CN114977329B - 一种离网型风储荷系统的黑启动方法 - Google Patents

一种离网型风储荷系统的黑启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于风力发电及储能技术领域，公开一种离网型风储荷系统的黑启动方法：断开断路器K1和K2，分别将电压源、电流源型储能系统启动，形成离网型储能系统；投入黑启动用有功负荷P0，稳定后，闭合断路器K2，完成风机侧接入；测量风机侧发出的无功功率Q机，其相反数作为电流源型储能系统无功输入指令Qref；风力发电机达到并网条件时闭合K1；风力发电机爬坡至输出有功功率P达到设定值并运行至稳定后，黑启动完成并接入剩余有功负荷。本发明能够实现离网型风储荷系统动态组网，在离网运行情况下，依据不同运行条件，风力发电系统、储能系统以及负荷三者间开展的差异化动态组网控制过程，实现双馈风机平稳可靠的黑启动。

Description

一种离网型风储荷系统的黑启动方法
技术领域
本发明属于风力发电及储能技术领域，特别涉及一种离网型风储荷系统的黑启动方法。
背景技术
以往研究双馈风机黑启动方法大都是采用柴油发电机作为支撑电源来实现风电场黑启动的方法，或者将外接电源加在双馈异步风力发电机两个背靠背变流器之间的直流母线上，在建立稳定的直流母线电压后再直流电压源断开，然而采用柴油机的方法会对环境造成不良影响，并且在多风机系统，采用外接电源在风机直流母线的方法需要将每一台风机的直流母线侧都安装储能，这导致了成本和控制难度的增加。
相关技术中提及采用储能电池对双馈风机黑启动方法，但是现有启动方法难以实现平稳、可靠的启动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种离网型风储荷系统的黑启动方法，以解决现有黑启动方法难以实现平稳、可靠启动的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种离网型风储荷系统的黑启动方法，所述离网型风储荷系统包括风力发电机、第一储能系统、第二储能系统、有功负荷P2、箱式变压器T1、箱式变压器T2、电缆和高压母线；风力发电机的输出端分成两路，一路通过变流器连接箱式变压器T1的低压侧，另一路通过断路器K1连接箱式变压器T1的低压侧；箱式变压器T1的高压侧通过电缆连接断路器K2一端，断路器K2另一端连接高压母线；第一储能系统和第二储能系统并联并通过箱式变压器T2连接高压母线；有功负荷P2连接高压母线；
所述黑启动方法包括：
断开断路器K1和断路器K2，将作为电压源型储能的第一储能系统启动，建立稳定的电压后，再将作为电流源型储能的第二储能系统启动，形成离网型储能系统；
投入黑启动用有功负荷P0，当由第一储能系统、第二储能系统、有功负荷P0组网的离网型储荷系统稳定后，闭合断路器K2，完成风机侧接入；
测量风机侧发出的无功功率Q机，其相反数作为第二储能系统无功输入指令Qref；
风力发电机的定子电压与风机外部电压开始同步，当相位幅值一致时，闭合断路器K1，构成离网型风储荷系统；
风力发电机爬坡至输出有功功率P达到设定值并运行至稳定后，黑启动完成并接入剩余有功负荷。
本发明进一步的改进在于：所述投入黑启动用有功负荷P0的步骤中，有功负荷P0小于或等于第一储能系统总容量的20％。
本发明进一步的改进在于：所述测量风机侧发出的无功功率Q机，其相反数作为第二储能系统无功输入指令Qref的步骤中，根据第二储能系统无功输入指令Qref确定各第二储能装置的无功指令Qrefi；各第二储能装置无功参考值Qrefi满足：
且满足Qmin≤Qrefi≤Qmax，
n为第二储能系统包含的第二储能装置总数量；Qmin和Qmax为第二储能装置的无功功率下限和上限；各第二储能装置的有功参考值Prefi＝0。
