CN106972533A - 一种海岛微电网黑启动的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海岛微电网黑启动的系统及方法。该系统以直驱式波浪发电系统为黑启动电源，且黑启动电源通过输电线路与海岛微电网主网连接，所述直驱式波浪发电系统包括多个支路，每个支路分别包括波浪发电机组、PWM整流器和PWM逆变器；所述海岛微电网主网与直驱式波浪发电系统支路的并网点处并联设置储能设备以及无功补偿装置。方法为：采用直驱式波浪发电系统作为黑启动电源，直驱式风电机组作为备用黑启动电源；采用波浪发电机组、储能设备和无功补偿装置协调控制，通过有序地投入波浪发电机组，恢复海岛微电网供电。本发明具有辅助设备简单，启动速度快及运行成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统安全控制技术领域，特别是一种海岛微电网黑启动的系统及方法。
背景技术
近年来，由于分布式发电技术的不断发展，使得微电网以及其相关技术得到了越来越多的关注。微电网系统因为其发电模式灵活可靠，以及能够对局部电网提供良好的支持，成为了电网及电力电子未来发展的一个方向。为提高供电可靠性，当主电网处于运行维护或发生故障时，配有独立控制系统的微电网可运行于离网状态，从而可以实现对局部电网的稳定供电。由于海岛一般远离陆地，如果要并网运行，需要铺设海底电缆，成本太高，故一般海岛微电网都为离网型微电网。离网状态下，当海岛微电网发生故障时，应该具有黑启动能力。黑启动，是指供电系统因故障停运后，不依赖于其他网络帮助，由自身系统中具有自启动能力的发电机组带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个供电系统的电力恢复。
对于电力系统的黑启动问题，目前国内外已对此有所研究，但这些研究成果主要针对传统电网的黑启动，而很少涉及到微电网的黑启动。传统黑启动方案主要应用于比较大型的电网，与之相比，微电网系统大多属于中低压配电网，其内部电源大部分为逆变器型电源，这些电力电子装置的控制更为灵活，响应时间更短，但其过载能力、故障穿越能力和单机发电容量都比传统旋转机械类电源要小很多。微电网系统无法直接照搬传统电网的黑启动方案，同时由于用户对于分布式电源可靠性要求的不断提高，因此研究微电网的黑启动得到了越来越多的关注。
目前，因为对波浪发电的间歇性、直驱式波浪发电系统有功无功控制能力、直驱式波浪发电系统黑启动过程中功率动态平衡问题等解决方案的匮乏，国内外缺乏对直驱式波浪发电系统参与海岛微电网黑启动过程的实质性研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种辅助设备简单，启动速度快及运行成本低的海岛微电网黑启动的系统及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种海岛微电网黑启动的系统，以直驱式波浪发电系统为黑启动电源，且黑启动电源通过输电线路与海岛微电网主网连接，所述直驱式波浪发电系统包括多个支路，每个支路分别包括波浪发电机组、PWM整流器和PWM逆变器；所述海岛微电网主网与直驱式波浪发电系统支路的并网点处并联设置储能设备以及无功补偿装置。
进一步地，所述储能设备为铅酸蓄电池储能设备。
进一步地，所述无功补偿装置为TSC-TCR型无功补偿装置SVC。
一种海岛微电网黑启动的方法，包括以下步骤：
步骤1，当海岛微电网发生故障停电时，直驱式波浪发电能量管理系统对各波浪发电机组进行运行分析及发电预测，并判断直驱式波浪发电系统的预期发电功率是否充足：如果充足则将直驱式波浪发电系统作为电网黑启动的电源，并进行步骤2；否则采用备用黑启动电源，转入步骤5；
步骤2，将此时的直驱式波浪发电系统输出功率与海岛微电网辅机启动所需功率进行比较，调整直驱式波浪发电系统输出功率；
步骤3，判断直驱式波浪发电系统输出功率是否达到海岛微电网辅机全部启动的最低标准：
如果没有达到，则通过PWM整流器、PWM逆变器、无功补偿装置以及储能设备进行调节，返回步骤2；
