[科普中國]-充放儲(chǔ)一體化電站黑啟動(dòng)方案

簡介

電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，潛在的大電網(wǎng)全停事故發(fā)生的危險(xiǎn)性也在增加。2003年8月14日，北美發(fā)生美加大停電事故，隨后英國倫敦、意大利等也出現(xiàn)了大面積停電事故。在發(fā)生大停電事故后，制定有效可靠的恢復(fù)方案，快速地恢復(fù)系統(tǒng)供電，對電網(wǎng)來說有重要的意義。

電力系統(tǒng)發(fā)生停電事故后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就會(huì)解列為很多停電的小系統(tǒng)，此時(shí)個(gè)別孤立的系統(tǒng)可能仍在運(yùn)行。電網(wǎng)通過內(nèi)部具有自啟動(dòng)能力的發(fā)電機(jī)組帶動(dòng)無自啟動(dòng)能力的機(jī)組發(fā)電，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)電力恢復(fù)的過程，即為電力系統(tǒng)的黑啟動(dòng)1。

大部分電網(wǎng)所制訂的恢復(fù)計(jì)劃基本都是利用水輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)作為黑啟動(dòng)電源。主要是因?yàn)?火電廠沒有廠用電時(shí)無法啟動(dòng)，而水輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)對廠用電的要求較低，容易啟動(dòng)。但水電站通常位于距離城市電網(wǎng)較遠(yuǎn)的邊遠(yuǎn)地區(qū)，并且水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)反應(yīng)較慢，這些缺點(diǎn)在一定程度上限制了其作為黑啟動(dòng)電源的能力;燃?xì)廨啓C(jī)在啟動(dòng)初期時(shí)需要外部動(dòng)力把機(jī)組帶至一定的轉(zhuǎn)速才能點(diǎn)火升速，國外大都采用柴油機(jī)作為起動(dòng)機(jī)，國內(nèi)主要采用電動(dòng)機(jī)。

作為給電動(dòng)汽車提供能量的電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)一體化電站，可以視作配電網(wǎng)中的分布式電源。當(dāng)主電網(wǎng)發(fā)生故障或進(jìn)行檢修、維護(hù)時(shí)，具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的一體化電站要離網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，并在電網(wǎng)恢復(fù)正常之后可以隨時(shí)并網(wǎng)。在主電網(wǎng)發(fā)生崩潰全黑以，一體化電站進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)，孤島運(yùn)行的一體化電站可以運(yùn)行在電壓源模式，相當(dāng)于一臺發(fā)電機(jī)。此時(shí)，一體化電站可以作為一種黑啟動(dòng)電源，參與電網(wǎng)的黑啟動(dòng)。

充放儲(chǔ)一體化電站原理為電動(dòng)汽車提供充電服務(wù)的充放儲(chǔ)一體化電站主要由四部分構(gòu)成:調(diào)度中心、多用途變流裝置、充放儲(chǔ)電池更換系統(tǒng)和梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)1。

充放儲(chǔ)一體化電站綜合了電動(dòng)汽車充電站、電池更換站與電池儲(chǔ)能電站的功能，完成與電網(wǎng)、電動(dòng)汽車間的信息交互，實(shí)現(xiàn)有序能量管理，既可以作為區(qū)域電網(wǎng)中的用電負(fù)荷，也可以作為分布式電源向電網(wǎng)供電。

一體化電站可等效為四象限變流裝置控制的電流源或電壓源，其電壓源控制算法通過SVPWM控制，使一體化電站作為電壓和相角可調(diào)的受控電壓源來運(yùn)行，即電壓源運(yùn)行模式。如果將輸出電抗器作為內(nèi)部等值電抗，一體化電站就可以等值于同步發(fā)電機(jī)。

黑啟動(dòng)原理黑啟動(dòng)電源黑啟動(dòng)電源可以分為兩類:第一類是本身具有黑啟動(dòng)能力的機(jī)組，主要為水輪機(jī)和具有自啟動(dòng)能力的燃?xì)廨啓C(jī);第二類是事故后殘存的機(jī)組和孤島，另外還有相鄰系統(tǒng)的支援。 電網(wǎng)中除了具備自啟動(dòng)能力的黑啟動(dòng)機(jī)組之外，還有一種沒有自啟動(dòng)能力的機(jī)組，但在其廠用電恢復(fù)后能快速恢復(fù)供電，并參與以后的系統(tǒng)恢復(fù)過程，這種機(jī)組稱為非黑啟動(dòng)機(jī)組

黑啟動(dòng)的原則1)目標(biāo)

電網(wǎng)恢復(fù)的總目標(biāo)是在最短時(shí)間內(nèi)使電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行，滿足負(fù)荷的用電需求，把停電損失降到最低。具體包括三個(gè)方面:用最小的啟動(dòng)功率啟動(dòng)機(jī)組;提高一次啟動(dòng)的成功率;優(yōu)先恢復(fù)對重要負(fù)荷供電。