本发明进一步的改进在于：各第二储能装置(31)无功参考值Qrefi相等。
本发明进一步的改进在于：所述风力发电机爬坡至输出有功功率P达到设定值并运行至稳定后，黑启动完成并接入剩余有功负荷的步骤中，所述有功功率设定值P等于离网型风储荷系统正常运行的有功负荷。
本发明进一步的改进在于：所述第一储能系统包括若干台并联的第一储能装置；第二储能系统包括若干台并联的第二储能装置。
本发明进一步的改进在于：所述第一储能系统采用虚拟同步控制模式。
本发明进一步的改进在于：第二储能系统采用PQ控制模式。
本发明进一步的改进在于：所述风力发电机为双馈异步风力发电机。
本发明进一步的改进在于：还包括以下步骤：黑启动完成后，将第二储能系统切换为电压源型储能。
本发明进一步的改进在于：所述离网型风储荷系统黑启动装置还包括无功功率控制模块；
所述无功功率控制模块，包括数据采集装置、功率计算装置以及电流源型储能控制单元；
数据采集装置，用于采集风力发电机的电压u0与电流i0；
功率计算装置，用于将电压u0与电流i0解耦，并计算出风力发电机无功功率Q机；
电流源型储能控制单元，用于将无功功率Q机取相反值作为输入，通过第二储能系统PQ控制实现系统的无功协调控制。
相对于现有技术，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种离网型风储荷系统的黑启动方法，采用电压源型与电流源型储能多机并联的混合储能系统，不仅可以通过电压源型储能实现电压、频率的稳定以及有功功率的准确输出；同时由于变压器、长电缆的存在，电流源型储能可以提供无功闭环支撑，避免了只采用电压源型储能由于线路导致的无功偏差引起的过电压问题，最后由于采用闭环控制，可在不同线路上实现风机的黑启动，这对于离网型远端风机的启动以及系统稳定运行具有重大意义。本发明能够实现离网型风储荷系统动态组网，在离网运行情况下，依据不同运行条件，风力发电系统、储能系统以及负荷三者间开展的差异化动态组网控制过程，实现双馈风机平稳可靠的黑启动。
本发明先由储能黑启动建立稳定的电压、频率后，再启动风机，并按策略对孤网运行的风、储、荷进行设备动态投切及实时功率优化控制，以实现整个系统供用电平衡、运行稳定可靠。通过本发明可以在无大电网支撑的情况下独立运行，为其周边供电，对缓解电力供应紧张具有重要意义。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一种离网型风储荷系统的结构示意图；
图2为PQ控制框图；
图3为无功功率控制模块的示意图；
图4为电流源型储能控制单元示意图；
图5为离网风储荷系统协调控制图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
现有的研究很少将储能接在风机的出口母线处，在离网型风储荷系统中黑启动时，风机处于制动状态，由电压源型储能建立稳定的电压使双馈风机启动。然而在启动过程中，由于现场负荷一般为有功负荷，且风机侧与高压母线间存在远距离电力电缆，无功负荷的缺乏容易使得电压源型储能吸收的无功功率较多，由于电压源型储能的无功电压下垂控制导致储能输出电压过高，从而导致风机端的过电压，风机进而会启动失败。本发明采用电压源型与电流源型储能并联的混合储能系统，当风机启动无功负荷不足时，电流源型储能系统可以作为无功负荷吸收功率，从而避免长电缆引起的系统过电压问题。
请参阅图1所示，本发明提供一种离网型风储荷系统，包括：一台双馈异步风力发电机1、m台第一储能装置21、n台第二储能装置31、有功负荷P2、箱式变压器T1、箱式变压器T2、电缆5和高压母线4。
