小水電集群的功率外送型配電網(wǎng)孤島暫態(tài)頻率特性研究

溫永森，王玕，陳志峰，張紫凡，馮鍾浩，羅藝華

（1.廣州城市理工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣州 510800； 2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，韶關(guān) 512026）

引言

小型水力發(fā)電因其清潔、低碳、高效等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)以及世界各地受到普遍開(kāi)發(fā)和利用。在水力資源豐富的地區(qū)大力開(kāi)發(fā)小水電，不僅可以解決偏遠(yuǎn)地區(qū)用電困難、供電不足的問(wèn)題，還可以將多余電量外送給電網(wǎng)，帶動(dòng)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展[1，2]。

廣東韶關(guān)地區(qū)小水電資源豐富，分散開(kāi)發(fā)1 806個(gè)小水電站。且大部分T接于10 kV饋線[3]。豐水期間，當(dāng)外送通道故障時(shí)，水電群與當(dāng)?shù)刎?fù)荷就地成網(wǎng)，運(yùn)行在孤島模式。由于山區(qū)配電網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)有限，通常并不具備完備的通信基礎(chǔ)及智能化主站系統(tǒng)，不能及時(shí)對(duì)孤島狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控[4]。在區(qū)域小水電出力占比較較高，功率外送的情況下孤島運(yùn)行將導(dǎo)致較大的功率缺口，容易引起頻率和電壓波動(dòng)等一系列失穩(wěn)問(wèn)題[5]。

文獻(xiàn)[6]針對(duì)小水電側(cè)孤網(wǎng)運(yùn)行情況提出一種適用于小水電機(jī)組的解列裝置，在過(guò)電壓基礎(chǔ)上增加頻率判據(jù)，能有效解決孤網(wǎng)運(yùn)行高頻高壓的危害。文獻(xiàn)[7]研究在不依賴通信手段情況下的水電集群微網(wǎng)孤島頻率控制方法，提出一種基于頻率變化率的孤島微網(wǎng)切機(jī)組網(wǎng)和分層調(diào)頻控制策略。文章均從頻率判據(jù)出發(fā)，但是缺少研究水電集群的頻率變化規(guī)律。

基于此，本文從小水電運(yùn)行機(jī)理出發(fā)，以小水電機(jī)機(jī)組群功率外送典型系統(tǒng)為例，分析小水電機(jī)組群側(cè)形成孤島后的幅值和頻率變化情況，尤其是孤島初期的頻率特性。仿真分析了不同源荷比與水電機(jī)群數(shù)量對(duì)頻率變化的影響，可為充分掌握水電機(jī)群頻率特性提供參考。

1 水電集群孤島初期頻率特性的理論分析

為驗(yàn)證水電孤島后的暫態(tài)頻率特性，以富含小水電上網(wǎng)的韶關(guān)山區(qū)電網(wǎng)為例，選取典型的小水電群并網(wǎng)模型進(jìn)行仿真建模[8]，其主電路模型如圖1所示。水電機(jī)組群由多臺(tái)小水電站組成，其中多數(shù)為徑流式水電站，輸出固定的有功功率。經(jīng)本地負(fù)荷消納后多余的功率經(jīng)變壓器升壓通過(guò)斷路器外送至110 kV電網(wǎng)系統(tǒng)。

圖1 小水電機(jī)群接入主電網(wǎng)系統(tǒng)圖

當(dāng)線路故障等原因造成水電機(jī)群接入系統(tǒng)的并網(wǎng)開(kāi)關(guān)跳閘后，小水電機(jī)群與本地負(fù)荷形成的孤網(wǎng)由于功率不平衡，孤島系統(tǒng)的頻率與電壓通常會(huì)發(fā)生變化，其變化規(guī)律與水輪機(jī)運(yùn)行特性與孤島后的功率不平衡度有關(guān)。

小水電機(jī)群在與電網(wǎng)系統(tǒng)斷開(kāi)進(jìn)入孤島運(yùn)行后，孤島內(nèi)的頻率變化影響因素包括兩方面：一方面與水電機(jī)組不平衡功率有關(guān)；另一方面水電孤島系統(tǒng)頻率變化的速度與水電孤島系統(tǒng)容量及慣性時(shí)間常數(shù)有關(guān)。根據(jù)電力系統(tǒng)的擾動(dòng)過(guò)程，在水電機(jī)組脫網(wǎng)初期，即調(diào)速器動(dòng)作之前，孤島系統(tǒng)中所有機(jī)組在同步力矩的作用下達(dá)到相同的加速度[9]。孤島系統(tǒng)中所有機(jī)組角速度變化率及孤島系統(tǒng)頻率變化可由下式計(jì)算。

