水電微電網(wǎng)平滑切換策略

黃玉琛，張秋萍，陳智聰

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，廣東 韶關(guān) 512000；2.武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430072）

對(duì)于維持偏遠(yuǎn)山區(qū)的供電，分布式電源（distributed generation，DG）是不可替代且行之有效地供電方式。受限于投資策略和環(huán)境保護(hù)，變電站基本采用“單線單變”供電結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)單薄，停電檢修或線路故障均易造成區(qū)域停電事件，供電可靠性低。小水電改造成本低、改造技術(shù)成熟，庫(kù)容式小水電調(diào)頻調(diào)壓能力較好，可視作穩(wěn)定可控電源[1]，以小水電為分布式電源的微電網(wǎng)通過(guò)聯(lián)絡(luò)開關(guān)接入配電網(wǎng)，聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合與斷開的狀態(tài)決定了微電網(wǎng)的運(yùn)行模式。開關(guān)閉合意味著微電網(wǎng)并入配電網(wǎng)運(yùn)行，開關(guān)斷開說(shuō)明微電網(wǎng)脫網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行[2]。當(dāng)主網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，微電網(wǎng)應(yīng)進(jìn)行模式切換，保證電網(wǎng)服務(wù)優(yōu)良性。

在水電微電網(wǎng)研究方面，國(guó)外關(guān)于水電站調(diào)度模型和算法起步較早，在該領(lǐng)域已有相對(duì)完善的學(xué)術(shù)成果。我國(guó)在小水電方面也有許多研究，在水資源豐富的偏遠(yuǎn)地區(qū)，典型微電源為小水電，對(duì)水電微電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度、運(yùn)行控制等相關(guān)研究對(duì)解決偏遠(yuǎn)山區(qū)供電困難問(wèn)題具有重要意義[3-5]。對(duì)于暫態(tài)頻率分析，主要有全狀態(tài)時(shí)域仿真法、單機(jī)等值模型法、線性化分析法和人工智能法等可快速完成暫態(tài)頻率分析[6]。水電微電網(wǎng)離網(wǎng)基于孤島劃分原則，在孤島劃分研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究。孤島劃分在確定孤島時(shí)，須遵循一定原則，其優(yōu)化目標(biāo)主要包括降低網(wǎng)損、均衡負(fù)荷、提升供電可靠性、改善電壓質(zhì)量、降低成本，需考慮的約束有拓?fù)浼s束、潮流約束、狀態(tài)量約束、設(shè)備約束等[7-8]。傳統(tǒng)的孤島劃分建立樹背包（TKP）求解，如文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]利用最小生成樹模型進(jìn)行孤島劃分求解，前者計(jì)及負(fù)荷并采用sollin 算法求解，有效提高DG利用率和計(jì)算速度，后者采取改進(jìn)遺傳算法求解并進(jìn)行孤島融合，但是均忽略了分布式電源出力和負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變換特性。孤島劃分在輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)方面均已取得較好的研究成果，但在算法計(jì)算精度和計(jì)算速度、綜合考慮不同約束條件的模型建立等方面仍存在很大的研究空間和很好的研究前景。

1 小水電微電網(wǎng)

1.1 微電網(wǎng)

各個(gè)國(guó)家基于自身國(guó)情對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行定義。綜合各國(guó)定義而言，微電網(wǎng)是由各種DG、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷單元以及完善的能量管理系統(tǒng)集成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，可進(jìn)行自我控制和自我能量管理[11]。

微電網(wǎng)的運(yùn)行模式不是單一的，根據(jù)微電網(wǎng)與主網(wǎng)的聯(lián)系主要分為兩種，一是并網(wǎng)運(yùn)行，二是孤島運(yùn)行[2]。當(dāng)主網(wǎng)發(fā)生故障或電網(wǎng)電能質(zhì)量無(wú)法滿足負(fù)荷需求，微電網(wǎng)根據(jù)離網(wǎng)策略可平滑切換到孤島運(yùn)行模式，盡量保證網(wǎng)內(nèi)各種等級(jí)負(fù)荷不斷電。

為實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)/離網(wǎng)模式的平滑切換，減少對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的不利影響，優(yōu)化微電網(wǎng)控制策略極為重要。從微電網(wǎng)整體控制角度而言，其典型運(yùn)行控制策略主要有兩種[12]。主從控制和對(duì)等控制，兩種控制策略各有優(yōu)劣，根據(jù)不同運(yùn)行情況可選擇不同控制策略。