双馈异步风力发电机1的输出端分成两路，一路通过变流器11连接箱式变压器T1的低压侧，另一路通过断路器K1连接箱式变压器T1的低压侧；箱式变压器T1的高压侧通过电缆5连接断路器K2一端，断路器K2另一端连接高压母线4。
m台第一储能装置21和n台第二储能装置31并联；m台第一储能装置21构成第一储能系统2；n台第二储能装置31构成第二储能系统3；m台第一储能装置21和n台第二储能装置31的输出端连接箱式变压器T2的低压侧；接箱式变压器T2的高压侧连接高压母线4。黑启动完成前，第一储能系统2为电压源型储能系统；第二储能系统3为电流源型储能系统。
有功负荷P2连接高压母线4。有功负荷P2的总容量包括黑启动用有功负荷P0以及启动完成所投入的剩余负荷P2-P0。
请参阅图3所示，本发明一种离网型风储荷系统黑启动装置，包括以下无功功率控制模块；所述无功功率控制模块，包括数据采集装置、功率计算装置以及电流源型储能控制单元。
数据采集装置，用于采集风机侧电压u0与电流i0，功率计算装置将电压u0与电流i0解耦，并计算出风机侧高压母线处的有功功率P机与无功功率Q机，电流源型储能控制单元将计算的风机侧高压母线处的无功功率Q机取相反值作为输入，通过电流源型储能系统PQ控制实现系统的无功协调控制。
本发明提供本发明提供一种离网型风储荷系统黑启动方法，包括以下步骤：
步骤1：断开断路器K1和断路器K2，将第一储能系统2启动，建立稳定的电压后，再将储能系统3启动，此时储能系统3作为电流源型储能，形成离网型储能系统。其中第一储能系统2采用虚拟同步控制模式、第二储能系统3采用PQ控制模式；
步骤2：投入黑启动用少量有功负荷P0，当由第一储能系统2、第二储能系统3、投入的有功负荷P0组网的离网型储荷系统稳定后，闭合断路器K2，完成风机侧接入；少量有功负荷P0指的用于组成储荷系统的负荷，负荷大小小于第一储能系统2总容量的20％。
步骤3：测量风机侧发出的无功功率Q机，其相反数作为第二储能系统3无功输入指令Qref，以平衡电缆5、箱式变压器T1和箱式变压器T2发出的无功功率；
步骤4：双馈异步风力发电机1的定子电压与风机外部电压开始同步，当相位幅值完全一致时，闭合并网断路器K1，构成离网型风储荷系统；
步骤5：设置双馈异步风力发电机1的输入转矩T，风机输出有功功率P达到设定值并运行至稳定后，离网型风储荷系统的黑启动完成并接入剩余有功负荷。其中，T＝9550P/n；T为双馈异步风力发电机1的输入转矩，P为有功功率设定值，n为双馈异步风力发电机1的转速，设置输入转矩就相当于设置有功功率，有功功率设定值P等于离网型风储荷系统正常运行的有功负荷。
本发明中当风机启动后，无功开始爬坡，这时第二储能系统3的无功输出逐渐减为0，在t2时刻该储能控制切换为电压源型储能，此时所有储能均作为电压源型储能。这是由于，若储能实际因成本等问题无法配置较大容量，当风电场容量在系统中所占比例较大时，其输出功率的随机波动以及会负荷的波动对电网频率产生较大影响，而PQ控制无法快速响应这些波动。当系统黑启动完成后，第二储能系统3切换为虚拟同步控制，此时电压源型储能容量增大，可以在风机负荷波动时，稳定离网型风储荷系统的频率。
如图4电流源型储能控制单元，取风机侧高压母线处的无功功率Q机相反值后作为输入第二储能系统3的总无功功率Qref，再通过功率分配器，计算出各第二储能装置31的无功指令Qrefi，此时各第二储能装置31无功参考值Qrefi满足：
且满足Qmin≤Qrefi≤Qmax，
Qmin和Qmax为第二储能装置31的无功功率下限和上限；各第二储能装置31的有功参考值Prefi＝0。
