中國儲能網(wǎng)訊：本文發(fā)表在《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》2020年第6期“能源戰(zhàn)略與能源互聯(lián)網(wǎng)”專題上，歡迎點(diǎn)擊品讀。本文受國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1766204）資助。
文章導(dǎo)讀
電能在人類社會中扮演越來越重要的角色，大停電事故給經(jīng)濟(jì)和社會造成的損失也越來越嚴(yán)重。為減少損失，需在大停電后快速恢復(fù)電網(wǎng)。黑啟動是電力系統(tǒng)恢復(fù)的首要且關(guān)鍵的階段，而黑啟動的關(guān)鍵是黑啟動電源的啟動。由于水力發(fā)電具有廠用電量較少、可快速啟動等優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)的黑啟動電源（火電、核電、水電）優(yōu)先考慮的是水電，抽水蓄能機(jī)組承擔(dān)黑啟動的研究與應(yīng)用已相當(dāng)成熟。在缺少水電機(jī)組、且局部電網(wǎng)薄弱的中國北部很多地區(qū)，用風(fēng)電作為黑啟動電源，為風(fēng)多水少地區(qū)的黑啟動提供了可能方案。由于風(fēng)電出力具有隨機(jī)性和波動性，且風(fēng)電機(jī)組不具備自啟動能力，通常需由儲能輔助風(fēng)電機(jī)組參與黑啟動。在風(fēng)多水少局部地區(qū)，開展以多儲能系統(tǒng)為基礎(chǔ)的風(fēng)電黑啟動研究已具備了現(xiàn)實(shí)條件和意義。
文章亮點(diǎn)
（1）結(jié)合黑啟動技術(shù)規(guī)范，提出風(fēng)電匯集地區(qū)可以配置電氣位置合適的鋰電池儲能系統(tǒng)及相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制策略，通過風(fēng)-儲聯(lián)合系統(tǒng)黑啟動過程4個(gè)主要階段，實(shí)現(xiàn)黑啟動路徑；
（2）提出了持續(xù)有效出力概率，計(jì)算風(fēng)電匯集地區(qū)全年能滿足黑啟動的時(shí)段占比，衡量地區(qū)風(fēng)電黑啟動成功概率；
（3）基于PSCAD仿真儲能自啟動、風(fēng)電場啟動及火電機(jī)組輔機(jī)啟動3個(gè)過程，初步從暫態(tài)層面驗(yàn)證了風(fēng)電-儲能黑啟動的可行性。
主要內(nèi)容
01、風(fēng)—儲聯(lián)合系統(tǒng)黑啟動方案研究背景
內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)力發(fā)電量位列全國第一，其中包頭是最大的工業(yè)城市，該地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)占比24%，水電裝機(jī)占比僅為2%。同時(shí)，包頭地區(qū)主配網(wǎng)聯(lián)系不十分緊密，220kV電力系統(tǒng)穩(wěn)定能力較弱，110kV電力系統(tǒng)常規(guī)發(fā)電機(jī)組和水電機(jī)組分布在城外，與集中用電負(fù)荷距離較遠(yuǎn)。由于局域電網(wǎng)內(nèi)部協(xié)調(diào)能力差，運(yùn)行方式安排存在難度，存在大面積停電風(fēng)險(xiǎn)。
? 圖1 包頭地區(qū)風(fēng)—儲聯(lián)合系統(tǒng)黑啟動方案路徑示意圖
首先，確定風(fēng)—儲聯(lián)合系統(tǒng)是否可以作為黑啟動電源以及參與黑啟動的風(fēng)電場和儲能電站；其次，儲能系統(tǒng)自啟動，建立穩(wěn)定的廠用母線電壓、頻率等，并給風(fēng)電場匯集系統(tǒng)供電，風(fēng)電機(jī)組利用已建立的電壓、頻率參考信息啟動并平穩(wěn)運(yùn)行；然后儲能電站輔助風(fēng)電場作為主力電源給輸電線路、變壓器至火電廠的廠用電母線充電；火電廠輔機(jī)啟動后再啟動火電機(jī)組；逐步擴(kuò)大供電范圍，直至完成后續(xù)電網(wǎng)恢復(fù)。
? 圖2 風(fēng)—儲聯(lián)合系統(tǒng)黑啟動過程示意圖
02、黑啟動方案可行性分析
由于風(fēng)電場之間地理和電氣距離較遠(yuǎn)，單個(gè)儲能發(fā)電單元或電站建立的電源在經(jīng)過不同變電站間多次電壓變換后，可能會因線路和變電設(shè)備的損耗大或動態(tài)無功調(diào)節(jié)要求高，使得風(fēng)電機(jī)組難以可靠啟動，因此需分析儲能選址。多儲能系統(tǒng)協(xié)同風(fēng)電系統(tǒng)作為黑啟動電源參與黑啟動，恢復(fù)供電。
? 圖3 風(fēng)—儲聯(lián)合系統(tǒng)黑啟動的儲能選址方案示意圖
針對本文研究的包頭電網(wǎng)案例，根據(jù)待恢復(fù)電源具體情況，選擇在華電巴音、中廣核繁榮、華電紅泥井和華固4個(gè)風(fēng)電場的匯集處建立1座或2座儲能電站，在金風(fēng)達(dá)茂風(fēng)電場匯集母線處建立1座儲能電站。
? 圖4 多儲能電站位置方案示意圖
03、風(fēng)—儲聯(lián)合系統(tǒng)黑啟動仿真分析
風(fēng)—儲聯(lián)合系統(tǒng)黑啟動過程主要有4個(gè)階段：①儲能單元自啟動后使相關(guān)線路、變壓器逐步帶電到風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)；②風(fēng)—儲聯(lián)合系統(tǒng)使相關(guān)線路、變壓器逐步帶電到火電機(jī)組廠用電母線；③各臺輔機(jī)電動機(jī)等負(fù)載按一定順序按需并網(wǎng)，隨著負(fù)荷增加需要逐臺啟動多臺風(fēng)電機(jī)組；④上述過程期間如果因頻率穩(wěn)定或電壓穩(wěn)定能力不足，需要更多儲能單元并網(wǎng)。
? 圖5 風(fēng)—儲聯(lián)合系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)示意圖
本文引文信息
李翠萍，張世寧，李軍徽，等. 基于多儲能系統(tǒng)的風(fēng)電黑啟動方案設(shè)計(jì)[J]. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)，2020，3(6)：643-652．
LI Cuiping, ZHANG Shining, LI Junhui, et al. Black-start scheme for wind-power generation based on multiple energy storage system[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020, 3(6): 643-652(in Chinese).
李翠萍1*，張世寧2，李軍徽1，尤宏飛1，張昊1，齊軍2，李鶴1
（1. 東北電力大學(xué)現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真與控制與可再生能源技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司）
