（国网电力科学研究院 江苏省南京市 210003）
摘要：当电网发生大面积停电事故时，需要通过黑启动来逐步恢复电网供电，黑启动电源的选择对于黑启动能否顺利实现至关重要。通常情况下，水电机组是黑启动电源的优先考虑对象。近十多年来，我国风力发电技术日趋成熟，风电装机容量增长迅猛，风电在我国已成为仅次于火电、水电的第三大电源。相比于其他电源，风电机组具有启动速度快、控制方式灵活、单机容量小等优势。如能利用风电机组作为黑启动电源实现电网黑启动，则对于风力资源丰富区域大面积停电事故后电网快速恢复具有十分重要的经济和社会价值。
关键词：黑启动；风电场；外部电源
1 引言
近十多年来，我国风电新增装机容量连续多年全球领先，过去五年累计新增9800万千瓦，占同期全国新增装机总量的18%，在电源结构中的比重逐年提高。截至2015年底，全国风电并网装机达到1.31亿千瓦，年发电量1863亿千瓦时，占全国总发电量的3.3%，风电已成为我国继火电、水电之后的第三大电源。如能利用风电机组启动速度快、控制方式灵活、单机容量小等优点实现黑启动，则对于风力资源丰富区域大面积停电事故后电网快速恢复具有十分重要的经济和社会价值。
2 风电场黑启动技术研究重要意义
2.1黑启动研究概述
进入二十一世纪以来，世界范围内发生多起大面积停电事故，如2003年8月14日发生的“美加大停电”， 导致了美国八个州以及加拿大的安大略省的电力中断，造成了十分严重的损失。这给我国电力系统敲响了警钟，尤其在电网安全稳定运行方面，如何在大面积停电事故后快速恢复电网供电成为电力生产部门关注重点。
黑启动是指整个系统因故障停电后，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，逐渐扩大系统供电范围，最终实现整个系统恢复的过程。黑启动情况下，系统是全部停电或大面积停电的，在这种情况下，必须选择有自启动能力的机组作为黑启动电源，然后利用黑启动电源够快速恢复电网负荷并启动其他机组，启动速度越快，所造出的损失越小。
华北电网率先在2000年5月顺利完成了局部系统的黑启动试验，黑启动电源选取的是十三陵蓄能水站。华东电网也进行了相关的仿真研究，黑启动电源选取的是天荒坪抽水蓄能电站。其他区域和省级电网也根据实际进行了相关研究、试验。但对于风电等新能源发电参与黑启动，国内研究则相对较少。
国外对于风电等新能源发电参与黑启动的研究主要是基于微网而进行的，如 Aktarujjaman等人提出了基于双馈异步风力发电机（DFIG）的风力机参与的黑启动过程，该研究基本上只停留在仿真阶段，并且只要求微网孤岛运行或者在大电网恢复后能够同期，并未外送出力，离黑启动要求还有较大差距。
2.2风电场黑启动重要意义
通常情况下，水电机组是黑启动电源首选，然而利用水电机组实现黑启动时，在黑启动初期，由于负荷较小会发生机组振动等问题；且在枯水期或水资源匮乏区，既要满足居民及工业用水，又要保证电力供应，二者常常难以兼顾。我国幅员辽阔，各类电源分布也不平衡，有些区域常规水电机组较少，水资源匮乏，但是风资源丰富。风电机组响应快，功率调节迅速，如能利用风电机组的自启动能力实现黑启动，则对于相应区域电网遭遇严重故障后快速恢复供电具有重要意义。
3 风电场黑启动关键技术
要实现风电场黑启动，需要对黑启动过程中各项关键技术进行深入研究，关键技术主要包括：
3.1风电机组及风电场运行控制技术
当前，国内外最常用的风电机组主要有两种类型，一种是双馈感应电机作为它的发电机的双馈风电机组，另一种是以永磁同步电机作为发电机直驱风电机组。双馈风电机组具有有功和无功控制的功能，且相对于定速风电机组，双馈风电机组在次同步转速发电和无功调节能力方面有着很大的优势。直驱风电机组通过全功率变流器接入电网，理论上其网侧变流器无功功率交换可以为零，因此，可用于无功功率控制和电网电压调整。两种风电机组的控制特性差别较大，在黑启动过程中参数配置、控制策略也会有所区别，因此，需要对两种类型风电机组运行控制技术分别进行研究，分别寻找适用于黑启动过程的风电机组控制策略。
