國家風光儲示范電站黑啟動中風機啟動失敗原因及對策分析

胡應宏 ，余志森 ，鄧 春 ，王勁松 ，李 雨

（1.華北電力科學研究院有限責任公司，北京 100045；2.國網冀北電力有限公司電力科學研究院，北京 100045）

0 引言

風光儲電站地處偏遠，一旦外部電網發生故障，將對電站內的正常安全生產和日常生活造成極大影響［1-2］。大停電后的有效恢復控制是減小停電損失的重要措施，根據恢復過程中不同時期的任務，通常分為黑啟動、網架重構和負荷恢復3個階段［3-6］。傳統的黑啟動主要依靠水電機組或抽水蓄能機組作為電源進行啟動［7-10］。文獻［10-14］進行了黑啟動的策略評價研究及在線決策等。文獻［15-17］對含風機、光伏等新能源分布式電源及智能配電的黑啟動及相關控制策略進行了理論研究。風光儲電站由于包含大規模的儲能設備、雙向變流設備和較為完備的功率控制系統，能夠為電站黑啟動提供基礎。目前國內外研究成果中尚未有利用風光儲電站進行黑啟動的工程研究和試驗工作，相關的研究也未見報道。風光儲示范電站具備黑啟動能力對風光儲公司、冀北電力公司乃至國家電網公司都具有重要意義。對于風光儲公司而言，風光儲電站具備黑啟動能力將極大提高安全穩定運行能力；對于冀北電力公司而言，風光儲電站將為冀北電網提供潛在的黑啟動可能性；對于國家電網公司而言，風光儲電站的黑啟動能力將具有良好的示范作用，使儲能電站具備特殊情況下支撐電網安全穩定運行的作用。同時，風光儲電站黑啟動的研究和實現，將為新能源、局部微電網實現特殊方式下的運行提供工程示范。

本文首先對風機參與風光儲電站黑啟動的過程進行了分析，重點分析了風機啟動造成儲能變流器跳閘的過程，并對風機參與黑啟動的過程進行了仿真驗證，指出由于風機缺少恰當的軟啟動過程，導致啟動過流，使得黑啟動失??；然后，提出了風機軟啟動的控制策略，并利用仿真方法對提出的控制策略進行了驗證，表明提出的方法能夠很好地避免風機變流器的啟動過流問題。

1 永磁直驅風機及其啟動過程

1.1 永磁直驅風機拓撲結構

永磁直驅風機的拓撲如圖1所示，其由六相的永磁電機、二極管整流器、斬波升壓電路、直流電容、制動電路以及變流器組成。發電機發出的交流電經二極管整流器，變為較低的直流電壓，該直流電壓經斬波升壓電路變為目標直流電壓，然后經變流電路變為交流電路，每相經過2個橋臂輸出，增大了變流器的容量。

1.2 永磁直驅風機啟動過程

某風機的預充電和配電回路如圖2所示。在變流器運行前直流母線沒有電壓時，如果合閘，會導致很大的沖擊電流。預充電回路就是在回路中串入限流電阻，通過限流電阻為母線充電，使得直流電壓緩慢建立。主要通過斷路器1Q3、緩沖電阻以及斷路器1Q7，經過變流器的二極管進行不可控整流，它繞開了主回路斷路器，在主回路斷路器吸合前先將母線充電，以保護母線上電容不受電網電壓的沖擊。在充電一段時間后，閉合主斷路器，斷開緩沖電阻。620VAC經過供電變壓器轉換為2路400VAC，一路為變流器主柜設備供電，另一路則為機艙供電。400V AC主要為400 V AC/24 V DC開關電源，IGBT模塊柜和塔底散熱風機以及控制風機的變頻器，主柜內的照明、加熱、散熱、維護插座，塔架內的照明、助力器、維護插座，主回路的儲能供電。

2 風機參與黑啟動試驗分析

2.1 風機的啟動過程

在風光儲電站進行黑啟動過程中的電壓、電流錄波如圖3所示，風機參與黑啟動的過程如下。

a.零啟升壓過程中，電流經斷路器1Q3、緩沖電阻接電容，斷路器1Q7處于斷開狀態，變流器沒有接入，電流中不含諧波電流。

b.電壓上升到變流器設置工作下限時，1Q7閉合，對變流器通過二極管不可控整流對直流電容充電。由于1Q7閉合，濾波電容上電壓突然升高，導致無功電流突然變大，使得機端電壓也有個跳變，具體波形如圖3中橢圓部分所示。

該過程中的電流為容性電流疊加充電時的沖擊電流，由于不可控整流的諧波含量非常豐富，使得電流畸變比較嚴重，隨著系統電壓升高，充電電流變大，導致系統電壓畸變，電流放大后的波形如圖4所示。有功功率主要為線路損耗，其值很小，約為10 kW。

