论文总字数：40343字

摘 要

16012602 刘梦佳

指导教师 徐青山

摘要正文：随着煤、石油等不可再生能源的短缺以及环境的日益恶化，以光伏发电为代表的新能源发电技术不断发展并日渐成熟。光伏发电可以作为黑启动电源进行电网的黑启动，并且与其他电源相比成本较低且有着分布广泛、并网迅速的优点。同时，由于其不同于常规电源的运行和控制特性，使以光伏发电作为电源的黑启动技术与传统方式有所不同。本课题就针对这一问题进行了研究。

本课题在研究光伏发电原理的基础上，完成了光伏阵列的建模工作。考虑到直流侧电压稳定问题，建立了蓄电池以及Boost-Buck双向控制策略的仿真模型。在分析原理的基础上给出了模型结构和参数选择方法，仿真结果证实了模型的合理性。

其次，本课题研究了光储电站运行在黑启动场景下的具体控制策略。根据本文对应的情况，在PQ恒功率控制、V/f恒压恒频控制以及下垂Droop控制策略中选择V/f控制策略进行深入研究，并建立了SPWM电压电流双环跟踪控制的模型结构以及各环节参数的选择方法。仿真结果表明该模型能够有效稳定系统电压和频率。

然后，本文对光储电站作为黑启动电源的可行性进行了研究与分析。通过Matlab/Simulink环境下的仿真，对光储电站系统在对空载长线路充电时的过电压以及启动厂用机组时的系统电压、频率进行研究，验证了光储电站作为黑启动电源的合理性。

最后，本文从宏观角度研究了电网停电时，光储电站作为黑启动电源时的启动路径优化策略，并给出了相应的简化算法。

关键词：光伏，黑启动，控制策略，可行性分析，路径选择优化

Abstract

Abstract：With the rapid development of renewable energy technology, photovoltaic power has become an important power resource. Compared with traditional generation technology, photovoltaic generation has an excellent ability of self-starting and is easily connected to the grid, which makes it a promising choice of black-start source. Besides, given the fact that its operating characteristic and control method are different from that of traditional technology, the PV-based black-start process must be distinguished from the traditional way. As the photovoltaic technology develops, it is of great significance to research on PV-based reconstruction process.

Firstly, we build the Matlab/Simulink model of PV and DC-DC module. In order to stabilize the voltage level in the DC side, the model of storage battery and corresponding Boost-Buck module are established. The structure of the model and the method of selecting parameters are presented. The result of the simulation confirms the rationality of the model.

Secondly, the control strategy of PV as black-start source in the island mode is established. After analyzing the differences between PQ control method, V/f control method and droop control method, we adopt V/f control method for further research, and establish the double closed loop control strategy and its simulation model. The method of selecting parameters is presented. The result of the simulation shows that the method could make the voltage and frequency stable.

Thirdly, the overvoltage and frequency stability issues are simulated and analyzed when charging unloaded lines and activating asynchronous motors, verifying the feasibility of PV as black-start source.

Finally, the starting strategy of PV-based black-start process in the reconstruction phase is presented, along with the solution algorithm.

Key Words： PV；black start；control method；feasibility analysis；starting strategy.

第一章 绪论

近年来，电力系统在可靠性、灵活性等方面有了长足的发展，但恶劣天气、自然灾害、设备故障等原因引发的大面积停电事故却仍然难以避免[1,2]。随着电网规模的不断增大，电网的恢复工作也变得越来越困难，因此对大停电后电力系统的恢复进行研究，以将事故损失控制在最小范围显得尤为重要。

黑启动过程包括三个阶段，即：黑启动阶段、网架恢复阶段和负荷恢复阶段[57]。其中，黑启动电源的选择是电网恢复过程中的关键问题。光伏发电作为一种清洁能源，由于其分布范围广，并网迅速，以及具有良好的自启动能力，在电力系统黑启动中有着巨大的应用潜力[3]。

近年来随着智能电网的建设以及新能源并网技术的发展，电网中分布式新能源的渗透率越来越高，而随着能源互联网概念的兴起和蓬勃发展，光伏发电等分布式新能源由于其清洁无污染的特性，其地位势必将会越来越重要[4-6]。

