風電補償水電系統水錘效應的控制及電網頻率特性分析

黃維峰

廣東粵電石碑山風能開發有限公司 廣東揭陽 515223

現階段，雖說水電在某些方面存有一定的局限性，對我國水電站的開發建設及規模的擴大不會造成太多影響，但也不可能忽視，如果不加以控制，可能會存在安全隱患。在某些水電占比較高的電網中，主要是通過水輪機來疏導過大的電負荷，其作用機理是通過擴大導水葉開度，來改善電能有功功率的輸出效率[1]。但是在輸出功率提高之前，由于水錘效應的存在，會使功率有一個短暫的下跌過程，然后才能逐步提升功率的輸出率，這一過程導致系統的有功功率出現不平衡的狀況，使電網頻率超出正常范圍，如果發電機大面積解列，電網無法承受這樣的負荷時就會導致安全事故的發生。風電相較于其他發電方式來說具有明顯的技術優勢，國家政策的扶持力度較大，具有較好的市場前景，風電的可開發性較大[2]。

1 風電補償水電系統水錘效應的控制策略

1.1 風電補償水錘效應的控制流程

實現水錘效應的控制，主要通過雙饋風力發電機來完成，結合原有慣性控制策略，增加新的控制環節可以有效平衡整風機的輸出有功功率，其作用機理是借助雙饋風力發電機的特性，合理控制水輪機導水葉開度，以此實現電網頻率中電臺變化的實時響應，再由水錘效應產生的功率缺額進行控制，基本的控制流程如下：

（1）實時對電網頻率進行監測；

（2）有效輸出功率的補償參考數據通過風機的虛擬慣性控制得到，其主要優勢表現為，能夠對電網頻率的動態變化進行實時響應，故第一時間就可以獲取到有效參數的值，此處為Pf；

（3）監測水輪機導水葉開度的數據是否恒定。水錘效應產生是因為導水葉開度發生了變化，一般情況下，只要電網頻率在水輪機調速器的有效可控范圍內，就可以避免水輪機調速器產生作用導致的水錘效應，而且虛擬慣性控制完全可以應對正常情況下的電網頻率動態監控[3]。

（4）如果情況與步驟3剛好相反，即電網頻率超出了水輪機調速器的有效可控范圍，引發水輪機調速器，導致水輪機導水葉開度發生變化，從而產生水錘效應。此時就需要增加新的控制環節進行調整，輔助風機配合水輪機導水葉開度產生的變化，以此獲取補償參考數值，稱為功率補償參考值Pμ；

（5）獲取總的風機補償功率參考值PTe_ref。

1.2 控制風電補償水錘效應的舉措

圖1所示為控制方法的基本流程以及所涉及到的主要控制器。Δf與dΔf/dt是功率控制環節的兩個主要回路。在第一回路中，風機的功率由Δf的比例進行控制，Pf1為最終輸出功率的結果，故實測及參考頻率所產生的絕對誤差值可用公式（1）計算：

式中，-Kpf為比例系數，Δf實測與參考頻率產生的偏差。

在第二回路中，主要進行慣性控制操作，dΔf/dt進行比例控制來實現，具體公式如下：

式中，Kdf依然是一個比例系數，不錯在此處它的含義是增加的等效慣性值。在慣性控制環節，得到的第一參考數據計算公式為：

圖1 利用風電補償控制水錘效應的原理圖

圖1中，新附加控制中的回路1由Δμ經過比例環節組成。導水葉開始工作時，可利用此控制環節對風機輸出的電磁功率進行調節，其數學表達式為（5）：

回路2中，dΔμ/dt主要由濾波器和比例環節構成，該回路中的輸出功率可用公式（6）表示：

其中，對新附加控制所產生的功率可用公式（7）進行計算：

為了避免風機轉速過低，應對風機最低轉速進行設置，通常取值0．7pu。由此得出，計算虛擬慣性控制環節和新附加控制環節所產生的功率公式為式（8）：

則風機輸出的參考功率為

2 考慮水錘效應的電網頻率動態解析方法

在一部分電網中，水輪機的占比會比較高，因此水錘效應的發生概率以及其帶來的不利影響也會比較大。由于水錘效應的存在，當電網系統受到較大的負荷干擾時，無法進行及時的調整，而且水錘效應還會使電網的有功功率缺額持續擴大，對整個系統的頻率造成嚴重的不利影響，破壞電網的安全運行，故需要充分重視。可以通過全狀態時域法對大型互聯電網進行分析，其特點是對電網頻率動態進行仿真解析，耗時相對較長，也正是因為這一點，該法不能及時監測到水錘效應的產生，全時域分析法無法實現快速分析水錘效應所產生的影響[4]。而通過簡化水輪機-調速器系統，就可以實現快速分析的目的，且仿真準確度高，具體分析流程如圖2所示

圖2 頻率動態分析流程圖

3 結語

綜上所述，由于水錘效應的存在可能會給電網頻率造成嚴重的不利影響，在此基礎上，本文分析了目前采用風電補償水輪機水錘效應的方法，借助風電本身的特性以及結合實際運行過程中新的控制環節，使得變速風機可以實時的、有效的配合電網頻率的動態變化，平衡器有效輸出功率，最大程度的減弱水錘效應對電網的影響。并簡要闡述了通過簡化水輪機-調速器系統達到快速、仿真分析水錘效應的目的，希望能夠借此建立起響應電網頻率的解析模型，并能夠提供有效的參考價值。