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黑启动资源的光电池储能系统恢复的最佳分层策略运用
李俊辉1，（IEEE成员），洪飞友1，军旗2，明港3，张世宁1和洪光章2
1现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室（东北电力大学），中国吉林教育部132012
2内蒙古电力（集团）有限公司电力调度中心运营部，呼和浩特010020
3国家电网山东省电力有限公司济南供电局，济南250000
通讯作者：李俊辉(lijunhui@neepu.edu.cn)
这项工作一部分得到了国家自然科学基金项目U1766204的支持，一部分得到了吉林省发展和改革委员会产业创新专项基金的资助（2017C017-2）。
摘要：随着光伏（PV）装机容量的快速增长，配备储能（ES）的光伏电站已成为一种新型的黑启动电源。以光伏电池储能系统（PV-BESS）为黑启动电源，可以提高区域电网的黑启动能力，拓宽光伏发电的应用前景。本文提出了PV-BESS黑启动的分层优化策略，结合了PV-BESS黑启动的关键问题。分层优化策略分为数据分析层，优化协调层和调度控制层。数据分析层结合了黑启动过程的要求。首先，利用相似度矩阵排序法对光伏发电预测方法进行了改进。其次，基于概率倾斜度，通过计算PV下限功率和可执行概率倾斜度，设计PV功率指数以评估黑启动的可行性。优化协调层以PV-BESS的黑启动状态空间模型为基础，结合以PV为主要以ES为辅助的控制策略，优化PV的最大利用率并确定ES充电状态（SOC）的理想值。通过模型预测控制求解最优模型，并控制PV和ES的输出功率以完成黑启动过程。光伏资源比例较高的电网中的实际历史数据将用作模拟的基本数据。基于MATLAB/Simulink的黑启动仿真验证了分层优化策略的合理性，为实现PV-BESS的黑启动提供了参考。
关键词：黑启动，分层优化策略，光伏电池储能系统，光伏和储能协调，光伏发电预测。
命名法
PV 光伏发电
ES 储能
PV-BESS 光伏电池储能系统
LSSVM 最小二乘支持向量机
MPC 模型预测控制
SVM 支持向量机
Nr 光伏单元数
PESS ES的充放电功率（kW）
PPV-unit 预测输出功率光伏单位（kW）
PL 火电机组辅助功率（黑启动负载功率）（kW）
PPV 总光伏发电
SOC 充电状态
PPV-lim 光伏单位功率下限（kW）
eta; 黑启动的执行概率倾向
N 光伏电站光伏发电机组总数
NWF 数值天气预报
Xdk 过去d日的太阳辐射强度或温度
Xk 待预测日的太阳辐射强度或温度
n 一天内太阳辐射强度和温度的采样点
M 相似矩阵
mid 影响d日和预测日的各因素之间的相似性
Fd 第d个历史日和预测日的总相似性
R 相关系数
T 黑色起点时期
x(k) k时的状态变量
u(k) k时的控制变量
r(k) k时的扰动输入
y(k) k时的输出变量
PPV(k) k时总光伏功率（kW）
PPV-unit(k) 光伏单位在k时的功率预测值（kW）
PPV-unit(k 1) 光伏单位在k 1时的功率预测值（kW）
PPV-unitN 光伏发电机组的额定功率（kW）
PESS(k) 在k时ES的充放电功率（kW）
EESS(k) 在k时实际收集的容量（kWh）
EESS(k 1) 在k 1时的ES容量（kWh）
EESSL ES的理想容量（kWh）
PL(k) k时的负载功率（kW）
PL(k 1) k 1时的负载功率（kW）
∆TESS 从kW到kWh的转换系数
Ne(k) 在k时实际收集的光伏发电单位数
Ne(k 1) 在k 1时实际收集的光伏发电单位数
∆Nr 光伏单位数的变化值
∆P 补偿能力（kW）
PESSN ES的额定功率
SOCmax ES的SOC上限
SOCmin ES的SOC下限
SOC(k) 在k时ES的SOC
M 滚动期
beta; 光伏发电机组数量的变化限制
1引言
近年来，美国、意大利、中国、印度、巴西和其他地方发生了几次大面积停电[1]-[3]。2012年7月30日印度停电直接影响了6亿多人的生活，这是历史上影响人口最大的停电[4]。在2018年3月，巴西的3.21停电影响了5300多万人，超过全国人口的四分之一，造成了9300兆瓦的停电负荷损失。巨大的停电带来对国民经济的巨大的影响。黑启动是通过自启动黑启动单元(BSU)恢复电源的程序，是严重停电发生后的第一项任务[2]，[3]。快速有效传统的黑启动方案可以最小化电网大型停电带来的损失[5]，[6]。
传统的黑启动方案使用具有较大自启动能力的水电涡轮和燃气轮机作为黑启动源，并在[7]、[8]中进行了相关实验。参考文献[9]介绍了利用抽水蓄能机组作为山东电网电源的黑启动实验。参考文献[10]分析了印度利用水电涡轮机进行的黑启动实验燃气轮机作为电源。然而，水资源分布不均和一些地区缺乏水资源限制了水电机组的建设；等大功率柴油发电机组提供启动电源，并需要定期打开进行维护。高的投资成本不适合广泛使用。因此，可再生能源在黑启动过程中的应用可以有效地利用自然资源，根据不同地区的不同的资源分布选择不同的黑启动电源[11]，[12]。文献[13]选择微电网作为黑启动电源，提出了一种优化的配电网恢复方法。提出了一种用于[14]、[15]的黑起始源微电网电能质量问题的控制方法。可再生能源的参与将大大加快黑启动发展进程。
如今，光伏的装机容量逐年增加[16]，[17]。ES技术和光伏发电技术发展迅速。在照明资源丰富的地区，人们对光伏发电系统参与电力系统恢复进行了更多的研究。文献[18]提出了一种提高恢复效率的优化方法。利用光伏发电厂作为黑启动电源的电网。在文献[19]中，提出了一种基于分层控制的微电网黑启动策略，改进了PV-BESS，这提高了微电网的黑启动能力。鉴于光伏发电的波动，需要配置ES来抑制光伏输出功率的波动[16]，[20]。文献[21]，[22]研究了PV-BESS在孤岛运行模式下的控制策略，ES为光伏逆变器提供了稳定的电压和频率。文献[23]提出了一种减少混合ES对光伏功率的波动的方法。通过在微电网中配置ES来增强微电网的黑启动能力[24]。 上述研究表明，PV-BESS提供了作为黑启动电源的机会。
当PV-BESS作为黑启动电源时，由于光伏发电的随机性和不确定性[25]，[26]，PV-BESS只能是可执行期限中的黑启动电源。在黑启动过程开始之前，必须确定PV-BESS是否处于可执行的黑启动期间。可再生发电不确定性对黑启动过程的影响已在以往的研究中得到考虑。 文献[27]通过黑启动值评估方法确定风电的接入时间和容量，以确定风电的输出功率是否满足黑启动过程的要求。然而，文献[27]将风电作为辅助黑启动电源。在主黑启动电源与火电机组形成一个稳定的小型并联系统后，通过连接风电，加快了后续过程。这不适用于风电主黑启动电源的黑启动过程。在微型网格的黑启动过程中，参考文献[28]通过离散预测误差的概率分布来模拟微网格黑启动的不确定性，并选择典型的微网格黑启动场景建立概率函数，确定微电网输出功率的参考值。然而，在文献[28]中，可再生能源发电是否支持黑启动过程还没有形成了一个定量标准，这是不适合PV-BESS的黑启动。文献[29]介绍了配电网可再生能源发电系统的黑启动电源选择方法。可以帮助黑启动进程的一种可再生能源通过功率预测和最大似然估计被选择了。然而，文献[29]将大电网划分为几个小电网进行业务恢复，以最大优先负荷恢复为目标，这不适用于特定系统的开发的可行性评估。通过光伏功率预测技术可以得到光伏功率的参考值[30]。
由于具有充放电功率约束和容量约束的ES装置，当光伏输出在黑启动过程中不稳定或剧烈波动时，可能会出现储能过充和过放电，从而导致黑启动失败。此外，辅助负载变化频繁，因此黑启动中的能量协调控制变得更加复杂。如何协调PV和ES的输出，以确保足够的负荷供应，并使ES的SOC保持在合理的水平，直接决定了黑启动的成功。文献[31]将负载跟踪与最大功率点跟踪控制相结合，有效控制光伏输出功率，完成黑启动过程。但是，在选择光伏控制策略时，不考虑ES的SOC，这可能导致储能过充和过放电。文献[19]提出了一种基于分层控制的PV/ES微电网黑启动策略。将不同的控制策略分别应用于单相微电网和三相微电网，以协调光伏和储能的输出功率来实现黑启动。然而，文献[19]中提出的方法是通过单相微电网辅助具有黑启动的三相微电网，这不适合单个PV-BESS。文献[28]提出了一种基于MPC的黑启动电源优化策略，通过控制黑启动单元的启动顺序来减少黑启动过程中的时间。然而，文献[28]解决了微电网黑启动的规划问题，它没有指定黑启动电源之间的协调控制，也不适合于PV和ES的协调控制。在上述研究中，没有对PV-BESS黑启动过程中的问题进行研究。
上述对光伏发电黑启动的研究是将光伏发电作为微电网的一部分，将整个微电网作为黑启动电源。在不考虑PV-BESS黑启动电源的情况下，研究了PV-BESS黑启动的可行性以及PV和ES的协调控制。因此，本文提出了一种针对PV-BESS黑启动的分层优化策略。分层优化策略分为数据分析层，优化协调层和调度控制层。数据分析层结合黑启动过程的要求。首先，在相似矩阵排序方法的基础上，改进了光伏功率预测方法的训练样本选择方法，得到了适用于黑启动的光伏功率预测方法。根据预测得到的光伏输出功率参考值，计算光伏的下限功率和可执行概率倾角。评价PV-BESS黑启动的可行性。在优化协调层中，制定了以光伏为主体，以ES为辅助的控制策略。基于PV-BESS黑启动的数学模型，通过MPC获得最优的光伏电池数和ES的充放电功率，以求解优化目标。将实际电网的实际历史数据作为仿真的基础数据，进行基于MATLAB的黑启动仿真，验证合适策略的有效性和合理性。
本文的其余部分组织如下：第二节介绍了PV-BESS的黑启动过程，并描述了PV-BESS的黑启动结构。第三节介绍了PV-BESS黑启动的分层优化策略。第四节是通过仿真验证策略的有效性。最后，第五节提出了关键结论。
2黑启动使用的PV-BESS
- PV-BESS的黑启动进程
光伏电站收到黑色启动指令后，首先对光伏电站的输出功率进行了评价，以确定光伏发电黑启动的可行性。确定光伏电站输出功率能满足黑启动要求后，第二，ES协助光伏电站的启动，并且PV-BESS将作为黑启动电源为输电线路充电。最后，PV-BESS逐渐启动火电厂的辅助发动机，直到整个火电厂的输出功率恢复。
基于PV-BESS的电网黑启动过程如图1所示。
光伏电站运行分析
PV-BESS的自启动
火电厂启动
决定PV-BESS的可行性
黑启动期间的光伏功率预测
在ES辅助下启动光伏电站
给电力传输设备充电
启动火电厂的辅助发电机
启动热单位
图1基于PV-BESS的电网黑启动过程
- PV-BESS的结构
PV-BESS主要由PV生成系统ES组成。其中，PV生成系统由N个PV单元组成，单个PV单元通过逆变器连接到房屋服务总线上为负载提供动力[32]。PV-BESS是通过在光伏电站母线上处理ES形成的，如图2所示。
图2
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