CN109301861B - 一种光伏与光热系统协调发电的黑启动系统及其恢复方法 - Google Patents

一种光伏与光热系统协调发电的黑启动系统及其恢复方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109301861B
CN109301861B CN201811073006.6A CN201811073006A CN109301861B CN 109301861 B CN109301861 B CN 109301861B CN 201811073006 A CN201811073006 A CN 201811073006A CN 109301861 B CN109301861 B CN 109301861B
Authority
CN
China
Prior art keywords
power
photovoltaic
output
photothermal
thermal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201811073006.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109301861A (zh
Inventor
高山
张一清
赵亮
李红霞
刘宇
王湘艳
李俊贤
张祥成
侯胜林
温生毅
郭树锋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
State Grid Corp of China SGCC
Southeast University
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Economic and Technological Research Institute of State Grid Qianghai Electric Power Co Ltd
Original Assignee
State Grid Corp of China SGCC
Southeast University
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Economic and Technological Research Institute of State Grid Qianghai Electric Power Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by State Grid Corp of China SGCC, Southeast University, China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI, Economic and Technological Research Institute of State Grid Qianghai Electric Power Co Ltd filed Critical State Grid Corp of China SGCC
Priority to CN201811073006.6A priority Critical patent/CN109301861B/zh
Publication of CN109301861A publication Critical patent/CN109301861A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109301861B publication Critical patent/CN109301861B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • H02J3/382—Dispersed generators the generators exploiting renewable energy
    • H02J3/383—Solar energy, e.g. photovoltaic energy
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/18—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2203/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J2203/20—Simulating, e g planning, reliability check, modelling or computer assisted design [CAD]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/10—Flexible AC transmission systems [FACTS]

Abstract

本发明公开了一种光伏与光热系统协调发电的黑启动系统及其恢复方法，属于发电、变电或配电的技术领域。黑启动系统包括：并接在交流母线上的光热系统及光伏系统、向交流母线注入补偿电流的静止同步补偿器、协调控制器，以恢复远距离火电站火电厂辅机设备为目标，在功率协调的基础上确保实时电压频率稳定，通过对光伏列阵并联数目的选取、光热电站的输出功率控制及储热系统蓄放热状态的切换分别控制光伏电站以及光热电站，控制综合系统输出功率大小，满足实时的负荷需求。

Description

一种光伏与光热系统协调发电的黑启动系统及其恢复方法
技术领域
本发明公开了一种光伏与光热系统协调发电的黑启动系统及其恢复方法，属于发电、变电或配电的技术领域。
背景技术
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。黑启动初期作为电力系统恢复的关键时期，其关键技术在于黑启动电源的选型以及黑启动恢复策略的选定。
光伏发电以及光热发电作为清洁能源，由于其并网迅速且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，但光资源的间歇性特点导致光伏发电存在不确定性，光伏实际出力受环境影响较大，在导致弃光问题的同时也给黑启动过程造成功率供给不足的问题，从而导致黑启动失败。针对光伏发电的不确定性，传统的解决方法是为光伏电站配置电池组件，但电池材料存在容量小、成本高、发展空间不足等问题成为制约光伏电站作为黑启动电源的重要因素。
