1、研究与探讨风储发电系统作黑启动电源的功率协调优化策略李翠萍，李鹤，李军徽，朱星旭，尤宏飞，孙首珩，毕正军（东北电力大学，吉林吉林 ；国网平山县供电分公司，石家庄 ；国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 ）摘要：针对黑启动过程中的功率协调问题，基于模型预测控制（，）提出一种优化策略。首先，介绍了风储发电系统作黑启动电源，设计了风储发电系统的出力方式；其次，结合 策略设定了风储出力优化策略，构建风储系统预测模型和滚动优化模型；最后，通过算例对不同功率协调优化策略分析，得出所提风储发电系统功率协调优化策略可以使风电出力有效跟踪火电厂辅机负荷，减小黑启动过程中储能系统的输出功率，进而使储能荷电状
2、态（，）维持在理想值附近，防止储能 越限。关键词：黑启动；风储系统；模型预测控制策略；滚动优化中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，（），（）：；收稿日期：作者简介：李翠萍（），女，副教授，研究方向为新能源发电与运行控制、储能在新能源发电中的应用。引言随着电力系统的快速发展，各国家大停电事故频发，给社会经济、人民生命安全造成了严重的威胁。造成停电事故的原因各不相同，大停电事故后通过黑启动电源快速有效地恢复系统是当前电网稳定运行的重要任务。水力发电具有厂用电较少、可快速启动等优点，但对于我国某些风多水少的地区，例如蒙西地区，如果发生大停电事故，则须要发挥本地区自然优势，选择本
3、地丰富的新能源作为黑启动电源。该地区风资源丰富，采用风电场作为黑启动电源进行停电事故后的系统恢复工作将具有重大价值。在大停电事故后的电力系统恢复过程中，能否保证电源与负荷的功率平衡是黑启动成功与否的关键。黑启动很可能出现风储输出功率与负荷需求不平衡以及储能越限的情况，从而影响电力系统的电压、频率稳定，导致黑启动的失败。显然，风储发电系统作为黑启动电源参与黑启动的过程中，其能量协调控制较为重要，也决定了系统大停电事故后的黑启动过程成功与否。对于黑启动过程中的协调优化策略方面的问题，已有大量研究。文献 将模型预测控制运用到风电场调频调压的场景中，在准确跟踪参考功率的基础上减小叶片载荷，保证风机第
4、卷第期（总第 期）年月 吉林电力 （）安全运行。文献 将负荷跟踪和最大功率点跟踪相结合，合理控制新能源出力。文献 基于模型预测控制，提出了系统恢复过程风电无功出力优化策略，有效保证电力系统恢复过程中的功率平衡。文献 针对电力系统的恢复问题，提出了一种直流馈入的功率协调策略，实现传统系统功率与各直流传输量的协调优化，使系统调节持续时间最短。以上文献均为针对新能源黑启动过程的协调优化策略方面的 研 究，但 未 考 虑 黑 启 动 过 程 储 能 荷 电 状 态（，）的约束，没有考虑储能系统的充放电深度的问题，如果在电力系统恢复过程中，储能系统过充电或过放电，从而导致储能系统荷电状态越限，将直接导致
5、黑启动失败。文献 以风电场和光伏电站配置储能系统参与黑启动，提出黑启动可行性评价指标。对于风光储系统的输出功率，分种情景进行分析，对黑启动电源能否进行黑启动进行评估。文献 以风储发电系统为基础提出了一种功率协调控制策略，分为个阶段，主要通过改变风储发电系统中储能系统的控制策略稳定电压和频率，使其在合理范围内。文献 考虑储能的状态，提出一种风储系统黑启动火电厂辅机的功率协调控制策略，分别建立有功控制器和无功控制器，通过调整风电场输出功率的方式降低储能系统的输出功率，使其维持在合理范围内。文献 针对风光储系统启动火电厂辅机提出了功率协调策略，电源输出功率低于负荷功率时采用最大功率跟踪。光伏黑启动电