微電網(wǎng)作為主網(wǎng)與DG的連接樞紐，與DG的發(fā)展密不可分、相輔相成。微電網(wǎng)的研究基礎(chǔ)厚實(shí)，在協(xié)調(diào)控制、項(xiàng)目建設(shè)、應(yīng)急檢修、運(yùn)行調(diào)度、市場(chǎng)交易等方面的技術(shù)有很大研究進(jìn)展和突破。

微電網(wǎng)對(duì)高滲透率DG 的極強(qiáng)消納能力、微電網(wǎng)在偏遠(yuǎn)地區(qū)的較高適用性以及微電網(wǎng)的諸多特征都讓微電網(wǎng)成為電力系統(tǒng)必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。微電網(wǎng)也在向著更高層次發(fā)展，與配電網(wǎng)高層次友好良性互動(dòng)、承載信息和能源、綜合有效利用多種分布式新能源都將是微電網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展方向[13-14]。

1.2 小水電微電網(wǎng)

小水電微電網(wǎng)，顧名思義，是分布式電源為小水電的微電網(wǎng)。小水電微電網(wǎng)主要包括小水電、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)裝置等能量管理系統(tǒng)。

小水電作為分布式電源，其接入對(duì)電網(wǎng)有一定影響。小水電的發(fā)電能力具有明顯的季節(jié)性特點(diǎn)，受自然因素影響，存在豐水期和枯水期。當(dāng)小水電處于豐水期時(shí)，來(lái)水量大，小水電的輸出功率多，為使處于電網(wǎng)中后端的小水電可按要求上網(wǎng)，發(fā)電機(jī)會(huì)調(diào)高輸出電壓，導(dǎo)致電網(wǎng)末端電壓高于額定值，可能損毀設(shè)備；當(dāng)小水電處于枯水期時(shí)，小水電的輸出功率很少甚至沒有，電網(wǎng)末端電壓則會(huì)低于額定值。盡管如此，小水電可作為電源進(jìn)行調(diào)峰調(diào)頻，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和頻率，具有極大的發(fā)展前景，促進(jìn)電網(wǎng)建設(shè)。

小水電發(fā)電特性與季節(jié)、氣候等自然因素相關(guān)，出力隨機(jī)非連續(xù)且無(wú)法預(yù)測(cè)，發(fā)電能力存在極大不確定性，與其他可控電源一起協(xié)調(diào)發(fā)電可使電網(wǎng)更加穩(wěn)定可靠。小水電微電網(wǎng)中主力電源為小水電，可增加潮汐發(fā)電、光伏發(fā)電等清潔發(fā)電形式。

儲(chǔ)能裝置可平抑功率波動(dòng)，緩解因擾動(dòng)產(chǎn)生的功率不平衡，維持電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定，包括飛輪、蓄電池等常見的儲(chǔ)能裝置及水庫(kù)等類儲(chǔ)能裝置。我國(guó)庫(kù)容式小水電可通過(guò)調(diào)節(jié)水流量來(lái)調(diào)節(jié)小水電的輸出功率，減少棄水現(xiàn)象，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和頻率。

小水電微電網(wǎng)的負(fù)荷也是隨時(shí)變化的，從而促使微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)量發(fā)生相應(yīng)的改變。綜合考慮負(fù)荷相關(guān)因素，合理建立負(fù)荷模型，監(jiān)控負(fù)荷變化并進(jìn)行可靠預(yù)測(cè)，從而進(jìn)行負(fù)荷控制，可以緩解因擾動(dòng)產(chǎn)生的功率不平衡現(xiàn)象。

監(jiān)控和保護(hù)裝置負(fù)責(zé)對(duì)微電網(wǎng)的各種突發(fā)情況應(yīng)有所預(yù)警并及時(shí)處理，其中，監(jiān)控裝置負(fù)責(zé)監(jiān)控電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)裝置負(fù)責(zé)電網(wǎng)故障處理[3]，使微電網(wǎng)運(yùn)行性能有所保障。

小水電微電網(wǎng)可以小水電為單一電源，也可在此基礎(chǔ)上加入其他分布式電源。不考慮保護(hù)裝置與自動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。小水電的接入方式包括串接型、并接型和樹型，在圖中均有體現(xiàn)。

小水電微電網(wǎng)研究空間大，相對(duì)于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電而言，小水電優(yōu)勢(shì)明顯，其規(guī)?？煽?，改造成本低、改造技術(shù)成熟，庫(kù)容式小水電調(diào)頻調(diào)壓能力較好，可視作穩(wěn)定可控電源，部分徑流式小水電也可建設(shè)小型水庫(kù)作為儲(chǔ)能單元構(gòu)成可控可調(diào)節(jié)電源，對(duì)維持電網(wǎng)的電壓頻率穩(wěn)定具有重要作用。