目前，熔盐储热技术的发展相对于储电技术具有容量大、成本低的优势，具有更广的应用前景。而含有大容量储热系统的光热电站具有良好的功率调节性能，其调节性能可以媲美传统的发电机组，但是由于目前光热电站的建设费用以及度电成本相对较高，单独的光热电站作为黑启动电源效益不足，影响了光热电站项目建设的推进。
综上，现有新能源黑启动技术主要集中在对储能型光伏电站的研究，光伏电站受光照资源影响较大，电池储能容量小、成本高、发展空间小，含储热系统的光热电站作为黑启动电源调节性能良好，储热系统容量大、成本低，含储热系统的光热电站在黑启动中具有较大的应用前景。研究两种太阳能发电技术的综合利用对于降低发电成本以及保证系统稳定具有重要的意义。
光伏-光热联合发电基地既可以有效地结合光伏发电的经济性又可以具有含储热的光热电站的功率调节特性，为新能源电源作为黑启动电源提供了有利的条件。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种光伏与光热系统协调发电的黑启动系统及其恢复方法，通过协调控制光伏电站以及含有储热系统的光热电站实现了电网黑启动恢复过程中的功率平衡以及电压频率稳定，克服了单独以光伏为黑启动电源存在的功率不足缺陷以及单独以光热为黑启动电源存在的电源效益不足缺陷。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案。
一种光伏与光热系统协调发电的黑启动系统，包括：由多个串并联连接的光伏电源组成的光伏系统、集中式光热电站和储热系统组成的光热系统、无功补偿装置STATCOM、协调控制器，并且光伏、光热系统在并网点处汇集并通过输电线路与待启动机组相连，光伏电源主要包括光伏列阵、逆变器以及并网变压器，集中式光热电站采用塔式系统且主要包括集热塔、汽轮机、发电机以及并网变压器，储热系统为大容量的储热装置，大容量储热装置与集热塔并联且与汽轮机输入端口相连。
太阳能光伏与光热联合发电系统参与电网黑启动恢复的策略主要包括以下四个步骤：
(1)储热系统初始容量充足，协调控制器获取当前光伏电站以及光热电站的运行状态，主要包括当前允许的最大功率输出以及当前实际运行功率，根据设定的负荷恢复计划为光伏、光热系统分配给定功率；
(2)根据协调控制器指令(光伏、光热系统给定功率)，光热系统通过调整储热系统的运行状态以稳定光热电站输出，通过改进的最大功率输出控制方法调整光伏系统出力直至达到给定值；
(3)协调控制器预期光伏光热联合系统可供使用的功率值，若达到启动火电厂辅机设备的功率值，则获取火电厂辅机设备当前机端电压和频率，当并网交流侧电压不满足启动要求时，控制无功补偿装置STATCOM调节并网交流侧电压的幅值相角，闭环调节光热系统的励磁系统以稳定发电机输出电压，当并网交流侧频率不满足启动要求时，调整储热系统出力以对光伏光热联合系统的有功功率进行微调，从而控制并网交流侧频率稳定；
(4)当并网交流侧电压和频率均满足启动需求时，光伏光热联合系统带动远距离的火电厂辅机设备启动，火电厂辅机设备在协调控制器的调度下启动火电厂火电机组，火电机组在协调控制器的调度下进行后续的常规机组黑启动恢复。
步骤(1)中储热系统初始容量充足是指大容量储热装置的初始储热容量可以多小时连续输出有功功率，光伏、光热系统受光照条件制约，在夜晚等完全无光情况下的黑启动需要依靠储热系统提供初始的能量，储热系统需要提供持续的能量输出，根据经典系统恢复阶段的时间特点，需要储热系统提供至少5h的持续功率输出。
步骤(1)中，首先，根据负荷需求、光伏光热运行状态以及储热系统蓄热状态确定光伏-光热联合发电系统有功功率P的参考值P*：当
Figure BDA0001800050070000031
时，若储热系统储热不足，设置
Figure BDA0001800050070000032
若储热装置储热充足，设置
Figure BDA0001800050070000033
当
Figure BDA0001800050070000034
时，若储热系统尚未充满，设置
Figure BDA0001800050070000035
若储热装置已充满，设置
Figure BDA0001800050070000036
Figure BDA0001800050070000037
为t时刻负荷的有功功率需求，
Figure BDA0001800050070000038
为t时刻光伏电站输出有功功率，
Figure BDA0001800050070000039
为t时刻光热电站输出有功功率，然后，按照光热系统功率优先输出、光伏系统弥补黑系统功率缺额的原则确定光伏系统、光热系统各自的给定功率，
Figure BDA00018000500700000310
Figure BDA00018000500700000311
为t时刻光伏系统的给定功率，
Figure BDA00018000500700000312
为t时刻光热系统的给定功率。
步骤(2)中光热系统通过调整储热系统的运行状态以稳定光热电站输出是指t时刻光热电站的光场部分由光能转化为热能：
Figure BDA00018000500700000313
其中，
Figure BDA00018000500700000314
为t时刻光热电站转换光能得到的热能(即，光场输入的功率)，ηsf为光能转化为热能的效率，Ssf为光场定日镜总面积，ID为法向光照强度，
Figure BDA00018000500700000315
为由光场输送到发电机组的热能，
Figure BDA00018000500700000316
为储热系统蓄热功率，
Figure BDA00018000500700000317
为储热系统放热功率，光热电站发电机组发出的功率为
Figure BDA00018000500700000318
根据等式约束可知，发电机组输出功率等于储热系统放热功率与输送至发电机组的功率之和：
Figure BDA00018000500700000319
光场输入的功率等于储热系统蓄热功率与输送至发电机组的功率之和：
Figure BDA00018000500700000320
并且储热系统蓄热与放热状态不可同时进行，即，
Figure BDA00018000500700000321
当光照充足，
Figure BDA00018000500700000322