6、源出力大于负荷需求时，由风电场补足光伏与负荷差值，该控制策略有效降低储能系统的充放电深度，使储能荷电状态维持在合理范围内。为了使风电机组具备较好的黑启动能力，参与电网恢复，文献 针对支撑电网黑启动风光储新能源电站基础内容展开分析，结合各种协调控制模型以及系统协调控制要点，研究惯性响应控制策略、一次调频时序控制策略等具体应用，确保风光储新能源电站运行过程的稳定性。风储发电系统作为黑启动电源恢复电力系统时，由于风电功率的不确定性、波动性较强，风电场与储能之间的协调控制变得尤为重要，因为随着电力系统恢复工作的不断进行，黑启动负荷不断投入，使功率波动逐渐增大，恢复过程中的功率协调控制变得尤为复杂，黑启
7、动操作的成功与否直接取决于风电场和储能系统协调程度，决定了能否保证充足的负荷供给。本文设计了风储发电系统参与黑启动的功率协调优 化 策 略。首 先，考 虑 模 型 预 测 控 制（，）策略的在线优化过程以及风储系统的运行特性，设计风储系统出力方式；其次，建立了风储出力的预测和滚动优化模型以优化其输出功率；最后，提出风储发电系统输出功率评价指标，对优化结果进行对比评估。通过算例，对种优化策略进行对比，得出本文所提的功率协调优化策略可以降低风电场的功率波动以及储能系统的充放电深度，使储能系统的 维持在合理水平。风储发电系统作黑启动电源电网停电后，风储发电系统作为黑启动电源启动负荷，这个过程类似于“
8、擦火柴”的动作，同时整个黑启动时段需要风储发电系统持续满足火电厂辅机负荷的需求。储能系统在其中起到弥补风电场功率与火电厂辅机负荷功率之间差值的作用，为风电场提供稳定的电压和频率。风储发电系统由风电场和储能系统构成，因为要充分利用新能源，所以现有风电场采用最大功率工作，这样对于作为黑启动电源的风储发电系统来说，只有储能系统可以进行能量的调节，显然其输出功率存在可控性差、不易调节等问题。本文设计了一种通过控制发电风机数量和储能输出功率的控制方式，灵活地调节风储系统参与黑启动过程中的输出功率，风储发电系统在维持功率平衡的同时，使储能系统的 控制在合理区间。风电场控制过程可以表示为：（）（）（）（）式
9、中：为发电风机的数量；为发电风机的变化数量；为时刻。风电场输出功率的变化过程为：（）（）（）（）（）式中：为风电实际功率；为风机预测功率。储能系统电量变化可以表示为：（）（）（）（）式中：为储能电量；为储能转换效率；为转换系数；为储能充放电功率。基于模型预测控制的风储黑启动功率协调优化策略 的功率协调优化策略主要思路为通过调整参与黑启动的发电风机数量的方式控制风电输出第 卷第期（总第 期）吉林电力 年月功率，使风电输出功率与黑启动负荷之间的功率差值最小，从而达到降低储能系统在黑启动过程中的充放电深度的目的，使储能的荷电状态始终维持在合理工作范围内。黑启动过程中，模型预测控制通过第一部分的预测模
10、型求解，在预测时域内对风储发电系统输出功率进行预测，得出预测时域内风电输出功率及储能输出功率。然后，在控制时域内经过在线优化阶段，通过调整参与黑启动的发电风机数量的方式对风电场输出功率进行校正，使其有效跟踪黑启动负荷功率。通过调整风电场中发电风机数量以及储能输出功率维持黑启动过程中系统功率平衡，完成整个黑启动工作。犕 犘 犆风储预测模型风储系统状态空间方程：（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为风储系统中储能和风电场出力，（）（）（）；为系统的输出量，即储能的充放电功率，（）；（）为系统发电风机的数量变化，（）（）；（）为待启动辅机负荷，（）；矩阵、。风储出力滚动优化滚动优化是一个多目标
11、优化问题，将整个优化过程分为风电场出力优化阶段和储能系统出力优化阶段，每一时刻的风电输出功率都是与前一时刻结束之后发电风机数量变化有关，为前一时刻风电输出功率与风机数量变化对应的功率之和，而在反馈校正过程中，利用前一时刻的风电实际功率，计算下一时刻的发电风机数量变化，这样滚动优化参与黑启动发电风机数量变化，使风电功率可以有效跟踪火电厂辅机负荷，以减小储能输出功率，使黑启动过程储能各时刻 维持在中间值附近，降低因风电场输出功率与火电厂辅机负荷差值较大而产生储能过充电、过放电现象。）风电场出力优化。对于风电场的出力优化，通过对黑启动过程中风电场发电风机数量的控制缩减其与负荷需求之间的差值。在控制时
