻抗；v_n：逆变器桥输出电压；i_Ln：输出电流(即滤波电感电流)；u_n：负载电压(即滤波器电容电压)；i_Cn：滤波电容电流；i_Zn：负载电流；i_0n：流向微网馈线的电流；可控正弦调制信号；

考虑到LC滤波器容易发生振荡，所以图8中串联一个小阻尼电阻R_n，用于抑制振荡。

4.基于光储发电系统的改进双环控制方案

在旋转dq坐标系下采用双环控制方案，如图3所示，d轴和q轴的控制器设计基本一致，且两个轴可以分开控制，根据电路原理，忽略滤波阻抗的影响，逆变器方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{Ln}}{dt}=v_n-u_n\\ C\frac{{\mathrm{du}}_n}{dt}=i_{Ln}-(i_{0n}+i_{Zn})\end{array}\right.$

逆变器的双环控制系统在旋转d、q坐标系下的控制框图，如图3所示，其中，电流内环比例控制器传递函数为k，电压外环比例积分控制器传递函数为k_up+k_ui/S，SPWM控制逆变器传递函数为k_pwm，取k_pwm＝V_dc/2；

如图3所示，逆变器为强耦合系统，为了分开设计d轴和q轴的控制器，在系统中加入ωCu_q-ref、-ωCu_q-ref两个前馈解耦环节，则单轴逆变器S域控制框图，如图4所示，若参考电压为三相对称的基频正弦波，则d轴参考电压u_d-ref为基波幅值，q轴参考电压u_q-ref＝0，如图4可知，电流内环以i_Cn-ref为输入，i_Cn为输出，传递函数为，

$\begin{array}{c}{i}_{Cn}=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}CS}{{\mathrm{LCS}}^2+{\mathrm{kk}}_{pwm}CS+1}{i}_{Cn-ref}-\frac{{\mathrm{LCS}}^2}{{\mathrm{LCS}}^2+{\mathrm{kk}}_{pwm}CS+1}(i_{0n}\\ +i_{2n})\end{array}$

电流比例增益传递函数G_i(S)为：

$G_i\left(S\right)=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}CS}{{\mathrm{LCS}}^2+{\mathrm{kk}}_{pwm}CS+1}$

电压外环以u_n-ref为输入，u_n为输出，传递函数为：

$(u_{n-ref}-u_n)(k_{up}+\frac{k_{ui}}{S})+u_{n-ref}CS=i_{Cn-ref}$

综合上述式子，可得：

u_n＝G_u(S)u_n-ref-Z(S)(i_0n+i_Zn)

其中，电压比例增益传递函数：

$G_u\left(S\right)=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}{\mathrm{CS}}^2+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up}S+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{ui}}{{\mathrm{LCS}}^3+{\mathrm{kk}}_{pwm}{\mathrm{CS}}^2+(1+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up})S+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{ui}}$

逆变器的等效输出阻抗为：

$Z\left(S\right)=\frac{{\mathrm{LS}}^2}{{\mathrm{LCS}}^3+{\mathrm{kk}}_{pwm}{\mathrm{CS}}^2+(1+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up})S+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{ui}}$

由以上分析可知，双环控制的闭环传递函数是一个三阶系统，采用极点配置法进行控制器的参数设计，其系统闭环特征根为：

$D\left(S\right)=S^3+\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}}{L}{S}^2+\frac{1+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up}}{LC}S+\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{ui}}{LC}$

系统的期望特征方程为：

$D_r\left(S\right)=(S-S_1)(S-S_2)(S-S_3)=(S^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{r}S+{\mathrm{\ω}}_r^2)(S+{\mathrm{m\ξ\ω}}_r)$

其中，为主导闭环期望极点，S₃＝-mξω_r为非主导闭环期望极点，则对比系统闭环特征根和系统的期望特征，可得：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_r(2+m)=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}}{L}\\ {\mathrm{\ω}}_r^2(1+2m{\mathrm{\ξ}}^2)=\frac{1+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up}}{LC}\\ m\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_r^3=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up}}{LC}\end{array}\right.$

