供電距離對含水光配電網孤島初期穩(wěn)定性的影響研究

王 玕，溫永森，周培源，王智東，羅藝華

（1.廣州城市理工學院 電氣工程學院，廣東 廣州 510800；2.廣東電網有限責任公司韶關翁源供電局，廣東 韶關 512026）

0 引言

電力電子技術的日益成熟，使得水力發(fā)電，光伏發(fā)電得到了更大規(guī)模的開發(fā)與利用［1-2］。水、光、風、生物質等多種能源互補運行，不僅可以削弱可再生能源的不穩(wěn)定性與波動性影響問題，還可以提高各能源電站的運行效率［3-4］。2021年3月中共中央總書記習近平強調要構建清潔低碳安全高效的能源體系，提高利用效能，構建以新能源為主體的新型電力系統。以風光水等新能源電站的建設勢在必行。

我國南方偏遠山區(qū)，由于遠離主要供電網絡，更高質量、更高可靠性供電成為了農村居民最亟待解決的問題。優(yōu)先依靠當地豐富的自然資源如水力能源、太陽能等構建分布式電源主動配網系統或微電網系統，可有效解決山區(qū)居民在區(qū)域主供電線路發(fā)生故障或檢修時的短時供電問題以及供電線路末端的低電壓問題［5-8］。不僅有效提高當地居民的用電可靠性，而且可以減少偏遠地區(qū)長距離的輸電損耗。但水力、光伏等分布式電源分散且大量就地接入配電網，一定程度上使得源端和荷端電壓頻率均出現較大的不確定性，電力系統的運行方式將更加多樣化、分散化，這對富含小水電與光伏的配電網穩(wěn)定性造成了新的挑戰(zhàn)［9-11］。

電壓穩(wěn)定與頻率穩(wěn)定是電力系統運行安全、可靠的兩個考核重要指標［12］。頻率穩(wěn)定是電力網絡安全可靠運行的基本反映，文獻［13］搭建了風光儲微網發(fā)電系統模型，相對于獨立的風電與光伏系統，風光互補系統電壓及功率波動較小，風光儲微網發(fā)電系統則能有效改善輸出電壓及功率波動的問題。但由于儲能成本較高，山區(qū)風力發(fā)電、光伏發(fā)電、水力發(fā)電多運行在缺少儲能的狀態(tài)下。針對這一情況，文獻［14］研究無儲能情況下風光微電網孤島初期幅頻特性，仿真結果表明風電孤島容易出現系統崩潰的現象，風光互補運行具有較好的頻率穩(wěn)定性。文獻［15］對風水不同源比下孤網初期的穩(wěn)定性進行研究，結果表明對比風力發(fā)電機組，水力發(fā)電機組具有較大的慣量水平。

目前水輪機組與光伏發(fā)電并網后系統的孤島穩(wěn)定性研究較少，因此本文構建水光并網仿真模型，通過仿真研究的方法，分析源端的接入距離對含水光的配網系統孤島初期頻率穩(wěn)定性的影響，為山區(qū)配網建設提供理論支撐。

1 水光并網系統架構

小水電、光電接入主電網的系統框圖如圖1所示。光伏發(fā)電與水力發(fā)電后經變壓器升壓后傳輸至負荷端，當光伏發(fā)電與水力發(fā)電的發(fā)電源端功率大于負載時，富余電力通過聯絡開關送入電網；當光伏發(fā)電與水力發(fā)電的發(fā)電源端功率小于負荷端功率時，不足的功率電網將通過聯結開關送入負荷［16］。當電網單線路需檢修或線路出現故障時，主動斷開聯絡開關，水力發(fā)電、光伏發(fā)電與負荷離網后孤島運行，保障重要負荷的正常供電。

圖1 小水電、光電接入配網系統架構圖Fig.1 System architecture diagram of small hydropower and photovoltaic access to power grid

1.1 水電并網簡化模型

小型水力發(fā)電站通過天然水庫或自建攔水壩將水流集中后由引水渠引入水輪機組，再由水輪機調速器與勵磁系統控制器調節(jié)水輪機組發(fā)電，后經變壓器轉換電壓，經過輸電配電線路后供給用戶［17］。小型水力發(fā)電并網模型如圖2所示。

圖2 水力發(fā)電簡化模型Fig.2 Simplified model of hydropower generation

1.2 光伏并網簡化模型

圖3為光伏并網模型，由光伏陣列、三電平功率變換器、LC濾波器組成，光伏陣列設定工作在最大功率點工作模式［18］。一定光照條件下，光伏陣列利用光生伏特效應將太陽能轉換為直流電能，直流電能通過三電平功率變換器逆變?yōu)榻涣麟娔埽汱C濾波器削弱逆變過程中的諧波分量后并入電網［19］。