随着光伏发电技术的发展，光储电站的成本不断降低，容量却在逐渐增大，预计在不久的将来，能与常规发电机组的发电成本形成有力的竞争，从而极大的重塑我国发电侧的市场模式。

综上所述，对基于光储电站的黑启动在可行性、启动特性、恢复策略研究具有重要的意义。

国内外研究现状

1.1.1 传统黑启动研究现状

电网系统在停电后的恢复阶段具有多层次、多阶段、多方参与的特性，跨越黑启动阶段、网架恢复阶段以及负荷恢复阶段这三个阶段，并且涉及多分区、多级别电网的并行协调恢复策略[57]。在整个系统的恢复过程中，网架恢复承担着重建系统网架、给附近失电厂供电以及扩充系统总体容量的任务，是最关键的一环。目前电网大停电后的网架恢复工作，一般采用常规具有自启动能力的机组如水轮发电机组以及具备FCB功能的火电机组。

目前，国内外学者围绕黑启动、恢复路径寻优[7-9]、机组恢复排序[10-11]、网架重构[12-14]、系统分区优化[15]、启动效率及风险评估[16]等方面已有相当的研究成果，这些成果对于光伏场景下的系统恢复有一定的借鉴意义。文献[17-18]研究了研究具体黑启动方案需要遵守的基本原则，重点强调了黑启动过程中需注意的技术问题；文献[19-22]搭建了传统火电机组在黑启动环境下的数学模型，并对该模型在黑启动初期的稳定性进行了深入的研究；文献[23-25]采用采用多种算法实现了对既定黑启动方案的评估；文献[26-28]研究了基于专家系统的主动响应、主动评测的黑启动评估系统；在机组优化选择策略上，文献[10]介绍了单一时间尺度范畴内的针对特定时刻选择机组的优化方法。文献[12-13] 研究了不考虑各厂站和线路恢复顺序情况下的重构目标网架形态。文献[11]综合考虑混合整数线性规划方法以及路径寻优、约束检查模块，生成了目标机组的恢复序列。文献[14,29]主要研究包括分区优化以及重要机组及负荷节点优化的多进程恢复决策，电网系统离线恢复预案的制定提供了新的思路。文献[30]将分层次独立优化与整体寻优方法结合并应用于输电网架恢复阶段，有效提高了算法效率。在文献[31]中，一个以一定时间内恢复发电量的加权和最大为优化目标的黑启动方案被提了出来，该方案将优化问题转化为二维背包问题求解，但在求解过程中没有考虑被启动机组对后续恢复过程的有利作用。文献[32]研究应该综合考虑恢复容量和停电损失作为网架恢复的效率指标。文献[33]将黑启动决策视为混合整数非线性规划问题，开发了一种针对孤立电网的决策支持系统。

1.1.2 光伏黑启动研究现状

当电网发生大停电时，光伏发电可向周边负荷提供持续的电力供应，形成局部的小电力系统，待系统主干网架恢复之后进行并网；甚至可以作为黑启动电源，直接向火电机组厂用负荷及原动机供电，在一定程度上避免重要负荷的停电损失和加快电网黑启动进程。

目前国内外对以光伏发电作为黑启动电源的网架恢复目前还只处于初步研究阶段，尚未见文献对此进行详细阐述。

文献[34]通过研究微电网在黑启动情况下的运行模式，印证了利用微电网恢复系统服务的可行性；文献[35]对微源的黑启动能力进行了分析，并研究了并行恢复的策略，但其并没有涉及到由微源直接启动大型发电机组；文献[36]研究了光伏机组并行启动的路径优化策略，将电网分区，每个区内有一台光伏电站用以启动其他常规机组，但忽视了光伏电站与常规类型的机组黑启动能力上的不同；文献[37]利用萤火虫算法研究了分布式新能源发电对于黑启动过程的辅助作用，但没有考虑到所在地区没有其他自启动机组的情况；此外许多针对光伏发电参与黑启动的研究大多集中在光伏逆变器或多逆变器的控制策略上[38-40]，而对于整体的网架恢复和路径优化问题并没有过多涉及。