整理可得：

$\left\{\begin{array}{c}k=\frac{{\mathrm{\ξ\ω}}_r(2+m)L}{k_{pwm}}\\ k_{up}=\frac{{\mathrm{\ω}}_r^2(1+2{\mathrm{m\ξ}}^2)LC-1}{{\mathrm{kk}}_{pwm}}\\ k_{ui}=\frac{{\mathrm{m\ξ\ω}}_r^{3}LC}{{\mathrm{kk}}_{pwm}}\end{array}\right.$

取自然振荡频率ω_r＝4000，期望阻尼比ξ＝0.8，m＝10，参数设置如下表2：

表2双环控制模型参数设置

代入式上式，可得：

$\left\{\begin{array}{c}k=0.0576\\ k_{up}=8.5816\\ k_{ui}=20000\end{array}\right.$

因此，得到双环控制模型结合了电流环和电压环的优点，系统稳定性更高。

5.基于光储发电系统的电网黑启动

1)对空载长线路充电

在光储电站作为黑启动电源时，采用一次性合闸方式对空载长线路进行充电试验(0.5秒的时候一次性合闸，直接对35kV空载长线路和10kV空载长线路充电)，接线图如图5所示，仿真结果，如图9所示，由图9可知，一次性合闸充电时操作过电压为50kV左右，工频过电压为36.5kV左右，均在规定的过电压倍数的范围内，符合要求；

2)启动厂用异步电动机

在对长距离空载输电线路充电的过程中，若工频过电压和操作过电压均在规定范围内，则需要进一步考虑远距离启动火电机组厂用电时的系统电压及频率的稳定问题。在黑启动恢复初期，待启动机组大多都会选择风机、水泵等感应电机，感应电机由于其自身特性，在启动初期会出现远远大于额定值的启动电流，这会对系统电压、频率造成很大冲击，此时电网系统结构仍处于不稳定状态，更加加大了冲击的力度，甚至导致系统因为电压和频率的严重下降而再次崩溃。因此，为保证黑启动恢复过程的顺利进行，需要对光储电站带动厂用机组过程中系统的电压和频率的稳定问题进行详细的建模仿真研究，光储电站经过逆变器后对空载长线路进行充电，再启动厂用异步电动机的试验，在0.5秒时对35kV的空载长线路充电，等到电压和频率稳定后，在1秒时启动异步电动机，接线图如图6所示，系统相电压波形，如图10所示，电动机端相电压波形如图11所示，由图10可知，系统相电压波形一直稳定在幅值311V左右(相电压有效值为220V)，且为三相对称的正弦波形，符合要求；由图11可知，在启动厂用异步电机的时候，电动机端过电压幅值为520V左右，在规定的规定倍数范围之内，符合要求。

综上所述，本发明的基于光储发电系统的电网黑启动方法，能够实现利用光储发电系统对断电后的电网进行逐步恢复的功能，保证了黑启动过程中电网电压幅值和频率的稳定性，节能环保，方法合理、有效、可行，满足电网发展和工程实际应用的需求，具有良好的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.基于光储发电系统的电网黑启动方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤(A)，基于改进MTTP策略的光伏阵列单向Boost变换器控制策略，并对单向Boost的PWM变换器调制信号进行扰动观察，使光伏阵列实现快速跟踪负荷功率变化，且光伏阵列功率输出逐渐趋近于负荷需求功率；

步骤(B)，基于电压外环控制结构的双向Buck/Boost变换器控制策略，对储能单元部分进行控制，并通过控制晶闸管的PWM调制信号来维持直流母线电压的稳定；

步骤(C)，根据恒压恒频的V/f控制策略，控制黑启动过程中逆变器输出电压幅值和频率的稳定，并基于d、q旋转坐标系下改进的双环控制，实现对电压幅值和频率的快速调节和实时跟踪；

步骤(D)，基于光储发电系统的电网黑启动方法，并通过一次性合闸方法对长距离空载输电线进行充电后再启动厂用异步电动机，实现电网的黑启动。

2.根据权利要求1所述的基于光储发电系统的电网黑启动方法，其特征在于：步骤(A)，基于改进MTTP策略的光伏阵列单向Boost变换器控制策略，具体如下，

(A1)光伏阵列输出最大功率小于负荷需求功率时，光伏发电采取MPPT模式输出，不足功率由储能单元提供补偿；

(A2)光伏阵列输出最大功率大于负荷需求功率时，光伏发电采取限功率模式输出，输出功率等于负荷需求功率。

3.根据权利要求1所述的基于光储发电系统的电网黑启动方法，其特征在于：步骤(B)，基于电压外环控制结构的双向Buck/Boost变换器控制策略，对储能单元部分进行控制，并通过控制晶闸管的PWM调制信号来维持直流母线电压的稳定，具体如下，

