光储联合发电系统黑启动在建筑备用照明的应用

樊宏涛，李昕然，孙耀杰

(复旦大学 电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433)

引言

近些年来，可再生能源发电技术迅猛发展，应用于商场、写字楼屋顶的分布式光伏电站装机量不断增加；随着储能设备的大量投入，光储联合发电系统也可在外部电网故障时作为建筑物的备用照明能源，为备用照明设备进行供电，保证营业、工作活动不中断。

黑启动[1]是指在外部电网因为故障进入全黑状态时，通过启动系统中具有自启动能力的电源，带动无自启动能力的电源，逐步扩大系统恢复范围，最终实现整个系统恢复的过程,其策略可以分为串行恢复和并行恢复两类[2]。串行恢复是由主电源建立参考电压和频率，其他参考源参考主电源启动。串行恢复结构简单但是恢复速度较慢。并行恢复是使具有黑启动能力的微源同时启动，通过同步后联网完成恢复。并行恢复恢复速度快但是冲击电流容易过大。

黑启动作为停电事故后能够快速恢复电网供电的重要措施，引起了国内外众多专家的关注与研究。文献[3]对微电网黑启动的电源选择和控制方法，主要的黑启动策略进行了介绍。文献[4]针对光伏和储能的多微网提出了一种三层结构的分层控制。文献[5]基于常规MPPT算法提出跟踪负荷变化适用于黑启动的协调控制策略，保证光伏出力最多。以上的黑启动策略主要是从电源出力角度分析分布式电源的黑启动能力及黑启动方案，根据负载情况选择黑启动策略的研究较少。

本文建立了光储联合发电系统模型，并在传统并行恢复黑启动策略的基础上，提出一种基于负载情况寻优的黑启动策略，通过负载情况选择同时并网的光储单元数量，使系统冲击最小，负载更加均衡。最后利用Matlab/Simulink建立了光储联合发电系统模型进行仿真，仿真结果验证了策略的可行性。并对某屋顶有光储电站的写字楼模拟了黑启动对备用照明设备供电的应用方案，根据照明灯具的功率分析方案可行。

1 光储联合发电系统

为保证研究结果的广泛适用性，本文所研究的是目前较为常用的光储联合发电系统拓扑，储能单元在交流侧接入，方便扩充容量；具体系统结构如图1所示，由光伏阵列、DC/DC变换器、DC/AC变换器，储能电池组、电网、负载组成。由断路器KM1-4控制光伏单元接入；断路器KM5-8控制储能单元接入；采用目前较为常用的分层控制。断路器KM1-8均由供电控制GC(generator control)模块控制开关。断路器LG控制电网接入；断路器L1～L4由负载控制(load control)控制接入，供电控制和负载控制都与网侧控制中心GCC(grid control center)保持通信。

图1 光储联合发电系统结构框图Fig.1 Structure diagram of PV-Energy storage system

2 并网的光储单元数目对电压稳定性的影响

在并行恢复中，过多的光储单元同时进行并网时，容易造成冲击过大的情况。刚刚建立的交流母线稳定性不足，可以认为是一个弱电网的情况，启动过程可以认为是弱电网向理想电网过渡的过程。下面对弱电网受冲击失稳与启动光储单元个数的关系进行分析。在黑启动中，为了方便控制，除了主参考源，所有并网的光储单元的逆变器控制均为PQ控制。 文献[10]中表明当并联逆变器个数变为N倍时，要使系统稳定的电网阻抗变化范围就要缩小N倍。文献[11]中也提到弱电网情况下，在电网阻抗的影响下，并网逆变器个数越多，系统的稳定性越差；过多的并网逆变器个数会导致系统失稳。对于黑启动过程，已经建立的电网阻抗同样不可忽略，此时电网容量也很小，电压频率跟容易受到扰动。与文献中又有所不同。因此本文采用仿真对比的方法，搭建了光储单元模型并对不同负载下同时启动的光储单元个数的不同对建立的交流母线电压频率的影响进行仿真。选定交流母线电压/频率的波动能量(电压/频率在时间上的积分)来描述交流母线电压频率稳定性。

搭建的单个光储单元模型如图2所示；每个光储单元包括光伏阵列、储能阵列、逆变器模块、备用照明设备。

图2 光储单元模型Fig.2 Model of PV-energy storage cell

对上述模型在不同负载和启动的光伏单元个数下进行仿真，仿真结果如图3、图4所示。

图3 不同负载下并网光储单元个数对频率稳定的影响Fig.3 Frequency influence of the number of grid-connected units under different loads

