區(qū)域小水電與風(fēng)力發(fā)電在孤網(wǎng)初期穩(wěn)定性仿真

鄭少鏵，溫永森，王玕，王智東，黎子豪，馮鍾浩，張紫凡

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院電氣工程學(xué)院，廣州 510800）

引言

南方地區(qū)有豐富的水資源和風(fēng)資源，因地制宜發(fā)展分布式能源有助于減少煤炭消耗。在南方山區(qū)電網(wǎng)，存在風(fēng)電和某地區(qū)的小水電接群入同一條線路的情況。當(dāng)前對小水電群和風(fēng)電組成的微電網(wǎng)及其與主電網(wǎng)的交互影響研究較少。

小水電群和風(fēng)電組成的微電網(wǎng)接入主電網(wǎng)時[1,2]，由于主電網(wǎng)的支撐作用，穩(wěn)定性問題不明顯。當(dāng)微電網(wǎng)與主電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開后，小型水力發(fā)電機(jī)組與風(fēng)力發(fā)電分布式能源所在的微電網(wǎng)形成了孤島狀態(tài)[3]。由于山區(qū)小型水力發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電多運(yùn)行在缺少儲能設(shè)備的情況下，孤島后電壓和頻率的穩(wěn)定性問題是研究的關(guān)鍵點(diǎn)。孤島若能夠保持電壓和頻率的穩(wěn)定，則有助于避免切機(jī)切負(fù)荷情況，提高供電可靠性。減小分布式能源接入?yún)^(qū)域配電網(wǎng)時所造成的影響[4]。

本文在Matlab/Simulink仿真軟件的基礎(chǔ)上對含有小水電群和風(fēng)電的微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真研究[5,6]，通過調(diào)整小水電的電源容量和水輪機(jī)的數(shù)量，分析區(qū)域小水電和風(fēng)電在水輪機(jī)不同數(shù)量時對孤島后電壓和頻率穩(wěn)定性的影響。

1 風(fēng)水微網(wǎng)

本文針對僅含小水電與風(fēng)電的微電網(wǎng)進(jìn)行孤島初期的電壓頻率變化研究，小水電群、風(fēng)電接入主電網(wǎng)的系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

其中，水力發(fā)電為負(fù)荷1供電，通過升壓變壓器與主電網(wǎng)相連，風(fēng)力發(fā)電一部分供給負(fù)荷2正常運(yùn)行時，區(qū)域小水電群與風(fēng)電接入到電網(wǎng)中，由主電網(wǎng)保持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)因轉(zhuǎn)供電或者短期故障等原因，聯(lián)絡(luò)開關(guān)跳開后，區(qū)域小水電與風(fēng)電分布式能源所在的微電網(wǎng)形成了孤島。

1.1 風(fēng)力發(fā)電模型

雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制器由兩個PWM變流器對稱連接．如圖1雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型所示[7-9]，轉(zhuǎn)組連接的稱為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（RSC），它通過產(chǎn)生不同幅值頻率相位的三相電壓調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和定子側(cè)與電網(wǎng)交換的無功功率．與電網(wǎng)系統(tǒng)連接的稱為網(wǎng)側(cè)變流器（GSC），它與電網(wǎng)交換有功功率，功率的大小取決于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器吸收或發(fā)出的有功功率。兩個變流器可工作在整流或逆變狀態(tài)。由于發(fā)電機(jī)定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)都可以向電網(wǎng)輸送功率，因此稱為“雙饋”。風(fēng)力發(fā)電機(jī)和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)如圖2所示。

變流器由兩部分組成：轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器，它們是彼此獨(dú)立控制的。電力電子變流器的主要原理是轉(zhuǎn)子側(cè)變流器通過控制轉(zhuǎn)子電流分量控制有功功率和無功功率，而電網(wǎng)側(cè)變流器控制直流母線電壓并確保變流器運(yùn)行在統(tǒng)一功率因數(shù)（即零無功功率）。功率是饋入轉(zhuǎn)子還是從轉(zhuǎn)子提取，取決于傳動鏈的運(yùn)行條件：在超同步狀態(tài)，功率從轉(zhuǎn)子通過變流器饋入電網(wǎng)；而在欠同步狀態(tài)，功率反方向傳送。在兩種情況（超同步和欠同步）下，定子都向電網(wǎng)饋電。

1.2 小水電模型

為了保證問題研究具有普遍性，選擇了典型的電力系統(tǒng)—單機(jī)-無窮大系統(tǒng)[10]，如圖3所示。直接利用PSB中的水輪機(jī)調(diào)速器模塊、勵磁調(diào)節(jié)器模塊以及同步發(fā)電機(jī)來模擬小水電發(fā)電系統(tǒng)，利用變壓器、輸電線路、負(fù)載、標(biāo)準(zhǔn)電壓源以及測量元件等模擬無窮大電力系統(tǒng)。同時來證明小水電是否具有慣性的特點(diǎn)。

