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【摘 要】文章介绍了黑启动的概念及其重要意义，阐述了黑启动过程的3个阶段，通过分析黑启动各个阶段所面临的主要问题，结合储能技术调频、调压响应速度快、调节精度高等优势，提出储能在黑启动各个阶段参与应用的思路。
【关键词】储能;黑启动;调频;调压
【中图分类号】TM614 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）10-0041-02
0 引言
随着智能电网的不断发展，电力系统的规模越来越大，分布式电源的大量引入让电网的运行条件越来越复杂，加上网架结构薄弱、装置拒动、自然灾害、网络攻击等问题，使得电网的安全稳定运行面临巨大挑战。2005年9月26日，台风“维达”登陸海南省，对海南省电力设施造成严重破坏，使得全省范围内大面积停电。海南电网公司紧急启动了黑启动预案，成功实现了系统的快速恢复，这是国内迄今为止除演习以外的第一次黑启动。
黑启动（Black Start）是指整个系统因故障停电后，不依赖系统外电源的帮助，通过系统内具有自启动能力的机组先行启动，然后带动无自启动能力的机组，逐渐扩大系统供电范围，最终实现整个系统恢复供电的过程。黑启动的背景是一种极端情况，即系统全部停电或大面积停电，黑启动的过程中涉及发电、输电和配电的各个环节。电网发生大面积停电事故后，如果不能够在短时间内恢复供电，国民经济将遭受巨大损失。
储能作为一个新兴产业，近年来在国内发展迅速，目前已在各地区电力系统中有一定规模的投入。储能系统具有充放电转换灵活、功率因数可调、响应速度快等优点，这与黑启动在某些方面的需求具有相契合的特点，因此储能系统参与黑启动应用的研究，具有极其重要的理论意义和实际价值。
1 黑启动过程
黑启动是系统大停电事故后电力恢复的过程，其总体目标是安全、快速地恢复电网供电，最大限度地减少电网大停电造成的影响。黑启动的过程一般分为黑启动初始阶段、网架重构阶段和负荷恢复阶段。
黑启动初始阶段：指利用系统中各个具有自启动能力的黑启动电源点向停运的火力机组提供启动电源，使其先行恢复启动，继而向电网供电，开始形成供各个电子系统的过程。网架恢复阶段：指各个供电子系统内的主力发电机组、重要变电站和输电线路逐步恢复供电，并形成系统主网架的过程。负荷恢复阶段：指各个供电子系统内的大部分发电机组已经启动，具备一定的发电能力，并且已建立较为稳定的网架之后，系统逐渐恢复负荷的过程。
2 应用思路
目前，国内学者针对储能系统参与黑启动的研究大多局限在黑启动初始阶段，而在网架恢复阶段和负荷恢复阶段的研究相对较少。
2.1 黑启动初始阶段
进行黑启动首先要保证可靠的黑启动电源，然后通过它启动附近的火电机组。水电机组和燃气机组因其厂用电负荷低、启动速度快，是目前黑启动电源的首选，然而水电机组受水资源分布限制，燃气机组运行维护要求较高，故目前国内电网面临着黑启动电源不足及分布不合理的实际问题。相对而言，储能系统具有占地规模小、布点灵活等优点，在黑启动初始阶段可有效替代成为黑启动电源点。笔者认为可以从以下两个方面考虑。
（1）辅助火电机组黑启动。火电机组启动时需要一定容量的厂用电，而厂用设备中一般都有一些大容量的辅机，这些辅机多为异步电动机，在启动时产生的冲击会引起其供电系统较大的电压和频率跌落，故一般其启动电源都从附近的发电厂或变电站引接。如果为火电机组配置足够容量的储能系统，储能系统启动速度快，同时合理安排各辅机的恢复顺序，将大大提高黑启动的恢复效率。例如，国家电投珠海横琴热电有限公司投资的20 MW·h的储能项目已经启动，该项目预计2019年投产，建成后将是世界首例采用储能系统实现F级燃机黑启动的项目。
