胡应宏 ，余志森 ，邓 春 ，王劲松 ，李 雨

（1.华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045；2.国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京 100045）

0 引言

风光储电站地处偏远，一旦外部电网发生故障，将对电站内的正常安全生产和日常生活造成极大影响［1-2］。大停电后的有效恢复控制是减小停电损失的重要措施，根据恢复过程中不同时期的任务，通常分为黑启动、网架重构和负荷恢复3个阶段［3-6］。传统的黑启动主要依靠水电机组或抽水蓄能机组作为电源进行启动［7-10］。文献［10-14］进行了黑启动的策略评价研究及在线决策等。文献［15-17］对含风机、光伏等新能源分布式电源及智能配电的黑启动及相关控制策略进行了理论研究。风光储电站由于包含大规模的储能设备、双向变流设备和较为完备的功率控制系统，能够为电站黑启动提供基础。目前国内外研究成果中尚未有利用风光储电站进行黑启动的工程研究和试验工作，相关的研究也未见报道。风光储示范电站具备黑启动能力对风光储公司、冀北电力公司乃至国家电网公司都具有重要意义。对于风光储公司而言，风光储电站具备黑启动能力将极大提高安全稳定运行能力；对于冀北电力公司而言，风光储电站将为冀北电网提供潜在的黑启动可能性；对于国家电网公司而言，风光储电站的黑启动能力将具有良好的示范作用，使储能电站具备特殊情况下支撑电网安全稳定运行的作用。同时，风光储电站黑启动的研究和实现，将为新能源、局部微电网实现特殊方式下的运行提供工程示范。

本文首先对风机参与风光储电站黑启动的过程进行了分析，重点分析了风机启动造成储能变流器跳闸的过程，并对风机参与黑启动的过程进行了仿真验证，指出由于风机缺少恰当的软启动过程，导致启动过流，使得黑启动失败；然后，提出了风机软启动的控制策略，并利用仿真方法对提出的控制策略进行了验证，表明提出的方法能够很好地避免风机变流器的启动过流问题。

1 永磁直驱风机及其启动过程

1.1 永磁直驱风机拓扑结构

永磁直驱风机的拓扑如图1所示，其由六相的永磁电机、二极管整流器、斩波升压电路、直流电容、制动电路以及变流器组成。发电机发出的交流电经二极管整流器，变为较低的直流电压，该直流电压经斩波升压电路变为目标直流电压，然后经变流电路变为交流电路，每相经过2个桥臂输出，增大了变流器的容量。

1.2 永磁直驱风机启动过程

某风机的预充电和配电回路如图2所示。在变流器运行前直流母线没有电压时，如果合闸，会导致很大的冲击电流。预充电回路就是在回路中串入限流电阻，通过限流电阻为母线充电，使得直流电压缓慢建立。主要通过断路器1Q3、缓冲电阻以及断路器1Q7，经过变流器的二极管进行不可控整流，它绕开了主回路断路器，在主回路断路器吸合前先将母线充电，以保护母线上电容不受电网电压的冲击。在充电一段时间后，闭合主断路器，断开缓冲电阻。620VAC经过供电变压器转换为2路400VAC，一路为变流器主柜设备供电，另一路则为机舱供电。400V AC主要为400 V AC/24 V DC开关电源，IGBT模块柜和塔底散热风机以及控制风机的变频器，主柜内的照明、加热、散热、维护插座，塔架内的照明、助力器、维护插座，主回路的储能供电。

2 风机参与黑启动试验分析

2.1 风机的启动过程

在风光储电站进行黑启动过程中的电压、电流录波如图3所示，风机参与黑启动的过程如下。

a.零启升压过程中，电流经断路器1Q3、缓冲电阻接电容，断路器1Q7处于断开状态，变流器没有接入，电流中不含谐波电流。

b.电压上升到变流器设置工作下限时，1Q7闭合，对变流器通过二极管不可控整流对直流电容充电。由于1Q7闭合，滤波电容上电压突然升高，导致无功电流突然变大，使得机端电压也有个跳变，具体波形如图3中椭圆部分所示。

该过程中的电流为容性电流叠加充电时的冲击电流，由于不可控整流的谐波含量非常丰富，使得电流畸变比较严重，随着系统电压升高，充电电流变大，导致系统电压畸变，电流放大后的波形如图4所示。有功功率主要为线路损耗，其值很小，约为10 kW。