如果达到了，则在海岛微电网主网与所述直驱式波浪发电系统支路的并网点处，对直驱式波浪发电系统的输出电能质量进行检测，并进入步骤4；
步骤4，检测直驱式波浪发电系统的输出电压是否在标准范围内，如果不在标准范围内，通过投切无功补偿装置或调整逆变器的输出功率因数，直至输出电压在标准范围内；然后检测直驱式波浪发电系统的输出频率是否在标准范围内，如果不在标准范围内，通过调整储能设备的出力，直至输出频率在标准范围内；此时直驱式波浪发电系统的输出电能质量符合海岛微电网辅机启动的最低标准；
步骤5，逐步按批次恢复海岛微电网辅机供电，恢复海岛微电网供电。
进一步地，步骤1中所述海岛微电网为风光波柴蓄海岛微电网，该海岛微电网的电源包括风力发电机组、光伏阵列、直驱式波浪发电机组以及柴油发电机，储能设备为铅酸蓄电池。
进一步地，步骤1中所述直驱式波浪发电能量管理系统与各波浪发电机组相连接，能够对各波浪发电机组进行运行分析及发电预测。
进一步地，步骤1中所述备用黑启动电源为具有自启动能力的直驱式风力发电机组。
进一步地，步骤1中所述直驱式波浪发电系统的预期发电功率充足是指：储能设备荷电状态大于0.2，直驱式波浪发电系统在未来六小时内能稳定输出电能。
进一步地，步骤2中所述调整直驱式波浪发电系统输出功率，具体如下：
通过增加波浪发电机组的运行数量，提高直驱式波浪发电系统输出功率，通过减少波浪发电机组的运行数量，降低直驱式波浪发电系统输出功率；
若直驱式波浪发电系统的输出功率达到海岛微电网辅机全部启动所需的功率值，则维持稳定的输出功率，若输出功率未达到海岛微电网辅机全部启动所需的功率值，则通过投运波浪发电机组的方式增加直驱式波浪发电系统的输出功率。
进一步地，步骤3中所述海岛微电网辅机全部启动的最低标准为：直驱式波浪发电系统输出功率达到了海岛微电网辅机全部启动所需功率值的一半。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用直驱式波浪发电系统作为黑启动电源，直驱式波浪发电系统参与海岛微电网黑启动，辅助设备简单、启动速度快、运行成本低，在电网相对薄弱又缺少水电的海岛，直驱式波浪发电系统参与黑启动具有更为广泛的应用价值；(2)采用直驱式波浪发电系统为黑启动电源，直驱式风电机组为备用黑启动电源，在海岛微电网故障极端情况下，仅利用单一黑启动电源，难以恢复海岛微电网供电，而采用直驱式波浪发电系统为黑启动电源，直驱式风电机组为备用黑启动电源的多电源黑启动能更可靠、更迅速的恢复海岛微电网。
附图说明
图1为本发明的海岛微电网黑启动系统结构示意图。
图2为本发明直驱式波浪发电系统参与海岛微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
本发明提供了一种海岛微电网黑启动系统，以及直驱式波浪发电系统参与海岛微电网黑启动的方法。以恢复海岛微电网供电为目标，采用波浪发电机组、铅酸蓄电池储能设备和无功补偿装置SVC协调控制，通过有序地投入波浪发电机组，恢复海岛微电网供电。
结合图1，本发明海岛微电网黑启动的系统，以直驱式波浪发电系统为黑启动电源，且黑启动电源通过输电线路与海岛微电网主网连接，所述直驱式波浪发电系统包括多个支路，每个支路分别包括波浪发电机组、PWM整流器和PWM逆变器；所述海岛微电网主网与直驱式波浪发电系统支路的并网点处并联设置储能设备以及无功补偿装置。
进一步地，所述储能设备为铅酸蓄电池储能设备。
进一步地，所述无功补偿装置为TSC-TCR型无功补偿装置SVC。
结合图2，本发明海岛微电网黑启动的方法，包括以下步骤：
步骤1，当海岛微电网发生故障停电时，直驱式波浪发电能量管理系统对各波浪发电机组进行运行分析及发电预测，并判断直驱式波浪发电系统的预期发电功率是否充足：如果充足则将直驱式波浪发电系统作为电网黑启动的电源，并进行步骤2；否则采用备用黑启动电源，转入步骤5；
步骤2，将此时的直驱式波浪发电系统输出功率与海岛微电网辅机启动所需功率进行比较，调整直驱式波浪发电系统输出功率；
步骤3，判断直驱式波浪发电系统输出功率是否达到海岛微电网辅机全部启动的最低标准：
