本發(fā)明涉及電網(wǎng)黑啟動技術領域，是一種風儲發(fā)電黑啟動系統(tǒng)及其儲能配置方法。

背景技術：

黑啟動是指整個系統(tǒng)因故障停電后，不依賴別的系統(tǒng)幫助，通過系統(tǒng)中具有自啟動能力機組的啟動帶動無自啟動能力的機組，逐漸擴大系統(tǒng)供電范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)恢復的過程。

我國局域電網(wǎng)風電裝機占比逐年提高且風資源條件優(yōu)良，隨著風力發(fā)電技術極大地改善，配合儲能技術使得風電場輸出的電壓和功率更為平穩(wěn)，風儲系統(tǒng)具備自動發(fā)電控制和無功調(diào)節(jié)能力，參與黑啟動時可以減小開關操作而且能夠進相運行，為分布范圍廣而方便電網(wǎng)子系統(tǒng)劃分的風電場配置儲能，使其具備黑啟動能力輔助電網(wǎng)黑啟動將有助于擴大啟動電源選擇范圍，對提高局域電網(wǎng)恢復效率有著重要的研究意義。

然而，由于目前儲能成本相對高，國內(nèi)外缺乏針對黑啟動模式下風儲發(fā)電系統(tǒng)的儲能配置研究。通過儲能提供風電機組自用電系統(tǒng)功率輔助機組啟動，并由儲能和機組作為原始電源啟動其他機組，進而完成風電場黑啟動。基于單臺機組自用電系統(tǒng)功率和機組可發(fā)電量確定儲能容量，再結合各機組風速、輸出功率在風電場中的空間分布優(yōu)化儲能布局，進一步完成考慮機組機端電壓穩(wěn)定的風電場機組啟動順序規(guī)劃。該方法可以依靠較小容量的儲能滿足風電場黑啟動要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：克服現(xiàn)有局域電網(wǎng)缺少黑啟動電源方面的不足，提供一種結構簡單，可靠性高的風儲發(fā)電黑啟動系統(tǒng)；并提供科學合理，適用性強，效果佳的風儲發(fā)電黑啟動系統(tǒng)的儲能配置方法。

為實現(xiàn)上述目的所采用的第一技術方案是，一種風儲發(fā)電系統(tǒng)，其特征是，在設定的風電機組自用變壓器高壓側連接儲能柜，黑啟動時，由儲能柜為設定的風電機組自用電系統(tǒng)供電，輔助啟動，此后，再使設定的風電機組聯(lián)合儲能作為原始電源啟動其他風電機組，最終實現(xiàn)依靠小容量的儲能完成整個風電場黑啟動。

所述的風電機組類型為雙饋風力發(fā)電機組dfig。

為實現(xiàn)上述目的所采用的第二技術方案是，一種風儲發(fā)電黑啟動系統(tǒng)的儲能配置方法，其特征是，它包括以下內(nèi)容：

1)建立風電機組啟動順序規(guī)劃模型

風電機組無功變化對其他風電機組機端電壓影響與風電場集電系統(tǒng)拓撲的關系由式(1)表示：

式中，分別為第j條集電線路第一臺風電機組到匯集母線的感抗和阻抗；x為同一集電線路相鄰機組間的感抗；ulow為匯集母線電壓。為第j條集電線路上第k臺風電機組的機端電壓變化量；為第j條集電線路上第i臺風電機組的無功變化量；為第s條集電線路上第k臺風電機組的機端電壓變化量；第j條集電線路上第n臺風電機組的無功變化量，

則在雙饋風電機組無功調(diào)節(jié)能力范圍內(nèi)，風電機組的機端電壓跌落幅值約束要滿足下式(2)：

式中，為待啟動風電機組啟動時的無功變化量，重載情況下，0.1pu的機端電壓波動會導致風電機組停機脫網(wǎng)，故在無電網(wǎng)支撐的黑啟動的特殊時期為保證啟動可靠性，保留一定裕量，機端電壓跌落取0.06pu；