1.2 课题研究的主要内容

本课题在对前人在黑启动方面所做的工作进行了分析、比较、总结的基础上，对基于光伏发电的电网黑启动的可行性、启动特性、启动策略等方面进行了详尽的研究。研究主要包括以下三个方面的内容：

1. 基于机理的光储电站建模，及针对黑启动的控制策略
2. 以光储电站作为黑启动电源的电网黑启动可行性分析
3. 基于光储电站的两阶段网架恢复综合优化方法

1.2.1 电站建模及控制策略

本课题基于机理的建模方法，结合典型光伏系统的特性数据建立光储电站的仿真模型，并研究了光储电站在黑启动条件下的运行控制策略，使光储电站在对自身伤害尽可能小的情况下向电网提供尽可能稳定的电力供应。

对现有的各种光伏并离网控制策略（V/f恒压恒频控制，PQ恒功率控制、下垂Droop控制及其衍生控制策略）进行了比较，制定了一种适合黑启动场景的控制策略，控制部分包括双向DC/DC变换模块、V/f控制模块、功率控制模块三部分。双向DC/DC变换模块主要用于储能系统的控制，以实现光伏出力盈余时对储能充电，光伏出力不足时进行补充；功率控制模块近似与传统光伏逆变器的最大功率点跟踪（MPPT）算法，作用是根据系统所带的负荷决定光伏电池的出力；而V/f控制模块用于保持系统电压频率的稳定不变，对于形成一个稳定的电力系统至关重要。

1.2.2 以光储电站作为黑启动电源的系统黑启动可行性分析

本文研究含分布式光伏的电网黑启动技术，构建了以下的仿真模型，包括光伏电池模块、双向DC/DC变换模块、V/f控制模块、功率控制模块、逆变器、负载、空载长线路以及电动机。经过仿真验证，能够保证光伏在充电空载长线路以及增加负荷过程中保持恒定的电压和频率，不至于崩溃，从而顺利的完成黑启动的整个过程。

在验证了以光伏为黑启动电源的黑启动可行性的基础上，对影响光伏出力的多个因素专门设计了多组仿真，以探究这些因素对光伏黑启动的影响。这些因素包括光照、温度、储能容量等。

1.2.3 光储电站的两阶段网架恢复综合优化方法

随着光伏等分布式新能源渗透率的逐步提高，光伏发电由于其分布范围广，并网迅速，以及具有良好的自启动能力，在电力系统黑启动中有着巨大的应用潜力。本报告针对光伏发电不同于常规黑启动机组的特点，制定了基于光伏发电的分阶段网架恢复策略。阶段一利用光伏发电机组，以最大化启动成功的概率为目标，启动网架内的第一台机组；阶段二以该被启动机组为主要电源，分布式电源为辅助，以在最短时间内恢复最大出力为目标，实现整体的网架恢复。并综合两阶段的启动特性，研究了一种启动策略的综合优化方法，在保证网架恢复效率的同时，又能够有效解决光伏系统惯性差，黑启动能力弱的问题。

1.3 本章小结

本章主要介绍了目前国内外黑启动技术的研究现状，并对现有文献的研究成果进行了分析和借鉴，从而研究了以光伏发电作为黑启动电源的启动方案。然后简要介绍了本课题的研究内容，包括光伏阵列建模，适合黑启动场景的光储控制策略，光储电站作为黑启动电源的可行性分析，光伏黑启动的启动策略等。

第二章 直流侧组件及建模

本章主要研究光伏发电的基本原理及后续控制部分。第一部分介绍了光伏电池发电原理，然后根据其工作原理归纳出光伏电池的数学模型，通过仿真所得的出力特性验证光伏电池模型的正确性。第二、三部分分别讨论了光伏侧和蓄电池侧变换器拓扑结构及其控制策略。

本课题所研究电网系统的结构图如2-1所示：光伏阵列与蓄电池并联后通过逆变和滤波环节接入电网。首先通过Boost变换器对光伏阵列的输出电压进行升压调整，再通过逆变器将大致稳定的直流电转换为可以接入电网使用的交流电。前级变换器采用最大功率跟踪法调整电压，由于这一环节的存在，使得系统对光伏阵列的出力特性要求降低，留有更大的裕量。而后级变换器主要实现逆变功能。这种两级式光伏系统结构使得系统中各级变换器分工明确，简化设计。相比于没有储能部分的光伏发电系统，设备的需求和电厂的造价会有所上升，且经过两级变换，电能的损耗率也会大大增加[41]。