（2）辅助风电机组黑启动。一般黑启动电源会优先考虑启动火电机组，但随着风电机组的可调节性能日渐增强，通过合理的策略和方法利用风电场自身的启动能力，同时结合风电场内无功补偿设备、小容量储能系统的合理配置，使得将风电机组作为黑启动电源具备了一定的可行性。国内对此方面的研究较多，例如有学者提出了混合储能与风力发电相结合的黑启动方案，并通过搭建仿真模型，仿真分析验证了该方案的可行性[1]。还有学者建立了储能系统和风电机组的多工况仿真模型，通过分析研究提出了黑启动初期风储火系统的分层协调控制策略[2]。
2.2 网架重构阶段
网架重构初期，黑启动机组工作于一种特殊的运行方式，即孤网运行方式，系统频率、电压都处于极不稳定的状态。黑启动机组启动后系统中可能会产生多种类型的过电压，主要有工频过电压和操作过电压两种。目前，国内针对该阶段储能参与黑启动的研究较少，笔者认为可以从以下两个方面考虑。
（1）降低工频过电压。工频过电压是指黑启动机组空充长线路时，线路上的容性电流增大而导致的电压升高，容性电流的助磁作用还会导致发电机端电压升高，从而产生自励磁，危及发电机和线路绝缘。控制工频过电压一般采取在线路上装设并联电抗器、增加感性负荷来抵消容性电流，削弱电容效应，从而降低工频过电压。储能系统由于其储能变流器具备功率因数超前0.9～滞后0.9范围内动态可调的能力，可以考虑在黑启动机组空充长线路时调节其功率因数，以感性负荷或容性电源投入系统，帮助系统吸收过多的无功功率，有效削减电容电流，降低工频过电压，保护发电机和线路的设备安全。
（2）稳定操作过电压。操作过电压是指空载线路合闸到电源上引起的暂态过电压，合闸过程中线路发生高频振荡，振荡电压由零值过渡到由电容效应决定的工频稳态电压值期间可能会出现电压越限的情况。储能系统由于其调频、调压响应速率快，调节精度高，在各段线路合闸到黑启动电源上时，可根据需求快速响应并调节系统电压、频率，有效维持黑启动初期各个供电子系统的稳定。 国内也有学者分析了黑启动过程中的操作过电压问题，通过建立空充输电线路的贝瑞龙模型和变压器等效模型，对不同的空充输电线路方案进行过电压校验，为风储黑启动路径及方案的制订提供了重要参考[3]。
2.3 负荷恢复阶段
为了最大限度地降低大电网停电造成的国民经济损失，必须加快电网负荷恢复速度，对于规模较大的电网，建议采取并行恢复模式，即将电网劃分为若干子系统，各个子系统内黑启动电源同时启动，待各个子系统内部运行稳定后再进行同期并网。
负荷恢复阶段涉及的主要问题：①控制负荷的增加量与系统的调频、调压特性相匹配;②并行恢复模式下各子系统的同期并网问题。目前，国内针对该阶段储能参与黑启动的研究较少，笔者认为可以从以下两个方面考虑。
（1）稳定系统频率。黑启动电源启动后必须接入一定量的负荷，以保证黑启动电源的最低负荷运行水平，按照负荷分类及大小来说，恢复过程中应逐步恢复直配小负荷、直配大负荷和电网负荷。调节机组出力与负荷大小就能控制系统频率，进而会影响负荷恢复的速度。一方面，储能系统适合作为火电机组或风电机组的黑启动电源，在火电机组或风电机组成功自启动后，储能系统也可考虑作为其直配小负荷用于稳定前期机组的出力;另一方面，储能系统AGC调节能力优越，电网负荷恢复阶段各电网侧储能系统可有效降低电网功率供需逆差，稳定系统频率。