12、域内，各时刻风电输出功率与黑启动负荷需求方差和最小为优化目标，其函数 为：（）（）（）（）（）式中：为控制时域内时间间隔。）储能系统优化。在控制时域内，各时刻储能 与理想值方差和最小，目标函数 为：（）（）式中：为储能系统荷电状态；为储能系统荷电状态理想值。）约束条件。风储发电系统与火电厂辅机负荷需求功率平衡约束：（）风储发电系统中储能的充放电功率约束：（）（）式中：为储能的额定功率；储能荷电状态约束：（）（）式中：和 为储能系统 极限值；风电场中风机的数量约束：（）式中：为风电场中风电机组数量。反馈校正在初始阶段风储发电系统的预测出力一定会存在系统误差，不可能完全准确，因此，本文所提功率协调
13、优化策略中的反馈校正显得尤为重要。在预测时域内的每一个采样时刻，模型预测控制均以前一时刻的实测信息对后续系统的预测输出进行校正，不断优化黑启动过程中风储发电系统预测输出功率，使系统黑启动过程中风电场出力可以持续有效跟踪火电厂负荷功率需求，储能系统 维持在合理范围内。评价指标本文以风储发电系统运行在种不同策略下参与黑启动，评价指标如下。风电场输出功率与火电厂辅机负荷的平均差 为：（）（）（）式中：为风储黑启动过程中的时间采样点数量。风储发 电 系 统 中 储 能 系 统 功 率 的 波 动 程 度为：（）李翠萍，等：风储发电系统作黑启动电源的功率协调优化策略式中：、分别为储能系统充放电功率最大、
14、最小值。储能系统 与理想值 的平均差 ：（）（）算例分析 算例条件为了验证本文所提风储发电系统功率协调优化策略，分别让风储系统在 策略和基于功率预测（，）策略下运行，然后对仿真结果进行对比。策略：结合风储优化目标，通过功率预测得出风储发电系统输出功率的协调优化策略，相比于 策略减少了反馈校正环节。本文算例分析数据来源于某火电厂和风电站实测数据，风电场额定容量为 ，发电风机数量 为 台。所 配 置 储 能 系 统 额 定 容 量 为，储 能 上下限分别为 和。以风储系统作电源启动火电厂辅机，持续时长为 ，对于本文所提功率协调优化策略，控制时域和预测时域均为 ，滚动优化阶段的时间尺度为 。以台 火
15、电机组为例，负荷功率见表。表火电厂辅机投入过程时间 系统状态总负荷投入公用负荷和锅炉本体负荷 投入循环水系统负荷 投入汽机辅机负荷 投入锅炉辅机负荷 投入汽机本体负荷 投入发电机本体负荷和电气负荷 火电机组启动完成 算例分析 不同策略下风电场出力对比黑启动过程风储发电系统运行在种不同策略下，发电风机数量变化情况以及风电场输出功率见图。随着黑启动负荷的持续投入，火电厂辅机负荷需求不断增加，风电场输出功率不断增加。在系统的前 ，负荷需求相对较小，风电场输出功率相图风电输出功率与黑启动负荷功率对比对较小。当时间为 、时，由于辅机负荷需求的增大，此时风电场要通过增加相应发电风机数量以增大输出功率，达到
16、功率平衡的目的。当时间为 时，虽然系统投入新的负荷，但是由于负荷需求相对较小，且此时发电风机输出功率增大，因此发电风机数量无变化。当风储系统运行在 策略时，由于预测存在偏差，且偏差较大时，就会导致预测时域内的发电风机数量与合理值偏差较大，例如时间为 、等，由于发电风机实际输出功率与输出功率预测值之间误差较大，使该时刻发电风机数量增大以提高风电场输出功率。而当风储发电系统运行在 策略时，系统以前一时刻的实测信息对后续系统的预测输出进行校正，不断优化黑启动过程中风储发电系统预测输出功率，使风电场输出功率有效跟踪火电厂辅机负荷，对比见图。从图中可以看出，随着火电厂辅机负荷的不断增加，风电场中发电风机
17、的数量也不断增加，以提高黑启动过程中风电场输出功率，如 ，火电厂辅机负荷增加量较大，系统通过增加风电场中发电风机数量的方式增大输出功率，保证给黑启动负荷提供充足的功率。由于风电功率预测会存在第 卷第期（总第 期）吉林电力 年月图种策略发电风机数量及风电场输出功率对比预测误差，系统运行在 策略时，一旦风电实际输出功率与预测功率之间误差较大，就会使系统预测得到的发电风机数量与风机合理值相差较大，例如在时间为 、和 等。而对于 策略，系统可以通过前一时刻的实际出力值优化后续的风电场出力，使风电场输出功率可以有效跟踪火电厂辅机负荷。不同策略下储能 对比储能系统在黑启动过程中的作用是弥补风电场功率与火电
