王 敏，李 想，潘永春，陳 芬，茅鑫同

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100）

0 引言

隨著國民經濟的快速穩(wěn)定發(fā)展，電力負荷迅速增長，能源短缺也日漸成為經濟發(fā)展的瓶頸，因此開發(fā)利用清潔高效的可再生能源引起人們的高度重視，并成為實現我國“節(jié)能減排”目標的重要手段之一。根據資源條件，合理選擇開發(fā)利用多種可再生能源組成可再生能源分布式供能體系，構成微電網，實現獨立或并網運行，是今后可再生能源高效利用的重要方向［1-2］。

微電網是智能電網的重要組成部分，是由分布式電源、儲能系統(tǒng)、能量轉換裝置、監(jiān)控和保護裝置、負荷等匯集而成的小型發(fā)、配、用電系統(tǒng)［3］，是一個具備自我控制和自我能量管理的自治系統(tǒng)。未來的微電網將會從比較單一的、小型的體系結構向復雜的、大型的微電網發(fā)展演化，將會是分布的、多級的架構。這種積木式的架構具有良好的可擴充性，覆蓋的電壓等級會越來越高，容量會越來越大。

微電網既可以看作是一個小型的電力系統(tǒng)，也可以認為是智能電網的一個“虛擬”的電源或負荷，因此分布式電源、微電網和智能電網將改變電力系統(tǒng)的結構與運行方式。對于多級微電網，每個微電網都可以自身或連帶下級微電網一起孤立運行，也可以與上級微電網或大電網并網運行。特別地，微電網的獨立運行模式可以在外部電網故障時繼續(xù)向關鍵負荷供電，提高了用電的安全性和可靠性［4-5］。考慮到微電網系統(tǒng)孤島運行時，可能由于某些故障而導致系統(tǒng)失電，為進一步提高系統(tǒng)的供電可靠性，微電網系統(tǒng)應具有孤島運行狀態(tài)下的黑啟動功能［6］。微電網黑啟動是指在整個微電網因外部或內部故障停運進入全黑狀態(tài)后，不依靠大電網或其他微電網的幫助，僅通過啟動微電網內部具有黑啟動能力的微源，進而帶動微電網內無黑啟動能力的微源，逐步擴大系統(tǒng)的恢復范圍，最終實現整個微電網的重新啟動［7］。

微電網的黑啟動能力既可以保證關鍵負荷供電和微電網的連續(xù)穩(wěn)定運行，在一定條件下還可以為大電網的恢復提供黑啟動電源，可有效地減小傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在黑啟動過程中因選擇距離負荷中心較遠的水電機組作為黑啟動電源所引起的發(fā)電機自勵磁和過電壓的影響，實現系統(tǒng)由點及面的恢復，縮短了整個系統(tǒng)的恢復時間，減少了停電造成的損失。

目前，國內外對電力系統(tǒng)的黑啟動已有很多研究，但這些研究成果多針對傳統(tǒng)電網，很少涉及微電網的黑啟動研究。微電網中分布式電源的輸出多為直流或高頻交流電，需經電力電子裝置接入到電網［8-9］，這些電力電子裝置控制靈活、響應速度快，但過載能力、故障穿越能力和單機發(fā)電容量均遠小于傳統(tǒng)旋轉機械類電源［7，10］，且微電網容量相對較小、結構簡單、微電源類型多樣，這就使得微電網在黑啟動電源的選擇以及黑啟動方案的制定等方面與傳統(tǒng)電網有著很大的區(qū)別。

本文通過對國內外近年來有關微電網黑啟動的研究成果進行總結，并從微電網黑啟動電源的選擇及控制方法、微電網黑啟動策略和微電網黑啟動過程中存在的主要問題及相關措施等方面進行了評述。希望對促進微電網的進一步發(fā)展有所幫助。

1 微電網黑啟動電源的選擇

1.1 微電網黑啟動電源的類型選擇

微電網的黑啟動主要靠具有黑啟動能力的電源帶動非黑啟動電源，進而逐步實現整個系統(tǒng)的恢復。因此，黑啟動電源在微電網的黑啟動中起著決定性的作用。文獻［11］中指出，微電源具備如下2個條件就有可能實現黑啟動：在微電源電能轉換的直流側并聯適當的儲能裝置（蓄電池或超級電容器）；微電源逆變器采用電壓控制方式以建立低壓配電網絡。因此，能源供給穩(wěn)定且微電源動態(tài)性能及抗擾動性能和負荷跟蹤特性較好的微型燃氣輪機、柴油發(fā)電機、燃料電池及大容量儲能單元都可以成為黑啟動電源的首選［12-13］。