圖3 光伏并網簡化模型Fig.3 Simplified model of photovoltaic grid-connected system

2基于MATLAB的水光并網模型

為深入研究源端供電距離對含水光配電網頻率的影響，在Matlab平臺上搭建含水力和光伏聯合發(fā)電的微電網模型如圖4，圖中包含水力發(fā)電模型，光伏發(fā)電并網模型，供電線路、負荷、并網開關等［20］。其中光伏發(fā)電、水力發(fā)電后經過變壓器升高電壓，然后經過線路給區(qū)域負荷供電。仿真初始時，水電光伏并網運行，1 s后并網開關斷開，并網開關斷開后，孤島狀態(tài)下的系統電源與負荷之比為1∶1，仿真總時長為60 s。

圖4 小水電、光伏并網模型Fig.4 Small hydropower and photovoltaic grid connection model

3 不同供電距離的仿真分析結果

為了研究系統孤島的仿真情況，在本地小水電與光電兩種電源容量和與本地負荷相等的前提下，通過調整光伏和小水電的接入距離進行仿真，仿真場景如

表1 不同供電距離仿真設置Table 1 Different power supply distance scenarios

場景一模式下，水力發(fā)電與光伏發(fā)電的供電距離均為4 km。如圖5所示，仿真初始系統頻率穩(wěn)定為50 Hz。1 s時并網開關斷開，斷開后，水光配電網系統為孤島模式，系統頻率快速上升，在8.318 s時到達峰值54.72 Hz，然后頻率開始下降，在27.75 s時下降至波谷值49.56 Hz，谷值后開始緩慢上升，最終穩(wěn)定在50.24 Hz左右。

圖5 場景1模式下系統頻率波形圖Fig.5 System frequency waveform in scenario 1

場景二模式下，光伏發(fā)電側的供電距離為4 km，增加水力發(fā)電側供電距離至10 km。如圖6所示，仿真初始系統頻率穩(wěn)定為50 Hz。1 s時并網開關斷開，斷開后，水光配電網系統為孤島模式，系統頻率快速上升，在9.061 s時到達峰值62.63 Hz，然后頻率開始下降，在32.33 s時下降至波谷值47.74 Hz，谷值后開始緩慢上升，最終在51.06 Hz上下平穩(wěn)波動。

圖6 場景2模式下系統頻率波形圖Fig.6 System frequency waveform in scenario 2

場景三模式下，光伏發(fā)電側的供電距離為6 km，水力發(fā)電側供電距離為8 km。如圖7所示，1 s時并網開關斷開，水光配電網系統頻率緩慢上升，9.13 s到達峰值60.33 Hz，然后頻率開始下降，31 s時下降至最小值48.27 Hz，31 s后開始上升，最終在50.74 Hz上下平穩(wěn)波動。

圖7 場景3模式下系統頻率波形圖Fig.7 System frequency waveform in scenario 3

場景四模式下，光伏發(fā)電側的供電距離為8 km，水力發(fā)電側供電距離為6 km。如圖8所示，并網開關斷開后，水光配電網系統頻率快速上升，8.542 s到達峰值57.58 Hz，然后頻率開始下降，29.31 s時下降至最小值48.96 Hz，29.31 s后開始緩慢上升，最終在50.43 Hz上下平穩(wěn)波動。

圖8 場景4模式下系統頻率波形圖Fig.8 System frequency waveform in scenario 4

場景五模式下，光伏發(fā)電側的供電距離為10 km，水力發(fā)電側供電距離為4 km。如圖9所示，并網開關斷開后，水光配電網系統頻率快速上升，8.378 s到達峰值54.72 Hz，然后頻率開始下降，27.71 s時下降至最小值49.56 Hz，27.71 s后開始上升，最終在50.24 Hz上下平穩(wěn)波動。

圖9 場景5模式下系統頻率波形圖Fig.9 System frequency waveform in scenario 5

五組場景模式下峰值頻率與穩(wěn)定頻率如表2所示。數據的對比發(fā)現，當水輪機側電源供電距離由4 km增加到10 km的過程中，孤島下水光配電網系統頻率上升的峰值由54.72 Hz增加到62.63 Hz，穩(wěn)定后的頻率由50.24 Hz增加到51.06 Hz。

表2 不同供電距離下孤島后頻率值Table 2 Islanding frequency value under different power supply distance

3 結語

結合山區(qū)小水電與光伏發(fā)電運行的實際情況，本文仿真含水光配電網的運行情況，重點對孤島初期頻率特性進行研究。以場景一作為對照組，與場景二至場景五進行對比，研究發(fā)現：

1）光伏供電距離的遠近對系統孤島情況下的頻率穩(wěn)定性影響較弱；

2）在一定范圍內，水輪機供電距離越長，孤島后水光配電網系統頻率上升峰值越高，系統越不穩(wěn)定；水輪機供電距離越短，孤島后水光配電網系統頻率上升峰值越低，穩(wěn)定后的系統頻率越接近50 Hz。由于水輪機對頻率的支撐作用，系統孤島運行時具有較好的穩(wěn)定性。