一种基于柴储联合系统的海上风电场黑启动方法与流程

1.本发明涉及电网黑启动技术领域，具体来说是一种基于柴储联合系统的海上风电场黑启动方法。


背景技术：

2.目前电力系统黑启动电源主要为常规电厂，但是传统发电厂的冷启动依靠备用电源启动辅助机组实现，随着新能源比例的提高，风电逐渐成为启动辅助机组的新选择。通过高压直流线路连接电网的风电场，在启动过程中依赖从电网获取频率和电压的参考。因此，在高压直流输电线路故障或电网故障导致无法通过电网获取能量时，需要辅助电源作为风电机组和辅助设备的启动电源。
3.配备辅助电源的风电机组具有自启动功能，启动时间较短，使风电场具备促进系统网架恢复的能力。利用辅助电源，不仅可以实现风电机组的自启动，而且在风功率波动时负载功率缺额由储能装置进行补充。风电机组通过合理的操作步骤和控制策略，可使风电场内机组顺次启动，为负载提供长时间的稳定电能并提升系统电压质量。然而，风电场黑启动过程中系统鲁棒性较低，电压质量将影响系统的稳定运行，影响黑启动的顺利进行。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提出一种合理的基于柴储联合系统的海上风电场黑启动方法，本发明采用合理风电场黑启动操作方法和控制策略，风电机组调相运行模式令非启动机组的网侧变流器参与无功支撑，提升系统电压质量。
5.为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
6.本发明是一种基于柴储联合系统的海上风电场黑启动方法，包括如下步骤：
7.步骤s1，闭合储能线路升压线路断路器，储能装置零压启动以降低励磁涌流，储能系统经过升压变压器和海缆对风电场高压侧母线进行充电，达到额定电压后零压启动操作结束；
8.步骤s2，启动柴油发电机组，待柴发出口电压达到额定值后投入柴发启动负载，待柴发再次回到稳态后执行同期并网操作闭合柴油发电机组端口断路器，并网完成后与储能共同作为孤网系统的平衡电源，逐步降低柴发启动负载，使储能系统处于充电状态；
9.步骤s3，当储能系统荷电量满足启动需求后，投入可调负载作为平衡负载，接着闭合风电机组辅助负载断路器，向风电机组的辅机供电，当风速满足启动条件时风轮机开始捕获风能，闭合风电机组出线端口断路器，利用机侧变流器对永磁同步发电机的转速进行控制并对直流侧电容进行充电，经由网侧变流器对高压侧母线输送功率；
10.步骤s4，依次按步骤s3启动所有风电机组实现启动规模的扩大，并维持孤网系统功率平衡，且随着投入风机增多而增大可调负载的大小；
11.步骤s5，输送有功的机组启动完成后，投入以调相模式运行的风电机组；
12.步骤s6，按待投入电动机的额定功率减小可调负载的大小，等待系统进入稳态后
闭合负载端口断路器，启动电动机负载实现黑启动。
13.本发明的进一步改进在于：所述s1中储能系统零压启动具体为：零压启动控制策略令外环参考电压u
dref
依据电网电压ug与网络参考电压u
nref
差值积分，至储能输出电压与额定电压之差进入调节死区，利用pi环节对进入死区的时间计时，连续处于死区范围内大于设定时间后，pi计时环节置高电平并且不再改变，锁存u
dref
信号确定初始状态的电压外环参考值，至此零压启动过程结束。
14.本发明的进一步改进在于：所述步骤s4维持孤网系统功率平衡的具体操作为：功率平衡具体为有功功率和无功功率的平衡，在系统内的柴油发电机组以额定状态运行时，系统有功功率平衡式如下：
15.p
bess
+p
oil
+pw＝p
load
+p
loss
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
16.式中：p
bess
为储能系统有功功率；pw为风电机组有功功率；p
load
为负载功率；p
oil
为柴油发电机组有功功率；p
loss
为系统功率损耗；
17.系统无功功率平衡式如下：
18.q
bess
+q
oil
+q
wsvg
＝q
load
+q
loss
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
19.式中：q
bess
为储能系统无功功率；q
wsvg
为风电机组无功补偿；q
load
为负载无功功率；q
oil
为柴油发电机组的无功功率；q
loss
为系统无功损耗。
20.本发明的进一步改进在于：所述步骤s5风电机组调相运行模式具体分为：
21.a,风电机组以正常运行模式时采用电压下垂控制方法；
22.b,风电机组不进行有功传输时设置无功补偿模式。
23.本发明的进一步改进在于：采用电压下垂控制方法的具体操作为：网侧控制器将采用电网电压定向矢量控制策略，并将网侧电压信息引入q轴，将电压参考值与实际值之差经过比例环节得到无功参考值，与实际无功输出做差后经过比例积分环节的q轴电流参考值送入控制环节，实现网侧控制器电压下垂控制。
24.本发明的进一步改进在于：设置无功补偿模式的操作如下：首先切除机侧控制器模块，接着调整直流侧电容大小至合适值，然后切换为无功补偿控制回路并将其并网，最后为平抑波动还可在变压器高压侧投入2.0uf电容滤波。
25.本发明的进一步改进在于：以无功补偿模式运行时，依据输出无功qg对电网电压vg进行压降补偿后获得pcc测量点电压，而后与参考值v
ref
做差，经过超前滞后补偿环节和pi环节计算触发角，利用触发角对网侧电压移相控制，当电网电压高于参考电压时触发角为负值，输出电压超前于采集点电压，控制器吸收无功功率，反之控制器将发出无功功率。
