技术领域
[0001] 本
发明属于配电网黑启动控制领域，涉及一种基于储能系统的配电网黑启动方法。
背景技术
[0002] 电网的黑启动是整个电
力系统因故障停运后实现恢复的一个重要阶段。在电网大面积停电后，采取电网黑启动措施，通过系统中具有自启
动能力机组的启动，带动无自启动能力的机组，逐步扩大电力系统恢复的范围，最终实现整个电力系统的恢复，可以大大减少电网停电时间，尽快恢复电网的正常运行。随着现代电力系统的不断发展，电网结构日益复杂规模日益庞大，导致电网的恢复过程越加复杂，且在传统黑启动的方案中，黑启动电源主要以
水电为主，采取先恢复输电网再恢复配电网的方案，大大延长了供电恢复时间。
[0003] 常规黑启动方案通常选择水电及燃气机组作为黑启动电源。然而收到地域资源分配不均的限制，水资源的匮乏限制了水
电机组的建设，而
燃气轮机需要大功率的柴油
发电机组提供启动功率，且需要定期开机进行维护，因此投资成本较高，不适合大范围的普及。
发明内容
[0004] 为了克服已有黑启动方法的投资成本较高、不适合大范围的普及的不足,本发明提供了一种基于储能系统的配电网黑启动方法，不仅能大大提高配电网的黑启动能力，缩短供电恢复时间，而且具有较高的
稳定性。同时储能系统能够辅助机组进行电网调频，能进一步提高电网
频率稳定性，增强机组运行的可靠性。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 一种基于储能系统的配电网黑启动方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1选择黑启动电源
[0008] 确定储能系统类型，
电池储能包括锂离子、铅酸、钠硫或液流电池储能；
[0009] 步骤2电池储能系统容量配置，过程如下：
[0010] 2.1)确定电池储能系统功率输出
[0011] 采用IEEE30
节点系统，对基于储能系统的配电网进行仿真，记录下配电黑启动过程中在各个阶段电池储能系统的输出功率数据，并用复功率 表示：
[0012]
[0013] Pbess：电池储能系统输出有功功率；Qbess：电池储能系统输出
无功功率；t：在黑启动过程中的各个时间阶段；
[0014] 储能系统在不同阶段输出的有功功率表示为：
[0015]
[0016] out:电池储能系统放电效率；in:电池储能系统充电效率；
[0017] PBESS.ｔ＞0时，电池储能系统充电；PBESS.ｔ＜0时，电池储能系统放电；
[0019] 电池储能系统的
荷电状态是指其电池系统内的剩余
能量与总容量的比值，能够反映系统是否工作在正常范围内，电池储能系统的荷电状态表示为：
[0020]
[0021] 其中SOCt：BESS系统在t时刻的荷电状态；ES.t：BESS系统在t时刻的剩余能量；Ebess：BESS系统的额定容量；SOC0：BESS系统的初始荷电状态；
[0022] E0.t：电池系统在t时刻相对于其初始状态的累计能量输出，且其表示为：
[0023]
[0025] 储能系统的E0.t时刻在变化，由式(3)得，E0.t最小时，储能系统荷电状态最大；E0.t最大时，储能系统荷电状态最小，因此在配电网黑启动过程中，储能系统的荷电状态的最值表示为：
[0026]
[0027] 其中E0.min：电池储能系统相对于其初始状态累计输出能量的最小值；
[0028] E0.min：电池储能系统相对于其初始状态累计输出能量的最大值；
[0029] 在配电网黑启动过程中避免电池储能系统过度充放电，应使其荷电状态在安全运行范围内，表示如下：
[0030]
[0031] 其中SOCmax：电池储能系统安全运行时，荷电状态的最大值；
[0032] SOCmin：电池储能系统安全运行时，荷电状态的最小值；
[0033] 上述两式相减得：
[0034]
[0035] 2.3)配置电池系统和逆变器
[0036] 根据下式对电池储能系统最大充放电功率进行配置：
[0037] Pbess.max≥max{|PBESS.t|} (8)
[0038] 电池储能系统向电网的无功输出主要受限于逆变器的容量SVSC和电池储能系统的有功功率输出，因此根据下式对逆变器的容量进行配置：
[0039]
[0040] 步骤3，待启动机组及启动路径的选择
[0041] 基于IEEE30节点配电网的网架结构设计，由于电池储能系统反应时间为毫秒级，假设电池储能系统响应时间为0，考虑储能系统接入配电网的不同