时，
Figure BDA00018000500700000323
储热系统处于蓄热状态；当光照不充足，
Figure BDA00018000500700000324
时，
Figure BDA00018000500700000325
Figure BDA00018000500700000326
储热系统处于放热状态；当
Figure BDA00018000500700000327
Figure BDA0001800050070000041
时，
Figure BDA0001800050070000042
储热系统处于热稳定状态。储热系统能量函数为
Figure BDA0001800050070000043
其中，
Figure BDA0001800050070000044
分别为t时刻、t-1时刻储热系统的能量，ρ为耗散系数，Δt为采样时间间隔，Xt为0-1的变量。
步骤(2)中改进最大功率输出控制是指：按照最大功率输出控制(MPPT，MaximumPower Point Tracking)光伏列阵时，光伏列阵可以输出的最大功率为
Figure BDA0001800050070000045
当光伏列阵可以输出的最大功率
Figure BDA0001800050070000046
大于光伏系统t时刻的给定功率
Figure BDA0001800050070000047
时，光伏发电采取限功率输出模式，光伏电站t时刻的输出功率
Figure BDA0001800050070000048
满足：
Figure BDA0001800050070000049
当光伏列阵可以输出的最大功率
Figure BDA00018000500700000410
小于光伏系统t时刻的给定功率
Figure BDA00018000500700000411
时，光伏发电采取传统的MPPT输出模式，光伏电站t时刻的输出功率满足：
Figure BDA00018000500700000412
该改进的最大功率输出控制将光伏电站有功功率的调节范围扩大至0至光伏电站最大有功输出，有利于光伏电站有功功率输出快速响应黑启动过程中光伏系统的给定功率，而仅采用MPPT则因将最大功率输出控制运行点限制在P-V曲线顶端存在调节范围较小的缺陷。
步骤(3)中协调控制器预期光伏光热联合系统可供使用的功率值是指根据预测的辐照度曲线(包括法向辐射ID和全辐射Ib)、光热电站能量输出由法向辐射ID计算：
Figure BDA00018000500700000413
光伏电站能量输出由：
Figure BDA00018000500700000414
计算，
Figure BDA00018000500700000415
其中，ηt为t时刻光能转化为电能的转化效率，Spv为光伏电池板的总面积，CT为功率温度系数，Tb为电池板温度，Tstc为标准测试环境下(800W/m2，20℃)电池板的温度，Te为环境温度，TNOCT为光伏电池额定状态温度。根据光照条件预测t时刻光伏光热联合系统可供功率
Figure BDA00018000500700000416
为：
Figure BDA00018000500700000417
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明对进一步研究光热电站与光伏电站联合发电系统参与黑启动中的功率协调具有指导意义。从协调光伏光热联合系统的功率输出出发建立了协调控制器，通过对光伏列阵并联数目的选取、光热电站的输出功率控制及储热系统蓄放热状态的切换分别控制光伏电站以及光热电站，控制综合系统输出功率大小，满足实时的负荷需求。
(2)本发明对光热电站与光伏电站联合发电系统参与黑启动的恢复策略设计具有建设价值。以恢复远距离火电站火电厂辅机设备为目标，在功率协调的基础上确保实时电压频率稳定，制定合理的负荷恢复策略，当负荷恢复完成后，再启动火电厂辅机设备，降低火电厂辅机设备启动过程中对系统的冲击。
附图说明
图1为本发明光伏光热联合发电系统组成的黑启动系统的结构示意图。
图2为本发明光伏光热联合发电系统参与黑启动过程的恢复策略流程图。
图3为储热系统动态控制流程图。
图4为本发明黑启动测试算例的电压结果图。
图5为本发明黑启动测试算例的频率结果图。
图6为本发明黑启动测试算例的无功功率结果图。
图7为本发明黑启动测试算例的有功功率结果图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
图1为光伏与光热系统协调发电的黑启动系统，包括：由多个串并联连接的光伏电源组成的光伏系统、集中式光热电站和储热系统组成的光热系统、无功补偿装置STATCOM、协调控制器，光伏、光热系统在并网点处汇集至35kV交流母线后，35kV交流母线出线上汇集的电能通过其出线上的变压器及输电线路传输至远端的330kV交流母线，火电厂辅机设备及负荷经厂用变压器和输电线路连接至其330kV交流母线。光伏电源主要包括光伏列阵、逆变器以及并网变压器，集中式光热电站采用塔式系统且主要包括集热塔、汽轮机、发电机以及并网变压器，储热系统为大容量的储热装置，大容量储热装置与集热塔并联且与汽轮机输入端口相连。
黑启动系统的工作过程分为四个阶段：第一阶段为光伏光热电站自启动，协调控制器启动光伏电站以及STATCOM，同时启动含储热系统的光热电站，达到电源自启动的功率平衡；第二阶段为网架恢复阶段，黑启动系统按照协调控制器指令调整功率输出，电源空载充电黑启动系统的输电线路以及联合系统出口变压器(35kV交流母线出线上的变压器)；第三阶段为负荷恢复阶段，负荷按照协调控制器的指令恢复，光伏光热联合发电系统调整功率输出；第四阶段为火电厂辅机设备以及火电机组设备启动阶段，协调控制器控制联合发电系统输出并且控制STATCOM无功补偿以及储热系统以稳定系统电压频率。
图2为光伏光热联合发电系统参与黑启动过程的恢复策略流程，以恢复远距离火电厂辅机设备为目标，利用光伏电站、光热电站以及储热系统协调运行，保证系统有功功率以及无功功率的平衡，并且利用光伏逆变器、无功补偿装置STATCOM以及储热装置进行电压频率调节。
光伏光热联合发电系统参与黑启动过程的恢复策略流程主要包括以下四个步骤：
(1)储热系统初始容量充足，协调控制器获取当前光伏电站以及光热电站的运行状态，主要包括当前允许的最大功率输出以及当前实际运行功率，根据设定的负荷恢复计划为光伏、光热系统分配给定功率；
