详解储能系统黑启动技术

来源：充电宝技术与成长

储能系统的“黑启动”是指在电力系统发生大规模停电或故障后，利用储能系统作为备用电源，重新启动电网的过程。在这种情况下，电网处于完全停电的状态，即所谓的“黑”状态，而储能系统则提供了必要的电能来逐步恢复电网的正常运行。

在过去，柴油发电机（以下简称柴发）常常是作为黑启动的电源。从环保性来讲，柴发噪音污染空气污染都比较大，而储能可以做到无污染无噪音节能。从经济性角度来讲，虽然储能系统一次投入比较大，但是它可以参与调频市场，可持续产生辅助调频服务收益。大概5～7年可以收回投资成本，而柴发却属于一个纯粹投入，没有办法把这个投入给收回来。从响应速度上来讲，储能系统作为黑启动电源它满负荷输出可以在秒级以内，而柴发满负荷输出大约需30s。因此可以看出储能系统黑启动具有鲜明的优点。

黑启动设计考虑因素：

黑启动本质上额外提供一个离网的VF源（额外给发电厂提供一个离网的电源）。

首先根据实际负荷曲线，选择电池（电量）与PCS功率，PCS功率负荷最大功率设计。

对于VF源，主流有两种控制模式：下垂控制和主从控制。

启动顺序。

启动每个节点的功率，选出峰值功率。

每个节点的启动时长（峰值功率时长）。

启动完成后供电切换方案。

由于黑启动，负荷功率一般从十几兆瓦到几十兆瓦都有，但是PCS设备目前最大单机功率做到2.5MW，因此需要多台PCS设备的并联来实现黑启动。

PCS设备并联控制技术：

1、下垂控制

1.1原理:各逆变单元检测自身输出功率，通过下垂特性得到输出电压频率和幅值，然后各自反相微调其输出电压幅值和频率以达到各自有功和无功功率的均分。

在系统阻抗为感性情况下，假设两台离网逆变器输出电压之间存在较小的幅值差与相位差，那么相位超前者承担更多的有功功率;幅值较高者承担更多的无功功率。下垂控制通过分别构造频率-有功，幅值-无功之间的关系，使得多台逆变器间有功功率较大者频率减小(相位超前减小)，无功功率较大者幅值减小，从而实现各台逆变器间的功率均分。

1.2 控制框图:包含功率下垂环（有功、幅值偏差的检测）、交流电压环、电感电流环、SVM调制、锁相环(角度内部给定)

检测到电压幅值、相位偏差会通过一个电压环输出一些控制性参数（比例增益、积分增益），然后通过电流环（快速、精确调节电流）通过SVM调制（空间矢量脉宽调制），最终输出IGBT的触发脉冲达到功率的平衡。

1.3 下垂控制优缺点

优点：无通信线，实现了真正意义上的并联冗余。各台设备是自己控制自己，自己通过检测自身的输出和自己设定的参考值做比较，来做到功率的自动均分，它是没有通讯线的，所以说它能够实现真正意义的并联冗余。如果有一台设备出现故障它可以自动退出，其他的设备重新很快就能实现功率的均分。

缺点：稳态均流效果受系统阻抗、控制器参数影响较大，动态均流效果（响应速度）不理想。

2、主从控制

2.1 原理：任一逆变电源模块设置为主机，其他逆变电源模块为从机。主机控制上采用电压电流双闭环控制，从机均只有电流环控制，从机电流指令来源于主机电压环的输出，主从机间需要通过高速通信交互数据。

2.2 控制框图:主机包含交流电压环、电感电流环、SVM调制、锁相环(角度内部给定)；从机包含电感电流环，SVM调制、锁相环(角度由主机发送或锁主机电压相位）。

2.3 优点：在载波级通信速率下，稳态、动态均流效果好。

缺点：并联模块数量增多后通信速率下降，控制频率受限，毫秒级载波通信时动态均流效果变差，需要控制并联模块数量。

3、快速功率控制技术（PCS协控技术）

把多台PCS设备拟合成一台设备，基于EtherCAT的快速通迅总线具有等时同步特性，可以保证多台PCS机组同时接收到协控指令，在同一个EtherCAT网络中，同步误差时间小于1μs，真正实现不同PCS间纳秒级抖动。以此提高同步性和时间响应速度。

把多台PCS设备进行控制模型的拟合，结合它后面所带电池的参数（电池簇在线数量、电池簇SOC、SOC上下限等），能够实现每一台PCS设备的功率根据它的电池容量做负荷分配。