2 離網(wǎng)策略數(shù)學(xué)模型

小水電微電網(wǎng)可以并入?yún)^(qū)域配電網(wǎng)運(yùn)行，也可以脫離配電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)上級(jí)電網(wǎng)出現(xiàn)如主變失壓、頻率越限、維修等大停電事件時(shí)，微電網(wǎng)與主網(wǎng)斷開。此時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)的小水電輸出功率與負(fù)荷功率的大小關(guān)系決定了微電網(wǎng)是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行。微電網(wǎng)離網(wǎng)形成孤島的方式有兩種，一是計(jì)劃孤島，二是非計(jì)劃孤島。當(dāng)出現(xiàn)大停電事件時(shí)，需提前制定孤島劃分策略，保證微電網(wǎng)完成計(jì)劃孤島運(yùn)行。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

孤島劃分是指根據(jù)負(fù)荷功率、DG容量、DG接入位置、DG調(diào)節(jié)能力、儲(chǔ)能裝置等電網(wǎng)實(shí)際情況，通過(guò)改變開關(guān)狀態(tài)合理劃分孤島區(qū)域，保證孤島穩(wěn)定運(yùn)行。微電網(wǎng)模式無(wú)縫切換依賴于科學(xué)合理的孤島劃分策略，IEEE Std 1547.4—2011 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)劃孤島實(shí)現(xiàn)一般有幾個(gè)考慮因素[8]：負(fù)荷和DG均具有動(dòng)態(tài)特性；電壓與頻率禁止越限；不同類型開關(guān)的動(dòng)作策略；微電網(wǎng)易于恢復(fù)并網(wǎng)運(yùn)行模式，進(jìn)行合理的切負(fù)荷操作。

綜合考慮種種因素，微電網(wǎng)從并網(wǎng)模式到孤島運(yùn)行模式過(guò)渡期間，遵循以下幾個(gè)孤島劃分原則[2]：盡可能保證一級(jí)負(fù)荷供電；盡可能保證更多其他負(fù)荷供電；微電網(wǎng)可方便迅速接入主網(wǎng)，孤島數(shù)目越少即解列點(diǎn)越少，越容易完成并網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)損耗小，微電網(wǎng)規(guī)模越大，網(wǎng)絡(luò)損耗便越大。

小水電微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行模式下，需給微電網(wǎng)配置許多儲(chǔ)能裝置以快速平抑切換瞬間的不平衡功率，從而保證微電網(wǎng)孤島運(yùn)行穩(wěn)定安全，但是儲(chǔ)能裝置配置成本高，無(wú)法大量配置，故不考慮微電網(wǎng)長(zhǎng)期保持孤島運(yùn)行狀態(tài)，即網(wǎng)絡(luò)損耗不是孤島劃分需考慮的主要因素，盡可能形成大規(guī)模微電網(wǎng)。并且，考慮小水電微電網(wǎng)后續(xù)重新并網(wǎng)，則要求解列點(diǎn)數(shù)目盡可能少。

小水電可以主動(dòng)響應(yīng)微電網(wǎng)的頻率變化調(diào)整其輸出功率，但由于暫態(tài)過(guò)渡時(shí)間短，小水電功率調(diào)節(jié)速度與容量有限，需提前進(jìn)行快速正確的切負(fù)荷控制來(lái)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)功率平衡，是微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)模式順利轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。

本文主要考慮單一故障下形成單個(gè)大孤島。確立目標(biāo)函數(shù)，使切負(fù)荷損失最少，即切除負(fù)荷功率最少且失電用戶數(shù)最少，并以保證一級(jí)負(fù)荷供電為前提，保證更多二級(jí)負(fù)荷與三級(jí)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)用電。

假設(shè)每個(gè)負(fù)荷均有相應(yīng)的開關(guān)來(lái)決定負(fù)荷切除與否，引入權(quán)重系數(shù)表征負(fù)荷的重要等級(jí)，以開關(guān)狀態(tài)即是否切負(fù)荷為決策變量，得目標(biāo)函數(shù)：

式中：xi為各開關(guān)狀態(tài)，i為0-1變量；xi=0為開關(guān)不動(dòng)作即負(fù)荷不切除；xi=1 開關(guān)動(dòng)作即負(fù)荷切除；λi為權(quán)重系數(shù)；PLoadi為切除負(fù)荷的有功；n為負(fù)荷數(shù)量。權(quán)重系數(shù)按等級(jí)劃分分別為100、10、1。在模型求解中，將其縮小100 倍進(jìn)行計(jì)算，即分別為1、0.1、0.01。