（2）协助同期并网。并行恢复模式下，由于各个子系统是相互独立的孤网，重新闭合联络线后势必会导致潮流分配不合理，进而使联络线两端各个子系统的相角差偏离，甚至会导致该条联络线的继电保护装置动作，阻止同期并网。在极端的情况下，可能导致黑启动初期刚刚建立的小系统完全崩溃，再次全黑。
储能系统由于其技术特殊性，既可作为电源进行放电，也可作为负荷进行充电。当电网配置了一定规模的储能系统后，储能系统可根据调度指令有效减少各子系统潮流逆差，降低联络线两端母线的相角差，进而实现顺利同期并网。
3 应用前景
本文充分借鉴国内储能参与和电网黑启动应用的研究方法和实践经验，根据黑启动在各个阶段中面临的主要难点，结合储能技术的优势，全面分析并梳理了储能系统在电网黑启动各个阶段中应用的研究思路，其主要应用前景如下：？譹？訛储能系统可结合风电及火电机组实现黑启动，有效补充了黑启动电源的数量，有望解决各地区电网黑启动电源不足及分布不合理的实际问题。？譺？訛通过储能系统提供更多的黑启动电源点，这为黑启动的并行恢复提供了可能，并行恢复可有效提升黑启动恢复效率，减少停电时间，降低经济损失。？譻？訛储能系统由于其调节性能的优越性，在黑启动各阶段都能对系统恢复提供积极的辅助措施，有效地提高了黑启动效率和成功率。？譼？訛在目前电力市场环境下，大部分地区黑启动辅助服务补偿机制尚未明确，无法提高各机组提供辅助服务的积极性，如何设计公平并具备激励效果的协调补偿机制是后期推广应用的关键点和难点。
参 考 文 献
[1]潘道成.配置储能系统的风电场在局域电网黑启动中的应用研究[D].北京：华北电力大学，2014.
[2]刘力卿.储能型风电场作为电网黑启动电源的控制技术研究[D].北京：华北电力大学，2017.
[3]田武，刘莉，王刚，等.基于风储联合发电系统黑启动过电压研究[J].电气应用，2017（15）：42-46.
【关键词】储能;黑启动;调频;调压
【中图分类号】TM614 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）10-0041-02
0 引言
随着智能电网的不断发展，电力系统的规模越来越大，分布式电源的大量引入让电网的运行条件越来越复杂，加上网架结构薄弱、装置拒动、自然灾害、网络攻击等问题，使得电网的安全稳定运行面临巨大挑战。2005年9月26日，台风“维达”登陸海南省，对海南省电力设施造成严重破坏，使得全省范围内大面积停电。海南电网公司紧急启动了黑启动预案，成功实现了系统的快速恢复，这是国内迄今为止除演习以外的第一次黑启动。
黑启动（Black Start）是指整个系统因故障停电后，不依赖系统外电源的帮助，通过系统内具有自启动能力的机组先行启动，然后带动无自启动能力的机组，逐渐扩大系统供电范围，最终实现整个系统恢复供电的过程。黑启动的背景是一种极端情况，即系统全部停电或大面积停电，黑启动的过程中涉及发电、输电和配电的各个环节。电网发生大面积停电事故后，如果不能够在短时间内恢复供电，国民经济将遭受巨大损失。
储能作为一个新兴产业，近年来在国内发展迅速，目前已在各地区电力系统中有一定规模的投入。储能系统具有充放电转换灵活、功率因数可调、响应速度快等优点，这与黑启动在某些方面的需求具有相契合的特点，因此储能系统参与黑启动应用的研究，具有极其重要的理论意义和实际价值。
1 黑启动过程
