區域小水電與風力發電在孤網初期穩定性仿真

鄭少鏵，溫永森，王玕，王智東，黎子豪，馮鍾浩，張紫凡

（華南理工大學廣州學院電氣工程學院，廣州 510800）

引言

南方地區有豐富的水資源和風資源，因地制宜發展分布式能源有助于減少煤炭消耗。在南方山區電網，存在風電和某地區的小水電接群入同一條線路的情況。當前對小水電群和風電組成的微電網及其與主電網的交互影響研究較少。

小水電群和風電組成的微電網接入主電網時[1,2]，由于主電網的支撐作用，穩定性問題不明顯。當微電網與主電網的聯絡開關斷開后，小型水力發電機組與風力發電分布式能源所在的微電網形成了孤島狀態[3]。由于山區小型水力發電，風力發電多運行在缺少儲能設備的情況下，孤島后電壓和頻率的穩定性問題是研究的關鍵點。孤島若能夠保持電壓和頻率的穩定，則有助于避免切機切負荷情況，提高供電可靠性。減小分布式能源接入區域配電網時所造成的影響[4]。

本文在Matlab/Simulink仿真軟件的基礎上對含有小水電群和風電的微電網系統進行了建模與仿真研究[5,6]，通過調整小水電的電源容量和水輪機的數量，分析區域小水電和風電在水輪機不同數量時對孤島后電壓和頻率穩定性的影響。

1 風水微網

本文針對僅含小水電與風電的微電網進行孤島初期的電壓頻率變化研究，小水電群、風電接入主電網的系統框圖如圖1 所示。

其中，水力發電為負荷1供電，通過升壓變壓器與主電網相連，風力發電一部分供給負荷2正常運行時，區域小水電群與風電接入到電網中，由主電網保持整個系統的穩定。當系統因轉供電或者短期故障等原因，聯絡開關跳開后，區域小水電與風電分布式能源所在的微電網形成了孤島。

1.1 風力發電模型

雙饋型風力發電機控制器由兩個PWM變流器對稱連接．如圖1雙饋風力發電機模型所示[7-9]，轉組連接的稱為轉子側變流器（RSC），它通過產生不同幅值頻率相位的三相電壓調節發電機轉矩和定子側與電網交換的無功功率．與電網系統連接的稱為網側變流器（GSC），它與電網交換有功功率，功率的大小取決于轉子側變流器吸收或發出的有功功率。兩個變流器可工作在整流或逆變狀態。由于發電機定子側和轉子側都可以向電網輸送功率，因此稱為“雙饋”。風力發電機和雙饋感應發電機系統如圖2所示。

變流器由兩部分組成：轉子側變流器和電網側變流器，它們是彼此獨立控制的。電力電子變流器的主要原理是轉子側變流器通過控制轉子電流分量控制有功功率和無功功率，而電網側變流器控制直流母線電壓并確保變流器運行在統一功率因數（即零無功功率）。功率是饋入轉子還是從轉子提取，取決于傳動鏈的運行條件：在超同步狀態，功率從轉子通過變流器饋入電網；而在欠同步狀態，功率反方向傳送。在兩種情況（超同步和欠同步）下，定子都向電網饋電。

1.2 小水電模型

為了保證問題研究具有普遍性，選擇了典型的電力系統—單機-無窮大系統[10]，如圖3所示。直接利用PSB中的水輪機調速器模塊、勵磁調節器模塊以及同步發電機來模擬小水電發電系統，利用變壓器、輸電線路、負載、標準電壓源以及測量元件等模擬無窮大電力系統。同時來證明小水電是否具有慣性的特點。

圖1 區域小水電、風電接入主電網系統框圖

圖2 風力發電機和雙饋感應發電機系統

2 水風互補孤島初期幅頻變化情況

2.1 水風互補孤島模型初始條件

進一步研究含水風互補的微電網運行情況，在Matlab平臺上搭建含水力和風力聯合發電的微電網模型，如圖4，仿真的主要參數見表1。包括水力發電機、風力發電機、本地負荷、變壓器以及斷路器等模型，其中風電和區域小水電通過聯絡開關與主電網相連的場景進行仿真。

表1 本次仿真的主要參數

圖3 小水電接入主電網系統圖

圖4 多水力和風力聯合發電的微電網結構

2.2 水風互補孤島模型仿真情況

為了觀察與研究水風互補孤島模型的仿真情況，在區域小水電與風電兩種電源容量與各自的本地負荷相等的前提下，通過調整水輪機的電源容量和水輪機的數量，如表2所示5種場景進行仿真。仿真模型圖如圖4所示，其中風電、區域小水電通過聯絡開關與主電網相連。

圖5為兩臺額定功率均為600 kW的水輪機與額定功率為600 kW的風力發電機同時工作下的水力發電頻率和風力發電頻率。從圖中可以看出，剛開始運行時會伴隨著小幅度的頻率波動，隨后穩定。0～1 s時，水電風電通過聯絡開關與主網聯接，此時水電風電頻率與主網頻率同步。在1 s時，聯絡開關斷開，頻率會從50 Hz上升至52.6 Hz。4 s重新合閘后，頻率在短時間出現激增隨后下降，在4～5 s時經歷了小幅度的頻率波動后，水電頻率和風電頻率最終平滑的恢復至50 Hz。