由图3、图4可以看出，在光储单元并网时，交流母线的电压频率都出现了不同程度的波动。同时并网的光储单元为4个时，电压和频率的波动明显比并网个数为2个和3个的情况更大，恢复稳定所需要的时间也越长。当同时启动的光储单元增加时，在恢复负载相同的情况下，同时并网的光储单元个数越多，电压恢复稳定的时间就越长，波动也越大，阻尼比越小。表1给出了固定负载下并网个数的阻尼比。

于是在并行恢复的黑启动策略下，我们可以以同时并网的光储单元个数最小为目标对黑启动策略进行优化。

表1 不同并网光储单元个数对频率/电压稳定的影响

图4 不同负载下并网光储单元个数对电压稳定的影响Fig.4 Voltage influence of the number of grid-connected units under different loads

3 黑启动策略

本文在并行恢复的基础上，通过负载情况以同时并网的光储单元数量最少为目标进行黑启动恢复，在负载接入时，使同时并网的光储单元个数最少以提高可靠性，并减小交流母线的频率电压波动。具体黑启动策略如下。

3.1 光储单元并网顺序

下面分别从光储单元控制、负载接入控制来描述恢复顺序。

1)对于光储单元，在光储联合发电系统的黑启动中，使用随机编号对光储单元进行编号的主要目的是为了实现即插即用的效果，不受个别损坏的光储单元影响。储能单元作为自启动源最先启动建立交流母线的电压和频率，采用电压控制迅速恢复；启动之后，为光伏系统启动提供参考，其中主参考的储能单元为电荷状态和容量之积最大的储能单元。预同步时，其它参考源以主参考源为标准追踪主参考源的电压相位，由电压控制变为PQ控制。而光伏单元，在储能单元启动之后参考储能单元所建立的电压频率进行启动，光伏系统工作于PQ模式，方便控制。当光伏单元参考储能单元启动完毕，各个参考光伏单元也开始以主参考源的电压频率为目标进行预同步，准备并网。

通过第2节的分析，同时并网的光储单元个数应尽量少以使交流母线电压频率波动最小，为了实现上述目标，可通过对编号光储单元的最大输出功率进行计算得到:

(1)

在控制光储单元输出时，因为光伏单元受影响因素较多，储能单元优先发出功率来保障电压频率的稳定。

2)对于负载，根据负载的重要程度分为主负载(最重要)和次级负载(相对重要)。其中主负载LD0优先度最高，在光储联合发电系统发电量足够时首先接入；然后对次级负载进行随机数编号，启动顺序为LS1>LS2>LS3，采用随机数编号可以避免次级负载过大导致光储单元无法满足启动条件一直无法启动。

3.2 预同步方法

当主参考储能单元和其它参考储能单元完成自启动后准备进行并网时应完成预同步过程。预同步方法为：在并联前，待同步黑启动源的参考值根据自身的电压控制提供，在需要进行并联时，参考值转换为由主参考源实时提供，以此来实现与主参考源的同步运行。然后将储能单元控制模式切换为PQ控制。为减小切换控制状态过程中由于控制器状态不同引发的波动，采用电流参考补偿算法进行模式切换[9]。通过在切换时，对控制环增加一个上一控制状态的补偿量，避免切换控制模式后，控制环从0开始追踪误差造成的波动。

3.3 黑启动策略

根据上述所描述的启动顺序，本文所描述的黑启动策略如下：

1)切除光储联合系统负荷。为避免在黑启动初期微源因负过大而出现故障停机现象，应首先切除系统内所有用电设备，断开所有开关，保证光伏单元所对应的储能单元在空载状态下启动，建立交流母线电压。对待同步光储单元和次级负载进行随机数编号。

2)启动各个储能单元，以电压控制方式进行控制，实现快速稳定的自启动，并具有调频和调压能力，保证光储联合系统孤岛运行时的电压和频率稳定。

3)启动储能单元所对应的光伏单元，光伏单元采用PQ控制。

4)当光储单元完成稳定自启动后，进行预同步。

5)主负载投入与光储单元并网顺序判断。

(a)对于主要负载LD0，应满足

(2)

(b)对于次级负载，应满足

(3)

(4)

其中KLS_k为第j个次级负载投入时的冲击系数；PLS_k为第j个次级负载功率；m为投入次级负载的个数；PMS_min为主参考光储单元储能模块最小输出功率；PSi_min为第i个光储单元储能模块最小输出功率。njmin为满足上述条件的第j组光储单元投入的最小启动光储单元个数，当条件符合时，闭合相应的光储单元开关进行并网，待稳定后投入次级负载LSm。余下未并网的光储单元重新进行随机数编号。

