風(fēng)水不同源比下孤網(wǎng)初期穩(wěn)定性仿真研究

李嘉琪，鄭少鏵，王玕，王智東，林穎，陳輝，張紫凡，陳志峰，郭長興

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

0前言

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)電和小水電接入同一條線路的情況[1-2]。當(dāng)前學(xué)者們對(duì)分布式小水電和風(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[3]。

小水電和風(fēng)電組成的微電網(wǎng)接入主電網(wǎng)時(shí)，由于存在主電網(wǎng)的支撐作用，電壓與頻率的穩(wěn)定性問題并不明顯[4-5]。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)。由于山區(qū)的小型水力發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電多數(shù)運(yùn)行在缺少儲(chǔ)能設(shè)備的情況下[6]，孤島后電壓和頻率的穩(wěn)定性問題是研究的關(guān)鍵點(diǎn)[7-9]。文獻(xiàn)[10]研究了不同源荷容量比下，風(fēng)光微電網(wǎng)孤島初期的電壓頻率特性，研究表明單風(fēng)電組成的微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)電壓崩潰的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[11]對(duì)僅含分布式小水電的微電網(wǎng)進(jìn)行仿真，研究發(fā)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)頻繁，功率不平衡時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率不穩(wěn)定情況。風(fēng)水微電網(wǎng)孤島時(shí)若能夠保持電壓和頻率的穩(wěn)定，則有助于避免山區(qū)電網(wǎng)切機(jī)切負(fù)荷情況，提高供電可靠性。

本文在M atlab/Simulink 仿真軟件的基礎(chǔ)上對(duì)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。研究發(fā)現(xiàn)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)電和小水電的電源容量比例，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風(fēng)水微網(wǎng)系統(tǒng)

本文針對(duì)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、風(fēng)電接入主電網(wǎng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1小水電、風(fēng)電接入主電網(wǎng)系統(tǒng)框圖

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(shí)，小水電與風(fēng)電接入到電網(wǎng)中，由主電網(wǎng)保持整個(gè)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，小水電，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

基于感應(yīng)發(fā)電機(jī)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)子側(cè)AC/DC/AC變頻器、控制系統(tǒng)等組成[12]。雙饋感應(yīng)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都可以向電網(wǎng)傳送能量，定子側(cè)定子繞組直接連接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過AC/DC/AC雙向變換器接入電網(wǎng)?；诟袘?yīng)發(fā)電機(jī)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2基于感應(yīng)發(fā)電機(jī)的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中由于感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電路中包含AC/DC/AC 雙向變換器，所以具有功率雙向流動(dòng)的能力，即感應(yīng)發(fā)電機(jī)既能運(yùn)行在次同步模式下，也能夠運(yùn)行在超同步模式下。在不同的運(yùn)行模式下，感應(yīng)發(fā)電機(jī)具有不同的功率傳遞關(guān)系，在忽略定子損耗、轉(zhuǎn)子損耗的前提下，其功率傳遞關(guān)系為：

式中，P1為感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子側(cè)的輸出電功率，忽略定子側(cè)損耗時(shí)，P1=Tω0；PM為轉(zhuǎn)軸輸入的機(jī)械功率，PM=Tωr；PS為感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)輸入的轉(zhuǎn)差功率。忽略轉(zhuǎn)子側(cè)損耗，轉(zhuǎn)差功率為：

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(dòng)系統(tǒng)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)；而在次同步狀態(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

基于小水電的數(shù)學(xué)模型[13]，直接使用M atlab-Sim PowerSystems中的水輪機(jī)調(diào)速器模塊、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器模塊以及同步發(fā)電機(jī)模塊搭建小水電發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)圖如圖3所示。

其中HTG部分為水輪機(jī)調(diào)速器模塊，表示水輪機(jī)及其PID控制系統(tǒng)的非線性模型，模塊輸出水輪機(jī)的機(jī)械功率Pm；Excitation System部分為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器模塊，通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)Vf來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的端電壓。使用三相同步電機(jī)模型模擬小型水力發(fā)電系統(tǒng)，定子三相繞組的輸出接入電網(wǎng)，通過調(diào)節(jié)水輪機(jī)的輸出機(jī)械功率與勵(lì)磁電壓進(jìn)而改變電網(wǎng)接入端的電壓與頻率。

圖3小水電接入主電網(wǎng)系統(tǒng)圖

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[14]，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4所示，水力發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、本地負(fù)荷、變壓器以及聯(lián)絡(luò)開關(guān)等模型，其中風(fēng)電、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。

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

本次仿真的主要參數(shù)包括：DFIG 額定功率為1000 kW，風(fēng)速為10m/s，水輪機(jī)額定功率1000 kW，溫度為25℃，有功功率為800 kW，1.0 s時(shí)斷開聯(lián)絡(luò)開關(guān)，4.0秒時(shí)重新合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

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)電和小水電的電源出力的比例進(jìn)行仿真，仿真場景如表1所示。仿真模型如圖4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。

