具有黑启动功能的系统及其黑启动方法与流程

本发明涉及分布式能源领域，具体涉及具有黑启动功能的系统及其黑启动方法。

背景技术：

随着全球经济的快速发展，工业对电力需求量迅猛增涨，分布式能源由于具有清洁、可再生受到大力推广。目前的研究和应用中，分布式能源更多地以微电网的形式接入大电网中运行。一旦大电网故障或微电网内部故障导致微电网瘫痪时，微电网需要及时进行黑启动，通过启动微电网内部具有黑启动能力的微电源来带动无黑启动能力的微电源，实现整个微电网的重新启动，迅速恢复对负荷的电力供应。

传统微电网黑启动方式主要是依靠具有黑启动能力的微电源先进行启动，然后串行或并行地带动其它不具有黑启动能力的微电源。启动完成后可孤岛自治运行，也可以并入大电网进行并网运行。

串行黑启动是仅启用单个黑启动电源，先断开所有负荷，然后启动黑启动电源建立低压配电网，切入部分重要或可控负荷。最后启动其它可控微电源，同步并入电网。

并行黑启动是通过将系统分散成多个独立运行的小系统，每个独立系统进行各自的黑启动，启动完成后再进行同期并网。

离网型小型风光储供电系统与传统微电网有所差异，离网型供电系统是一种完全脱离大电网并且始终保持独立运行的一种自治型供电系统，通过在用户附近集成风力发电、太阳能发电、储能电池等分布式微源，向用户提供需求的电能。

由于离网型风光储供电系统是完全脱离大电网运行，因此，一方面在遭遇极端长期风力不强、日照不足时，离网型供电系统更容易发生内部瘫痪；另一方面供电系统内部发生故障或瘫痪后，黑启动的策略与传统的微电网黑启动策略也差别较大。

现有技术中针对风光储一体的分布式供电系统黑启动研究很少，因此，针对离网型小型风光储供电系统开发一套可靠稳定的黑启动控制方法具有重要意义。

技术实现要素：

风光储一体的分布式供电系统可能存在突然断电的情况，也可能存在由于天气条件限制长时间停止发电的情况，现有技术黑启动控制系统或方法中很少同时考虑供电系统短期断电后黑启动和系统长期停电后黑启动。

鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种具有黑启动功能的系统，同时考虑系统在短期内停电后的分布式能源黑启动和长期断电后的分布式能源黑启动方法，减少电网故障情况下停电时间和系统供电的快速恢复时间，提高系统长期内供电的稳定性和可靠性。

本发明还提供一种具有黑启动功能的系统的黑启动方法。

本发明提供一种具有黑启动功能的系统，具有黑启动功能的系统包括控制器、直流母线、连接到直流母线上的储能接入装置、发电设备接入装置，具有黑启动功能的系统还包括直流输出接口和/或交流输出接口，发电设备接入装置用于接入发电设备，储能接入装置用于接入储能装置，具有黑启动功能的系统还包括连接到直流母线上的用于接入外部电源的外部电源接入装置，其中控制器监测到发生断电，进行内部黑启动或外部黑启动，内部黑启动以储能装置作为黑启动的主微电源，外部黑启动以外部电源作为黑启动的主微电源。

进一步地，断电的时间小于设定值，控制器进行内部黑启动，断电的时间大于或等于设定值，控制器进行外部黑启动。

进一步地，内部黑启动采用第一周期，外部黑启动采用第二周期，第二周期为第一周期的整数倍。

本发明还提供一种上述具有黑启动功能的系统的黑启动方法，以下步骤：

(1)控制器监测具有黑启动功能的系统中的相关节点的电压与电流；

(2)基于监测得到的信息进行评估，如果发生断电，断电的时间小于设定值，执行步骤(3)；断电的时间大于或等于设定值，执行步骤(4)；

(3)控制器进行内部黑启动；

(4)控制器进行外部黑启动。

进一步地，步骤(3)控制器进行内部黑启动包括以下步骤：

(31)检测储能装置是否进入休眠状态，如果未进入休眠状态，执行步骤(32)；如果进入休眠状态，执行步骤(34)；

(32)控制器控制储能接入装置工作，使储能装置向直流母线供电；

(33)控制器控制直流输出接口和/或交流输出接口，切入外部负荷；

(34)经过第一周期后，检测接入的发电设备的工作状态，如果至少一个发电设备运行正常，则控制发电设备给储能装置充电，执行步骤(1)；如果所有接入的发电设备均运行不正常，执行步骤(4)。

进一步地，步骤(4)控制器进行外部黑启动包括以下步骤：

(41)经过第二周期后，控制器切换到外部电池供电模式；

(42)以外部电源作为黑启动的主微电源，进行外部黑启动；

(43)控制器控制外部电源向储能装置充电；

(44)控制器切换到储能装置供电模式，执行步骤(34)。

进一步地，步骤(42)以外部电源作为黑启动的主微电源，进行外部黑启动包括以下步骤：

(421)控制器控制外部电源接入装置，使外部电源向直流母线供电；

(422)控制器控制直流输出接口和/或交流输出接口，切入外部负荷。

与现有技术相比，本发明提供的具有黑启动功能的系统及其黑启动方法，具有以下有益效果：同时考虑系统在短期内停电后的分布式能源黑启动和长期断电后的分布式能源黑启动方法，减少电网故障情况下停电时间和系统供电的快速恢复时间，提高系统长期内供电的稳定性和可靠性。

本发明提出了一种针对长期离网运行的分布式供电系统，目前市面上几乎没有；本发明同时包含短期断电后的黑启动方案和长期停电后的黑启动方案，保证系统稳定可靠地恢复运行。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的具有黑启动功能的系统的结构示意图；