文獻［14］還指出，微電網黑啟動電源除能自主建立穩(wěn)定的微電網系統(tǒng)交流母線電壓外，還應考慮到黑啟動無法一次成功的可能性，備用儲能單元剩余容量應滿足系統(tǒng)連續(xù)進行多次黑啟動的需求；具有充足的發(fā)電容量，即其額定功率能夠保證配電變壓器勵磁損耗和微電網系統(tǒng)交流母線空載損耗，同時其輸出能力能夠承擔一定容量非黑啟動電源在啟動時所產生的短時功率沖擊，即：

其中，Sn為黑啟動電源額定視在功率；Scj為即將同時啟動的非黑啟動電源（共m臺）啟動時的沖擊功率；Sloss為微電網系統(tǒng)總的損耗。

1.2 微電網黑啟動電源的優(yōu)化選擇

在微電網的黑啟動過程中，微電網一定是脫離大電網運行在孤島模式下的，因此在確保黑啟動電源滿足基本要求的前提下，在微電網中還需要一個主參考源來提供系統(tǒng)的參考電壓和頻率。

微電網黑啟動過程中具有黑啟動能力的主參考電源應具備的特征包括［15］：能快速實現自身的黑啟動；能夠提供穩(wěn)定的電壓及頻率；能快速跟蹤負荷變化以免產生大幅波動?？紤]到微型燃氣輪機、燃料電池及柴油發(fā)電機良好的負荷跟隨及抗擾動特性［12-13］，它們無疑是微電網黑啟動主參考源的最佳選擇［6］。

在此基礎上，可以綜合考慮黑啟動電源的經濟性、啟動速度等對微電網黑啟動的影響，進行黑啟動電源種類的優(yōu)化組合、電源容量的優(yōu)化選擇，從而制定合理而可靠的微電網黑啟動方案。

2 微電網黑啟動策略

2.1 微電網黑啟動電源的控制方式

目前，微電網中微電源的控制主要有電壓控制方式和電流控制方式［16-17］。各微電源在自啟動過程和同期并網時并不是運行在某一控制方式下一成不變，而是會在不同的時期采用不同的控制方式，以滿足各個時期不同的需求［6］。因此，在微電網黑啟動時，黑啟動電源控制方式的選擇就顯得很重要。

黑啟動電源自身帶一定負荷自啟動時運行在電壓控制方式下，其他非黑啟動電源采用電流控制方式，自啟動后非參考源與主參考源并聯運行時需切換至電流控制方式。同樣微電網與其他電網同期并網時需選擇一個系統(tǒng)作為主參考源保持電壓控制方式不變，其他小系統(tǒng)黑啟動電源全部轉變?yōu)殡娏骺刂品绞?。該過程中，存在的2個主要問題是非參考電源的模式切換和各小系統(tǒng)之間的同期并網時可能產生很大的沖擊電流或功率，甚至導致黑啟動失敗。因此在各子系統(tǒng)并網時需要一個預同步過程，同步條件為電壓幅值、頻率和相角一致，并通過本地微電源控制器監(jiān)測開關兩側的電壓、電流信號，最大限度地減小并網時的沖擊電流和功率。另外還需要采取有效的控制手段實現電源控制模式的平滑切換，目前文獻中已有的控制方法有狀態(tài)補償法［18］、狀態(tài)跟隨模式切換法［19］等。

2.2 微電網黑啟動控制方案

分布式電源與負荷有序而合理的啟動步驟以及有效的協(xié)調控制是微電網黑啟動成功的關鍵。微電網在黑啟動時可參考傳統(tǒng)電力系統(tǒng)將黑啟動方案分為串行恢復和并行恢復［20］。串行恢復，是在大多數發(fā)電機并網前對整個網絡進行充電；而所謂并行恢復，是指多個黑啟動電源同時啟動，形成多個獨立分散運行的小系統(tǒng)（串行恢復過程），再同期并網。文獻［14］指出，微電網中基于電力電子裝置的單臺電源啟動時間（秒級）遠小于傳統(tǒng)電機電源（分鐘級），因此在恢復供電速度上，雖然理論上串行恢復方案比并行恢復方案要慢，但實際區(qū)別并不顯著。且串行恢復策略有效解決了微電網系統(tǒng)內電壓源組網過程中的同期并列問題，從而有效化簡微電網系統(tǒng)硬件設計以及控制系統(tǒng)和微電源的軟件設計復雜程度。

2.2.1 串行恢復

在需要黑啟動的微電網范圍中僅啟用單個黑啟動電源時，其黑啟動采用串行恢復方式［14，21-23］，其具體啟動步驟和協(xié)調配合如下。

（1）為避免低壓配電網絡充電時因負荷過大引起故障停機，首先要斷開微電網系統(tǒng)所有負荷。

（2）啟動黑啟動電源，從而建立低壓配電網。為了安全地建立低壓配電網，有必要協(xié)調黑啟動電源與配電變壓器之間的控制，確保配電變壓器零起升壓。此時，黑啟動電源采用電壓控制方式以維持穩(wěn)定的電壓和頻率。