圖1 區(qū)域小水電、風(fēng)電接入主電網(wǎng)系統(tǒng)框圖

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

2 水風(fēng)互補(bǔ)孤島初期幅頻變化情況

2.1 水風(fēng)互補(bǔ)孤島模型初始條件

進(jìn)一步研究含水風(fēng)互補(bǔ)的微電網(wǎng)運(yùn)行情況，在Matlab平臺上搭建含水力和風(fēng)力聯(lián)合發(fā)電的微電網(wǎng)模型，如圖4，仿真的主要參數(shù)見表1。包括水力發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、本地負(fù)荷、變壓器以及斷路器等模型，其中風(fēng)電和區(qū)域小水電通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與主電網(wǎng)相連的場景進(jìn)行仿真。

表1 本次仿真的主要參數(shù)

圖3 小水電接入主電網(wǎng)系統(tǒng)圖

圖4 多水力和風(fēng)力聯(lián)合發(fā)電的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2.2 水風(fēng)互補(bǔ)孤島模型仿真情況

為了觀察與研究水風(fēng)互補(bǔ)孤島模型的仿真情況，在區(qū)域小水電與風(fēng)電兩種電源容量與各自的本地負(fù)荷相等的前提下，通過調(diào)整水輪機(jī)的電源容量和水輪機(jī)的數(shù)量，如表2所示5種場景進(jìn)行仿真。仿真模型圖如圖4所示，其中風(fēng)電、區(qū)域小水電通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與主電網(wǎng)相連。

圖5為兩臺額定功率均為600 kW的水輪機(jī)與額定功率為600 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)同時工作下的水力發(fā)電頻率和風(fēng)力發(fā)電頻率。從圖中可以看出，剛開始運(yùn)行時會伴隨著小幅度的頻率波動，隨后穩(wěn)定。0～1 s時，水電風(fēng)電通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與主網(wǎng)聯(lián)接，此時水電風(fēng)電頻率與主網(wǎng)頻率同步。在1 s時，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，頻率會從50 Hz上升至52.6 Hz。4 s重新合閘后，頻率在短時間出現(xiàn)激增隨后下降，在4～5 s時經(jīng)歷了小幅度的頻率波動后，水電頻率和風(fēng)電頻率最終平滑的恢復(fù)至50 Hz。

圖6為三臺額定功率為600 kW的水輪機(jī)與額定功率為600 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)同時工作下的水力發(fā)電頻率和風(fēng)力發(fā)電頻率。從圖中可以看出，剛開始運(yùn)行時會伴隨著小幅度的頻率波動，隨后穩(wěn)定。0～1 s時，水電風(fēng)電通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與主網(wǎng)聯(lián)接，此時水電風(fēng)電頻率與主網(wǎng)頻率同步。在1 s時，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，頻率從50 Hz上升至52.8 Hz。4 s重新合閘后，水電頻率和風(fēng)電頻率在49.5～50.9 Hz內(nèi)持續(xù)震蕩，5 s時頻率波動減少，最終穩(wěn)定在50 Hz上下。

表2 保持負(fù)荷比例不變下不同場景情況

圖5 兩臺水輪機(jī)，額定功率均為600 kW（風(fēng)力發(fā)電頻率、水力發(fā)電頻率）

圖6 三臺水輪機(jī)，額定功率均為600 kW（風(fēng)力發(fā)電頻率、水力發(fā)電頻率）

圖7 四臺水輪機(jī)，額定功率均為600 kW（風(fēng)力發(fā)電頻率、水力發(fā)電頻率）

圖7為四臺額定功率為600 kW的水輪機(jī)與額定功率為600 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)同時工作下的水力發(fā)電頻率和風(fēng)力發(fā)電頻率。從圖中可以看出，剛開始運(yùn)行時會伴隨著小幅度的頻率波動，隨后穩(wěn)定。0～1 s時，水電風(fēng)電通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與主網(wǎng)聯(lián)接，此時水電風(fēng)電頻率與主網(wǎng)頻率同步。在1 s時，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，頻率會從50 Hz上升至53.1 Hz。4 s重新合閘后，水電頻率和風(fēng)電頻率在49～51.5 Hz內(nèi)持續(xù)震蕩，5 s時頻率波動逐漸減小，最終穩(wěn)定在50 Hz上下。

