《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：A benchmark model for power system restoration studies: Review and application
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本文深入探讨了在可再生能源（RES）高渗透和电网架构转型背景下，电力系统（EPS）恢复（restoration）面临的严峻挑战。它全面综述了现有恢复策略（如自下而上（bottom-up）、自上而下（top-down）及混合策略）、关键技术挑战（如费兰梯效应（Ferranti effect）、涌流（inrush current）、冷负荷启动（CLPU）），并评估了电池储能系统（BESS）、电网形成逆变器（grid-forming inverters）等新兴技术的应用潜力。最后，文章提出了一种灵活的基准恢复模型（BRM）仿真框架，可用于评估传统和先进策略，为系统运营商（TSOs）和研究人员设计更具韧性的未来电网恢复方案提供支持。
现代社会的可靠电力供应至关重要，但欧洲（如伊比利亚半岛）和全球（如智利2025年）频发的大范围停电突显了强大恢复过程的极端重要性。传统的恢复依赖于同步发电机和预先设定的策略，这些策略在实践中仅得到部分测试，且主要通过捕获基本系统动态的仿真器进行评估。不断变化的电网环境提出了这些策略如何改进的问题。
2. 现有恢复实践概述
无论不同输电系统运营商（TSO）的恢复方法如何差异，其主要目标始终如一：尽可能高效、快速地恢复电网和负荷。通常，恢复过程遵循四个关键步骤：1）评估停电后状态并选择策略；2）执行恢复策略，包括启动黑启动单元（BSU）、建立启动通路（cranking path）及逐步重接负荷；3）同步已恢复的区域（恢复单元或区域）；4）事后回顾与分析。
恢复策略主要分为三种：自下而上（bottom-up） 策略依赖于内部电源，利用黑启动单元为独立的恢复单元供电；自上而下（top-down） 策略则适用于局部停电，通过未受影响的高压骨干网为受影响区域重新供电；混合（hybrid） 策略则结合两者，同时执行。
替代概念也在探索中，例如电池储能系统（BESS）的应用潜力巨大。BESS可作为启动单元内的启动发电机、独立的黑启动单元（受限于容量）、提供比传统电源更快速的频率和电压控制、作为可控负荷或电源优化潮流，或作为平滑可再生能源发电波动的缓冲装置。
2.2. 技术挑战
恢复过程涉及复杂的动态和暂态现象，远超出正常运行工况，需要在规划和管理中予以特别关注。
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涌流（Inrush current）与和应涌流（Sympathetic inrush current）：变压器合闸时因铁芯饱和会产生峰值可达额定值6-8倍的瞬态电流，可能引发电压骤降和保护误动。软启动程序和协调的保护设置至关重要。
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开关过电压（Switching over-voltages）与费兰梯效应（Ferranti effect）：轻载或空载长线路充电时，线路末端电压可能高于首端，需通过并联电抗器进行无功补偿。
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冷负荷启动（Cold load pick-up， CLPU）：大停电后恢复供电时，温控设备和电机类负荷同时重启，会导致电力需求骤增，可能持续数分钟至数小时，并对系统基础设施造成过载。通常采用指数衰减函数模型来模拟其影响。
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逆变器基资源（IBR）的响应：故障期间IBR通常被要求注入无功电流以支持电压恢复，但在弱网恢复条件下，这种响应可能过于激进，导致电压过冲和设备压力。
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保护系统：恢复期间系统处于低短路电流、低惯量、异常电压/频率等非正常工况，可能导致距离保护、失步保护、同步检查保护等多种继电器误动。因此，保护定值常需临时调整或采用恢复感知策略。
2.3. 监管框架
由于各国电力系统特性各异，没有通用的恢复策略。在欧洲，欧洲输电系统运营商联盟（ENTSO-E）通过《应急与恢复网络规范》（NC ER）和《发电机组要求网络规范》（NC RfG）确立了参考指南。在北美，北美电力可靠性公司（NERC）通过其可靠性标准EOP-005-3和EOP-006-3规定了详细要求。两者都强调恢复计划的制定、测试、培训和黑启动能力的保障，但在具体实施和要求上存在差异（例如，ENTSO-E将黑启动视为按需提供的服务，而NERC则将其列为强制性辅助服务）。
3. 基准恢复模型（BRM）
为应对实际恢复测试受限的挑战，本文提出了一种基准恢复模型（BRM），作为一个全面的仿真框架，用于分析恢复策略及相关动态现象。该模型整合了恢复早期阶段通常可用的关键网络组件，支持基于场景的测试，并能评估涉及BESS等逆变器技术的先进恢复方法。
该模型已在商用工具（PowerFactory， PSCAD）和开发中的非商用工具中实现，用于电磁暂态（EMT）和机电暂态（RMS）仿真。它包含多个电压等级的母线、架空线路、电缆、变压器、燃气和燃煤电厂、抽水蓄能（PSH）单元、不同类型的负荷（包括感应电机/动态负荷、静态负荷、冷负荷启动负荷）以及分布式能源（DER）的聚合模型。
模型设计了从“A”到“F”的六个场景，专注于自下而上恢复策略（因为大多数有问题的暂态和动态交互都发生在惯量和短路能力有限的小型单元中）。每个场景又分为多个步骤（“a”至“g”），依次模拟启动黑启动单元、同步其他发电单元、重新连接负荷、线路和变压器充电等操作，以观察相关的系统动态行为。
总而言之，这篇综述指出，随着可再生能源和逆变器基资源在电网中占比不断提高，传统的基于同步发电机的恢复策略面临挑战，需要重新评估。文章系统性地回顾了现有恢复实践、技术挑战和监管框架，并提出了一个灵活的基准恢复模型。该模型为研究人员和系统运营商提供了一个强大的平台，用于测试和改进恢复策略，理解复杂动态行为，并最终设计出更坚韧、适应性更强的未来电力系统恢复方案。