2.2 約束條件

孤島劃分的常規(guī)約束條件均為穩(wěn)態(tài)約束。本設(shè)計(jì)只考慮形成單個(gè)大孤島，故不考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束；而且，本設(shè)計(jì)只考慮DG 出力無(wú)法滿足負(fù)荷需求的情況；假設(shè)負(fù)荷為恒功率負(fù)荷。

功率平衡約束：功率缺額為0。

穩(wěn)態(tài)頻率約束：

DG出力約束：每一臺(tái)DG出力不超過(guò)其可輸出功率范圍。

式中：n為負(fù)荷數(shù)目；PLoadi為負(fù)荷i的有功；PDGj為小水電j的出力；PDGj_max、PDGj_min分別為小水電j出力上下限；m為小水電數(shù)量；Δfmax、Δfmin分別為穩(wěn)態(tài)頻率范圍的上下限。

3 仿真分析

本文僅考慮以小水電作為分布式電源的微電網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。小水電接入方式包括串接型、并接型和樹型，在圖中均可體現(xiàn)。具有調(diào)節(jié)能力的小水電有3臺(tái)，即DG1，DG2和DG3，其輸出有功功率標(biāo)幺值及其上下限如表1所示，其他的小水電不可進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，故不考慮其出力上下限；微電網(wǎng)帶10個(gè)恒功率負(fù)荷，其功率標(biāo)幺值及權(quán)重系數(shù)如表2所示。

表1 小水電輸出功率

表2 負(fù)荷有功功率

暫不考慮潮流分布，忽略支路傳輸功率、無(wú)功-電壓特性等因素影響，僅考慮功率平衡與穩(wěn)態(tài)頻率約束，Δfmax=0.004，Δfmin=-0.004，即頻率偏差為±2 Hz，功率缺額為0.83，進(jìn)行仿真分析。利用MATLAB及CPLEX求解器求解，得出切負(fù)荷結(jié)果。

在滿足功率平衡約束條件下，穩(wěn)態(tài)頻率標(biāo)幺值為-0.0033，大于-0.004，滿足穩(wěn)態(tài)頻率約束；3 臺(tái)發(fā)電機(jī)中DG1 增發(fā)功率未超過(guò)約束范圍，DG2 和DG3均達(dá)到增發(fā)功率限額，以滿發(fā)狀態(tài)運(yùn)行。

基于表3 切負(fù)荷量結(jié)果，當(dāng)以0.58 為切負(fù)荷量進(jìn)行切負(fù)荷操作時(shí)，運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換的過(guò)渡過(guò)程的頻率差變化如圖2所示。

表3 切除負(fù)荷量結(jié)果

圖2 頻率差變化圖

在此基礎(chǔ)上，當(dāng)功率缺額增大時(shí)，在不改變可調(diào)頻發(fā)電機(jī)的情況下，切負(fù)荷量增加；當(dāng)在同樣的功率缺額下，增大可調(diào)頻發(fā)電機(jī)的數(shù)量時(shí)，則切負(fù)荷量減少。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)發(fā)展和電網(wǎng)需求，微電網(wǎng)和DG 在電力領(lǐng)域中的地位越來(lái)越重要。制定小水電微電網(wǎng)離網(wǎng)策略是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行平滑過(guò)渡到孤島運(yùn)行的關(guān)鍵一步，對(duì)實(shí)現(xiàn)DG 最大效用、保證負(fù)荷連續(xù)供電、提供電網(wǎng)運(yùn)行可靠性穩(wěn)定性具有重要意義。

本文提出考慮功率平衡約束和頻率約束的水電微電網(wǎng)離網(wǎng)策略。通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)此策略能夠有效解決微電網(wǎng)離網(wǎng)過(guò)程中的頻率越限問(wèn)題，防止微電網(wǎng)崩潰，保證微電網(wǎng)孤網(wǎng)時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行。穩(wěn)態(tài)頻率約束的考慮方式及其對(duì)小水電輸出功率的處理方法跟其他研究的處理方法存在差別，在小規(guī)模微電網(wǎng)應(yīng)用中具有良好效果，能夠體現(xiàn)小水電輸出功率具有分段特性，并且解決頻率越限問(wèn)題，使其順利過(guò)渡，穩(wěn)定運(yùn)行。