本文发表在《全球能源互联网》2020年第6期“能源战略与能源互联网”专题上，欢迎点击品读。本文受国家自然科学基金项目（U1766204）资助。
文章导读
电能在人类社会中扮演越来越重要的角色，大停电事故给经济和社会造成的损失也越来越严重。为减少损失，需在大停电后快速恢复电网。黑启动是电力系统恢复的首要且关键的阶段，而黑启动的关键是黑启动电源的启动。由于水力发电具有厂用电量较少、可快速启动等优点，传统的黑启动电源（火电、核电、水电）优先考虑的是水电，抽水蓄能机组承担黑启动的研究与应用已相当成熟。在缺少水电机组、且局部电网薄弱的中国北部很多地区，用风电作为黑启动电源，为风多水少地区的黑启动提供了可能方案。由于风电出力具有随机性和波动性，且风电机组不具备自启动能力，通常需由储能辅助风电机组参与黑启动。在风多水少局部地区，开展以多储能系统为基础的风电黑启动研究已具备了现实条件和意义。
文章亮点
（1）结合黑启动技术规范，提出风电汇集地区可以配置电气位置合适的锂电池储能系统及相应的协调控制策略，通过风-储联合系统黑启动过程4个主要阶段，实现黑启动路径；
（2）提出了持续有效出力概率，计算风电汇集地区全年能满足黑启动的时段占比，衡量地区风电黑启动成功概率；
（3）基于PSCAD仿真储能自启动、风电场启动及火电机组辅机启动3个过程，初步从暂态层面验证了风电-储能黑启动的可行性。
主要内容
01、风—储联合系统黑启动方案研究背景
内蒙古自治区风力发电量位列全国第一，其中包头是最大的工业城市，该地区风电装机占比24%，水电装机占比仅为2%。同时，包头地区主配网联系不十分紧密，220kV电力系统稳定能力较弱，110kV电力系统常规发电机组和水电机组分布在城外，与集中用电负荷距离较远。由于局域电网内部协调能力差，运行方式安排存在难度，存在大面积停电风险。
图1 包头地区风—储联合系统黑启动方案路径示意图
首先，确定风—储联合系统是否可以作为黑启动电源以及参与黑启动的风电场和储能电站；其次，储能系统自启动，建立稳定的厂用母线电压、频率等，并给风电场汇集系统供电，风电机组利用已建立的电压、频率参考信息启动并平稳运行；然后储能电站辅助风电场作为主力电源给输电线路、变压器至火电厂的厂用电母线充电；火电厂辅机启动后再启动火电机组；逐步扩大供电范围，直至完成后续电网恢复。
图2 风—储联合系统黑启动过程示意图
02、黑启动方案可行性分析
由于风电场之间地理和电气距离较远，单个储能发电单元或电站建立的电源在经过不同变电站间多次电压变换后，可能会因线路和变电设备的损耗大或动态无功调节要求高，使得风电机组难以可靠启动，因此需分析储能选址。多储能系统协同风电系统作为黑启动电源参与黑启动，恢复供电。
图3 风—储联合系统黑启动的储能选址方案示意图
针对本文研究的包头电网案例，根据待恢复电源具体情况，选择在华电巴音、中广核繁荣、华电红泥井和华固4个风电场的汇集处建立1座或2座储能电站，在金风达茂风电场汇集母线处建立1座储能电站。
图4 多储能电站位置方案示意图
03、风—储联合系统黑启动仿真分析
风—储联合系统黑启动过程主要有4个阶段：①储能单元自启动后使相关线路、变压器逐步带电到风电机组并网点；②风—储联合系统使相关线路、变压器逐步带电到火电机组厂用电母线；③各台辅机电动机等负载按一定顺序按需并网，随着负荷增加需要逐台启动多台风电机组；④上述过程期间如果因频率稳定或电压稳定能力不足，需要更多储能单元并网。
图5 风—储联合系统主电路结构示意图