图2-1 两级式光伏发电系统

2.1 光伏电池模型及其特性

2.1.1 光伏电池工作原理

光伏电池是将太阳能直接转换为电能的最小元件。太阳能电池组件由多个光伏电池进行串并联得到，而光伏阵列则由多个太阳能电池串并联扩展得到[42]。光伏阵列是太阳能光伏发电系统中最重要的组成部分之一，它的性能直接影响到整个光伏发电系统的出力性能和质量。

2.1.2 光伏电池数学模型

太阳能光伏电池的工作原理是利用PN结的光生伏打效应使电子运动从而形成电流通路。通常将其看成是一电流值为Iph的电流源，等效电路图如下所示：

图2-2 太阳能电池等效电路图

在图2-2中涉及的参数详情如下：

R_s：光伏电池的串联等效电阻；

R_sh：光伏电池的并联等效电阻；

I_sh：流入并联电阻的电流；

I_ph：将太阳能光伏电池看成电流源的等效电流；

R_L：等效的负载电阻；

I_D：流入二极管的电流，其表达式为

(2-1)

其中，I₀为二极管反向饱和电流，g为电子电荷，n为常数因子，T为绝对温度。需要注意的是，n的取基于正偏电压的大小，当正偏电压小时n取2，正偏电压大时n取1。

根据图2-1内容，当负载电压为U时，负载电流I为

(2-2)

由此可知，太阳能光伏电池的基本特性曲线可以通过一系列的参数变量来表示。但在实际应用中，公式(2-2)中的各项参数大多均为电池的内部物理参数，难以测定，因此各生产厂家通常只提供标准条件(光照强度G=1000W/m²，外界环境温度T=25℃)或者标称情况(光照强度G=1000W/m²，外界环境温度T=25℃，风速V=1m/s)下光伏电池的测试参数，即短路电流I_sc、最大功率点电流I_m、最大功率点电压U_m、开路电压U_oc等[44]。

光伏电池的电流-电压关系曲线是衡量光伏电池质量的重要标准之一，也是决定光储电站能否进行后续黑启动操作的重要因素。本文依据光伏电池说明书中给出的标准情况(STC)和标称情况(NOCT)的出力特性，计算公式(2-2)中各个参数，从而可以得到任意光照强度G及外界环境温度下的光伏电池电流-电压特性曲线。

当外界环境温度为时，光伏电池温度，其中为光照强度与光伏电池温度的相关系数，由标称情况下的光伏电池温度、环境温度以及光照强度决定：

(2-3)

此时，光生电流的计算公式如下：

(2-4)

二极管反向饱和电流由光伏电池内部结构决定，通过开路条件下光伏电池的电流-电压关系可以求得如下：

(2-5)

参数、的值决定了光伏电池电流-电压特性曲线的形状，他们的关系如下式：

　　 　　(2-6)

用试凑法计算的值。在将由零逐渐增大的过程中，调整、的数值，使光伏电池电流-电压曲线通过最大功率点和。当出力特性曲线的取到最大值时，就可以得到所需的值。

上述方法求得的、、等参数代入公式(2-1)就能计算出任意光照强度及环境温度下的光伏电池电流-电流关系曲线。

2.1.3 光伏阵列特性仿真

由于单个光伏电池容量较小，输出的电压及功率远不能满足负载的供电需要，因此要将多个太阳能电池串、并联，扩展为光伏阵列，再投入使用。

根据上述建模方法，根据日本京瓷公司生产的KC200GT多晶太阳能电池板的数据[45]，可以在Matlab/Simulink环境下对光伏阵列进行建模，该模型可以模拟任意光照强度和外界环境温度情况下的工作状态，并且可以通过直接改变光伏模块串并联数进行出力调整。

根据2.1.2节中的计算步骤，可以得到参数等内部参数的值，如表2-1所示。

表2-1 计算得到模型参数值

光伏阵列仿真模型如图2-3所示：

图2-3 光伏电池仿真模型

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