(B1)当光伏阵列输出功率输出高于负荷需求功率时，则多余的功率向储能单元充电；

(B2)当光伏阵列输出功率输出低于负荷需求功率时，则储能单元向双向Buck/Boost变换器放电，采用电压外环控制结构，通过控制作用在晶体管的PWM调制信号，维持直流母线电压的稳定，保证光伏阵列输出功率、负荷需求功率的实时平衡。

4.根据权利要求1所述的基于光储发电系统的电网黑启动方法，其特征在于：步骤(C)，根据恒压恒频的V/f控制策略，控制黑启动过程中逆变器输出电压幅值和频率的稳定，并基于d、q旋转坐标系下改进的双环控制，实现对电压幅值和频率的快速调节和实时跟踪，包括以下步骤，

(C1)根据恒压恒频的V/f控制策略，通过设置电压参考值的虚拟锁相环进行恒压恒频的控制，保证分布式电源输出的电压和频率保持在恒定值，实现控制黑启动过程中逆变器输出电压幅值和频率的稳定；

(C2)基于d、q旋转坐标系下改进的双环控制，实现对电压幅值和频率的快速调节和实时跟踪，

在旋转d、q坐标系下采用双环控制，d轴和q轴的控制器设计一致，且两个轴可分开单独控制，根据电路原理，逆变器方程，如公式(1)所示，

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{Ln}}{dt}=v_n-u_n\\ C\frac{{\mathrm{du}}_n}{dt}=i_{Ln}-(i_{0n}+i_{Zn})\end{array}\right.,(n=a,b,c)---\left(1\right)$

其中，L为滤波电感、C为滤波电容，i_Ln为输出电流即为滤波电感电流、v_n为逆变器桥输出电压、u_n为负载电压即为滤波电容电压、i_On为流向微电网馈线的电流、i_Zn为负载电流；

设电流内环比例控制器在S域下的传递函数为k，电压外环比例积分控制器在S域下的传递函数为k_up+k_ui/S，其中，k_up为可调比例系数，k_ui为可调比例系数与可调积分时间常数的比，SPWM控制逆变器传递函数为k_pwm，一般取k_pwm＝V_dc/2，V_dc为逆变器直流侧电压；逆变器为强耦合系统，为了分开建立d轴和q轴的控制器，在逆变器方程中加入-ωCu_d-ref、ωCu_q-ref两个前馈解耦环节，构成单轴逆变器的S域控制函数，前馈解耦环节中，ω为电网系统的参考角频率，C为滤波电容值，u_d-ref为d轴参考电压，u_q-ref为q轴参考电压，若参考电压为三相对称的基频正弦波，则d轴参考电压u_d-ref为基波幅值，q轴参考电压u_q-ref＝0，电流内环以i_Cn-ref为单轴逆变器输入，i_Cn为单轴逆变器输出，其在S域下的传递函数，如公式(2)所示，

$i_{Cn}=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}CS}{{\mathrm{LCS}}^2+{\mathrm{kk}}_{pwm}CS+1}{i}_{Cn-ref}-\frac{{\mathrm{LCS}}^2}{{\mathrm{LCS}}^2+{\mathrm{kk}}_{pwm}CS+1}(i_{0n}+i_{2n})---\left(2\right)$

电流比例增益传递函数G_i(S)，如公式(3)所示，

$G_i\left(S\right)=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}CS}{{\mathrm{LCS}}^2+{\mathrm{kk}}_{pwm}CS+1}---\left(3\right)$

电压外环以u_n-ref为单轴逆变器输入，u_n为单轴逆变器输出，其的传递函数，如公式(4)所示，

$(u_{n-ref}-u_n)(k_{up}+\frac{k_{ui}}{S})+u_{n-ref}CS=i_{Cn-ref}---\left(4\right)$