黑启动是系统大停电事故后电力恢复的过程，其总体目标是安全、快速地恢复电网供电，最大限度地减少电网大停电造成的影响。黑启动的过程一般分为黑启动初始阶段、网架重构阶段和负荷恢复阶段。
黑启动初始阶段：指利用系统中各个具有自启动能力的黑启动电源点向停运的火力机组提供启动电源，使其先行恢复启动，继而向电网供电，开始形成供各个电子系统的过程。网架恢复阶段：指各个供电子系统内的主力发电机组、重要变电站和输电线路逐步恢复供电，并形成系统主网架的过程。负荷恢复阶段：指各个供电子系统内的大部分发电机组已经启动，具备一定的发电能力，并且已建立较为稳定的网架之后，系统逐渐恢复负荷的过程。
2 应用思路
目前，国内学者针对储能系统参与黑启动的研究大多局限在黑启动初始阶段，而在网架恢复阶段和负荷恢复阶段的研究相对较少。
2.1 黑启动初始阶段
进行黑启动首先要保证可靠的黑启动电源，然后通过它启动附近的火电机组。水电机组和燃气机组因其厂用电负荷低、启动速度快，是目前黑启动电源的首选，然而水电机组受水资源分布限制，燃气机组运行维护要求较高，故目前国内电网面临着黑启动电源不足及分布不合理的实际问题。相对而言，储能系统具有占地规模小、布点灵活等优点，在黑启动初始阶段可有效替代成为黑启动电源点。笔者认为可以从以下两个方面考虑。
（1）辅助火电机组黑启动。火电机组启动时需要一定容量的厂用电，而厂用设备中一般都有一些大容量的辅机，这些辅机多为异步电动机，在启动时产生的冲击会引起其供电系统较大的电压和频率跌落，故一般其启动电源都从附近的发电厂或变电站引接。如果为火电机组配置足够容量的储能系统，储能系统启动速度快，同时合理安排各辅机的恢复顺序，将大大提高黑启动的恢复效率。例如，国家电投珠海横琴热电有限公司投资的20 MW·h的储能项目已经启动，该项目预计2019年投产，建成后将是世界首例采用储能系统实现F级燃机黑启动的项目。
（2）辅助风电机组黑启动。一般黑启动电源会优先考虑启动火电机组，但随着风电机组的可调节性能日渐增强，通过合理的策略和方法利用风电场自身的启动能力，同时结合风电场内无功补偿设备、小容量储能系统的合理配置，使得将风电机组作为黑启动电源具备了一定的可行性。国内对此方面的研究较多，例如有学者提出了混合储能与风力发电相结合的黑启动方案，并通过搭建仿真模型，仿真分析验证了该方案的可行性[1]。还有学者建立了储能系统和风电机组的多工况仿真模型，通过分析研究提出了黑启动初期风储火系统的分层协调控制策略[2]。
2.2 网架重构阶段
网架重构初期，黑启动机组工作于一种特殊的运行方式，即孤网运行方式，系统频率、电压都处于极不稳定的状态。黑启动机组启动后系统中可能会产生多种类型的过电压，主要有工频过电压和操作过电压两种。目前，国内针对该阶段储能参与黑启动的研究较少，笔者认为可以从以下两个方面考虑。
（1）降低工频过电压。工频过电压是指黑启动机组空充长线路时，线路上的容性电流增大而导致的电压升高，容性电流的助磁作用还会导致发电机端电压升高，从而产生自励磁，危及发电机和线路绝缘。控制工频过电压一般采取在线路上装设并联电抗器、增加感性负荷来抵消容性电流，削弱电容效应，从而降低工频过电压。储能系统由于其储能变流器具备功率因数超前0.9～滞后0.9范围内动态可调的能力，可以考虑在黑启动机组空充长线路时调节其功率因数，以感性负荷或容性电源投入系统，帮助系统吸收过多的无功功率，有效削减电容电流，降低工频过电压，保护发电机和线路的设备安全。