(2)根据协调控制器指令，光热系统通过调整储热系统的运行状态以稳定光热电站输出，通过改进的最大功率输出控制方法调整光伏电站出力直至达到给定值；
(3)协调控制器预期光伏光热联合系统可供使用的功率值，若达到启动火电厂辅机设备的功率值，则获取火电厂辅机设备当前机端电压和频率，当并网交流侧电压不满足启动要求时，控制无功补偿装置STATCOM调节并网交流侧电压的幅值相角，闭环调节光热系统的励磁系统以稳定发电机输出电压，当火并网交流侧频率不满足启动要求时，调整储热系统出力以对光伏光热联合系统的有功功率进行微调，从而控制并网交流侧频率稳定；
(4)当并网交流侧电压和频率均满足启动需求时，光伏光热联合系统带动远距离的火电厂辅机设备启动，火电厂辅机设备在协调控制器的调度下启动火电厂火电机组，火电机组在协调控制器的调度下进行后续的常规机组黑启动恢复。
步骤(1)中储热系统初始容量充足是指大容量储热装置的初始储热容量可以多小时连续输出有功功率，光伏、光热系统受光照条件制约，在夜晚等完全无光情况下的黑启动需要依靠储热系统提供初始的能量，储热系统需要提供持续的能量输出，根据经典系统恢复阶段的时间特点，需要储热系统提供至少5h的持续功率输出。
步骤(1)中，首先，根据负荷需求、光伏光热运行状态以及储热系统蓄热状态确定光伏-光热联合发电系统有功功率P的参考值P*：当
Figure BDA0001800050070000061
时，若储热系统储热不足，设置
Figure BDA0001800050070000071
若储热装置储热充足，设置
Figure BDA0001800050070000072
当
Figure BDA0001800050070000073
时，若储热系统尚未充满，设置
Figure BDA0001800050070000074
若储热装置已充满，设置
Figure BDA0001800050070000075
Figure BDA0001800050070000076
为t时刻负荷的有功功率需求，
Figure BDA0001800050070000077
为t时刻光伏电站输出有功功率，
Figure BDA0001800050070000078
为t时刻光热电站输出有功功率。然后，按照光热系统功率优先输出、光伏系统弥补黑系统功率缺额的原则确定光伏系统、光热系统各自的给定功率，
Figure BDA0001800050070000079
Figure BDA00018000500700000710
为t时刻光伏系统的给定功率，
Figure BDA00018000500700000711
为t时刻光热系统的给定功率。
步骤(2)中光热系统通过调整储热系统的运行状态以稳定光热电站输出是指t时刻光热电站的光场部分由光能转化为热能：
Figure BDA00018000500700000712
其中，
Figure BDA00018000500700000713
为t时刻光热电站转换光能得到的热能(即，光场输入的功率)，ηsf为光能转化为热能的效率，Ssf为光场定日镜总面积，ID为法向光照强度，
Figure BDA00018000500700000714
为由光场输送到发电机组的热能，
Figure BDA00018000500700000715
为储热系统蓄热功率，
Figure BDA00018000500700000716
为储热系统放热功率，光热电站发电机组发出的功率为
Figure BDA00018000500700000717
根据等式约束可知，发电机组输出功率等于储热系统放热功率与输送至发电机组的功率之和：
Figure BDA00018000500700000718
光场输入的功率等于储热系统蓄热功率与输送至发电机组的功率之和：
Figure BDA00018000500700000719
并且储热系统蓄热与放热状态不可同时进行，即，
Figure BDA00018000500700000720
当光照充足，
Figure BDA00018000500700000721
时，
Figure BDA00018000500700000722
储热系统处于蓄热状态；当光照不充足，
Figure BDA00018000500700000723
时，
Figure BDA00018000500700000724
Figure BDA00018000500700000725
储热系统处于放热状态；当
Figure BDA00018000500700000726
Figure BDA00018000500700000727
时，
Figure BDA00018000500700000728
储热系统处于热稳定状态。储热系统能量函数为
Figure BDA00018000500700000729
其中，
Figure BDA00018000500700000730
分别为t时刻、t-1时刻储热系统的能量，ρ为耗散系数，Δt为采样时间间隔，Xt为0-1的变量。
步骤(2)中改进最大功率输出控制是指：按照最大功率输出控制(MPPT，MaximumPower Point Tracking)光伏列阵时，光伏列阵可以输出的最大功率为
Figure BDA00018000500700000731
当光伏列阵可以输出的最大功率
Figure BDA00018000500700000732
大于光伏系统t时刻的给定功率
Figure BDA00018000500700000733
时，光伏发电采取限功率输出模式，光伏电站t时刻的输出功率
Figure BDA0001800050070000081
满足：
Figure BDA0001800050070000082
当光伏列阵可以输出的最大功率
Figure BDA0001800050070000083
小于光伏系统t时刻的给定功率
Figure BDA0001800050070000084
时，光伏发电采取传统的MPPT输出模式，光伏电站t时刻的输出功率满足：
Figure BDA0001800050070000085
步骤(3)中协调控制器预期光伏光热联合系统可供使用的功率值是指根据预测的辐照度曲线(包括法向辐射ID和全辐射Ib)、光热电站能量输出由法向辐射ID计算：
Figure BDA0001800050070000086
光伏电站能量输出由：
Figure BDA0001800050070000087
计算，
Figure BDA0001800050070000088