图2是图1所示的具有黑启动功能的系统的黑启动方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一个实施例的具有黑启动功能的系统，包括：控制器、直流母线、连接到直流母线上的储能接入装置、发电设备接入装置。

储能接入装置用于接入储能装置，包括储能接口、接触器与储能直流变换器，用于接入储能装置。

发电设备接入装置用于接入发电设备，本实施例中发电设备接入装置为光伏接入装置与风机接入装置，光伏接入装置包括光伏接口、光伏整流器与光伏变换控制器，用于接入光伏发电设备；风机接入装置包括风机接口、风机整流器与风机变换控制器，用于接入风机。在其他实施例中，发电设备接入装置也可以为其他发电设备接入装置，例如柴油发电机接入装置。

具有黑启动功能的系统还包括直流输出接口和交流输出接口，直流输出接口连接到直流母线上，用于向直流负载供电；交流输出接口通过交流变换器连接到直流母线上，用于向交流负载供电，具有黑启动功能的系统也可以仅包括直流输出接口，或者仅包括交流输出接口，可根据具体应用环境确定。

具有黑启动功能的系统还包括用于接入外部电源的外部电源接入装置。

控制器与上述各个部件连接，以控制各个部件的操作。

通过本实施例中的具有黑启动功能的系统构建的供电系统，运行正常时，控制器控制储能接入装置的接触器与储能直流变换器，储能装置例如电池向直流母线供电；同时控制器检测电池的电压和剩余电量，如果电池的电压或剩余电量低于设定值，控制器控制光伏接入装置的光伏整流器、光伏变换控制器，和/或风机接入装置的风机整流器、风机变换控制器，以及储能直流变换器，向电池充电。

控制器监测到发生断电，进行内部黑启动或外部黑启动，内部黑启动以储能装置作为黑启动的主微电源，外部黑启动以外部电源作为黑启动的主微电源。

可以根据断电的时间的长短，确定使用内部黑启动还是使用外部黑启动来启动供电系统。对于断电的时间小于设定值的断电，例如设定值为1小时，电池的电压或剩余电量足以完成黑启动操作，控制器使用内部黑启动来启动供电系统；对于断电的时间大于1小时的断电，电池的电压或剩余电量可能很低，为保护电池会停止对外供电，处于休眠状态，此时控制器使用外部黑启动来启动供电系统，也就是利用外部电源进行黑启动。

本实施例中具有黑启动功能的系统的黑启动方法，包括以下步骤：

(1)控制器监测具有黑启动功能的系统中的相关节点的电压与电流；

(2)基于监测得到的信息进行评估，如果发生断电，断电的时间小于设定值，执行步骤(3)；断电的时间大于或等于设定值，执行步骤(4)；

(3)控制器进行内部黑启动；

(4)控制器进行外部黑启动。

步骤(1)中监测具有黑启动功能的系统中的相关节点，相关节点具体是指光伏接口、风机接口、储能接口、直流母线、直流输出接口与交流输出接口。

步骤(3)控制器进行内部黑启动包括以下步骤：

(31)检测储能装置是否进入休眠状态，如果未进入休眠状态，执行步骤(32)；如果进入休眠状态，执行步骤(34)；

(32)控制器控制储能接入装置工作，使储能装置向直流母线供电；

(33)控制器控制直流输出接口和/或交流输出接口，切入外部负荷；

(34)经过第一周期后，检测接入的发电设备的工作状态，如果至少一个发电设备运行正常，则控制发电设备给储能装置充电，执行步骤(1)；如果所有接入的发电设备均运行不正常，执行步骤(4)。

步骤(4)控制器进行外部黑启动包括以下步骤：

(41)经过第二周期后，控制器切换到外部电池供电模式；

(42)以外部电源作为黑启动的主微电源，进行外部黑启动；

(43)控制器控制外部电源向储能装置充电；

(44)控制器切换到储能装置供电模式，执行步骤(34)。

步骤(42)以外部电源作为黑启动的主微电源，进行外部黑启动包括以下步骤：

(421)控制器控制外部电源接入装置，使外部电源向直流母线供电；

(422)控制器控制直流输出接口和/或交流输出接口，切入外部负荷。

本实施例中的具有黑启动功能的系统构建的供电系统，在慢周期内控制长久性大停电的黑启动过程，也就是外部黑启动；在快速周期内监测并控制短暂性黑启动的过程，也就是内部黑启动。

以内蒙古试运行的风光储供电系统作为实施例，但此发明适用于并不仅限于实施例中的应用场合。

将风光储供电系统的黑启动整个过程划分为启动前、启动中和启动后三个阶段。由于内蒙古存在的极限天气和气候条件或其它外界因素，导致供电系统运行时碰到长期缺风少光或长期停电等工况，因此将黑启动过程中划分为系统内部黑启动和系统外部黑启动。

内部黑启动采用第一周期，也可以称为快周期，记为tf，tf一般取秒或是毫秒级别，能够解决急发性大停电后系统快速恢复的问题。

外部黑启动采用第二周期，也可以称为慢周期，记为Ts，Ts一般取小时或天级别，其中Ts＝N*Tf，N为正整数，能够以低能耗的方式解决长期断电后的系统恢复的问题。

采用不同时间尺度来控制系统内部黑启动和系统外部内启动过程，在快速时域内控制实时响应短暂大停电，解决急发性大停电后系统快速恢复的问题；在慢速时域内，对非紧急负荷或具有缓冲特性的微电源进行灵活控制，进行外部黑启动控制，解决长期停电后电力系统重启的控制问题。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。