表1保持負(fù)荷比例不變下不同場景情況

圖5為小水電電源出力與風(fēng)電出力比為2:8場景下的水力發(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。1 s時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，水電頻率由50下降到45，4 s時(shí)已經(jīng)下降到35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45、44左右，最終水電頻率穩(wěn)定在50，風(fēng)電頻率穩(wěn)定在50。

圖6為小水電電源出力與風(fēng)電出力比為3:7場景下的水力發(fā)電頻率和風(fēng)力發(fā)電頻率。從圖中可以看出，在0-1s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。1 s時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，水電頻率由50下降到45，4 s時(shí)已經(jīng)下降到37，4 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47.5，最終水電頻率穩(wěn)定在49.5，風(fēng)電頻率穩(wěn)定在50。

圖5水風(fēng)發(fā)電機(jī)出力比2:8頻率變化圖

圖6水風(fēng)發(fā)電機(jī)出力比3:7頻率變化圖

圖7水風(fēng)發(fā)電機(jī)出力比5:5頻率變化圖

圖7為小水電電源出力與風(fēng)電出力比為5:5場景下的水力發(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。1 s時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，水電頻率由50下降到48左右，4 s時(shí)已經(jīng)下降到43，4 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49.5、50，最終水電頻率穩(wěn)定在49.5，風(fēng)電頻率穩(wěn)定在50。

圖8為小水電電源出力與風(fēng)電出力比為7:3場景下的水力發(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。1 s時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，水電頻率由50下降到49.8，4 s時(shí)已經(jīng)下降到49.2，4 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49.95、49.9，最終水電頻率穩(wěn)定在50，風(fēng)電頻率穩(wěn)定在50。

圖9為小水電電源出力與風(fēng)電出力比為8:2場景下的水力發(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。1 s時(shí)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，水電頻率由50上升到50.5，4 s時(shí)已經(jīng)上升到51.75，4 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49.5、49.75，最終水電頻率穩(wěn)定在50，風(fēng)電頻率穩(wěn)定在50。

圖8水風(fēng)發(fā)電機(jī)出力比7:3頻率變化圖

圖9水風(fēng)發(fā)電機(jī)出力比8:2頻率變化圖

從以上分析可以看出，不管電源功率之比怎么變化，主電網(wǎng)頻率在0-1 s內(nèi)總是在50 Hz上下波動(dòng)，在1 s-4 s時(shí)穩(wěn)定不變，在4 s之后又是在50 Hz上下波動(dòng)。而水輪機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的頻率隨著電源功率之比的變化而變化。當(dāng)小水電電源出力占比與風(fēng)電出力占比低于2:8時(shí)，水輪機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)在0-1 s時(shí)間內(nèi)頻率還能穩(wěn)定在50 Hz，1 s過后頻率逐漸降低為35以下；當(dāng)小水電電源出力占比與風(fēng)電出力占比高于于3:7時(shí)，水輪機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)在0-1 s時(shí)間內(nèi)頻率能穩(wěn)定在50 Hz 左右，1 s-4 s時(shí)間內(nèi)，頻率下載逐漸下降到35-50 Hz 之間（電源之比越大，頻率下降的越少），第4 s過后，水輪機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)頻率逐漸上升，最終在50 Hz 左右波動(dòng)。也就是說水力電源占比越大，總體的頻率恢復(fù)性越穩(wěn)定，總體能恢復(fù)并網(wǎng)的50 Hz，若風(fēng)力電源占比越大，與水力電源之比高于8:2，總體的頻率恢復(fù)性會(huì)波動(dòng)幅度大，臨近崩潰的情況。風(fēng)力，水力的電源頻率都會(huì)一直波動(dòng)較大，影響并網(wǎng)條件。

分析5組仿真結(jié)果圖，發(fā)現(xiàn)從并網(wǎng)效率以及對(duì)設(shè)備安全等方面來看，水輪機(jī)與DFIG 的比例為7：3最佳。在該比例下，即使是1.0 s斷開4.0 s 合閘，頻率的變化量也只有1 Hz 左右，較少的變化量致使水輪機(jī)和DFIG 重新并網(wǎng)后產(chǎn)生的沖擊電流也不會(huì)過大，持續(xù)時(shí)間長。讓設(shè)備超負(fù)荷抗壓的時(shí)間也會(huì)縮短。因水輪機(jī)具有慣性特性，所以水電比重大的情況，與DFIG比重大的情況，在范圍之內(nèi)，雖然都可以重新并網(wǎng)，但是后者的頻率變化范圍超過10 Hz，帶來的沖擊電流持續(xù)時(shí)間也過久，不利于設(shè)備的長期使用，影響設(shè)備壽命。重新合閘后由于水輪機(jī)的慣性特性，每次波動(dòng)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)都會(huì)比風(fēng)力發(fā)電機(jī)的要緩和。所以當(dāng)水電比重大時(shí)，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(shí)沖擊電流也不會(huì)過大損傷設(shè)備。當(dāng)本地電源和負(fù)荷接近時(shí)，減少功率交換，合閘后的頻率特性會(huì)以平滑的曲線恢復(fù)至50 Hz。

3結(jié)束語

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)幅度與源荷容量比有關(guān)，頻率的變化趨勢與源荷容量比呈反比的關(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。