其中，ηt为t时刻光能转化为电能的转化效率，Spv为光伏电池板的总面积，CT为功率温度系数，Tb为电池板温度，Tstc为标准测试环境下(800W/m2，20℃)电池板的温度，Te为环境温度，TNOCT为光伏电池额定状态温度。根据光照条件预测t时刻光伏光热联合系统可供功率
Figure BDA0001800050070000089
为：
Figure BDA00018000500700000810
黑启动过程中频率尽可能控制在49.5-50.5Hz之间，电压尽可能控制在0.9-1.1p.u.之间，过电压保护技术保护规程规定操作过电压最大倍数为4，并且投入电机后电压下降控制在0.70p.u以上。大规模光伏、光热并入电网后，其出力的不确定性增加了电网有功、无功运行控制的难度，需在分析大规模光伏、光热接入对电网运行控制影响基础上，结合光伏电站和光热电站的建设现状，设计适应大规模光伏接入的有功频率控制和无功电压控制系统架构。
本方法为了达到光伏电站以及光热电站在黑启动过程中的功率平衡以及电压频率稳定的目的，在协调控制器的控制下实现电力设备的投入或是参数调整。储热系统主要用于有功调节以及频率控制，STATCOM以及光伏逆变器主要用于无功调节以及电压控制，黑启动过程中启动火电厂辅机设备时会造成严重的电压暂降，无功功率平衡尤其关键。
有功功率调节以及频率控制主要通过储热系统的动态调节实现。基于单罐式储热系统，采用限制反向功率流运行方式实现含储热系统的光热电站在储热系统储热、储热系统放热和光热电站直接供热储热系统热稳定三种模式间的动态转化。限制反向功率流运行的控制原理是：当光伏光热输出总功率大于本地的负荷功率时，储热系统进入储热状态直至储热系统被充满；当光伏光热输出总功率小于或者等于本地的负荷功率时，储热系统进入放热状态以补充光伏-光热总输出功率的不足。
根据上述原理，设计如下算法获得光伏-光热联合发电系统有功功率P的参考值P*，程序流程如图3所示。
(1)当
Figure BDA0001800050070000091
时，若储热系统尚未储热，设置
Figure BDA0001800050070000092
将光伏光热的输出功率全部给负荷供电；若储热装置已储热，设置
Figure BDA0001800050070000093
由联合发电系统和储热系统共同满足负载功率需求。
(2)当
Figure BDA0001800050070000094
时，若储热系统尚未充满，设置
Figure BDA0001800050070000095
由光伏光热系统提供负荷功率，剩余光能输出由储热系统吸收；若储热装置已充满，设置
Figure BDA0001800050070000096
将光伏光热功率全部输出。
无功功率调节以及电压控制主要通过无功补偿装置STATCOM的动态调节实现，包括以下几个方面：
由于光伏电源主要依靠逆变器的控制策略实现调压调频，而逆变器的调节能力有限，在突然投切负荷时易对系统产生冲击。因此，在光伏电站自启动时，需要额外配置无功补偿装置以提供无功电压支撑，从而在系统恢复过程中达到系统无功平衡。STATCOM是当今无功补偿领域最新技术的代表，属于灵活柔性交流输电系统的重要组成部分，与其它FACTS装置相比，具有响应更快、补偿功能多样化、运行范围更宽的优势。
本申请运用的STATCOM控制方法从瞬时有功和无功能量在系统中传递的角度出发,以从电网吸收的有功电流为装置内部需补偿的有功电流(即保持直流侧电容C1电压稳定)和装置发出的无功电流为光伏系统需补偿的无功电流为目标,直接对光伏的输出电流进行控制,动态地补偿其运行过程中所需的无功电流。
该控制策略的关键部分在于对装置内部需补偿的有功目标电流和光伏系统需补偿的无功目标电流的求取,求取方法为：通过对电容C1周期变化的电压进行比例积分(PI)变换得到装置内部需补偿的有功目标电流,同时，保持直流侧电压稳定。光伏系统需补偿的无功目标电流通从负荷电流直接提取其无功分量获得。采用单周期采样环节保证输出有功电流及无功电流无畸变。
下面举一实施例。
取光照强度G＝1000W/m2，外界环境温度T＝25℃，储热系统满负荷小时数为12h，初始储热系统能量为155.86MJ，储热系统有功功率上下限为±15MW。光伏阵列最大功率为10MW，光热电站最大输出功率为10MW；功率的基准值为50MVA，电压基准值为线路额定电压。黑启动过程中，光热电站用于补充光伏电站供电不足，保证黑启动电源持续供电。
黑启动开始，首先启动光伏电站以及STATCOM无功补偿装置，接着启动含储热系统的光热电站；20分钟空载充电输电线路以及出口变压器；50分钟带动远距离大负荷；70分钟启动远距离火电厂辅机设备；130分钟光照由1000W/m2降低为0W/m2，170分钟光照恢复1000W/m2。
在t＝20分钟时，对出口变压器进行空载充电，由图5可知，会对线路造成较大的有功和无功冲击，尤其是无功冲击，使线路的电压出现操作过电压并且频率出现波动，但通过有功功率和无功功率调节能够使线路电压频率快速恢复。空载长线的电容效应使得线路末端的电压高于始端电压，为使输电线路末端电压维持在限制以内，STATCOM可以将多余的无功吸收。此时，储热系统处于吸热状态，吸热功率达到最大功率限值。
在t＝70分钟时，负荷恢复完成，启动火电厂辅机设备，由图4可知，在启动瞬间，等值辅机的启动电流较大，电压频率下降严重，需从电网吸收大量的有功功率及无功功率，尤其是无功功率。由图7可知，启动火电厂辅机设备后，系统有功需求增大，光热与光伏共同输出有功，此时，储热系统处于热稳定状态。辅机为感性负荷，为提供辅机所需无功功率，STATCOM发出感性无功，光热励磁系统进行无功调节，如图6所示。由图4和图5可以看出，电压在短暂下降后可以在短时间内上升至稳定值，维持在0.9p.u.，频率也在短时波动后趋于稳定。
为模拟实际运行时光照突变对黑启动的稳定性影响，在t＝130分钟时，光照强度由1000W/m2突减至0W/m2，170分钟时光照强度恢复至1000W/m2，光照强度的变化直接影响系统有功功率但对无功功率的影响较小，会造成系统频率的波动，在光伏光热无有功输出的情况下，按照系统需求通过储热系统提供相应的有功功率，从而能够使系统的频率在短时间内恢复至正常水平。

Claims (6)

1.光伏与光热系统协调发电的黑启动系统的恢复方法，所述黑启动系统包括：并接在交流母线上的光热系统及光伏系统、向交流母线注入补偿电流的静止同步补偿器、协调控制器，所述光热系统为包含储热系统的光热电站，火电厂辅机设备及负荷经电厂输变线路连接至其供电交流母线，交流母线输出的电能经其出线上的变压器及输电线路传输至火电厂辅机设备及负荷的供电交流母线，