2)機組啟動順序

同一集電/發(fā)電線路上的風電機組:當配置儲能的風電機組優(yōu)先啟動后，其他風電機組按其距離匯流母線nx<(n+1)x由近到遠順次啟動；

不同的集電線路:未配置儲能的其他集電線路，按距離匯流母線,即匯集站由近到遠的順利啟動各發(fā)電線路；

3)建立儲能配置容量模型

假設分鐘級風速無變化，風電機組可連續(xù)啟動且各臺風電機組的啟動時間和啟動能力相同，則啟動風電機組輸出功率pw由下式(3)表示：

其中，r為風力機風輪半徑，m；ρ為空氣密度，取標準大氣壓下空氣密度ρ＝1.225；vm為初始風電機組網(wǎng)架負荷壓力最大時段內(nèi)平均風速，m/s；cp為風能利用系數(shù)，考慮尾流效應，取風電場平均風能利用效率cp＝0.48；

風機輸出功率pw與可同時啟動風電機組數(shù)量n的關系由下式(4)表示：

其中，pz為啟動風電機組自用電系統(tǒng)功率，pz-im和pz-r分別為待啟動風電機組自用電系統(tǒng)異步電動機功率和其他設備功率，對于同一型號風電機組pz＝pz-im+pz-r；α為小型發(fā)電機組直接啟動小功率異步電動機時的容量裕度，按gb50052-2009供配電系統(tǒng)設計規(guī)范取α＝6.5；

初始需配置儲能的風電機組數(shù)量x與同時啟動風電機組數(shù)量n的遞增關系和風電場啟動時間效率約束如下式(5)：

其中，k為啟動批次，n為風電場機組數(shù)量，tf為風電機組從待啟動狀態(tài)到啟動完成穩(wěn)定輸出的總時長，根據(jù)實際風電場運行監(jiān)測數(shù)據(jù)一般取tf＝80s。tall為風電場啟動效率時間約束，取水電機組啟動到穩(wěn)定輸出的時長黑啟動試驗數(shù)據(jù)tall＝4min；

通過式(1)～式(3)計算出所需初始配置儲能的風電機組臺數(shù)x，則儲能配置容量cs如下式(6)：

cs＝xgpcs-n(6)

其中pcs-n為儲能額定功率pcs-n＝αpz-im+pz-r；

4)建立儲能配置布局模型

利用對參數(shù)特征不明顯且交互混雜的非線性分布信息有效篩選的自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(self-organizingfeaturemap,sofm)算法，以各臺風機風速、輸出功率、風速與輸出功率的匹配度，即風能利用效率為邊界條件對風電場的風機進行分類，然后對已分類的風電機組做相關性計算，對優(yōu)選出的風電機組按相關因子從大到小進行儲能配置；為消除個別風機的特征差異對輸出結果的影響，以風電機組輸出功率、風速的均方差值和均方根差值標準化后作為特征值帶入算法流程。

本發(fā)明的風儲發(fā)電黑啟動系統(tǒng)，由于在設定的風電機組自用變壓器高壓側連接儲能柜，黑啟動時，由儲能柜為設定的風電機組自用電系統(tǒng)供電輔助其啟動，此后，再使設定的風電機組聯(lián)合儲能作為原始電源啟動其他風電機組，最終實現(xiàn)依靠小容量的儲能完成整個風電場黑啟動，能夠為局域電網(wǎng)多電源啟動并行恢復的啟動策略提供電源選擇，具有結構簡單，可靠性高等優(yōu)點。所提供的風儲發(fā)電黑啟動系統(tǒng)的儲能配置方法科學合理，適用性強，效果佳。

附圖說明

圖1為初始設定的風電機組數(shù)量及其啟動效率圖；

圖2為月均風速空間分布圖；

圖3為月均功率空間分布圖；

圖4為自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡算法流程圖；

圖5為儲能布局圖；

具體實施方式

下面利用附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明的一種風儲發(fā)電系統(tǒng)，在設定的風電機組自用變壓器高壓側連接儲能柜，黑啟動時，由儲能柜為設定的風電機組自用電系統(tǒng)供電，輔助其啟動，此后，再使設定的風電機組聯(lián)合儲能作為原始電源啟動其他風電機組，最終實現(xiàn)依靠小容量的儲能完成整個風電場黑啟動。所述的風電機組類型為雙饋風力發(fā)電機組dfig。