6)当所有可接入负载接入后，完成黑启动过程。

图5 黑启动流程Fig.5 Black start process

4 仿真结果验证

为了验证上述黑启动策略的可行性，使用Matlab/Simulink对黑启动过程进行仿真。光储联合发电系统的拓扑如图1所示，模块参数如表2所示(环境参数为25 ℃，1 000 W/m2)。

黑启动仿真波形如图6所示。

表2 模块参数

由图6可以看出，启动过程如下：

视2.5 s建立起稳定的电压频率，开始投入主负载负载，主光储单元1开始输出功率，其中光伏单元1输出10 kW，储能单元1输出10 kW。

5.0 s时视电压频率稳定，控制器检测到光储单元a不满足次级负载1(14 kW)的投入条件。进而判断需要投入的光储单元个数并调整光储单元a的输出。光伏单元a输出15 kW，储能单元a输出10 kW，投入光储单元d，光伏单元d输出5 kW，储能单元d输出4 kW，投入次级负载1(14 kW)。

7.5 s时视电压频率稳定，继续检测到光储单元a和d的容量不能满足次级负载2(23 kW)的投入条件，进而继续判断需要投入的光储单元个数并调整光储单元a和d的输出。此时光储单元a已经达到最大，调整光储单元d的光伏单元输出增大到8 kW，投入光储单元b和c。光伏单元b输出10 kW，储能单元b输出4 kW。光伏单元c输出4 kW，储能单元d输出2 kW。满足要求投入次级负载2(23 kW)。

图6 黑启动过程仿真波形(负载启动顺序：a→b→c)Fig.6 Simulation waveform of black start (load start sequence: a→b→c)

10 s时视电压频率稳定，继续检测到光储单元全部投入仍不能满足次级负载3(40 kW)投入投入条件，至此，所有能投入的负载全部并网，黑启动结束。整个光储联合发电系统进入离网控制阶段。

5 黑启动在备用照明中的应用

备用照明是当正常照明因电源失效后用于确保正常活动继续或暂时继续进行的应急照明。它的应急电源宜采用供电系统中有效地独立于正常照明电源的专用馈电线路或自备发电机组[12]。在商场屋顶越来越多的建设光储联合发电系统的情况下，在大电网掉电之后，可以通过黑启动恢复的电网来对备用照明设备进行供电，逆变器动作时间为一般为秒级可以快速恢复供电。

下面以某屋顶使用光储联合发电系统的写字楼为例。该楼总共12层，1～3层为商场，4～12层为办公区；每层面积为2 260 m2，办公区和商场主要使用的灯具为平板灯、格栅灯、筒灯和射灯；商场使用[13]所描述的照明方案，办公区照明环境采用4 500 K色温，500 lx照度[14]。商场共计500盏灯，总功率15.8 kW；平均照明功率密度为7 W/m2办公区共计392盏灯，总功率为13.3 kW；平均照明功率密度为5.9 W/m2。

根据前面描述的负载分类情况，在备用照明设备中，主负载为人流量最大区域的备用照明设备或工作内容最重要的备用照明设备，在本案例中为1～3层商场的备用照明设备。次级负载为4～12层的照明设备。

屋顶的光储联合发电系统为光伏单元110 kW，储能单元55 kW。与备用电源的连接方式如图7所示[15]。

图7 含光储联合发电系统的备用电源连接方案Fig.7 Backup power connection scheme including PV-energy storage system

在此层办公区的电网故障失去连接时，可使用屋顶的光储联合发电系统进行黑启动恢复。根据前面的仿真验证，光储联合发电系统能够在很短的时间内恢复交流母线的电压频率，对备用照明设备进行供电。这说明该方案可行。

6 结束语

我们首先针对光储联合发电系统通过仿真分析了黑启动过程中，同时并网光储单元个数对交流母线电压频率的影响。在此基础上提出了一种基于负载情况的并行恢复黑启动策略。通过要投入的随机负载情况来判断同时并网的光储单元个数，实现光储单元在对交流母线电压频率影响最小的情况下并网，顺利快速的完成黑启动过程。对光储单元进行随机数编号来实现即插即用，对负载进行随机编号避免因为要启动的次级负载较大而出现空余光储单元无法恢复负载的情况。结合仿真证明了本策略的可行性，同时对于屋顶装有光储电站的写字楼进行黑启动备用照明设备供电，经过分析该方案可行。