（2）稳定操作过电压。操作过电压是指空载线路合闸到电源上引起的暂态过电压，合闸过程中线路发生高频振荡，振荡电压由零值过渡到由电容效应决定的工频稳态电压值期间可能会出现电压越限的情况。储能系统由于其调频、调压响应速率快，调节精度高，在各段线路合闸到黑启动电源上时，可根据需求快速响应并调节系统电压、频率，有效维持黑启动初期各个供电子系统的稳定。 国内也有学者分析了黑启动过程中的操作过电压问题，通过建立空充输电线路的贝瑞龙模型和变压器等效模型，对不同的空充输电线路方案进行过电压校验，为风储黑启动路径及方案的制订提供了重要参考[3]。
2.3 负荷恢复阶段
为了最大限度地降低大电网停电造成的国民经济损失，必须加快电网负荷恢复速度，对于规模较大的电网，建议采取并行恢复模式，即将电网劃分为若干子系统，各个子系统内黑启动电源同时启动，待各个子系统内部运行稳定后再进行同期并网。
负荷恢复阶段涉及的主要问题：①控制负荷的增加量与系统的调频、调压特性相匹配;②并行恢复模式下各子系统的同期并网问题。目前，国内针对该阶段储能参与黑启动的研究较少，笔者认为可以从以下两个方面考虑。
（1）稳定系统频率。黑启动电源启动后必须接入一定量的负荷，以保证黑启动电源的最低负荷运行水平，按照负荷分类及大小来说，恢复过程中应逐步恢复直配小负荷、直配大负荷和电网负荷。调节机组出力与负荷大小就能控制系统频率，进而会影响负荷恢复的速度。一方面，储能系统适合作为火电机组或风电机组的黑启动电源，在火电机组或风电机组成功自启动后，储能系统也可考虑作为其直配小负荷用于稳定前期机组的出力;另一方面，储能系统AGC调节能力优越，电网负荷恢复阶段各电网侧储能系统可有效降低电网功率供需逆差，稳定系统频率。
（2）协助同期并网。并行恢复模式下，由于各个子系统是相互独立的孤网，重新闭合联络线后势必会导致潮流分配不合理，进而使联络线两端各个子系统的相角差偏离，甚至会导致该条联络线的继电保护装置动作，阻止同期并网。在极端的情况下，可能导致黑启动初期刚刚建立的小系统完全崩溃，再次全黑。
储能系统由于其技术特殊性，既可作为电源进行放电，也可作为负荷进行充电。当电网配置了一定规模的储能系统后，储能系统可根据调度指令有效减少各子系统潮流逆差，降低联络线两端母线的相角差，进而实现顺利同期并网。
3 应用前景
本文充分借鉴国内储能参与和电网黑启动应用的研究方法和实践经验，根据黑启动在各个阶段中面临的主要难点，结合储能技术的优势，全面分析并梳理了储能系统在电网黑启动各个阶段中应用的研究思路，其主要应用前景如下：？譹？訛储能系统可结合风电及火电机组实现黑启动，有效补充了黑启动电源的数量，有望解决各地区电网黑启动电源不足及分布不合理的实际问题。？譺？訛通过储能系统提供更多的黑启动电源点，这为黑启动的并行恢复提供了可能，并行恢复可有效提升黑启动恢复效率，减少停电时间，降低经济损失。？譻？訛储能系统由于其调节性能的优越性，在黑启动各阶段都能对系统恢复提供积极的辅助措施，有效地提高了黑启动效率和成功率。？譼？訛在目前电力市场环境下，大部分地区黑启动辅助服务补偿机制尚未明确，无法提高各机组提供辅助服务的积极性，如何设计公平并具备激励效果的协调补偿机制是后期推广应用的关键点和难点。
参 考 文 献
[1]潘道成.配置储能系统的风电场在局域电网黑启动中的应用研究[D].北京：华北电力大学，2014.
[2]刘力卿.储能型风电场作为电网黑启动电源的控制技术研究[D].北京：华北电力大学，2017.
[3]田武，刘莉，王刚，等.基于风储联合发电系统黑启动过电压研究[J].电气应用，2017（15）：42-46.