26.本发明的有益效果是：本发明采用合理风电场黑启动操作方法和控制策略，风电机组调相运行模式令非启动机组的网侧变流器参与无功支撑，改善黑启动过程中系统电压的稳定性，减少旋转负载启动阶段无功需求较大使系统节点电压降低，导致储能系统和风电机组发生故障的场景，提升风储柴联合系统作为黑启动电源时的带载能力。
附图说明
27.图1为黑启动场景下海上风电系统接线结构图；
28.图2为风电场自启动过程pcc点电压仿真波形；
29.图3为电动机负载启动过程pcc点电压仿真波形。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
31.如图1-图3所示，本发明是考虑孤网下的一种基于柴储联合系统的海上风电场黑启动方法，具体步骤如下：
32.步骤s1，闭合储能线路升压线路断路器km1和km2，储能装置采用零压启动控制策略以降低励磁涌流，储能系统经过升压变压器和海缆对风电场高压侧母线进行充电，达到额定电压后零压启动操作结束。启动完成后储能系统将在黑启动过程中作为主参考源，为孤网系统提供稳定的电压和频率支撑；
33.步骤s2，闭合断路器km5和km3启动柴油发电机组，待柴发出口电压达到额定值后闭合断路器km4投入柴发启动负载，待柴发再次回到稳态后执行同期并网操作闭合柴油发电机组并网端口断路器，并网完成后与储能共同作为孤网系统的平衡电源。逐步降低柴发启动负载，使储能系统处于充电状态；
34.步骤s3，当储能系统荷电量满足启动需求后，投入可调负载作为平衡负载。接着闭风电机组辅助负载断路器，向风电机组大约100kw，50kvar的辅机供电，当风速满足启动条件时风轮机开始捕获风能，闭合风电机组出线端口断路器，利用机侧变流器对永磁同步发电机的转速进行控制并对直流侧电容进行充电，经由网侧变流器对高压侧母线输送功率；
35.步骤s4，依次按步骤s3启动其他风电机组实现启动规模的扩大，此时系统未带动黑启动负载而储能系统处于充电状态，一方面需风电机组通过变桨控制限制机组功率，从而维持孤网系统功率平衡，避免储能系统过充和柴油发电机组功率倒送以至线圈过热损坏；另一方面应随着投入风机增多而增大可调负载的大小，使得风电机组输出功率远离功率下限；
36.步骤s5，当适宜捕获风能的机组启动完成后，将不启动的风电机组网侧控制器采用调相运行控制策略，对系统进行无功补偿提升系统电压质量；
37.步骤s6，按待投入电动机的额定功率减小可调负载的大小，等待系统进入稳态后闭合负载端口断路器，启动电动机负载实现黑启动。
38.步骤s1储能系统零压启动方法为：零压启动控制策略令外环参考电压u
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依据电网电压ug与网络参考电压u
nref
差值积分，实现控制信号与输出电压缓步提升。至储能输出电压与额定电压之差进入调节死区，利用pi环节对进入死区的时间计时，连续处于死区范围内大于设定时间后，pi计时环节置高电平并且不再改变，锁存u
dref
信号确定初始状态的电压外环参考值，至此零压启动过程结束。
39.步骤s4系统功率平衡方法为：风储柴系统运行过程中需要维持系统的有功功率和无功功率的平衡，随着风速的波动，风电机组的最大可输出功率和实际输出功率也随之变化，风电机组功率波动导致的功率缺额需要由储能系统提供。假设系统内的柴油发电机组以额定状态运行，则系统内的主要有功支撑设备为柴油发电机组，储能系统和风电机组，有功功率平衡式如下：
40.p
bess
+p
oil
+pw＝p
load
+p
loss
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
41.式中：p
bess
为储能系统有功功率；pw为风电机组有功功率；p
load
为负载功率；p
oil
为
柴油发电机组有功功率。
42.传统控制策略下风电机组的网侧控制环设置无功参考值为零，但电力电子器件转换过程以及升压变压器仍会消耗一定量的无功功率；当风电机组投入电压下垂策略时，风电机组在电压跌落时将提供一定的无功支撑；风电机组的无功补偿模式以类似静止无功补偿器运行。系统内主要提供无功的装置为柴油发电机组，储能系统和调相机组，因此系统无功功率平衡式如下：
43.q
bess
+q
oil
+q
wsvg
＝q
load
+q
loss
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
44.式中：q
bess
为储能系统无功功率；q
wsvg
为风电机组无功补偿；q
load
为负载无功功率；q
oil
为柴油发电机组的无功功率。
45.步骤s5风电机组调相运行模式具体为：风电机组正常运行模式下采用电压下垂控制方法，网侧控制器将采用电网电压定向矢量控制策略，并将网侧电压信息引入q轴，将电压参考值与实际值之差经过比例环节得到无功参考值，与实际无功输出做差后经过比例积分环节的q轴电流参考值送入控制环节，实现网侧控制器电压下垂控制；风电机组不进行有功传输时可设置无功补偿模式，使网侧控制器以类似svg的无功补偿模式运行，称其为wsvg模式。此时需进行如下操作：首先切除机侧控制器模块，接着调整直流侧电容大小至合适值，然后切换为无功补偿控制回路并将其并网，最后为平抑波动还可在变压器高压侧投入2.0uf电容滤波。以无功补偿模式运行时，依据输出无功qg对电网电压vg进行压降补偿后获得pcc测量点电压，而后与参考值v
ref
做差，经过超前滞后补偿环节和pi环节计算触发角。利用触发角对网侧电压移相控制，当电网电压高于参考电压时触发角为负值，输出电压超前于采集点电压，控制器吸收无功功率，反之控制器将发出无功功率。
46.最后应该说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。