其特征在于，恢复方法包括如下步骤：
根据当前光伏系统以及光热系统允许的最大功率输出以及当前实际运行功率确定光伏系统、光热系统的给定功率：
根据负荷需求、光伏光热运行状态以及储热系统蓄热状态确定黑启动系统有功功率的参考值P*，
Figure FDA0002543174740000011
且储热系统储热不足时，
Figure FDA0002543174740000012
Figure FDA0002543174740000013
且储热系统储热充足时，
Figure FDA0002543174740000014
Figure FDA0002543174740000015
且储热系统尚未充满时，
Figure FDA0002543174740000016
Figure FDA0002543174740000017
且储热系统已充满时，
Figure FDA0002543174740000018
Figure FDA0002543174740000019
为t时刻负荷的有功功率需求，
Figure FDA00025431747400000110
为t时刻光伏系统实际有功出力，
Figure FDA00025431747400000111
为t时刻光热系统实际有功出力；
按照光热系统功率优先输出、光伏系统弥补黑启动系统功率缺额的原则确定光伏系统、光热系统各自的给定功率，
Figure FDA00025431747400000112
Figure FDA00025431747400000113
为t时刻光伏系统的给定功率，
Figure FDA00025431747400000114
为t时刻光热系统的给定功率；
调整储热系统的运行状态以稳定光热系统输出，调整光伏阵列有功出力以稳定光伏系统输出；
调节并网交流侧电压的幅值相角以及光热系统中发电机的输出电压，在并网交流侧的电压和频率满足火电厂辅机设备启动要求时启动火电厂辅机设备，火电厂辅机设备带动火电机组启动。
2.根据权利要求1所述光伏与光热系统协调发电的黑启动系统的恢复方法，其特征在于，调节并网交流侧电压的幅值相角以及光热系统中发电机的输出电压的方法为：预期黑启动系统可供使用的功率值，在黑启动系统可供使用的功率值达到启动火电厂辅机设备时获取火电厂辅机设备的当前机端电压和频率，
在并网交流侧电压不满足启动要求时，控制静止同步补偿器输出的补偿电流以调节并网交流侧电压的幅值相角，同时，闭环调节光热系统的励磁系统以稳定发电机输出电压，直至并网交流侧电压达到火电厂辅机设备的当前机端电压，
在并网交流侧频率不满足启动要求时，调整储热系统出力以对光热系统的有功出力进行微调，直至并网交流侧频率达到火电厂辅机设备的当前频率。
3.根据权利要求1所述光伏与光热系统协调发电的黑启动系统的恢复方法，其特征在于，采用限制反向功率流运行方式调整储热系统的运行状态以稳定光热系统输出，具体为：
在光伏系统和光热系统输出的总功率大于按计划恢复的负荷所需功率时，调节储热系统进入储热状态直至储热系统被充满；
在光伏系统和光热系统输出的总功率小于或者等于按计划恢复的负荷所需功率时，调节储热系统进入放热状态以补充光伏系统和光热系统输出总功率的不足。
4.根据权利要求1所述光伏与光热系统协调发电的黑启动系统的恢复方法，其特征在于，调整光伏阵列有功出力以稳定光伏系统输出的方法为：
在光伏阵列输出的最大有功出力大于光伏系统给定功率时，调节光伏阵列工作于限功率输出模式；
在光伏阵列输出的最大有功出力小于光伏系统给定功率时，调节光伏阵列工作于最大功率输出(MPPT)模式。
5.根据权利要求2所述光伏与光热系统协调发电的黑启动系统的恢复方法，其特征在于，预期黑启动系统可供使用功率值由表达式：
Figure FDA0002543174740000021
确定，
Figure FDA0002543174740000022
为t时刻黑启动系统可供使用的功率值，
Figure FDA0002543174740000023
分别为t时刻光伏系统实际有功出力、光热系统实际有功出力、储热系统放热功率，
Figure FDA0002543174740000024
ηt为t时刻光能转化为电能的转化效率，Spv为光伏电池板的总面积，Ib为全辐射，CT为功率温度系数，Tb为电池板温度，
Figure FDA0002543174740000025
Te为环境温度，TNOCT为光伏电池额定状态温度，Tstc为标准测试环境下电池板的温度，
Figure FDA0002543174740000026
Figure FDA0002543174740000027
为t时刻光热系统中发电机的输出功率，
Figure FDA0002543174740000028
Figure FDA0002543174740000029
为t时刻由光场输送到发电机的热能。
6.根据权利要求1所述光伏与光热系统协调发电的黑启动系统的恢复方法，其特征在于，所述黑启动系统的恢复过程如下：
在自启动阶段，协调控制器向光伏系统、光热系统、静止同步补偿器发送起动指令，光伏系统、光热系统向交流母线输出有功出力，静止同步补偿器对光伏系统进行无功补偿，黑启动系统达到电源自启动的功率平衡状态，
在网架恢复阶段，协调控制器分别向光伏系统、光热系统发送给定功率输出指令，光伏系统、光热系统按照各自的给定功率输出指令向交流母线输出有功出力，黑启动电源空载充电交流母线出线上的变压器和系统输电线路，
在负荷恢复阶段，协调控制器按照负荷恢复计划向负荷发送接入其供电交流母线的指令，
在火电厂辅机设备以及火电机组设备启动阶段，协调控制器向静止同步补偿器发送指令以调节并网交流侧电压的幅值相角，协调控制器向光热系统的励磁系统发送指令以调节光热系统发电机的输出电压，协调控制器在并网交流侧的电压和频率满足火电厂辅机设备启动要求时向火电厂辅机设备发送启动指令，火电机组在火电厂辅机设备的带动下启动。
CN201811073006.6A 2018-09-14 2018-09-14 一种光伏与光热系统协调发电的黑启动系统及其恢复方法 Expired - Fee Related CN109301861B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811073006.6A CN109301861B (zh) 2018-09-14 2018-09-14 一种光伏与光热系统协调发电的黑启动系统及其恢复方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811073006.6A CN109301861B (zh) 2018-09-14 2018-09-14 一种光伏与光热系统协调发电的黑启动系统及其恢复方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109301861A CN109301861A (zh) 2019-02-01