位置设计方案。
[0042] 步骤4，负荷恢复
[0043] 负荷恢复阶段，负荷恢复采用并行恢复方式，优先恢复剩余一级和二级负荷。
[0044] 本发明中，电池储能系统作为配电网黑启动电源，在检测到电网停电之后，能快速实现自启动缩短供电恢复时间，大大提高了配电网的黑启动能力。因此研究基于储能系统的配电网黑启动方案是非常重要的。
[0045] 本发明的有益效果主要表现在：不仅能大大提高配电网的黑启动能力，缩短供电恢复时间，而且具有较高的稳定性。同时储能系统能够辅助机组进行电网调频，能进一步提高电网频率稳定性，增强机组运行的可靠性。
附图说明
[0046] 图1是基于储能系统的配电网黑启动方法的
流程图。
[0047] 图2是IEEE30节点图。
[0048] 图3是在2号接入点黑启动方案时序图。
[0049] 图4是在3号接入配电网的黑启动方案。
[0050] 图5是在10号接入配电网的黑启动方案。
具体实施方式
[0051] 下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0052] 参照图1～图5，一种基于储能系统的配电网黑启动方法，包括以下步骤：
[0053] 步骤1选择黑启动电源
[0054] 确定储能系统类型，电池储能包括锂离子、铅酸、钠硫或液流电池储能等，表1对现有主要电化学储能技术的关键技术进行对比，以此选择合适的储能系统作为黑启动电源。
[0055]
[0056] 表1
[0057] 步骤2电池储能系统容量配置，过程如下：
[0058] 2.1)确定电池储能系统功率输出
[0059] 以IEEE30节点系统为例，对基于储能系统的配电网进行仿真，记录下配电黑启动过程中在各个阶段电池储能系统的输出功率数据，并用复功率 表示：
[0060]
[0061] Pbess：电池储能系统输出有功功率；Qbess：电池储能系统输出无功功率；t：在黑启动过程中的各个时间阶段；
[0062] 除此之外，还需要考虑，电池储能系统自身的功率损耗及充放电效率，因此储能系统在不同阶段输出的有功功率表示为：
[0063]
[0064] out:电池储能系统放电效率；in:电池储能系统充电效率；
[0065] PBESS.t＞0时，电池储能系统充电；PBESS，t＜0时，电池储能系统放电；
[0066] 2.2)确定电池模块额定容量
[0067] 电池储能系统的荷电状态是指其电池系统内的剩余能量与总容量的比值，能够反映系统是否工作在正常范围内,电池储能系统的荷电状态可表示为：
[0068]
[0069] 其中SOCt：BESS系统在t时刻的荷电状态；ES.t：BESS系统在t时刻的剩余能量；Ebess：BESS系统的额定容量；SOC0：BESS系统的初始荷电状态；
[0070] E0.t：电池系统在t时刻相对于其初始状态的累计能量输出，且其表示为：
[0071]
[0072] Tp:采样周期；
[0073] 储能系统的E0.t时刻在变化，由式(3)可得，E0.t最小时，储能系统荷电状态最大；E0.t最大时，储能系统荷电状态最小，因此在配电网黑启动过程中，储能系统的荷电状态的最值表示为：
[0074]
[0075] 其中E0.min：电池储能系统相对于其初始状态累计输出能量的最小值；
[0076] E0.min：电池储能系统相对于其初始状态累计输出能量的最大值；
[0077] 在配电网黑启动过程中避免电池储能系统过度充放电，应使其荷电状态在安全运行范围内，表示如下：
[0078]
[0079] 其中SOCmax：电池储能系统安全运行时，荷电状态的最大值；
[0080] SOCmin：电池储能系统安全运行时，荷电状态的最小值；
[0081] 上述两式相减得：
[0082]
[0083] 2.3)配置电池系统和逆变器
[0084] 在配电网进行黑启动的过程中，为了使整个配电系统
电压及其频率保持在安全运行的范围内，电池储能系统必须满足整个过程中所需要的最大有功功率和最大无功功率，通过在配电网黑启动过程中对电池储能系统的有功功率的输出进行统计，就可以得到在这个过程中其输出的最大有功功率。因而根据下式对电池储能系统最大充放电功率进行配置：
[0085] Pbess.max≥max{|PBESS.t|} (3-10)
[0086] 电池储能系统向电网的无功输出主要受限于逆变器的容量SVSC和电池储能系统的有功功率输出，因此可根据下式对逆变器的容量进行配置：
