李嘉琪，鄭少鏵，王玕，王智東，周培源，吳燦，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

為了減少煤炭石化資源的消耗，南方山區(qū)根據(jù)自身自然條件優(yōu)勢(shì)，發(fā)展風(fēng)電和水電等分布式能源[1,2]，有力支撐了電網(wǎng)。在山區(qū)電網(wǎng)中，存在風(fēng)電和小水電接入同一配電網(wǎng)支線的情況，風(fēng)電、小水電和各自本地負(fù)荷一起組成了微電網(wǎng)[3,4]。風(fēng)電和小水電除了滿足本地負(fù)荷需求外，在發(fā)電過剩時(shí)還可以向主電網(wǎng)輸送電能；由于分布式能源的季節(jié)性、間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn)，風(fēng)電和小水電發(fā)電不夠時(shí)，由主電網(wǎng)向本地負(fù)荷供電。由風(fēng)電和小水電組成的風(fēng)水微電網(wǎng)與主電網(wǎng)的交互影響研究[5]，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，也日益引起了研究重視。

風(fēng)水微電網(wǎng)與主電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開后，出于保護(hù)風(fēng)水設(shè)備、避免風(fēng)水微電網(wǎng)出現(xiàn)過壓過頻的考慮[6,7]，當(dāng)前普遍采用切機(jī)切負(fù)荷的做法[8]，但存在著停電時(shí)間過長的問題。因此，加強(qiáng)風(fēng)水微電網(wǎng)與主電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)跳閘后形成孤網(wǎng)的特性研究[9,10]，尤其是孤網(wǎng)初期的幅頻特性及其相關(guān)的影響因素研究，將有助于為探索新型的風(fēng)水孤網(wǎng)的復(fù)網(wǎng)方式提供理論支撐。

本文在分析風(fēng)水孤網(wǎng)的電源影響情況基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮風(fēng)電和小水電通常分散在山區(qū)電網(wǎng)的不同位置，重點(diǎn)研究風(fēng)電和小水電不同本地負(fù)荷對(duì)風(fēng)水孤網(wǎng)的穩(wěn)定性影響。Matlab/Simulink仿真軟件的基礎(chǔ)上對(duì)僅含小水電和風(fēng)電的微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真研究，在本地小水電與風(fēng)電兩種電源容量和本地負(fù)荷相等的前提下，通過調(diào)整風(fēng)電和小水電的本地負(fù)荷比例，分析小水電和風(fēng)電不同發(fā)電比例對(duì)孤島后電壓和頻率穩(wěn)定性的影響。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的模型主要由機(jī)械動(dòng)力模型、雙饋感應(yīng)電機(jī)模型、背靠背變流器模型以及鎖相環(huán)模型等組成，它的結(jié)構(gòu)如圖1所示，轉(zhuǎn)子繞組通過背靠背變流器與電網(wǎng)連接，定子繞組直接與電網(wǎng)相連，隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)差功率經(jīng)過背靠背變流器與電網(wǎng)進(jìn)行交換，因此變流器設(shè)計(jì)容量降低至風(fēng)機(jī)額定功率的25～30 %，因此風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以在額定值的±30 %范圍內(nèi)變化。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，勵(lì)磁電流的頻率也會(huì)隨之調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)機(jī)的變速恒運(yùn)行。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，雙饋風(fēng)機(jī)運(yùn)行在超同步轉(zhuǎn)速工況，功率由轉(zhuǎn)子通過變流器饋入電力系統(tǒng)；當(dāng)雙饋風(fēng)機(jī)運(yùn)行在次同步轉(zhuǎn)速工況，功率由電力系統(tǒng)通過變流器向轉(zhuǎn)子饋入功率。

2 MATLAB的風(fēng)水微電網(wǎng)模型

深入研究含水風(fēng)互補(bǔ)的微電網(wǎng)運(yùn)行情況，在Matlab平臺(tái)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2所示，主要參數(shù)包括：DFIG額定功率為1 000 kW，風(fēng)速為10 m/s，水輪機(jī)額定功率1 000 kW，溫度為25 ℃，1.0 s時(shí)斷開并網(wǎng)斷路器，4.0 s時(shí)重新合上斷路器。仿真模型圖如圖2所示，其中風(fēng)電、小水電通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與主電網(wǎng)相連。