图1 永磁直驱风机的拓扑结构Fig.1 Topology of permanent magnetic synchronous generator

图2 永磁直驱风机的预充电和配电回路Fig.2 Pre-charging and power distribution circuit of permanent magnetic synchronous generator

图3 永磁直驱风机参与黑启动时的电压与电流Fig.3 Voltage and current of permanent magnetic synchronous generator during black-start

图4 变流器接入后的电流波形Fig.4 Current waveform after converter is connected

c.中间电压变化是由于投电加热等负荷，导致电压降低、谐波电流变小。系统稳定后，电压恢复，谐波电流也恢复为稳态值。

d.并网过程中，由于由不可控整流到可控整流没有软启动过程，导致冲击电流过大，使得储能变流器过流，从而跳闸。

2.2 风机的跳闸过程及原因分析

并网跳闸电流波形在可控整流之前，主要是无功电流，为了建立直流电压，需要吸收有功，所以在变为可控整流时，主要为有功电流，具体录波波形如图5所示，从波形可以看出可控整流前后相位的变化。

建立直流电压过程中，如果没有适当的软启动过程，就会由于直流电压建立过程太快造成较大的启动电流。为了抑制过大的启动电流，要进行软启或者适当增大软启动的启动时间长度。与风机在黑启动过程中跳闸仿真过程一致，表明所分析的跳闸原因符合现场现象。

图5 风机跳闸时的系统电压、电流波形Fig.5 Voltage and current waveforms when wind turbine is tripped

3 风机参与黑启动的仿真分析与改进措施

3.1 仿真分析

为了验证分析的正确性，对风机参与黑启动过程在RT-Lab进行硬件在环仿真，系统未进行分核，仿真时间步长为8×10-5s，硬件为基于合作厂家某风科技的硬件平台进行，基于其DSP+FPGA来实现算法。仿真系统为单机无穷大系统，系统电压为690 V，风机为永磁直驱风机，容量为2 MV·A。在22 s时刻，风机端电压满足启动条件，合闸启动，但是在启动瞬间，由于缺少软启动过程，导致VF电源过流跳闸，得到的仿真波形如图6所示。

图6 风机参与黑启动的仿真波形Fig.6 Simulative waveform of black-start with wind turbine

3.2 风机软启的改进措施

3.2.1 已有的直流电压软启策略

风机已有的直流电压软启动过程，其软启动示意图如图7所示，建立方法为逐步提高目标电压值，使得在软启过程中流入变流器的电流均较小，避免冲击电流。但该措施无法避免由于控制器初始化等造成的过流，故需要对策略进行修改。

图7 直流电压软启动过程示意图Fig.7 Schematic diagram of DC-voltage soft-startup

3.2.2 控制器初始化参数造成的冲击

针对控制器参与以及初始化等造成的冲击电流，将启动的初始电压设置为低于可控整流电压，使得电流先流入系统，然后逐渐升高目标电压，由流入系统转为流入变流器，避免初始时刻的过冲。软启动初始时刻示意图如图8所示。

图8 软启动初始时刻示意图Fig.8 Schematic diagram of starting process of soft-startup

3.2.3 改进措施的仿真验证

对提出的直流侧电压软启的策略进行仿真验证，仿真条件同3.1节，修改直流电压参考值，得到的仿真波形如图9所示，其中图9（a）为修改后的直流侧参考电压以及变流器直流电压，从图中可以看出，直流电压从低于整流电压值逐渐增大；图9（b）为a相电流，从图中可以看出该过程没有冲击电流，直流电压也没有异常，很好地实现了变流器的软启动。

图9 风机软启动过程中的仿真波形Fig.9 Simulative waveforms of wind turbine during soft-startup

4 结论

本文对永磁直驱风机参与风光储电站的黑启动过程进行了分析，风机变流器直流侧电压缺少软启动过程导致风机启动失败，提出了风机参与黑启动过程的修改方法，并对方法进行了仿真验证，主要结论如下：

a.对试验过程进行了分析，指出风机在黑启动过程中存在启动冲击电流的问题，需要进一步对风机的启动过程进行优化；

b.提出了风机软启动的控制策略，将直流母线的目标电压设置为低于整流电压值，然后再逐渐提高直流母线的目标电压，避免了风机启动过程中的冲击电流，解决了风机的软启动过流问题。

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