18、厂辅机负荷功率之间的差值，策略与 策略下储能系统的充放电功率对比见图。从图中可以看出，对于种不同策略，储能的输出功率明显不同。运行在 策略时，由于风电场出力在黑启动过程中可以有效跟踪火电厂辅机负荷，使风电输出功率与火电厂辅机负荷需求之间的差额减少，进而使储能系统的充放电功率减小，即降低了储能系统的充放电深度。所以种不同策略下的储能系统在整个黑启动过程的累计充放电电量不同，策略下储能系统在整个黑启动过程的累计充电电量明显小于 策略下的储能充电电量。不同策略下储能 对比见图。由结果可以看出，通过增加或减少风电场中参与黑启动过程的发电风机数量的方式控制其输出功率，使风电场输出功率有效跟踪火电厂辅机负
19、荷。由于风电功率预测会存在误差，出现风电功率预测值与实际功率输出值偏差较大的情况，直接影响系统参与预测的黑启动发电风机数量，风储系统运行在 策略，例如时间为 、时，该时刻发电风机预测功率较小，系统通过增加风机数量增图种策略下储能系统充放电功率图种策略储能系统犛 犗 犆变化大风电功率。而实际风机功率超出预测值，使风电李翠萍，等：风储发电系统作黑启动电源的功率协调优化策略场输出功率远超出负荷需求，所以使储能充放电功率增大，而 策略有效避免了这种情况的发生。算例结果对比见表，其中 为储能充放电深度。从表中可以看出，风储黑启动过程中，风储发电系统运行在本文所提协调优化策略情况下的储能系统功率波动程度、
20、最大充放电功率相对于 策略下均减小了。风储系统运行在本文所提策略时，由于滚动优化和反馈校正过程的存在，使风电功率预测误差带来的影响降低，风电场对火电厂辅机负荷的跟随性增强，储能的输出功率减小。表算例结果对比策略 结论对于风储发电系统在黑启动时段火电厂辅机的功率协调问题，本文提出了一种基于 控制的功率协调优化策略，可以使风电场输出功率有效跟踪火电厂辅机负荷，降低储能系统的充放电深度，结论如下。）针对风储系统作黑启动电源设计了风储发电系统控制方式，以降低储能系统充放电深度为目标，设计了风储系统协调优化策略，维持黑启动过程的源荷功率平衡，同时储能 维持在合理水平。）基于风储发电系统结构特点，提出了风
21、电场出力方式，即通过控制风机数量控制输出功率，使风电场出力有效跟踪火电厂辅机负荷，为火电厂辅机负荷提供充足功率。）建立风储发电系统的输出功率预测模型，在黑启动过程中，系统在预测时域内预测风储系统的功率，并以风电场输出功率和储能 为优化目标，对风储输出功率进行滚动优化，有效解决由于预测功率存在的误差而对系统产生的影响。参考文献：梁志峰，葛睿，董昱，等印度“”、“”大停电事故分析及对我国电网调度运行工作的启示电网技术，（）：孔明基于光储联合的电网黑启动可行性研究吉林：东北电力大学，（）：李翠萍，张世宁，李军徽，等基于多储能系统的风电黑启动方案设计全球能源互联网 （）：刘威鹏模型预测控制在风电场调频
22、调压中的应用研究济南：山东大学，（）：李凯嵘基于模型预测控制的停电系统恢复过程中风电无功出力优化南京：南京理工大学，王洪涛，蔺呈倩，杨冬，等多直流馈入系统功率调控与机组出力恢复协调优化电力自动化设备，（）：李军徽，尤宏飞，李翠萍，等风光储支撑黑启动的可行性评估方法电力建设，（）：张英敏，吴谨轶，江琴，等基于风储联合系统的受端电网黑启动技术及协调恢复策略工程科学与技术，（）：杜平，万玉良，米增强，等储能型风电场黑启动火电机组过程中的功率协调控制策略电力科学与工程，（）：赵晶晶，朱天天，陈凌汉，等风光储电站对临近火电厂黑启动的协调控制策略 电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报，（）：颜庭煜支撑电网黑启动的“风光储”电站调控策略研究智能城市，（）：第 卷第期（总第 期）吉林电力 年月