3 孤島初期幅頻變化情況的仿真分析

在Matlab平臺(tái)利用搭建好的水力和風(fēng)力聯(lián)合發(fā)電的微電網(wǎng)模型，在本地小水電與風(fēng)電兩種電源容量相等的前提下，通過調(diào)整小水電與風(fēng)電的負(fù)荷占比比例進(jìn)行仿真，觀察與分析水風(fēng)互補(bǔ)孤島模型的仿真情況，仿真場(chǎng)景分別如表1所示。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖3為小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比比例為2:8場(chǎng)景下的水力發(fā)電頻率和風(fēng)力發(fā)電頻率。從圖中可以看出，在0～1 s時(shí)，風(fēng)電水電通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與主網(wǎng)相連，水電與風(fēng)電的頻率與主網(wǎng)同步為50。1 s時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，水電和風(fēng)電頻率由50上升到55，4 s時(shí)已經(jīng)上升到56左右 ，4 s后，重新閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)，水電與風(fēng)電頻率下降，5 s時(shí)分別下降到到51、50左右波動(dòng)，最終水電頻率穩(wěn)定在50，風(fēng)電頻率穩(wěn)定在50。

圖2 水力和風(fēng)力聯(lián)合發(fā)電的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

表1 保持電源比例不變下不同場(chǎng)景情況

圖4為小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比比例為3:7場(chǎng)景下的水力發(fā)電頻率和風(fēng)力發(fā)電頻率。從圖中可以看出，在0～1 s時(shí)，風(fēng)電水電通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與主網(wǎng)相連，水電與風(fēng)電的頻率與主網(wǎng)同步為50。1 s時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，水電和風(fēng)電頻率由50上升到51，4 s時(shí)已經(jīng)上升到51.5左右 ，4 s后，重新閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)，水電與風(fēng)電頻率下降，5 s時(shí)分別下降到到49.5、50左右波動(dòng)，最終水電頻率穩(wěn)定在50，風(fēng)電頻率穩(wěn)定在50。

圖3 水風(fēng)負(fù)荷占比2:8 頻率變化圖

圖4 水風(fēng)負(fù)荷占比3:7 頻率變化圖

圖5為小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比比例為5:5場(chǎng)景下的水力發(fā)電頻率和風(fēng)力發(fā)電頻率。從圖中可以看出，在0～1 s時(shí)，風(fēng)電水電通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與主網(wǎng)相連，水電與風(fēng)電的頻率與主網(wǎng)同步為50。1 s時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，水電和風(fēng)電頻率由50下降到44，4 s時(shí)已經(jīng)下降到43左右 ，4 s后，重新閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)，水電與風(fēng)電頻率上升，5 s時(shí)分別上升到到49、50左右波動(dòng)，最終水電頻率穩(wěn)定在50，風(fēng)電頻率穩(wěn)定在50。

圖6為小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比比例為7:3場(chǎng)景下的水力發(fā)電頻率和風(fēng)力發(fā)電頻率。從圖中可以看出，在0～1 s時(shí)，風(fēng)電水電通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與主網(wǎng)相連，水電與風(fēng)電的頻率與主網(wǎng)同步為50。1 s時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，水電和風(fēng)電頻率由50下降到40，4 s時(shí)已經(jīng)下降到36左右 ，4 s后，重新閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)，水電與風(fēng)電頻率上升，5 s時(shí)分別上升到到50左右波動(dòng)，最終水電頻率穩(wěn)定在50，風(fēng)電頻率穩(wěn)定在50。

圖7為小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比比例為8:2場(chǎng)景下的水力發(fā)電頻率和風(fēng)力發(fā)電頻率。從圖中可以看出，在0～1 s時(shí)，風(fēng)電水電通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與主網(wǎng)相連，水電與風(fēng)電的頻率與主網(wǎng)同步為50。1 s時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，水電和風(fēng)電頻率由50下降到35，4 s時(shí)已經(jīng)下降到32左右 ，4 s后，重新閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)，水電與風(fēng)電頻率下降，5 s時(shí)分別下降到到20左右，最終水電頻率和風(fēng)電頻率都未能恢復(fù)到50。

通過觀察仿真結(jié)果圖3～圖7可以看出，水力與風(fēng)力發(fā)電機(jī)聯(lián)合孤島發(fā)電運(yùn)行時(shí)，小水電系統(tǒng)與風(fēng)力系統(tǒng)通過變壓后相連再與并網(wǎng)斷路器接入電網(wǎng)系統(tǒng)，所以兩者的各自頻率變化趨勢(shì)是一樣的。并且頻率會(huì)因兩者負(fù)荷比例差距過大而導(dǎo)致頻率波動(dòng)幅度加大。小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比因不同場(chǎng)景變化時(shí)，水電與風(fēng)電的頻率在1 s內(nèi)能穩(wěn)定在50 Hz。