2)恢復(fù)方法

黑啟動(dòng)方案的網(wǎng)架恢復(fù)策略可分為向上恢復(fù)(又稱并行恢復(fù))和向下恢復(fù)(又稱串行恢復(fù)))}16}。向上恢復(fù)是多個(gè)黑啟動(dòng)電源并行啟動(dòng)，形成多個(gè)獨(dú)立分散運(yùn)行的小系統(tǒng)后同步并網(wǎng);向下恢復(fù)與之相反，通過一個(gè)黑啟動(dòng)電源建立電壓后，其他電源以此為同步逐步并網(wǎng)。

3)劃分子系統(tǒng)

為了加快事故后區(qū)域大電網(wǎng)的恢復(fù)速度，黑啟動(dòng)時(shí)常常需要將電網(wǎng)劃分成若干個(gè)具有自啟動(dòng)能力的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)內(nèi)部可以同時(shí)進(jìn)行黑啟動(dòng)，子系統(tǒng)正常運(yùn)行之后，再在同期點(diǎn)逐步并列、合環(huán)。

4)恢復(fù)過程

在子系統(tǒng)恢復(fù)正常之后，開始對輸電線充電，子系統(tǒng)依次同步，逐漸完成網(wǎng)絡(luò)的重建，同時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)電壓、頻率和功率平衡。在火電機(jī)組都已啟動(dòng)并具有一定的發(fā)電能力之后，就可以通過較穩(wěn)定的網(wǎng)架，在保證線路不過載的情況下恢復(fù)負(fù)荷。

一體化電站參與黑啟動(dòng)的基本原理一體化電站作為有源型儲(chǔ)能裝備，可以在電網(wǎng)峰荷時(shí)向電網(wǎng)輸出功率，分擔(dān)區(qū)域電網(wǎng)的供電任務(wù); 在電網(wǎng)處于谷荷狀態(tài)時(shí)，電網(wǎng)給一體化電站充電，把電網(wǎng)中多余的電能儲(chǔ)存起來，功能類似于抽水蓄能電站。文獻(xiàn)【12]指出，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)短時(shí)和長時(shí)故障或因故障全黑時(shí)，一體化電站進(jìn)入相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài):短時(shí)同步、長時(shí)同步和孤島運(yùn)行。在短時(shí)和長時(shí)故障修復(fù)后，一體化電站和電網(wǎng)重新無縫同期。孤島運(yùn)行的一體化電站完全依靠儲(chǔ)存的電能維持自身的運(yùn)行，并且可以給區(qū)域內(nèi)的重要負(fù)荷供電1。

一體化電站對黑啟動(dòng)原則的滿足(1)一體化電站作為黑啟動(dòng)電源的優(yōu)勢

首先，系統(tǒng)中的重要負(fù)荷和一體化電站多位于市區(qū)，在系統(tǒng)故障后可以迅速地對重要負(fù)荷供電。其次，在電網(wǎng)崩潰之后，大量的一體化電站都處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，一體化電站可以通過SVPWM控制策略運(yùn)行于電壓源模式，其獨(dú)立的控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)孤島運(yùn)行時(shí)的電壓、頻率和相位，可以隨時(shí)作為黑啟動(dòng)電源參與電網(wǎng)的黑啟動(dòng)。

當(dāng)含有一體化電站的電網(wǎng)進(jìn)入全黑狀態(tài)時(shí)，一體化電站與電網(wǎng)脫離，并采取一定的控制策略保持自身孤島的穩(wěn)定運(yùn)行，其切除負(fù)荷順序如表1所示。

孤島運(yùn)行的一體化電站在參與黑啟動(dòng)時(shí)，只保留了站內(nèi)的第三種負(fù)荷，所以自身用電很少，類比于其他黑啟動(dòng)電源，廠用電負(fù)荷很小，這也就很好地保證了一體化電站能以最小的啟動(dòng)功率參與黑啟動(dòng)。

綜上可知，一體化電站出色地滿足了黑啟動(dòng)第一個(gè)原則的三個(gè)方面1。

(2)一體化電站作為黑啟動(dòng)電源的恢復(fù)方法 傳統(tǒng)的系統(tǒng)恢復(fù)方法對一體化電站也同樣適用。含有一體化電站的大系統(tǒng)，可以劃分為n個(gè)子系統(tǒng)，第。個(gè)子系統(tǒng)有n、個(gè)一體化電站，并且至少有一個(gè)容量足夠大的非黑啟動(dòng)機(jī)組，其劃分如圖5所示。