圖6為三臺額定功率為600 kW的水輪機與額定功率為600 kW的風力發電機同時工作下的水力發電頻率和風力發電頻率。從圖中可以看出，剛開始運行時會伴隨著小幅度的頻率波動，隨后穩定。0～1 s時，水電風電通過聯絡開關與主網聯接，此時水電風電頻率與主網頻率同步。在1 s時，聯絡開關斷開，頻率從50 Hz上升至52.8 Hz。4 s重新合閘后，水電頻率和風電頻率在49.5～50.9 Hz內持續震蕩，5 s時頻率波動減少，最終穩定在50 Hz上下。

表2 保持負荷比例不變下不同場景情況

圖5 兩臺水輪機，額定功率均為600 kW（風力發電頻率、水力發電頻率）

圖6 三臺水輪機，額定功率均為600 kW（風力發電頻率、水力發電頻率）

圖7 四臺水輪機，額定功率均為600 kW（風力發電頻率、水力發電頻率）

圖7為四臺額定功率為600 kW的水輪機與額定功率為600 kW的風力發電機同時工作下的水力發電頻率和風力發電頻率。從圖中可以看出，剛開始運行時會伴隨著小幅度的頻率波動，隨后穩定。0～1 s時，水電風電通過聯絡開關與主網聯接，此時水電風電頻率與主網頻率同步。在1 s時，聯絡開關斷開，頻率會從50 Hz上升至53.1 Hz。4 s重新合閘后，水電頻率和風電頻率在49～51.5 Hz內持續震蕩，5 s時頻率波動逐漸減小，最終穩定在50 Hz上下。

圖8為三臺額定功率為200 kW的水輪機與額定功率為600 kW的風力發電機同時工作下的水力發電頻率和風力發電發電頻率。從圖中可以看出，剛開始運行時會伴隨著小幅度的頻率波動，隨后穩定。0～1 s時，水電風電通過聯絡開關與主網聯接，此時水電風電頻率與主網頻率同步。在1 s時，聯絡開關斷開，頻率會從50 Hz上升至61 Hz。4 s重新合閘后，頻率緩慢下降，6 s時，頻率下降至50 Hz。

圖9為四臺臺額定功率為150 kW的水輪機與額定功率為600 kW的風力發電機同時工作下的水力發電頻率和風力發電發電頻率。從圖中可以看出，剛開始運行時會伴隨著小幅度的頻率波動，隨后穩定。0～1 s時，水電風電通過聯絡開關與主網聯接，此時水電風電頻率與主網頻率同步。在1 s時，聯絡開關斷開，頻率會從50 Hz上升至62 Hz。4 s重新合閘后，頻率緩慢下降，6 s時，頻率下降至52 Hz上下。

從以上分析來看，區域小水電和風力發電聯合運行時，不論水輪機的臺數還是額定功率的改變，主網頻率在0～1 s都會在50 Hz上下波動，在1～4 s時會逐步上升，4 s后頻率會逐漸下降最后保持在50 Hz左右。當水輪機額定功率總和600 kW時，無論水輪機臺數的多少，其仿真結果相似，斷開主網后頻率會上升至60.5 Hz左右。當每臺水輪機的額定功率均為600 kW時，隨著水輪機臺數的增加，水輪機和風力發電機在處于孤島情況下，頻率上升的幅度越大，導致在4 s重新合閘時，有大幅度的頻率沖擊，給主網造成一定的負面影響。

分析5組仿真結果圖，發現從并網效率以及對設備安全等方面來看，每臺水輪機額定功率為600 kW時，兩臺至三臺水輪機與風力發電機重新并網所帶來的頻率沖擊更小，頻率的變化量有3 Hz左右，較少的變化量致使水輪機和風力發電機重新并網后產生的沖擊電流也不會過大，持續時間長。讓設備超負荷抗壓的時間也會縮短。因此選取兩至三臺水輪機，同時容量均為初始容量600 kW，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，重新并網時沖擊電流也不會過大損傷設備。當水輪機額定功率總和為600 kW時，頻率變化量超過了10 Hz，過大的頻率變化量會給發電機以及主網造成一定過負荷，同時也可能造成不可逆的損害，因此建議增大水輪機的額定功率。

圖8 三臺水輪機，額定功率均為200 kW（風力發電頻率、水力發電頻率）

圖9 四臺水輪機，額定功率均為150 kW（風力發電頻率、水力發電頻率）

3 結論

結合山區風電和水電多運行在缺儲能的實際情況，本文仿真缺儲能水風微電網運行情況，重點進行孤島初期幅頻特性研究。仿真分析發現：水輪機容量總和一定時，區域小水電與風力聯合發電效果相似，孤島時產生的頻率波動過大，重新并網可能會給主網帶來一定的沖擊。當每臺水輪機等于初始容量時，頻率的波動會隨著水輪機的臺數增加而擴大，但產生的頻率波動比上一情況小，重新并網時給主網造成的沖擊相對也小。考慮到區域小水電具有一定的庫容，可以平抑水庫短期來水不均的影響，而且，水電機組啟停機時間短、運行靈活，因此可以利用水電機組的運行特性平抑風電出力的短期波動，同時利用水輪機的慣性特性，在孤島后能夠使頻率最終穩定在并網頻率范圍內，完成重新并網，加強山區電網的穩定性。