[0087]
[0088] 理论上电池储能系统的容量越大，越有利于其作为配电网黑启动电源的可靠性，由于受经济条件的限制，选取适当容量。
[0089] 步骤3，待启动机组及启动路径的选择
[0090] 基于IEEE30节点配电网的网架结构设计，由于电池储能系统反应时间为毫秒级，假设电池储能系统响应时间为0。考虑储能系统接入配电网的不同位置设计方案如下：
[0091] 方案一：储能系统在2号节点接入配电网的黑启动方案
[0092] 设计黑启动机组及启动路径为：2—1—5—3—4—12—13—6—8—9—11。
[0093] 机组恢复采用串行恢复方式，在主网停电后，黑启动电源立即启动，恢复节点2，按黑启动路径闭合线路
断路器2-1、2-5、1-3、3-4、4-12、12-13、4-6、6-8、6-9、9-11，恢复1、5、3、4、12、13、6、8、9、11号节点。黑启动阶段总时长55s，参照图3。
[0094] 方案二：储能系统在3号节点接入配电网的黑启动方案
[0095] 设计黑启动机组及启动路径为：3—1—2—5—6—8—9—11—4—12—13。
[0096] 机组恢复采用串行恢复方式，在主网停电后，黑启动电源立即启动，恢复节点3，按黑启动路径闭合线路断路器3-1、2-1、2-5、2-6、6-8、6-9、9-11、2-4、4-12、12-13，依次恢复1、2、5、6、8、9、11、4、12、13号节点。黑启动阶段总时长55s。参照图4。
[0097] 方案三：储能系统在10号节点接入配电网的黑启动方案
[0098] 设计黑启动机组及启动路径为：10—9—11—6—8—2—5—1—3—4—12—13。
[0099] 机组恢复采用串行恢复方式，在主网停电开始，黑启动电源立即启动，恢复节点10，按黑启动路径闭合线路断路器10-9、9-11、10-6、6-8、6-2、2-5、2-1、1-3、3-4、4-12、12-
13，依次恢复9、11、6、8、2、5、1、3、4、12、13号节点。黑启动阶段总时长56s。参照图5。
[0100] 步骤4，负荷恢复
[0101] 负荷恢复阶段，主要完成大量负荷的恢复，负荷恢复采用并行恢复方式，优先恢复剩余一级和二级负荷。
[0102] 方案一：负荷恢复路径见图3，1min5s闭合线路断路器5-7、6-10、12-14、12-15、12-16、8-28，恢复节点7、10、14、15、16、28；1min6s闭合线路断路器15-18、15-23、28-27、10-20、
10-21 10-22、10-17，依次恢复节点18、23、27、20、21、22、17；1min7s闭合线路断路器27-29、
27-30、27-25、23-24、18-19，恢复节点29、30、25、19、24；1min8s闭合线路断路器25—26，恢复节点26；1min9s闭合其余线路断路器，配电网黑启动结束，电网恢复总时长1min9s。
[0103] 方案二：负荷恢复路径见图4，1min5s闭合线路断路器5-7、6-10、12-14、12-15、12-16、8-28，恢复节点7、10、14、15、16、28；1min6s闭合线路断路器15-18、15-23、28-27、10-20、
10-21 10-22、10-17，恢复节点18、23、27、20、21、22、17；1min7s闭合线路断路器27-29、27-
30、27-25、23-24、18-19，恢复节点29、30、25、19、24；1min8s闭合线路断路器25—26，恢复节点26；1min9s闭合其余线路断路器，配电网黑启动结束，电网恢复总时长1min9s。
[0104] 方案三：负荷恢复路径见图5，1min6s闭合线路断路器5-7、10-20、10-21、10-22、10-17、12-14、8-28、12-15、12-16，恢复节点7、20、21、22、17、28、14、15、16；1min7s闭合线路断路器15-18、15-23、28-27、19-20、22-24，恢复节点19、24、27、18、23；1min8s闭合线路断路器27-29、27-30、27-25，恢复节点29、30、19；1min9s闭合线路断路器25—26，恢复节点26；
1min10s闭合其余线路断路器，配电网黑启动结束，电网恢复总时长1min10s。
[0105] 以IEEE30节点系统为例，从储能系统在配电网中不同的接入点，考虑黑启动恢复时限，优选待启动机组及黑启动路径。