（3）部分重要或可控負荷首先接入低壓配電網。所投入負荷應小于發(fā)電機所能發(fā)出的最大功率，并保證負荷投入時不會產生大幅度的電壓和頻率波動。同時，恢復前期投入部分可控負荷并通過對可控負荷的有效控制來協(xié)助系統(tǒng)頻率調節(jié)［24］。

（4）啟動其他可控微電源，并同步并入電網。由于黑啟動初期系統(tǒng)薄弱，容量較小，任何一個擾動都可能導致系統(tǒng)頻率或電壓的再次失穩(wěn)，因此應優(yōu)先啟動系統(tǒng)內具有調壓調頻能力的非黑啟動電源。同時考慮到逆變器型電源在啟動過程中可能存在啟動沖擊功率，這個能量可能遠大于正常運行時所需要的能量，因此，該類電源啟動前黑啟動電源和非黑啟動電源的容量要應確保滿足式（1）的要求。

（5）逐步增加其他負荷。隨著其他電源的接入，系統(tǒng)中電源所能提供的發(fā)電量也會隨之增加，此時可以根據發(fā)電量的大小和負荷特性逐步恢復系統(tǒng)內負荷。

（6）接入不可控電源，如光伏電站或風力發(fā)電機組。微電網系統(tǒng)中的這類可再生能源發(fā)電裝置多為電流源輸出特性，無調壓調頻能力或調壓調頻能力差，且輸出功率存在間歇性和隨機性。因此，需評估當前微電網系統(tǒng)對上述微電源容量的接納能力后，再逐步發(fā)出啟動指令。

2.2.2 并行恢復

對于具有多個可選黑啟動電源的微電網，為了縮短供電恢復時間，其黑啟動一般采用并行恢復策略［6，25-30］，具體啟動步驟為：在串行恢復基礎上建立多個分散獨立運行的小系統(tǒng)，再進行同期并網。

微電網黑啟動的并行恢復過程中，目前需要解決的主要問題是非參考電源的模式切換和各小系統(tǒng)之間的同期并網問題。例如文獻［30］提出了一種分層多代理控制結構的黑啟動控制策略，在同期并網時加入預同步環(huán)節(jié)，減小了并網時的沖擊。但未考慮模式切換時所帶來的影響。而文獻［6］對黑啟動過程中微電源控制模式切換產生振蕩的原因進行了分析，利用多代理系統(tǒng)的微電網黑啟動并行恢復方案，結合功率鎖存的模式切換方法希望實現平滑的模式切換，但仍舊無法實現無縫切換。

另外目前研究的并行恢復策略多采用分層控制，分層控制對通信具有很強的依賴性，一旦出現通信故障，很有可能直接導致黑啟動失敗。因此，有必要加強應對通信故障的應急策略研究或采用其他更好的控制方法。

2.3 微電網黑啟動方案優(yōu)化

微電網重啟初期階段，意外的干擾或不合理的啟動方案很容易導致黑啟動失敗或經濟性的缺乏。因此在保證微電網黑啟動可靠完成的同時，對黑啟動步驟和負荷恢復順序進行優(yōu)化選擇可以更快更經濟地完成微電網系統(tǒng)的恢復。

在對微電網黑啟動過程進行優(yōu)化時，文獻［11］建立了以負荷恢復最大、配電變壓器零起升壓時間最短、感性負載無功功率最小為優(yōu)化指標的最優(yōu)化模型，從而確定微電網黑啟動能力。文獻［31］建立了以恢復負荷最多、開關操作數最少為目標的供電恢復模型，并應用多代理理論，建立了一個由全系統(tǒng)控制協(xié)調代理、微電網控制代理、分布式電源代理以及母線代理組成的多代理系統(tǒng)，保證配電系統(tǒng)可靠地恢復供電。文獻［32］根據分布式電源的性能和重要負荷的分布對配電網進行劃分，然后對分區(qū)后分布式電源啟動順序及恢復路徑進行優(yōu)化，以保證微電網內盡可能多的重要負荷在盡可能短的時間內恢復供電。

綜上所述，微電網黑啟動的優(yōu)化，需要根據分布式電源的性能、微電網的組織結構、微電網控制方式對微電網黑啟動的影響等進行優(yōu)化，確保微電網系統(tǒng)可靠而迅速地恢復。

3 微電網黑啟動存在主要問題及相關措施

電力系統(tǒng)恢復過程中，由于網架結構比較薄弱，會遇到很多問題影響系統(tǒng)的恢復［33］。而微電網黑啟動具有電源類型多元化且容量小等特點，因此微電網在黑啟動時需要注意解決下面幾類問題。