CN109301861B true CN109301861B (zh) 2020-10-23

Family

ID=65163134

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811073006.6A Expired - Fee Related CN109301861B (zh) 2018-09-14 2018-09-14 一种光伏与光热系统协调发电的黑启动系统及其恢复方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109301861B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112944698B (zh) * 2021-02-07 2023-01-24 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 一种太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法及系统
CN114597972B (zh) * 2022-03-28 2023-04-04 国网北京市电力公司 一种光热和燃气互补的微电网结构及黑启动方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008002223A1 (en) * 2006-06-30 2008-01-03 Abb Resarch Ltd Power compensator and method for providing a black start with that compensator
CN103840487A (zh) * 2014-04-01 2014-06-04 阳光电源股份有限公司 黑启动方法、能量管理系统和共交流母线离网型光储微网
CN104836254A (zh) * 2015-05-19 2015-08-12 东南大学 一种电网黑启动系统和光伏电站参与电网黑启动的方法
CN105007038A (zh) * 2014-04-16 2015-10-28 北京兆阳能源技术有限公司 一种光热电站光伏辅助发电系统
CN106685315A (zh) * 2016-12-21 2017-05-17 中广核太阳能开发有限公司 光伏光热互补发电系统以及发电方法
CN107642912A (zh) * 2017-10-27 2018-01-30 中新能清洁能源(南京)有限公司 一种风、光和热储能互补发电系统
CN108270242A (zh) * 2018-02-10 2018-07-10 上海星群电力有限公司 微网系统的控制策略和管理方法
CN108321837A (zh) * 2017-11-27 2018-07-24 河海大学 一种风电-光热联合发电系统及其运行方法
CN108462466A (zh) * 2018-01-23 2018-08-28 浙江中控太阳能技术有限公司 一种光伏-光热混合发电站及其运行方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030034835A (ko) * 2001-10-27 2003-05-09 삼성전자주식회사 이동통신 시스템에서 역방향 링크의 제어 방법
US9812868B2 (en) * 2014-12-03 2017-11-07 Sunfield Semiconductor Inc. Smart junction box for photovoltaic solar power modules with safe mode and related method of operation

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008002223A1 (en) * 2006-06-30 2008-01-03 Abb Resarch Ltd Power compensator and method for providing a black start with that compensator
CN103840487A (zh) * 2014-04-01 2014-06-04 阳光电源股份有限公司 黑启动方法、能量管理系统和共交流母线离网型光储微网
CN105007038A (zh) * 2014-04-16 2015-10-28 北京兆阳能源技术有限公司 一种光热电站光伏辅助发电系统
CN104836254A (zh) * 2015-05-19 2015-08-12 东南大学 一种电网黑启动系统和光伏电站参与电网黑启动的方法
CN106685315A (zh) * 2016-12-21 2017-05-17 中广核太阳能开发有限公司 光伏光热互补发电系统以及发电方法
CN107642912A (zh) * 2017-10-27 2018-01-30 中新能清洁能源(南京)有限公司 一种风、光和热储能互补发电系统
CN108321837A (zh) * 2017-11-27 2018-07-24 河海大学 一种风电-光热联合发电系统及其运行方法
CN108462466A (zh) * 2018-01-23 2018-08-28 浙江中控太阳能技术有限公司 一种光伏-光热混合发电站及其运行方法
CN108270242A (zh) * 2018-02-10 2018-07-10 上海星群电力有限公司 微网系统的控制策略和管理方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109301861A (zh) 2019-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Badwawi et al. A review of hybrid solar PV and wind energy system