圖5 水風(fēng)負(fù)荷占比5:5 頻率變化圖

圖6 水風(fēng)負(fù)荷占比7:3 頻率變化圖

圖7 水風(fēng)負(fù)荷占比8:2 頻率變化圖

當(dāng)小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比為2:8時(shí)，在1～4 s內(nèi)上升到55 Hz左右，第4 s后水電與風(fēng)電的頻率下降穩(wěn)定在50 Hz。當(dāng)小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比為3:7時(shí)，在1～4 s內(nèi)上升到51 Hz左右，第4 s后水電與風(fēng)電的頻率下降穩(wěn)定在50 Hz，呈現(xiàn)先上升再下降回復(fù)的趨勢(shì)。當(dāng)小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比為5:5時(shí)，在1～4 s內(nèi)下降到43 Hz左右，第4 s后水電與風(fēng)電的頻率上升穩(wěn)定在50 Hz。當(dāng)小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比為7:3時(shí)，在1～4 s內(nèi)下降到36 Hz左右，第4 s后水電與風(fēng)電的頻率上升穩(wěn)定在50 Hz，呈現(xiàn)先下降再上升回復(fù)的趨勢(shì)。當(dāng)小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比為8:2時(shí)，在1～4 s內(nèi)下降到32 Hz左右，第4 s后水電與風(fēng)電的頻率仍然下降至20 Hz左右，未能穩(wěn)定在50 Hz。

分析5組仿真圖的結(jié)果，從并網(wǎng)頻率效率以及設(shè)備安全方面分析，當(dāng)小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比為3:7時(shí)為最佳。在該比例下水電與風(fēng)電的頻率在1～4 s內(nèi)的變化量為1 Hz，并且在4 s后水電與風(fēng)電的頻率能穩(wěn)定在50 Hz左右。從原理圖的負(fù)荷占比比例方面分析，當(dāng)小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比為3:7與7:3時(shí)都為變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)。小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比以5:5為界限。若小水電負(fù)荷占比小，即小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比低于5:5時(shí) ，表示小水電系統(tǒng)能產(chǎn)生多余的電力，在第1～4 s孤島情況下小水電系統(tǒng)能為風(fēng)電系統(tǒng)補(bǔ)償電力。若小水電負(fù)荷占比大，小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比高于5:5，表示風(fēng)電系統(tǒng)能產(chǎn)生多余的電力，在第1～4 s孤島情況下風(fēng)電系統(tǒng)能為小水電系統(tǒng)補(bǔ)償電力。為此通過觀察仿真圖看出當(dāng)小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比高于3:7時(shí)，水電與風(fēng)電的頻率變化趨勢(shì)由先上升再下降回復(fù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄认陆翟偕仙貜?fù)。當(dāng)小水電負(fù)荷占比與風(fēng)電負(fù)荷占比高于7:3時(shí)，水電與風(fēng)電的頻率會(huì)一直下降，沒有回復(fù)到50 Hz。說明水輪機(jī)負(fù)荷遠(yuǎn)高于風(fēng)機(jī)負(fù)荷的時(shí)候，由于水輪機(jī)自身慣性特性，水輪機(jī)超負(fù)荷工作，在孤島時(shí)風(fēng)機(jī)補(bǔ)償也無法平衡負(fù)荷的大小，會(huì)導(dǎo)致整體電路出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象進(jìn)而無法重新并網(wǎng)。

4 結(jié)論

結(jié)合山區(qū)風(fēng)電和水電多運(yùn)行在缺儲(chǔ)能的實(shí)際情況，本文針對(duì)缺儲(chǔ)能水風(fēng)微電網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行仿真，重點(diǎn)研究孤島初期幅頻特性。仿真分析發(fā)現(xiàn)：斷開主網(wǎng)后，由于水輪機(jī)的慣性特性，水電孤島后頻率圍繞50 Hz波動(dòng)最終會(huì)穩(wěn)定在50 Hz，電壓波動(dòng)幅度與負(fù)荷大小比有關(guān)，頻率的變化趨勢(shì)與負(fù)荷大小比呈反比的關(guān)系；DFIG風(fēng)電孤島運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)電壓崩潰現(xiàn)象；而水風(fēng)互補(bǔ)由于水電對(duì)電壓的支撐作用，孤島運(yùn)行時(shí)具有較好的穩(wěn)定性。仿真同時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)電微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，即使在缺儲(chǔ)能情況下，微電網(wǎng)符合有條件穩(wěn)定的特征，有望避免當(dāng)前山區(qū)電網(wǎng)發(fā)生孤島情況就采取切機(jī)切負(fù)荷的一刀切做法，甚至還可以在符合并網(wǎng)條件下快速并網(wǎng)，從而提高山區(qū)供電穩(wěn)定性。