如果没有达到，则通过PWM整流器、PWM逆变器、无功补偿装置以及储能设备进行调节，返回步骤2；
如果达到了，则在海岛微电网主网与所述直驱式波浪发电系统支路的并网点处，对直驱式波浪发电系统的输出电能质量进行检测，并进入步骤4；
步骤4，检测直驱式波浪发电系统的输出电压是否在标准范围内，如果不在标准范围内，通过投切无功补偿装置或调整逆变器的输出功率因数，直至输出电压在标准范围内；然后检测直驱式波浪发电系统的输出频率是否在标准范围内，如果不在标准范围内，通过调整储能设备的出力，直至输出频率在标准范围内；此时直驱式波浪发电系统的输出电能质量符合海岛微电网辅机启动的最低标准；
步骤5，逐步按批次恢复海岛微电网辅机供电，恢复海岛微电网供电。
进一步地，步骤1中所述海岛微电网为风光波柴蓄海岛微电网，该海岛微电网的电源包括风力发电机组、光伏阵列、直驱式波浪发电机组以及柴油发电机，储能设备为铅酸蓄电池。
进一步地，步骤1中所述直驱式波浪发电能量管理系统与各波浪发电机组相连接，能够对各波浪发电机组进行运行分析及发电预测。
进一步地，步骤1中所述备用黑启动电源为具有自启动能力的直驱式风力发电机组。
进一步地，步骤1中所述直驱式波浪发电系统的预期发电功率充足是指：储能设备荷电状态大于0.2，直驱式波浪发电系统在未来六小时内能稳定输出电能。
进一步地，步骤2中所述调整直驱式波浪发电系统输出功率，具体如下：
通过增加波浪发电机组的运行数量，提高直驱式波浪发电系统输出功率，通过减少波浪发电机组的运行数量，降低直驱式波浪发电系统输出功率；
若直驱式波浪发电系统的输出功率达到海岛微电网辅机全部启动所需的功率值，则维持稳定的输出功率，若输出功率未达到海岛微电网辅机全部启动所需的功率值，则通过投运波浪发电机组的方式增加直驱式波浪发电系统的输出功率。
进一步地，步骤3中所述海岛微电网辅机全部启动的最低标准为：直驱式波浪发电系统输出功率达到了海岛微电网辅机全部启动所需功率值的一半。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
图1中的海岛微电网黑启动系统，包括：若干直驱式波浪发电机组、TSC-TCR型无功补偿装置SVC以及铅酸蓄电池储能设备，直驱式波浪发电系统支路包括直驱式波浪发电机组、PWM整流器和PWM逆变器，TSC-TCR型无功补偿装置SVC以及铅酸蓄电池储能设备并联设置在系统主网与所述直驱式波浪发电系统支路的并网点处，该系统通过输电线路与系统主网连接。
通过直驱式波浪发电机组自启动来保证直驱式波浪发电系统顺利启动，同时利用逆变器、铅酸蓄电池储能设备及无功补偿装置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。
直驱式波浪发电系统用电主要包括：照明用电，能量控制设备与监控设备用电，变压器以及线路损耗等。以一个总输出功率为200kW，含有50kW铅酸蓄电池储能的直驱式波浪发电系统为例，当海岛微电网发生故障停电后，直驱式波浪发电系统在1个小时黑启动工作时间中需要4kWh电量，当铅酸蓄电池储能设备荷电状态>0.2时，该储能设备就能够保证直驱式波浪发电系统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直驱式波浪发电系统具有充足的预期发电功率，判断直驱式波浪发电系统的预期发电功率充足是指：铅酸蓄电池储能设备荷电状态大于0.2，直驱式波浪发电系统在未来六小时内能稳定输出电能。若铅酸蓄电池储能设备荷电状态>0.2，直驱式波浪发电系统能正常运行，且未来六小时能稳定输出电能，则满足预期发电功率充足的条件，否则即为预期发电功率不足，采用备用黑启动电源(具有自启动能力的直驱式风电机组)进行微电网黑启动。
当上述条件都满足后，直驱式波浪发电系统自启动过程具体如下：
将此时的直驱式波浪发电系统输出功率与海岛微电网辅机启动所需功率进行比较，调整直驱式波浪发电系统输出功率，本实施例采用的波浪发电机组单台额定输出功率为20kW，通过增加波浪发电机组的运行数量，提高直驱式波浪发电系统输出功率，通过减少波浪发电机组的运行数量，降低直驱式波浪发电系统输出功率。
