电力系统黑启动过程中分布式电源的协同控制策略与仿真验证

引言

当电力系统出现大面积停电状况后，作为恢复供电首要步骤的黑启动，其效率直接影响着社会生产与生活秩序的恢复情况。传统的黑启动工作依赖于同步发电机组，但存在启动耗时较长、覆盖范围相对受限等状况。伴随分布式电源得到广泛的运用，其具备的快速响应特点为黑启动提供了全新的选择。所以，开展关于分布式电源介入黑启动的协同控制策略研究，并借助仿真操作验证并优化控制逻辑，这对于提高黑启动的成功概率、确保电网能够迅速恢复有着十分重要的价值。

一、分布式电源参与黑启动技术支撑条件及面临问题

（一）技术优势与适用性分析

在黑启动的情境下，分布式电源展现出别具一格的技术优势，如光伏、风电等可再生能源可以供应清洁的启动电源，进而降低对化石能源的依赖程度。储能系统能够迅速响应，能够在短时间内构建稳定的电压支撑，为负荷恢复给予初始的能量。分布式电源分布范围广泛，能够达成分区就近恢复的效果，从而缩短供电恢复所需的时间。不同种类的电源在适用性方面存在差异，储能适宜充当“种子电源”，以此维持电压和频率的稳定。小型燃气轮机等可控电源承担基荷调节的任务，并且支撑负荷逐步接入，光伏、风电需要与储能相互配合以平抑波动，在工况处于良好状态时发挥辅助供电的作用。从技术特性来看，储能所具备的充放电灵活性能够迅速地对负荷的变化做出响应，燃气轮机所拥有的可控性适宜用于维持功率的平衡，而光伏与风电所存在的波动性则需要借助协调控制减弱其产生的影响。在黑启动的不同阶段，各类电源承担的分工有所不同：在初始阶段，电压的建立要依靠储能；在中期，负荷的增长需凭借可控电源支撑；在后期，供电范围的扩大要利用可再生能源。

（二）黑启动过程中的关键问题

在黑启动过程中，分布式电源的参与面临着一系列复杂的技术困境。其中，电压与频率稳定性的控制存在较大难度，由于分布式电源本身的惯量相对较小，在负荷接入的瞬间，极易出现显著的电压跌落或者明显的频率波动现象，这种不稳定情况甚至可能触发保护装置动作。功率协同分配的问题也较为棘手，当多个分布式电源并列运行时，若功率分配不能达到均匀合理的状态，就会造成部分电源出现过载或者轻载的状况，进而对整个系统的恢复进程产生不利影响。通信与协调机制目前还不够完善，分布式电源以分散的方式运行，在缺乏统一调度信号的情况下，很容易出现控制策略之间的冲突。另一方面，分布式电源的保护配备情况和黑启动的需求存在不匹配的状况，传统保护所设定的值在低负荷以及弱电网的情形下极易出现失误动作的现象，故而需要构建起标准化的接口以及控制协议。

二、分布式电源协同控制策略的设计

（一）源网协同的控制架构

构造“集中决策-分布式执行”样式的源网协同控制架构，达成黑启动整个过程的精确调节与控制。全局决策由集中控制层承担，依据电网的拓扑结构以及电源的容量情况拟定负荷恢复的规划，借助通信网络把参考指令发送至各个分布式电源；实时执行工作由本地控制层负责，每个分布式电源都配备独立的控制器，按照本地测量所得的数据以及上级所下达的指令对出力进行调整。架构设计着重展现层级协同性：集中层对电源可利用容量以及负荷恢复的优先次序展开动态更新操作，本地层达成电压频率的迅速调节，二者借助实时的数据交互达成闭环式控制。

（二）关键控制策略的实施途径

设定多方面协同管控策略，以确保黑启动能够有条不紊地推进。在电压与频率的协同调节事宜上，运用“主从控制搭配下垂特性”的组合方式，将储能系统设定为主电源，用以维持电压和频率的基准，其他电源按照下垂特性进行跟踪调节，从而达成多源的无缝协同；功率分配策略依据负荷恢复的不同阶段实施动态调整，在初期着重保障储能输出功率的稳定性，中期循序渐进地增加可控电源的输出功率，后期引入可再生能源补充供电；负荷恢复遵循“分级分区、逐步递增”的准则，先恢复诸如医院、通信设施等重要负荷，然后按照容量递增的顺序接入一般负荷，每次接入前都要通过仿真预先判断电源的支撑能力，防止出现冲击。针对可再生能源所出现的出力波动状况，构建预测-补偿机制，此机制会依据短期预测得出的结果，预先对储能的出力情况加以调整，从而缓和功率波动给系统带来的影响，以确保供电能够具备稳定的状态。

三、关于协同控制策略的仿真验证办法以及相应结果

（一）仿真模型构建与场景设计

以典型配电网络为基础构建黑启动仿真模型，此模型涵盖了如储能、光伏、小型燃气轮机等分布式电源，用以模拟在不同情形下的协同控制成效。模型的参数设定与实际情况较为贴合：储能系统对锂电池储能进行模拟，拥有能快速进行充放电的能力；光伏系统配备了最大功率跟踪以及限功率控制装置；燃气轮机模拟具备快速启停和出力调节的特性。设计了三种类型的仿真场景：正常恢复情景，旨在验证当负荷按照预定计划接入时，电压和频率的稳定状况；故障扰动情景，对某一电源突然停止运行时控制策略的响应情况进行模拟；极端天气情景，测试当光伏出力急剧下降时，储能的能量补充效果。仿真模型也将线路阻抗、变压器参数等电网元件特性纳入考量范畴，从而让仿真环境更贴合实际的运行情形，进一步增强验证结果的可靠程度。

（二）仿真验证结果的分析

仿真得出的结果显示，协同控制策略展现出极为明显的有效性。在系统处于正常恢复的场景时，当负荷按照分级方式接入，电压与频率的波动能够被控制在可允许的范围内，并且各个分布式电源的出力会依照预先制定的计划进行平稳顺滑的调整，不会出现过载的状况。在遭遇故障扰动的场景下，一旦系统检测到有电源退出运行，会在 100ms 的时间内迅速启动备用电源，借助功率的快速转移维持电压的稳定状态，不会导致负荷出现停电的情况。而在面临极端天气的场景中，当光伏的出力突然大幅下降时，储能系统会立即进行实时的能量补充，通过下垂特性对其他电源的出力做出调整，以此确保关键负荷能够持续不断地获得供电。仿真验证在同一时间揭示了优化的具体方向：有必要更为深入地提高通信延迟的耐受能力，使极端工况下的应急控制逻辑更完备。

四、结论

分布式电源参与到电力系统的黑启动工作中，是新型电力系统不断发展进程中的必然走向，而其协同控制策略的设计情况会直接对黑启动的成功概率产生影响。本文所提出的源网协同控制架构以及多维度控制策略，能够切实有效地解决诸如电压频率稳定、功率分配、负荷恢复等难题，通过仿真验证能够看出，此策略能够达成分布式电源的有序协同运作，进而确保在负荷分级恢复的整个过程中，电力系统可以维持稳定状态。在未来，有必要着重加强通信可靠性的设计工作，以此增强策略针对复杂电网拓扑结构的适应能力；同时，要积极探寻人工智能技术在负荷预测以及电源调度领域的具体应用，从而更有效地提升黑启动决策的效率，为电力系统能够快速实现恢复提供更为稳固的技术保障。

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