本发明系统是离网型风储荷系统，风机采用一台双馈风机，储能采用多机并联的混合储能装置包含电压源型储能和电流源型储能。电压源型储能采用虚拟同步控制，分为有功频率控制和无功电压控制，分别模拟同步发电机的调速和励磁系统。电流源型储能采用PQ控制。本发明中电压源型储能和电流源型储能构成的混合储能有效互补，其中第一储能系统2可建立稳定的电压、频率，提供系统自启动能力，并且响应风机、有功负荷的波动。第二储能系统3在黑启动时可以对系统无功进行补偿，提高了设备利用效率。还通过控制风机的无功，使电流源型储能的无功备用容量增加，可以更好的应对系统无功负荷的波动。
优选的实施例中，步骤1需要先断开风机侧断路器K2，使储能侧与负荷侧稳定运行。启动前第一储能系统2容量大于有功负荷，此时电流源型储能设置参考有功功率与无功功率Qref＝Pref＝0，此时由第一储能系统2对负荷供电，并建立稳定的电压和频率。步骤2与3，当储能的功率与频率稳定后，闭合断路器K2接入风机，此时会由于容性长电缆5会发出无功功率Q机，通过测量其无功功率值，取相反值后作为输入第二储能系统3的总无功功率，如图3所示，各机无功参考值Qrefi满足：
且满足Qmin≤Qrefi≤Qmax
Qmin和Qmax为第二储能装置的无功功率下限和上限；各第二储能装置的有功参考值Prefi＝0。
步骤4是双馈异步风力发电机1的起机过程。步骤5是双馈异步风力发电机1功率爬坡过程，这个过程需要根据风机的风速和电机转速计算风机的输入转矩，机组爬坡速率R满足满足机组最大爬坡率约束R≤Rm；其中，P机(t)为双馈异步风力发电机1在t时刻发出的有功功率；P机(t+Δt)为双馈异步风力发电机1在t+Δt时刻发出的有功功率。当风机发出的有功功率上升到设定值后继续投入剩余有功负荷，整个过程有功功率会由于第一储能系统2的虚拟同步控制特性而保持平衡，若产生风机故障或者较大负荷突增的极端问题，此时第一储能系统2容量可能不足以支撑系统的有功功率平衡，此时第二储能系统3可以通过手动增大其给定值Pref，以维持系统稳定，所以本系统也具备一定的故障穿越能力。
该策略控制的风储荷功率如图5所示，t0时刻闭合断路器K2，t1时刻双馈异步风力发电机1功率开始爬坡，t2时刻双馈异步风力发电机1输出的有功功率和无功功率分别稳定至设定值和/>黑启动完成，并投入剩余有功负荷，此时有功负荷为/>t1时刻开始，不断减小第二储能系统3的无功功率，直到t2时刻为0。t1至t2不断减小电流源型储能的无功，本发明考虑的是没有无功备用负荷的情况，图上标出的无功负荷，是系统黑启动完成后会产生的无功负荷，本发明可以对电流源型储能无功功率的控制，在系统稳定运行后继续保持无功的平衡，以及电压的稳定。
采用上述技术方案，本发明的无功功率控制方法通过调节储能与风机的无功功率，以及切换第二储能系统3的控制方式，在黑启动过程中作为电流源型储能补偿系统无功，在运行阶段第二储能系统3作为电压源型储能，可以自动平滑风电场出力波动，稳定系统频率。可以有效实现与母线远距离风机的黑启动及运行。并且当风机启动后储能系统可以自动平滑风电场出力波动，同时也可对负荷出力波动进行补偿，稳定离网系统容易产生的频率问题。
采用上述技术方案，本发明具有电压源储能对系统的暂态支撑作用，储能系统不仅响应风电场出力波动，同时也可对负荷出力波动进行自动补偿。其次本发明具有电流源型储能无功功率实时调节能力，从而准确有效实现了远距离风机的运行，并且不用通过测量线缆具体实际参数，只需要结合现场具体线路参数估算无功功率偏差进而对电流源储能的容量进行合理配置，保证电流源型储能有足够的容量调节即可。
本发明提出的功率协调控制通过计算风机侧无功功率来控制电流源型储能的无功功率，从而补偿了风机侧电缆发出的无功功率，有利于系统电压的稳定。电压源型储能可以承担构网型储能的作用，为风机的黑启动提供稳定的电压以及响应系统有功的波动(包括风机和负荷有功的波动)。