Pu et al. Hierarchical energy management control for islanding DC microgrid with electric-hydrogen hybrid storage system
Carmeli et al. Control strategies and configurations of hybrid distributed generation systems
Singh et al. Frequency regulation of an isolated hybrid power system with battery energy storage system
Abbassi et al. Optimal energy management strategy and novel control approach for DPGSs under unbalanced grid faults
CN109301861B (zh) 一种光伏与光热系统协调发电的黑启动系统及其恢复方法
Sahri et al. Performance improvement of hybrid system based DFIG-wind/PV/batteries connected to DC and AC grid by applying intelligent control
Naik et al. Power management of a hybrid PEMFC-PV and Ultracapacitor for stand-alone and grid connected applications
Kong et al. Modeling and coordinated control strategy of large scale grid-connected wind/photovoltaic/energy storage hybrid energy conversion system
Ghayth et al. Performance Enhancement of PV Array Utilizing Perturb & Observe Algorithm
Van et al. An improved state machine-based energy management strategy for renewable energy microgrid with hydrogen storage system
Cano et al. Sizing and energy management of a stand-alone PV/hydrogen/battery-based hybrid system
Zhang et al. Modelling and control strategy for hybrid PV and central receiver CSP in power system restoration
Bendib et al. Wind-solar power system associated with flywheel and pumped-hydro energy storage
Ma et al. Distributed generation system development based on various renewable energy resources
Joseph et al. Grid connected mode of microgrid with reactive power compensation
Khenissi et al. Artificial neural network and space vector pulse width modulation control technique for a photovoltaic system with a power grid connection and lead acid battery storage
Khadake et al. New Control Technique to Improve the Grid Power by Using PV-STATCOM
Zhang et al. The Research on Bus Voltage Stabilization Control of Off-Grid Photovoltaic DC Microgrid under Impact Load
Xu et al. Coordinated control strategy for grid-connected integrated energy system of wind, photovoltaic and hydrogen
Song et al. Reactive Power Distribution Strategy for Multi-source Power System Considering Long-distance Offshore Wind Farms
Kumar Performance Improvement Of Grid Tied Pv System With Vsc Based Dvr For Voltage Sag
Yan et al. Research on Optical Energy Storage System Based on Rule Logic Control
Zai-De et al. Design and simulation research of a novel multi-port modular energy router
Guo et al. Modeling and control of DC microgrid system based on hydrogen production load

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20201023

Termination date: 20210914

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee