CAT蓄电池柴油发电机-V2G系统协同黑启动控制以增强频率支持
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卡特蓄电池 发布时间：2026-10-09 17:30:40 点击： 次
摘要 为了解决传统黑启动电源受地理限制和容量配置影响的局限性，针对生物质热电联产（CHP）厂的孤岛辅助电源微网提出了一种协调黑启动控制方法，其中柴油发电机与车辆到电网（V2G）集群协同运行。首先，为V2G集群建立了动态可用容量评估模型。随后，通过考虑电厂辅助电动机的启动影响验证了柴油发电机容量，并确定了相应的黑启动恢复方案。其次，开发了柴油发电机与V2G的协调控制策略。柴油发电机通过下垂控制建立孤岛微网的电压和频率基准，而局部二次频率和电压校正则改善了扰动后的频率和电压恢复。跟网型V2G集群通过一次调频和基于惯性的频率控制提供暂态有功功率支撑。最后，在PSCAD/EMTDC中建立了生物质热电联产厂辅助电源微网的电磁暂态模型，以模拟混合辅助电机的顺序启动过程。结果表明，改进的柴油发电机控制增强了孤岛微网的频率和电压恢复特性。来自V2G的快速有功功率支撑进一步抑制了由连续辅助电机接入引起的频率波动。所提出的协调策略有效改善了黑启动过程的动态恢复性能。
1. 引言 大规模停电后的黑启动恢复是电力系统中极其复杂的控制与决策问题。黑启动是指在系统故障导致完全停电后，在无外部系统支持的情况下恢复电力系统的过程。在此过程中，首先启动具备自启动能力的发电机组，再利用其为不具备自启动能力的机组供电，从而逐步扩大恢复区域，直至整个系统恢复[1]。传统的黑启动资源主要依赖水电站、燃气轮机组和其他传统电源。尽管这些资源具有良好的启动性能和高运行可靠性，但其可用性受限于资源条件、地理位置和网络拓扑结构[2在内陆地区或水资源匮乏的地区，若无合适的本地黑启动电源，区域电网恢复通常依赖外部电力支持，且恢复过程可能受限于输电路径和系统运行条件。因此，开发区域内可快速调度的分布式支撑资源，对于提升电网恢复韧性具有重要意义[3,4,5]. 近年来，电动汽车（EV）的数量持续增加，集中式电动汽车充电站已在城市负荷中心附近迅速部署。与传统的黑启动资源相比，充电站具有空间分布广和响应能力快的特点，这使得在大规模停电后能够更快地恢复负荷。与此同时，随着电池储能、双向充放电和电力电子变换技术的发展，电动汽车已逐渐具备分布式电源的特性。因此，集中式电动汽车充电站可纳入黑启动资源，为电力系统恢复提供新的支撑方式。 现有研究主要集中在电动汽车参与削峰填谷、频率调节、需求响应以及充电站优化调度方面。一些研究还将充电站作为恢复资源纳入网络重构优化中。在参考文献[6]，建立了一种电动汽车充电站与配电网之间的能量储备协调运行模型，证明了集中式充电站可以参与配电网的备用调节和经济调度。基于办公场地的实测数据，参考文献[7] 比较了多种充电策略，并表明优化的充电管理可以显著降低运营成本，从而反映出电动汽车负荷的可调度潜力。在频率支持方面，参考文献 [8] 提出了一种在数据采集受限情况下电动汽车聚合商的频率调节策略。参考文献 [9]进一步考虑了V2G充电器连接的不确定性，并研究了聚合V2G资源提供快速频率响应的调度方法。文献[10]提出了一种考虑需求充电负荷优化的电动汽车集群分级频率调节策略。在文献[11]中，设计了一种自主V2G辅助服务框架，使车载电池能够参与一次调频和配电侧电压调节。针对微电网场景，文献[12]分析了V2G集成对削峰填谷和调频的影响，而文献[13]指出V2G可应用于削峰填谷、可再生能源消纳和调频。此外，已有少量研究开始探讨V2G在停电恢复中的应用。文献[14]提出了一种基于集中式电动汽车充电站的三阶段黑启动恢复策略，并验证了充电站在电力系统恢复中参与的可行性。在文献[15]，将电动出租车放电站不确定的恢复能力纳入配电网重构和应急电源车调度模型中，表明移动电动汽车资源可以参与灾后负荷恢复。参考文献[16]通过考虑V2G集群和移动储能的协同调度潜力，制定了台风灾害下配电网的供电恢复策略。 与此同时，二次频率和电压调节在孤岛微电网中也受到了越来越多的关注。在文献[17]中，提出了一种分布式二次协调策略，用于在扰动下将频率和电压限制在规定的运行边界内。文献[18]开发了一种精确时间收敛的二次控制方法，用于频率和电压恢复，同时考虑了有功和无功功率的分配。在文献[19]，提出了一种动态事件触发的二次控制策略，以实现孤岛交流微电网的频率和电压恢复以及最优功率分配。然而，这些研究主要集中在正常孤岛运行下的二次调节和功率协调，而涉及黑启动期间辅助电机顺序启动和快速源荷失衡的暂态恢复过程却鲜有关注。 上述研究表明，V2G集群已为作为柔性有功调节资源参与电力系统运行和停电恢复奠定了技术基础。然而，现有工作大多集中在规划与调度、网络重构以及灾后负荷恢复方面，而对V2G参与黑启动的电磁暂态过程关注不足。在实际的黑启动过程中，电厂辅助装备通常由感应电机负荷主导。它们的启动可能导致短时功率激增和母线电压波动，从而进一步影响孤岛系统的频率稳定性[20]。因此，有必要研究V2G集群参与黑启动时电厂辅助电机的暂态启动过程。 对于V2G参与柴油发电机构成的孤岛网络黑启动方案，需要进一步研究如何发挥柴油发电机和V2G各自的优势，如何在辅助设备顺序启动过程中设计它们的协调控制，以及如何提高黑启动系统的暂态稳定性。 为填补上述研究空白，本文提出了一种具有V2G辅助频率支撑功能的柴油发电机-V2G系统协调黑启动控制方法。本研究的主要贡献总结如下： (1) 开发了一个集成的黑启动电源评估与容量配置框架。通过考虑车辆连接状态、停电后断开行为、SOC以及变流器容量约束，评估V2G集群的动态可用功率和能量。在此基础上，综合考虑稳态辅助负荷需求和电机直接启动的暂态影响，验证柴油发电机容量，从而实现可用V2G资源与构网型柴油发电机容量的协调。 (2) 针对顺序辅助负荷恢复过程中的构网型柴油发电机和跟网型V2G集群，开发了一种协调控制策略。柴油发电机建立孤岛电压和频率基准，并通过二次频率和电压校正提升其恢复性能，而V2G集群则通过一次调频和基于惯性的频率控制提供快速有功功率支撑。通过两者的互补作用，这两类电源在黑启动过程中共同实现了孤岛电网形成、稳态供电以及暂态频率支撑。 (3) 采用生物质热电联产厂辅助电源系统的详细电磁暂态模型对所提方法进行验证。考虑了具有直接启动和变频启动特性的混合辅助电机，并设计了对比案例，以分别评估改进的柴油发电机控制、V2G一次调频以及基于惯性的频率控制在辅助设备顺序启动过程中对频率和电压动态的影响。
2. 材料与方法
2.1. 柴油发电机-V2G协同黑启动的可行性评估 柴油发电机-V2G协同黑启动的可行性取决于这两类电源的组合供电能力是否能满足电厂辅助设备的恢复需求。因此，首先评估停电情景下V2G集群的可用功率和持续供能能力。然后根据辅助电源系统的剩余有功功率、无功功率和暂态电压支撑需求确定柴油发电机容量。在此基础上，制定协同黑启动恢复方案，为后续的协同控制设计提供基础。
2.1.1. V2G集群的动态可用容量评估 在微电网黑启动场景中，V2G集群的可用能力受车辆连接状态、停电后断开行为以及逆变器同步状态的影响。参考[文献]中电动汽车出行和连接行为的随机建模方法 ]，插拔概率被用于表征车辆的时空分布。车主行为的随机性由随时间变化的插拔概率和断电后断开比例来表示。设微电网区域内的电动汽车总数为 ev ，并让主要停电发生在 0 。在时间t，保持连接并能够提供电力响应的具备V2G能力的车辆预期数量可表示为： γV2G (η) = Nev ⋅ ppl (t) ⋅ [1 − γlv (t)] ⋅ η (1) 因此，) 和pl (γ表征了随机的车辆端可用性，而ηlv 代表了转换器侧的同步可用性。因此，等式(1)代表的是在容量评估阶段预期的可用V2G车队规模，而非固定确定的车辆数量。η represents the converter-side synchronization availability. Equation (1) therefore represents the expected available V2G fleet size at the capacity-assessment stage rather than a fixed deterministic number of vehicles. 在确定有效车辆数量后，还必须考虑电池SOC和每辆车逆变器的容量限制。由于与辅助电机启动相关的冲击集中在毫秒到秒的时间尺度上，单辆电动汽车的瞬态放电能力主要受逆变器额定功率限制，而SOC则用于确定车辆是否符合放电条件。因此，V2G集群在时间 所能提供的瞬态有功功率为：