圖1 永磁直驅風機的拓撲結構Fig.1 Topology of permanent magnetic synchronous generator

圖2 永磁直驅風機的預充電和配電回路Fig.2 Pre-charging and power distribution circuit of permanent magnetic synchronous generator

圖3 永磁直驅風機參與黑啟動時的電壓與電流Fig.3 Voltage and current of permanent magnetic synchronous generator during black-start

圖4 變流器接入后的電流波形Fig.4 Current waveform after converter is connected

c.中間電壓變化是由于投電加熱等負荷，導致電壓降低、諧波電流變小。系統穩定后，電壓恢復，諧波電流也恢復為穩態值。

d.并網過程中，由于由不可控整流到可控整流沒有軟啟動過程，導致沖擊電流過大，使得儲能變流器過流，從而跳閘。

2.2 風機的跳閘過程及原因分析

并網跳閘電流波形在可控整流之前，主要是無功電流，為了建立直流電壓，需要吸收有功，所以在變為可控整流時，主要為有功電流，具體錄波波形如圖5所示，從波形可以看出可控整流前后相位的變化。

建立直流電壓過程中，如果沒有適當的軟啟動過程，就會由于直流電壓建立過程太快造成較大的啟動電流。為了抑制過大的啟動電流，要進行軟啟或者適當增大軟啟動的啟動時間長度。與風機在黑啟動過程中跳閘仿真過程一致，表明所分析的跳閘原因符合現場現象。

圖5 風機跳閘時的系統電壓、電流波形Fig.5 Voltage and current waveforms when wind turbine is tripped

3 風機參與黑啟動的仿真分析與改進措施

3.1 仿真分析

為了驗證分析的正確性，對風機參與黑啟動過程在RT-Lab進行硬件在環仿真，系統未進行分核，仿真時間步長為8×10-5s，硬件為基于合作廠家某風科技的硬件平臺進行，基于其DSP+FPGA來實現算法。仿真系統為單機無窮大系統，系統電壓為690 V，風機為永磁直驅風機，容量為2 MV·A。在22 s時刻，風機端電壓滿足啟動條件，合閘啟動，但是在啟動瞬間，由于缺少軟啟動過程，導致VF電源過流跳閘，得到的仿真波形如圖6所示。

圖6 風機參與黑啟動的仿真波形Fig.6 Simulative waveform of black-start with wind turbine

3.2 風機軟啟的改進措施

3.2.1 已有的直流電壓軟啟策略

風機已有的直流電壓軟啟動過程，其軟啟動示意圖如圖7所示，建立方法為逐步提高目標電壓值，使得在軟啟過程中流入變流器的電流均較小，避免沖擊電流。但該措施無法避免由于控制器初始化等造成的過流，故需要對策略進行修改。

圖7 直流電壓軟啟動過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of DC-voltage soft-startup

3.2.2 控制器初始化參數造成的沖擊

針對控制器參與以及初始化等造成的沖擊電流，將啟動的初始電壓設置為低于可控整流電壓，使得電流先流入系統，然后逐漸升高目標電壓，由流入系統轉為流入變流器，避免初始時刻的過沖。軟啟動初始時刻示意圖如圖8所示。

圖8 軟啟動初始時刻示意圖Fig.8 Schematic diagram of starting process of soft-startup

3.2.3 改進措施的仿真驗證

對提出的直流側電壓軟啟的策略進行仿真驗證，仿真條件同3.1節，修改直流電壓參考值，得到的仿真波形如圖9所示，其中圖9（a）為修改后的直流側參考電壓以及變流器直流電壓，從圖中可以看出，直流電壓從低于整流電壓值逐漸增大；圖9（b）為a相電流，從圖中可以看出該過程沒有沖擊電流，直流電壓也沒有異常，很好地實現了變流器的軟啟動。

圖9 風機軟啟動過程中的仿真波形Fig.9 Simulative waveforms of wind turbine during soft-startup

4 結論

本文對永磁直驅風機參與風光儲電站的黑啟動過程進行了分析，風機變流器直流側電壓缺少軟啟動過程導致風機啟動失敗，提出了風機參與黑啟動過程的修改方法，并對方法進行了仿真驗證，主要結論如下：

a.對試驗過程進行了分析，指出風機在黑啟動過程中存在啟動沖擊電流的問題，需要進一步對風機的啟動過程進行優化；

b.提出了風機軟啟動的控制策略，將直流母線的目標電壓設置為低于整流電壓值，然后再逐漸提高直流母線的目標電壓，避免了風機啟動過程中的沖擊電流，解決了風機的軟啟動過流問題。

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