当直驱式波浪发电系统输出功率达到海岛微电网辅机全部启动所需的功率值的一半时，在海岛微电网主网与所述直驱式波浪发电系统支路的并网点处，对直驱式波浪发电系统的输出电能质量进行检测，若电能质量未达到海岛微电网辅机启动的最低标准，则通过PWM整流器、PWM逆变器、TSC-TCR型无功补偿装置SVC以及铅酸蓄电池储能设备进行调节，当输出电压不在正常范围内时，投切TSC-TCR型无功补偿装置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，调整铅酸蓄电池储能设备的出力；若直驱式波浪发电系统的输出电能质量符合海岛微电网辅机启动的最低标准，则逐步按批次恢复海岛微电网辅机供电，以此启动大容量风力机组和光伏阵列，逐步恢复海岛微电网。
直驱式波浪发电系统黑启动过程中，无功功率平衡主要依靠逆变器和TSC-TCR型无功补偿装置SVC，有功功率平衡及频率调整主要依靠铅酸蓄电池储能设备，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，则直驱式波浪发电系统接入点电压可控，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
TSC-TCR型无功补偿装置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具备减少器件浪费、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QCmax；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QLmax；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
当直驱式波浪发电系统对外供电时，由于直驱式波浪发电系统发出功率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。当系统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。
综上，传统的黑启动电源如水电机组或具有自启动能力的火电机组并不适用于海岛微电网，因地制宜，采用直驱式波浪发电系统作为黑启动电源，直驱式风电机组作为备用黑启动电源，并且该方法具有辅助设备简单，启动速度快及运行成本低的优点。因此，本方法对于海岛微电网具有很强的针对性和实用性，研究直驱式波浪发电系统参与海岛微电网黑启动的方法有助于为海岛微电网应对紧急事故提供迅速可靠的黑启动方案。
Claims (10)
1.一种海岛微电网黑启动的系统，其特征在于，以直驱式波浪发电系统为黑启动电源，且黑启动电源通过输电线路与海岛微电网主网连接，所述直驱式波浪发电系统包括多个支路，每个支路分别包括波浪发电机组、PWM整流器和PWM逆变器；所述海岛微电网主网与直驱式波浪发电系统支路的并网点处并联设置储能设备以及无功补偿装置。
2.根据权利要求1所述的海岛微电网黑启动的系统，其特征在于，所述储能设备为铅酸蓄电池储能设备。
3.根据权利要求1所述的海岛微电网黑启动的系统，其特征在于，所述无功补偿装置为TSC-TCR型无功补偿装置SVC。
4.一种海岛微电网黑启动的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，当海岛微电网发生故障停电时，直驱式波浪发电能量管理系统对各波浪发电机组进行运行分析及发电预测，并判断直驱式波浪发电系统的预期发电功率是否充足：如果充足则将直驱式波浪发电系统作为电网黑启动的电源，并进行步骤2；否则采用备用黑启动电源，转入步骤5；
步骤2，将此时的直驱式波浪发电系统输出功率与海岛微电网辅机启动所需功率进行比较，调整直驱式波浪发电系统输出功率；
步骤3，判断直驱式波浪发电系统输出功率是否达到海岛微电网辅机全部启动的最低标准：
如果没有达到，则通过PWM整流器、PWM逆变器、无功补偿装置以及储能设备进行调节，返回步骤2；
如果达到了，则在海岛微电网主网与所述直驱式波浪发电系统支路的并网点处，对直驱式波浪发电系统的输出电能质量进行检测，并进入步骤4；
步骤4，检测直驱式波浪发电系统的输出电压是否在标准范围内，如果不在标准范围内，通过投切无功补偿装置或调整逆变器的输出功率因数，直至输出电压在标准范围内；然后检测直驱式波浪发电系统的输出频率是否在标准范围内，如果不在标准范围内，通过调整储能设备的出力，直至输出频率在标准范围内；此时直驱式波浪发电系统的输出电能质量符合海岛微电网辅机启动的最低标准；
步骤5，逐步按批次恢复海岛微电网辅机供电，恢复海岛微电网供电。
5.根据权利要求4所述的海岛微电网黑启动的方法，其特征在于，步骤1中所述海岛微电网为风光波柴蓄海岛微电网，该海岛微电网的电源包括风力发电机组、光伏阵列、直驱式波浪发电机组以及柴油发电机，储能设备为铅酸蓄电池。
6.根据权利要求4所述的海岛微电网黑启动的方法，其特征在于，步骤1中所述直驱式波浪发电能量管理系统与各波浪发电机组相连接，能够对各波浪发电机组进行运行分析及发电预测。
7.根据权利要求4所述的海岛微电网黑启动的方法，其特征在于，步骤1中所述备用黑启动电源为具有自启动能力的直驱式风力发电机组。
8.根据权利要求4所述的海岛微电网黑启动的方法，其特征在于，步骤1中所述直驱式波浪发电系统的预期发电功率充足是指：储能设备荷电状态大于0.2，直驱式波浪发电系统在未来六小时内能稳定输出电能。
9.根据权利要求4所述的海岛微电网黑启动的方法，其特征在于，步骤2中所述调整直驱式波浪发电系统输出功率，具体如下：
通过增加波浪发电机组的运行数量，提高直驱式波浪发电系统输出功率，通过减少波浪发电机组的运行数量，降低直驱式波浪发电系统输出功率；
若直驱式波浪发电系统的输出功率达到海岛微电网辅机全部启动所需的功率值，则维持稳定的输出功率，若输出功率未达到海岛微电网辅机全部启动所需的功率值，则通过投运波浪发电机组的方式增加直驱式波浪发电系统的输出功率。
10.根据权利要求4所述的海岛微电网黑启动的方法，其特征在于，步骤3中所述海岛微电网辅机全部启动的最低标准为：直驱式波浪发电系统输出功率达到了海岛微电网辅机全部启动所需功率值的一半。
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| CN201710289066.0A Pending CN106972533A (zh) | 2017-04-27 | 2017-04-27 | 一种海岛微电网黑启动的系统及方法 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN106972533A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110190629A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-08-30 | 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 | 一种基于氢燃料电池的孤岛综合能源系统及其控制方法 |
| CN112531747A (zh) * | 2020-11-05 | 2021-03-19 | 上海红檀智能科技有限公司 | 一种储能与无功补偿协调控制系统及方法 |
| CN114481179A (zh) * | 2021-12-25 | 2022-05-13 | 智寰(北京)氢能科技有限公司 | 中压直流汇集型可再生能源发电制氢系统及其工作方法 |
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-
2017
- 2017-04-27 CN CN201710289066.0A patent/CN106972533A/zh active Pending
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