圖8為三臺額定功率為200 kW的水輪機(jī)與額定功率為600 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)同時工作下的水力發(fā)電頻率和風(fēng)力發(fā)電發(fā)電頻率。從圖中可以看出，剛開始運(yùn)行時會伴隨著小幅度的頻率波動，隨后穩(wěn)定。0～1 s時，水電風(fēng)電通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與主網(wǎng)聯(lián)接，此時水電風(fēng)電頻率與主網(wǎng)頻率同步。在1 s時，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，頻率會從50 Hz上升至61 Hz。4 s重新合閘后，頻率緩慢下降，6 s時，頻率下降至50 Hz。

圖9為四臺臺額定功率為150 kW的水輪機(jī)與額定功率為600 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)同時工作下的水力發(fā)電頻率和風(fēng)力發(fā)電發(fā)電頻率。從圖中可以看出，剛開始運(yùn)行時會伴隨著小幅度的頻率波動，隨后穩(wěn)定。0～1 s時，水電風(fēng)電通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與主網(wǎng)聯(lián)接，此時水電風(fēng)電頻率與主網(wǎng)頻率同步。在1 s時，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，頻率會從50 Hz上升至62 Hz。4 s重新合閘后，頻率緩慢下降，6 s時，頻率下降至52 Hz上下。

從以上分析來看，區(qū)域小水電和風(fēng)力發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行時，不論水輪機(jī)的臺數(shù)還是額定功率的改變，主網(wǎng)頻率在0～1 s都會在50 Hz上下波動，在1～4 s時會逐步上升，4 s后頻率會逐漸下降最后保持在50 Hz左右。當(dāng)水輪機(jī)額定功率總和600 kW時，無論水輪機(jī)臺數(shù)的多少，其仿真結(jié)果相似，斷開主網(wǎng)后頻率會上升至60.5 Hz左右。當(dāng)每臺水輪機(jī)的額定功率均為600 kW時，隨著水輪機(jī)臺數(shù)的增加，水輪機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)在處于孤島情況下，頻率上升的幅度越大，導(dǎo)致在4 s重新合閘時，有大幅度的頻率沖擊，給主網(wǎng)造成一定的負(fù)面影響。

分析5組仿真結(jié)果圖，發(fā)現(xiàn)從并網(wǎng)效率以及對設(shè)備安全等方面來看，每臺水輪機(jī)額定功率為600 kW時，兩臺至三臺水輪機(jī)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)重新并網(wǎng)所帶來的頻率沖擊更小，頻率的變化量有3 Hz左右，較少的變化量致使水輪機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)重新并網(wǎng)后產(chǎn)生的沖擊電流也不會過大，持續(xù)時間長。讓設(shè)備超負(fù)荷抗壓的時間也會縮短。因此選取兩至三臺水輪機(jī)，同時容量均為初始容量600 kW，在孤島情況下的支撐作用效果更好，有效維持了電壓和頻率，重新并網(wǎng)時沖擊電流也不會過大損傷設(shè)備。當(dāng)水輪機(jī)額定功率總和為600 kW時，頻率變化量超過了10 Hz，過大的頻率變化量會給發(fā)電機(jī)以及主網(wǎng)造成一定過負(fù)荷，同時也可能造成不可逆的損害，因此建議增大水輪機(jī)的額定功率。

圖8 三臺水輪機(jī)，額定功率均為200 kW（風(fēng)力發(fā)電頻率、水力發(fā)電頻率）

圖9 四臺水輪機(jī)，額定功率均為150 kW（風(fēng)力發(fā)電頻率、水力發(fā)電頻率）

3 結(jié)論

結(jié)合山區(qū)風(fēng)電和水電多運(yùn)行在缺儲能的實(shí)際情況，本文仿真缺儲能水風(fēng)微電網(wǎng)運(yùn)行情況，重點(diǎn)進(jìn)行孤島初期幅頻特性研究。仿真分析發(fā)現(xiàn)：水輪機(jī)容量總和一定時，區(qū)域小水電與風(fēng)力聯(lián)合發(fā)電效果相似，孤島時產(chǎn)生的頻率波動過大，重新并網(wǎng)可能會給主網(wǎng)帶來一定的沖擊。當(dāng)每臺水輪機(jī)等于初始容量時，頻率的波動會隨著水輪機(jī)的臺數(shù)增加而擴(kuò)大，但產(chǎn)生的頻率波動比上一情況小，重新并網(wǎng)時給主網(wǎng)造成的沖擊相對也小。考慮到區(qū)域小水電具有一定的庫容，可以平抑水庫短期來水不均的影響，而且，水電機(jī)組啟停機(jī)時間短、運(yùn)行靈活，因此可以利用水電機(jī)組的運(yùn)行特性平抑風(fēng)電出力的短期波動，同時利用水輪機(jī)的慣性特性，在孤島后能夠使頻率最終穩(wěn)定在并網(wǎng)頻率范圍內(nèi)，完成重新并網(wǎng)，加強(qiáng)山區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。