式中：

J—水電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

ω—轉(zhuǎn)子的角速度；

Pmi，Pei—水電機(jī)組i的機(jī)械功率與電磁功率；

Δt—孤島持續(xù)時(shí)間；

f0—系統(tǒng)額定頻率；

Shydro—水電孤島系統(tǒng)容量；

Hhydro—水電孤島慣性時(shí)間常數(shù)。

標(biāo)幺值下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度與系統(tǒng)頻率一致，研究轉(zhuǎn)子的角速度的變化率與水輪機(jī)的不平衡功率成正比。孤島后，孤島系統(tǒng)功率不平衡，導(dǎo)致頻率偏差。但由于水電機(jī)組為同步電機(jī)，具有較大的慣性水平，孤島后頻率不會(huì)發(fā)生突變，且孤島初期頻率偏差較小，隨著時(shí)間的增加，頻率偏差逐漸增大。

小水電機(jī)群孤島后功率不平衡同時(shí)會(huì)造成水電側(cè)電壓變化。如式（2）所示，由于架空線路電抗遠(yuǎn)大于電阻，小水電機(jī)群孤島后電壓主要取決于無(wú)功功率平衡水平[10]。

考慮到由于電網(wǎng)考核等因素，小水電站功率因數(shù)普遍為95 %以上，孤島后系統(tǒng)內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)量的無(wú)功，孤島后電壓不會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。

2 小水電機(jī)群仿真模型

在MATLAB/Simulink平臺(tái)上搭建模型，仿真小水電機(jī)群孤島運(yùn)行時(shí)的頻率特性情況[11]。水電機(jī)組均由同步發(fā)電機(jī)、調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)構(gòu)成[12]。以四臺(tái)水輪機(jī)組為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖2所示。圖中水電機(jī)組與負(fù)荷均通過(guò)串接式接入電網(wǎng)，設(shè)定單臺(tái)水輪機(jī)的有功功率為600 kW，豐水期水電滿發(fā)。本地的所有負(fù)荷等效為集中負(fù)荷。本地負(fù)荷消納后，剩余的功率通過(guò)輸電線路外送入電網(wǎng)系統(tǒng)。

圖2 小水電機(jī)群仿真模型

3 仿真分析

仿真初始時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，1 s后并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，水電機(jī)群非計(jì)劃性離網(wǎng)。水電機(jī)群與本地負(fù)荷進(jìn)入孤島系統(tǒng)模式，4 s時(shí)設(shè)置并網(wǎng)開(kāi)關(guān)閉合。通過(guò)設(shè)置水電機(jī)群輸出功率與本地負(fù)荷不同比例來(lái)模擬不同源荷比情況下的孤島運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)設(shè)置水輪機(jī)串接入電網(wǎng)系統(tǒng)臺(tái)數(shù)來(lái)模擬不同水電機(jī)群情況下孤島運(yùn)行狀態(tài)，觀察水電孤島后頻率的變化情況。

3.1 負(fù)荷占比相同時(shí)的仿真分析

孤島系統(tǒng)各參數(shù)如表1所示，單臺(tái)水電的容量為600 kW，豐水期水電滿發(fā)，單臺(tái)水輪機(jī)投入運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)本地負(fù)荷為480 kW，本地負(fù)荷占比為80 %。增加水電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的數(shù)量，負(fù)荷隨之等比例增加，始終保持負(fù)荷與水電群功率比例為80 %。孤島后水電機(jī)群與本地負(fù)荷構(gòu)成的系統(tǒng)頻率波形如圖3～6所示。

表1 負(fù)荷占水電容量比例相同的仿真場(chǎng)景

圖3 為單臺(tái)水電機(jī)組投入運(yùn)行，負(fù)荷占比80 %的孤島系統(tǒng)頻率變化情況。在0~1 s時(shí)，水電機(jī)組與負(fù)荷聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，頻率與電網(wǎng)系統(tǒng)頻率同步為50 Hz。1 s時(shí)，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，由于功率存在20 %差額，孤島后系統(tǒng)頻率開(kāi)始上升，4 s時(shí)頻率上升至55.51 Hz。4 s后，重新閉合并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，水電機(jī)組頻率開(kāi)始下降，5 s時(shí)下降至50 Hz，繼而在50 Hz上下波動(dòng)。

圖3 一臺(tái)水輪機(jī)投入運(yùn)行時(shí)頻率波形圖

圖4 為兩臺(tái)水電機(jī)組參與運(yùn)行，負(fù)荷占比80 %的孤島系統(tǒng)頻率變化情況。1 s時(shí)，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，源荷間功率的20 %差額，使孤島后系統(tǒng)頻率開(kāi)始上升，4 s時(shí)頻率上升至56.06 Hz。4 s后，重新閉合并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，水電機(jī)組頻率開(kāi)始下降，5.1 s時(shí)下降至50 Hz，繼而在50 Hz上下波動(dòng)。

圖4 兩臺(tái)水輪機(jī)投入運(yùn)行時(shí)頻率波形圖

圖5 為三臺(tái)水電機(jī)組投入運(yùn)行，負(fù)荷占比80 %的孤島系統(tǒng)頻率變化情況。1 s時(shí)，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，由于功率存在20%差額，孤島后系統(tǒng)頻率開(kāi)始上升，4 s時(shí)頻率上升至56.15 Hz。4 s后，重新閉合并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，水電機(jī)組頻率開(kāi)始下降，5.38 s時(shí)下降至50 Hz，繼而在50 Hz上下波動(dòng)。