此后將繼續(xù)同期其他一體化電站，保證有足夠容量來動(dòng)下一個(gè)非黑啟動(dòng)機(jī)組，重復(fù)以上過程，可以完成1區(qū)的黑啟動(dòng)。在每個(gè)區(qū)域，用同樣的方法進(jìn)行黑啟動(dòng)，在所有的子系統(tǒng)都成功啟動(dòng)之后，在同期點(diǎn)并列即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)?？梢姡惑w化電站所在的大系統(tǒng)同時(shí)滿足了劃分子系統(tǒng)和向上恢復(fù)的黑啟動(dòng)原則。

(3)一體化電站作為黑啟動(dòng)電源的恢復(fù)過程

參與黑啟動(dòng)的一體化電站處于電壓源運(yùn)行模式，利用一體化電站很好的調(diào)頻調(diào)壓能力就可以保證各個(gè)子系統(tǒng)的電壓和頻率在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)平穩(wěn)的恢復(fù)。根據(jù)一體化電站的運(yùn)行特點(diǎn)，它所在的子系統(tǒng)采用向下恢復(fù)的策略進(jìn)行啟動(dòng)。一體化電站在對空載線路進(jìn)行充電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的無功，而一體化電站不僅可以產(chǎn)生無功，還能吸收無功，相當(dāng)于具有一定進(jìn)相運(yùn)行能力的發(fā)電機(jī)組。所以，一體化電站也能夠滿足黑啟動(dòng)的第四個(gè)原則。

因此，一體化電站在電網(wǎng)崩潰后不僅能夠參與電網(wǎng)的黑啟動(dòng)，還可以有效地解決電網(wǎng)中黑啟動(dòng)電源不足的問題。

一體化電站參與黑啟動(dòng)的其他優(yōu)勢(1)啟動(dòng)方案簡化

傳統(tǒng)大電網(wǎng)在黑啟動(dòng)過程中，由于輸電線路太長，線路的分布電容可能會(huì)使得同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生自勵(lì)磁現(xiàn)象，機(jī)端電壓將自發(fā)增大，越來越高，帶來不安全的因素，甚至導(dǎo)致事故。而一體化電站不存在自勵(lì)磁的問題，可以提高啟動(dòng)成功的機(jī)率。此外，在以一體化電站為黑啟動(dòng)電源的方案中，一體化電站可以快速為其他非黑啟動(dòng)電源提供同步電壓，可以大大減少同期點(diǎn)的設(shè)置，從而使黑啟動(dòng)的方案簡化。

(2)啟動(dòng)時(shí)間短1

傳統(tǒng)的黑啟動(dòng)方案多是利用水電機(jī)組啟動(dòng)火電機(jī)組，水電站本身的成功自啟動(dòng)是有一定概率的，并且水電站多位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，很可能會(huì)由于線路問題或者操作時(shí)間過長導(dǎo)致送電失敗;一體化電站隨時(shí)可以參與黑啟動(dòng)，而且位于市區(qū)，送電時(shí)間要比水電機(jī)組短。水電機(jī)組與一體化電站的黑啟動(dòng)時(shí)間如表2所示。效地降低停電損失。

(3)成本優(yōu)勢

從黑啟動(dòng)成本方面來說，專門設(shè)置的要比一體化電站大的多。專門設(shè)置的黑啟動(dòng)哇

除了初期比較大的靜態(tài)投資之外，在平時(shí)閑置郎候還要進(jìn)行定期的維護(hù)和試驗(yàn)，保證在發(fā)生意故的情況下，它能夠成功啟動(dòng)。

而一體化電站可以直接參與電網(wǎng)的運(yùn)行，渠一定的經(jīng)濟(jì)收益，平時(shí)的運(yùn)行成本比黑啟動(dòng)電廠維護(hù)費(fèi)用要少，并且一體化電站一直在運(yùn)行，札于處在熱備用狀態(tài)，在需要參與黑啟動(dòng)時(shí)只要架運(yùn)行模式即可。能夠完成黑啟動(dòng)的一體化電站長容量的傳統(tǒng)黑啟動(dòng)電源相比，不僅經(jīng)濟(jì)，而且夏環(huán)保，。

總結(jié):

(1)一體化電站黑啟動(dòng)完全滿足黑啟動(dòng)的基本原則:啟動(dòng)功率小，一次啟動(dòng)成功率高，可以優(yōu)先給區(qū)域重要負(fù)荷供電，并且采用向上恢復(fù)的方法完成電網(wǎng)黑啟動(dòng)，加快恢復(fù)進(jìn)程1。

(2)一體化電站參與黑啟動(dòng)可以有效解決局部電網(wǎng)黑啟動(dòng)電源不足的問題，對電力系統(tǒng)崩潰后的-恢復(fù)具有重要意義，減少大停電損失。

(3)與傳統(tǒng)黑啟動(dòng)電源相比，一體化電站參與黑啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)速度更快，更加經(jīng)濟(jì)，更加可靠，具有非常廣闊的前景。