以最常见的50MW容量风电场为例，通常由33台1.5MW或25台2MW风电机组组成。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆集合了如此众多数量风电机组的风电场，其运行控制即与单台风电机组运行控制有关，也与风况、地形等自然因素有关。因此，要实现风电场黑启动，既要研究不同类型风电机组的运行控制技术，也要研究整个风电场运行控制技术。
3.2风电场黑启动分阶段控制技术
通常情况下，常规黑启动可以分为三个阶段，即黑启动阶段，网络重构阶段，负荷恢复阶段。风电场黑启动也可按上述三个阶段划分，在不同的阶段，针对不同需求采用相不同的控制策略。
⑴黑启动阶段
该阶段的主要任务是：选定黑启动风电机组，制定风电机组黑启动控制策略，利用风电机组自启动能力，实现一台或多台风电机组的自启动，并入电网并承担少量负荷。
⑵网络重构阶段
该阶段的主要任务是：利用已启动的风电机组，承担适当的负荷以确保风电机组正常运行并保证已恢复子系统电网稳定，逐步恢复输电网络，并恢复大型机组发电（如大型火电机组、水电机组），为下一阶段全面的负荷恢复做好准备。
⑶负荷恢复阶段
该阶段的主要任务是：利用已恢复的大型发电机组和稳定的输电网络，在系统稳定前提下，逐步恢复系统负荷直至实现电网全面恢复。
3.3黑启动外部电源配置
在黑启动第一个阶段，即黑启动阶段时，由于电网供电中断，风电机组执行偏航、开桨等操作所需的能量必须由外部电源提供。因此，要实现风电场黑启动，必须给风电场配备足够外部电源。
目前，常用的外部电源有蓄电池、超级电容、柴油发电机组等，不同外部电源在响应特性、充放电特性等方面有很大区别。需要结合风电场黑启动需要，对不同外部电源运行特性进行研究，选择适用于黑启动过程的外部电源类型及配置方式。
同时，外部电源的配置方式，和风电场本身实际情况有关，若风电场已配备较大容量储能装置（如储能电站），可考虑对储能装置进行适当的改造已满足风电场黑启动需要；若风电场未配备储能装置，则可考虑按单机方式配置储能装置，具体选择电容、电池或柴油发电机组，可根据性价比等因素综合考量决定。
4 需进一步研究的技术问题
本文对风电场黑启动进行了探讨，仍需进一步的研究的问题有：
⑴结合两种不同类型风电机组的运行特性，提出适用于黑启动过程的风机运行控制策略，包括主控系统控制技术、变桨系统控制策略、变流器控制策略等。
⑵风电机组实现自启动后，如何结合各个风场、区域电网实际，尽快完成输电网络重新构架，全面恢复负荷，还有待于进一步深入研究。
⑶风电场黑启动外部电源的配置方式、与风机黑启动过程的协调控制策略，还有待于进一步细化研究。
5 结论
风电机组具有启动速度快、控制方式灵活、单机容量小等优势，可满足黑启动电源的基本技术要求，对配备合适的外部电源容量并完成风电场黑启动控制改造的风电场而言，实现风电场黑启动在理论上是可行的。
参考文献：
[1]国家能源局．风电发展十三五规划［R］. 2016.
[2]刘艳，顾雪平，张丹．基于数据包络分析模型的电力系统黑启动方案相对有效性评估［J］.中国电机工程学报，2006（5）：32-37
[3]鲁斌．风电场黑启动技术研究［D］.东南大学硕士学位论文，2015.
[4]熊惠敏，房鑫炎，郁惟镛，等．电力系统全网停电后的恢复-黑启动综述［J］.电力系统及其自动化学报，1999，11（3）：12-17.
作者简介：
鲁斌（1984-），男，浙江衢州人，工程师，从事风力发电控制技术研究工作；E-mail: lubin@sgepri.sgcc.com.cn
论文作者:鲁斌
论文发表刊物:《电力设备》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/4
标签：机组论文; 风电论文; 电网论文; 电源论文; 风电场论文; 阶段论文; 负荷论文; 《电力设备》2017年第14期论文;