根据公式(2)和公式(4)，得到公式(5)，

u_n＝G_u(S)u_n-ref-Z(S)(i_0n+i_zn) (5)

其中，电压比例增益传递函数为下式，

$G_u\left(S\right)=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}{\mathrm{CS}}^2+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up}S+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{ui}}{{\mathrm{LCS}}^3+{\mathrm{kk}}_{pwm}{\mathrm{CS}}^2+(1+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up})S+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{ui}}$

单轴逆变器的等效输出阻抗为下式，

$Z\left(S\right)=\frac{{\mathrm{LS}}^2}{{\mathrm{LCS}}^3+{\mathrm{kk}}_{pwm}{\mathrm{CS}}^2+(1+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up})S+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{ui}}$

根据公式(1)-公式(5)，得到双环控制的闭环传递函数是一个三阶系统，采用极点配置法进行控制器的参数配置，

双环控制系统的闭环特征根D(S)，如公式(6)所示，

$D\left(S\right)=S^3+\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}}{L}{S}^2+\frac{1+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up}}{LC}S+\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{ui}}{LC}---\left(6\right),$

双环控制系统的期望特征方程，如公式(7)所示，

$\begin{array}{c}{D}_r\left(S\right)=(S-S_1)(S-S_2)(S-S_3)=(S^2+2{\mathrm{\ξ\ω}}_{r}S+{\mathrm{\ω}}_r^2)(S+\\ {\mathrm{m\ξ\ω}}_r)\end{array}---\left(7\right)$

其中，为主导闭环期望极点，S₃＝-mξω_r为非主导闭环期望极点，m为开环极点数，ω为参考角频率，ω_r为自然振荡频率、ξ为期望阻尼比，对比公式(6)和公式(7)，得到公式(8)，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ξ\ω}}_r(2+m)=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}}{L}\\ {\mathrm{\ω}}_r^2(1+2{\mathrm{m\ξ}}^2)=\frac{1+{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up}}{LC}\\ {\mathrm{m\ξ\ω}}_r^3=\frac{{\mathrm{kk}}_{pwm}{k}_{up}}{LC}\end{array}\right.---\left(8\right)$

整理后，得到公式(9)，

$\left\{\begin{array}{c}k=\frac{{\mathrm{\ξ\ω}}_r(2+m)L}{k_{pwm}}\\ k_{up}=\frac{{\mathrm{\ω}}_r^2(1+2{\mathrm{m\ξ}}^2)LC-1}{{\mathrm{kk}}_{pwm}}\\ k_{ui}=\frac{{\mathrm{m\ξ\ω}}_r^{3}LC}{{\mathrm{kk}}_{pwm}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

从公式(9)得到，电流内环的频带较宽，动态性能好，能够实现实时跟踪，相位裕度相对较大，但不如电压外环稳定；电压外环的相位裕度很大，超调量较小，稳定性较好，两者配合得到改进的双环控制系统，稳定性高。

5.根据权利要求1所述的基于光储发电系统的电网黑启动方法，其特征在于：步骤(D)，基于光储发电系统的电网黑启动方法，并通过一次性合闸方法对长距离空载输电线进行充电后再启动厂用异步电动机，实现电网的黑启动，包括以下步骤，

(D1)对长距离空载输电线进行充电

在黑启动过程中，光储发电系统作为黑启动电源，需要对长距离空载输电线路充电并带动厂用机组发电，恢复电力系统中的主力机组，实现逐步恢复电力系统供电，在空充长线路时，其电容效应使得空载长线路末端电压远高于首端电压，此时，工频过电压的大小将直接操作过电压的幅值，进而影响电气设备的绝缘、运行性能以及保护电器的工作条件，在电力设备绝缘中，根据DL/T620-1997过电压保护标准对操作过电压倍数，在光储发电系统作为黑启动电源时，采用一次性合闸方式对长距离空载输电线进行充电；

(2)启动电厂异步电动机

在对长距离空载输电线路充电的过程中，若工频过电压和操作过电压均在DL/T620-1997规定范围内，光储发电系统在对空载长线路充电后启动异步电动机，进一步保证远距离启动火电机组厂用电时的电力系统电压及频率的稳定。