圖5 三臺(tái)水輪機(jī)投入運(yùn)行時(shí)頻率波形圖

圖6 為四臺(tái)水電機(jī)組參與運(yùn)行，負(fù)荷占比80 %的孤島系統(tǒng)頻率變化情況。1 s時(shí)，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，源荷間功率的20 %差額，使孤島后系統(tǒng)頻率開(kāi)始上升，4 s時(shí)頻率上升至56.2 Hz。4 s后，重新閉合并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，水電機(jī)組頻率開(kāi)始下降，5.52 s時(shí)下降至50 Hz，繼而在50 Hz上下波動(dòng)。

圖6 四臺(tái)水輪機(jī)投入運(yùn)行時(shí)頻率波形圖

源荷比不變情況下，當(dāng)水輪機(jī)臺(tái)數(shù)由1臺(tái)逐步增至4臺(tái)時(shí)，孤島后頻率峰值增加，重新并網(wǎng)后，穩(wěn)定至50 Hz的時(shí)間逐漸增加。

3.2 負(fù)荷占比變化時(shí)的仿真分析

孤島系統(tǒng)各參數(shù)如表2所示，單臺(tái)水電的容量為600 kW，豐水期滿發(fā)，單臺(tái)水電機(jī)組投入運(yùn)行時(shí)接入本地負(fù)荷為480 kW，負(fù)荷占水電功率比為80 %。隨著水電機(jī)組投入運(yùn)行數(shù)量的增加，負(fù)荷隨之增加，負(fù)荷占水電群功率比分別為90 %、93 %、95 %。孤島后水電機(jī)群與本地負(fù)荷構(gòu)成的系統(tǒng)頻率波形如圖7~10所示。

表2 負(fù)荷占水電容量比例增加的仿真場(chǎng)景

圖7 一臺(tái)水輪機(jī)投入運(yùn)行時(shí)頻率波形圖

隨著水輪機(jī)臺(tái)數(shù)從1臺(tái)逐步增至4臺(tái)的過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)本地負(fù)荷占比也由80 %增加至95 %。對(duì)比水電機(jī)組頻率波形圖，從圖中可以看出，在0~1 s時(shí)，水電通過(guò)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)與主網(wǎng)相連，水電的頻率與主網(wǎng)同頻率。1 s時(shí)，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，由于功率差額的存在，頻率開(kāi)始上升。4 s時(shí)，一臺(tái)水輪機(jī)組，80 %負(fù)荷率，系統(tǒng)頻率上升至55.51 Hz；兩臺(tái)水輪機(jī)組，90 %負(fù)荷率，系統(tǒng)頻率上升至54.75 Hz；三臺(tái)水輪機(jī)組，93 %負(fù)荷率，系統(tǒng)頻率上升至54.37 Hz；四臺(tái)水輪機(jī)組，95 %負(fù)荷率，系統(tǒng)頻率上升至54.2 Hz。4 s后，重新閉合并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，頻率開(kāi)始下降，并逐步趨于穩(wěn)定。

圖8 兩臺(tái)水輪機(jī)投入運(yùn)行時(shí)頻率隨時(shí)間變化波形圖

觀察圖3~10發(fā)現(xiàn)，孤島后，系統(tǒng)內(nèi)源端與負(fù)荷功率差額對(duì)系統(tǒng)頻率變化起主要作用。同時(shí)系統(tǒng)頻率變化峰值隨著參與運(yùn)行的小水電機(jī)組數(shù)量的增加同步增加。

4 結(jié)論

本文主要討論小水電集群的功率外送型配電網(wǎng)孤島后系統(tǒng)頻率變化的影響因素，基于Matlab軟件搭建模型，通過(guò)設(shè)置不同的源荷比與參與運(yùn)行的水電機(jī)組數(shù)量進(jìn)行仿真分析。

結(jié)果表明：源端與負(fù)荷端供需不平衡度越低，水電機(jī)群投入運(yùn)行的數(shù)量對(duì)頻率影響越弱，孤島后系統(tǒng)頻率越穩(wěn)定。當(dāng)供需不平衡度相同時(shí)，隨著參與運(yùn)行的水電機(jī)組群數(shù)量的增加，孤島后暫態(tài)時(shí)頻率越不穩(wěn)定，頻率峰值越大。當(dāng)多臺(tái)機(jī)組同時(shí)投入運(yùn)行情況下，孤島后，集中一臺(tái)水輪機(jī)組為本地負(fù)荷供電，孤島系統(tǒng)的頻率更穩(wěn)定，同時(shí)可在符合并網(wǎng)條件下快速并網(wǎng)，從而提高山區(qū)供電穩(wěn)定性與可靠性。

圖9 三臺(tái)水輪機(jī)投入運(yùn)行時(shí)頻率隨時(shí)間變化波形圖