（1）過電壓。

微電網孤島運行時，其逆變器接口側可能裝設配電變壓器。因微電網中逆變器型電源具有動態(tài)響應速度快的特點，過快地增加母線電壓幅值可能導致配電變壓器出現磁通飽和的現象，引起過電壓，影響系統(tǒng)的恢復。因此，要控制黑啟動電源的啟動速度，保證其零起升壓［14］。

另外文獻［22］中基于分布式電源的黑啟動，考慮空載或輕載輸電線的電容效應，可能會造成輸電線上的電壓升高。為了防治該類過電壓，一方面，送電前黑啟動電源電壓盡量調低；另一方面，可選擇具有無功功率吸收能力的黑啟動電源，保持系統(tǒng)恢復初期的電壓穩(wěn)定。

銅是植物生長所必不可少的微量營養(yǎng)元素，但植物缺少銅時，癥狀表現為葉部生長緩慢，葉片較小，呈藍綠色，隨后發(fā)生死斑點；植物銅含量過多也會引起中毒，癥狀為植物根系生長受限和變形。銅是人畜必需的微量營養(yǎng)元素，無論是缺銅還是過量，都可以產生大腦或腦干部位的病變[19]。

（2）系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定。

為保持黑啟動過程中微電網的電壓和頻率穩(wěn)定，除了需要按照前面的分析選擇可靠的主參考電源外，還需要逐步接入各類負荷。一般優(yōu)先恢復重要和可控的負荷，然后逐步恢復較大的和非重要的負荷。負荷的少量恢復將延長系統(tǒng)恢復時間，但過快增長有使頻率下降的危險，所以增加負荷的比例必須在加快恢復速度和頻率穩(wěn)定兩者之間平衡。

微電網中的微電源包含大量的可再生能源發(fā)電裝置，它們受自然環(huán)境的影響很大，具有很強的隨機性和間歇性［34-36］，一般可采用在逆變器直流側加入儲能裝置來加強對逆變器輸出電壓和頻率的控制。

（3）獨立運行小系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。

目前，在微電網的黑啟動研究中，大多數研究采用基于并行恢復策略的黑啟動方案。因此，就不可避免地會存在多個分散獨立運行小系統(tǒng)穩(wěn)定運行問題。為保證微電網黑啟動的順利進行，有必要對恢復初期各獨立運行小系統(tǒng)進行穩(wěn)定分析。

對于小系統(tǒng)的抗大擾動能力，一般采用發(fā)生短路故障的方式來進行衡量。按照《電力系統(tǒng)穩(wěn)定導則》的要求，黑啟動初期的小系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性一般只按單相短路接地的單一故障來考察。

（4）合環(huán)并網。

（5）故障檢測和保護配置。

相對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，微電網系統(tǒng)的故障電流很小［37-38］，而非黑啟動電源或負荷的接入所產生的沖擊電流可能會比系統(tǒng)的故障電流還大，使得故障檢測裝置往往很難確定該狀態(tài)下是瞬時的波動還是系統(tǒng)發(fā)生故障，影響了保護裝置的動作。因此，還應加強對微電網黑啟動過程中故障檢測裝置和繼電保護裝置與黑啟動的配合研究。

綜上所述，微電網黑啟動過程中所存在的主要問題與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)黑啟動過程中碰到的問題不盡相同，在研究微電網黑啟動時，有必要對可能存在的問題加以關注，并采取有效的控制方案和恢復策略解決這些問題，從而保證微電網黑啟動的順利完成，促進微電網以及智能電網的發(fā)展。

4 結論與展望

微電網是未來智能配電網實現自愈、用戶側互動和需求響應的重要途徑，隨著新能源、智能電網技術、柔性電力技術等的發(fā)展，微電網能更加有效地解決供電安全可靠性、節(jié)能減排、可再生能源利用率等問題，真正實現電力系統(tǒng)的安全、環(huán)保與高效運行。

為了保證微電網持續(xù)穩(wěn)定的運行，充分發(fā)揮微電網的優(yōu)勢，同時給大電網的黑啟動帶來一定的幫助，微電網在系統(tǒng)“全黑”時能夠實現快速黑啟動已是勢在必行。目前，針對微電源和微電網的建模技術和理論體系還有待進一步的研究和完善，微電網的保護、控制以及運行模式切換都還需要進一步完善，這就導致在微電網黑啟動研究方面也需要同步的跟進。本文基于國內外微電網黑啟動研究的現狀，從黑啟動電源的選擇及控制方法、微電網黑啟動策略和微電網黑啟動過程中存在的主要問題及相關措施等方面對微電網黑啟動問題進行了介紹和分析，可為微電網黑啟動的進一步研究和應用提供參考。

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