本發(fā)明的一種風儲發(fā)電黑啟動系統(tǒng)的儲能配置方法，包括以下內(nèi)容：

1)建立風電機組啟動順序規(guī)劃模型

風電機組無功變化對其他風電機組機端電壓影響與風電場集電系統(tǒng)拓撲的關系由式(1)表示：

式中，分別為第j條集電線路第一臺風電機組到匯集母線的感抗和阻抗；x為同一集電線路相鄰機組間的感抗；ulow為匯集母線電壓。為第j條集電線路上第k臺風電機組的機端電壓變化量；為第j條集電線路上第i臺風電機組的無功變化量；為第s條集電線路上第k臺風電機組的機端電壓變化量；第j條集電線路上第n臺風電機組的無功變化量，

則在雙饋風電機組無功調(diào)節(jié)能力范圍內(nèi)，風電機組的機端電壓跌落幅值約束要滿足下式(2)

式中，為待啟動風電機組啟動時的無功變化量，重載情況下，0.1pu的機端電壓波動會導致風電機組停機脫網(wǎng)，故在無電網(wǎng)支撐的黑啟動的特殊時期為保證啟動可靠性，保留一定裕量，機端電壓跌落取0.06pu；

2)機組啟動順序

同一集電/發(fā)電線路上的風電機組:當配置儲能的風電機組優(yōu)先啟動后，其他風電機組按其距離匯流母線nx<(n+1)x由近到遠順次啟動；

不同的集電線路:未配置儲能的其他集電線路，按距離匯流母線,即匯集站由近到遠的順利啟動各發(fā)電線路；

3)建立儲能配置容量模型

假設分鐘級風速無變化，風電機組可連續(xù)啟動且各臺風電機組的啟動時間和啟動能力相同，則啟動風電機組輸出功率pw由下式(3)表示：

其中，r為風力機風輪半徑，m；ρ為空氣密度，取標準大氣壓下空氣密度ρ＝1.225；vm為初始風電機組網(wǎng)架負荷壓力最大時段內(nèi)平均風速，m/s；cp為風能利用系數(shù)，考慮尾流效應，取風電場平均風能利用效率cp＝0.48；

風機輸出功率pw與可同時啟動風電機組數(shù)量n的關系由下式(4)表示：

其中，pz為啟動風電機組自用電系統(tǒng)功率，pz-im和pz-r分別為待啟動風電機組自用電系統(tǒng)異步電動機功率和其他設備功率，對于同一型號風電機組pz＝pz-im+pz-r；α為小型發(fā)電機組直接啟動小功率異步電動機時的容量裕度，按gb50052-2009供配電系統(tǒng)設計規(guī)范取α＝6.5；

初始需配置儲能的風電機組數(shù)量x與同時啟動風電機組數(shù)量n的遞增關系和風電場啟動時間效率約束如下式(5)：

其中，k為啟動批次，n為風電場機組數(shù)量，tf為風電機組從待啟動狀態(tài)到啟動完成穩(wěn)定輸出的總時長，根據(jù)實際風電場運行監(jiān)測數(shù)據(jù)一般取tf＝80s。tall為風電場啟動效率時間約束，取水電機組啟動到穩(wěn)定輸出的時長黑啟動試驗數(shù)據(jù)tall＝4min；

通過式(1)～式(3)計算出所需初始配置儲能的風電機組臺數(shù)x，則儲能配置容量cs如下式(6)：

cs＝xgpcs-n(12)

其中pcs-n為儲能額定功率pcs-n＝αpz-im+pz-r；

4)建立儲能配置布局模型

利用對參數(shù)特征不明顯且交互混雜的非線性分布信息有效篩選的自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(self-organizingfeaturemap,sofm)算法，以各臺風機風速、輸出功率、風速與輸出功率的匹配度，即風能利用效率為邊界條件對風電場的風機進行分類，然后對已分類的風電機組做相關性計算，對優(yōu)選出的風電機組按相關因子從大到小進行儲能配置；為消除個別風機的特征差異對輸出結果的影響，以風電機組輸出功率、風速的均方差值和均方根差值標準化后作為特征值帶入算法流程。

具體實施例的計算條件說明如下：

(1)風電場參數(shù)如附表1；

(2)風電場所裝歌美颯g58-850雙饋感應風力發(fā)電機組自用電系統(tǒng)參數(shù)如附表2；

(3)選擇該風電場2016年7～9月各臺風電機組采樣間隔為1min的風速及輸出功率數(shù)據(jù)作為風電機組分類尋優(yōu)的樣本數(shù)據(jù)。