本发明提出的电压源型与电流源型储能多机并联的混合储能系统，先逐步建立离网型风储荷系统，再对风机、储能功率进行控制，可以解决长电缆、储能容量不足对系统黑启动以及运行阶段的影响。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种离网型风储荷系统的黑启动方法，其特征在于，所述离网型风储荷系统包括风力发电机、第一储能系统(2)、第二储能系统(3)、有功负荷P2、箱式变压器T1、箱式变压器T2、电缆(5)和高压母线(4)；风力发电机的输出端分成两路，一路通过变流器(11)连接箱式变压器T1的低压侧，另一路通过断路器K1连接箱式变压器T1的低压侧；箱式变压器T1的高压侧通过电缆(5)连接断路器K2一端，断路器K2另一端连接高压母线(4)；第一储能系统(2)和第二储能系统(3)并联并通过箱式变压器T2连接高压母线(4)；有功负荷P2连接高压母线(4)；
所述黑启动方法包括：
断开断路器K1和断路器K2，将作为电压源型储能的第一储能系统启动，建立稳定的电压后，再将作为电流源型储能的第二储能系统启动，形成离网型储能系统；
投入黑启动用有功负荷P0，当由第一储能系统(2)、第二储能系统(3)、有功负荷P0组网的离网型储荷系统稳定后，闭合断路器K2，完成风机侧接入；
测量风机侧发出的无功功率Q机，其相反数作为第二储能系统(3)无功输入指令Qref；
风力发电机的定子电压与风机外部电压开始同步，当相位幅值一致时，闭合断路器K1，构成离网型风储荷系统；
风力发电机爬坡至输出有功功率P达到设定值并运行至稳定后，黑启动完成并接入剩余有功负荷。
2.根据权利要求1所述的一种离网型风储荷系统的黑启动方法，其特征在于，所述投入黑启动用有功负荷P0的步骤中，有功负荷P0小于或等于第一储能系统(2)总容量的20％。
3.根据权利要求1所述的一种离网型风储荷系统的黑启动方法，其特征在于，所述测量风机侧发出的无功功率Q机，其相反数作为第二储能系统(3)无功输入指令Qref的步骤中，根据第二储能系统(3)无功输入指令Qref确定各第二储能装置(31)的无功指令Qrefi。
4.根据权利要求1所述的一种离网型风储荷系统的黑启动方法，其特征在于，各第二储能装置(31)无功参考值Qrefi相等。
5.根据权利要求1所述的一种离网型风储荷系统的黑启动方法，其特征在于，所述风力发电机爬坡至输出有功功率P达到设定值并运行至稳定后，黑启动完成并接入剩余有功负荷的步骤中，所述有功功率设定值P等于离网型风储荷系统正常运行的有功负荷。
6.根据权利要求1所述的一种离网型风储荷系统的黑启动方法，其特征在于，所述第一储能系统(2)包括若干台并联的第一储能装置(21)；第二储能系统(3)包括若干台并联的第二储能装置(31)。
7.根据权利要求1所述的一种离网型风储荷系统的黑启动方法，其特征在于，所述第一储能系统(2)采用虚拟同步控制模式。
8.根据权利要求1所述的一种离网型风储荷系统的黑启动方法，其特征在于，第二储能系统(3)采用PQ控制模式。
9.根据权利要求1所述的一种离网型风储荷系统的黑启动方法，其特征在于，还包括以下步骤：黑启动完成后，将第二储能系统(3)切换为电压源型储能。
10.根据权利要求1所述的一种离网型风储荷系统的黑启动方法，其特征在于，所述离网型风储荷系统黑启动装置还包括无功功率控制模块；
所述无功功率控制模块，包括数据采集装置、功率计算装置以及电流源型储能控制单元；
数据采集装置，用于采集风力发电机的电压u0与电流i0；
功率计算装置，用于将电压u0与电流i0解耦，并计算出风力发电机无功功率Q机；
电流源型储能控制单元，用于将无功功率Q机取相反值作为输入，通过第二储能系统PQ控制实现系统的无功协调控制。
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