表1：風電場參數(shù)

根據(jù)實施例計算條件(1)-(3)，應用本發(fā)明對儲能配置容量、儲能配置布局、風電場機組啟動順序結果如下：

1.儲能配置容量

在給定計算條件下，由表2計算出該風電場所裝風電機組自用電系統(tǒng)中異步電動機功率pz-im＝15.2kw，其他設備功率pz-r＝3.8kw，總功率為pz＝19.0kw。并據(jù)現(xiàn)場實測，風電機組從接收到啟動命令進入準備階段到啟動完成穩(wěn)定輸出的總啟動時間為80s。在該風電場7～9月平均風速為6.6m/s的條件下：

由公式(3)，上述風速條件下風電機組可以輸出的有功功率pw＝300kw，運行在0.95的功率因數(shù)下的視在功率為s＝315kva，根據(jù)式(4)可同時啟動的機組數(shù)量n＝2。

表2：風電場所裝歌美颯g58-850雙饋感應風力發(fā)電機組自用電系統(tǒng)參數(shù)

對于一個含有58臺風電機組的風電場，在滿足啟動時間效率的條件式(5)，對初始配置儲能的機組數(shù)量與風電場啟動效率時間約束的關系如附圖1，分析可知，若要在240s的約束時間內(nèi)實現(xiàn)對該風電場全部風電機組的黑啟動，至少需配置7臺儲能柜。根據(jù)式(6)配置功率為320kw/240kwh的儲能系統(tǒng)可實現(xiàn)單臺風電機組的啟動。則對于該風電場實現(xiàn)黑啟動的儲能需求為2.24mw/1.68mwh。

2.儲能配置布局

對比如附圖2和附圖3，風電機組的風速與輸出功率的空間并不成對應關系，即風速較高的風電機組其發(fā)電功率并不一定高，風能利用效率存在差異。利用sofm神經(jīng)網(wǎng)絡算法，以各臺風電機組輸出功率、風速標準化后的均方差值和均方根差值作為特征值輸入算法模型，輸入層為4，神經(jīng)層按風電機組受風情況(vm-i)、輸出功率(pw-i)、風速與輸出功率的匹配程度(η)設置為3層，輸出層按類別設為3，并進行1000次迭代計算。算法流程圖如附圖4。

將風電機組分成3類如附表3：對所優(yōu)選出來的19臺第一類風電機組根據(jù)特征值進行相關性分析。

表3：風電機組分類

其中4號風機除與3號風機和35號風機的相關系數(shù)略低外，與其他風機的相關系數(shù)大于0.9，展現(xiàn)了其對其他風機的強影響，28號風機與其他風機的平均相關系數(shù)為0.87，以此類推，優(yōu)先選擇相關系數(shù)大于0.7的3、4、25、26、28、46、55號機組作為配置儲能的風機，其具體位置如附圖5：

3.風電機組啟動順序規(guī)劃

根據(jù)現(xiàn)場實驗和風電機組廠商提供的數(shù)據(jù)g58-850型雙饋機組啟動時最大無功變化為δq＝0.22mw。

根據(jù)公式(1)和式(2)要求i要小于3，風電機組啟動時的順序規(guī)劃如下：

同一集電/發(fā)電線路上的機組:當配置儲能的機組優(yōu)先啟動后，其他機組按其距離匯流母線(nx<(n+1)x)由近到遠順次啟動；

不同的集電線路:未配置儲能的其他集電線路，按距離匯流母線(匯集站)由近到遠(xli<xlj)的順利啟動各發(fā)電線路。

根據(jù)上述機組啟動順序規(guī)劃原則，對于該風電場同一集電線，如發(fā)電五線，按g25→g24→g23→g22→g21順次啟動機組；當配置儲能的集電線路所有機組啟動完成時，其它集電線路按發(fā)電九線→發(fā)電八線→發(fā)電六線→發(fā)電三線順次啟動。

本發(fā)明實施例中的計算條件、圖例、表等僅用于對本發(fā)明作進一步的說明，并非窮舉，并不構成對權利要求保護范圍的限定，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明實施例獲得的啟示，不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動就能夠想到其它實質(zhì)上等同的替代，均在本發(fā)明保護范圍內(nèi)。