水電微電網平滑切換策略

黃玉琛，張秋萍，陳智聰

（1.廣東電網有限責任公司韶關供電局，廣東 韶關 512000；2.武漢大學電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072）

對于維持偏遠山區的供電，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境保護，變電站基本采用“單線單變”供電結構，網架結構單薄，停電檢修或線路故障均易造成區域停電事件，供電可靠性低。小水電改造成本低、改造技術成熟，庫容式小水電調頻調壓能力較好，可視作穩定可控電源[1]，以小水電為分布式電源的微電網通過聯絡開關接入配電網，聯絡開關閉合與斷開的狀態決定了微電網的運行模式。開關閉合意味著微電網并入配電網運行，開關斷開說明微電網脫網獨立運行[2]。當主網發生故障時，微電網應進行模式切換，保證電網服務優良性。

在水電微電網研究方面，國外關于水電站調度模型和算法起步較早，在該領域已有相對完善的學術成果。我國在小水電方面也有許多研究，在水資源豐富的偏遠地區，典型微電源為小水電，對水電微電網進行優化調度、運行控制等相關研究對解決偏遠山區供電困難問題具有重要意義[3-5]。對于暫態頻率分析，主要有全狀態時域仿真法、單機等值模型法、線性化分析法和人工智能法等可快速完成暫態頻率分析[6]。水電微電網離網基于孤島劃分原則，在孤島劃分研究方面，國內外學者進行了廣泛研究。孤島劃分在確定孤島時，須遵循一定原則，其優化目標主要包括降低網損、均衡負荷、提升供電可靠性、改善電壓質量、降低成本，需考慮的約束有拓撲約束、潮流約束、狀態量約束、設備約束等[7-8]。傳統的孤島劃分建立樹背包（TKP）求解，如文獻[9]和文獻[10]利用最小生成樹模型進行孤島劃分求解，前者計及負荷并采用sollin 算法求解，有效提高DG利用率和計算速度，后者采取改進遺傳算法求解并進行孤島融合，但是均忽略了分布式電源出力和負荷的動態變換特性。孤島劃分在輸電網和配電網方面均已取得較好的研究成果，但在算法計算精度和計算速度、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

1.1 微電網

各個國家基于自身國情對微電網進行定義。綜合各國定義而言，微電網是由各種DG、儲能裝置、負荷單元以及完善的能量管理系統集成的小型發配電系統，可進行自我控制和自我能量管理[11]。

微電網的運行模式不是單一的，根據微電網與主網的聯系主要分為兩種，一是并網運行，二是孤島運行[2]。當主網發生故障或電網電能質量無法滿足負荷需求，微電網根據離網策略可平滑切換到孤島運行模式，盡量保證網內各種等級負荷不斷電。

為實現微電網并網/離網模式的平滑切換，減少對電網帶來的不利影響，優化微電網控制策略極為重要。從微電網整體控制角度而言，其典型運行控制策略主要有兩種[12]。主從控制和對等控制，兩種控制策略各有優劣，根據不同運行情況可選擇不同控制策略。

微電網作為主網與DG的連接樞紐，與DG的發展密不可分、相輔相成。微電網的研究基礎厚實，在協調控制、項目建設、應急檢修、運行調度、市場交易等方面的技術有很大研究進展和突破。

微電網對高滲透率DG 的極強消納能力、微電網在偏遠地區的較高適用性以及微電網的諸多特征都讓微電網成為電力系統必不可少的一個環節。微電網也在向著更高層次發展，與配電網高層次友好良性互動、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的未來發展方向[13-14]。

1.2 小水電微電網

小水電微電網，顧名思義，是分布式電源為小水電的微電網。小水電微電網主要包括小水電、儲能裝置、負荷、監控和保護裝置等能量管理系統。

小水電作為分布式電源，其接入對電網有一定影響。小水電的發電能力具有明顯的季節性特點，受自然因素影響，存在豐水期和枯水期。當小水電處于豐水期時，來水量大，小水電的輸出功率多，為使處于電網中后端的小水電可按要求上網，發電機會調高輸出電壓，導致電網末端電壓高于額定值，可能損毀設備；當小水電處于枯水期時，小水電的輸出功率很少甚至沒有，電網末端電壓則會低于額定值。盡管如此，小水電可作為電源進行調峰調頻，穩定電網電壓和頻率，具有極大的發展前景，促進電網建設。

小水電發電特性與季節、氣候等自然因素相關，出力隨機非連續且無法預測，發電能力存在極大不確定性，與其他可控電源一起協調發電可使電網更加穩定可靠。小水電微電網中主力電源為小水電，可增加潮汐發電、光伏發電等清潔發電形式。

儲能裝置可平抑功率波動，緩解因擾動產生的功率不平衡，維持電網系統穩定，包括飛輪、蓄電池等常見的儲能裝置及水庫等類儲能裝置。我國庫容式小水電可通過調節水流量來調節小水電的輸出功率，減少棄水現象，穩定電網電壓和頻率。

小水電微電網的負荷也是隨時變化的，從而促使微電網運行狀態量發生相應的改變。綜合考慮負荷相關因素，合理建立負荷模型，監控負荷變化并進行可靠預測，從而進行負荷控制，可以緩解因擾動產生的功率不平衡現象。

監控和保護裝置負責對微電網的各種突發情況應有所預警并及時處理，其中，監控裝置負責監控電網實時運行狀態，保護裝置負責電網故障處理[3]，使微電網運行性能有所保障。

小水電微電網可以小水電為單一電源，也可在此基礎上加入其他分布式電源。不考慮保護裝置與自動裝置的結構圖如圖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。

小水電微電網研究空間大，相對于風力發電、光伏發電而言，小水電優勢明顯，其規模可控，改造成本低、改造技術成熟，庫容式小水電調頻調壓能力較好，可視作穩定可控電源，部分徑流式小水電也可建設小型水庫作為儲能單元構成可控可調節電源，對維持電網的電壓頻率穩定具有重要作用。

2 離網策略數學模型

小水電微電網可以并入區域配電網運行，也可以脫離配電網獨立運行。當上級電網出現如主變失壓、頻率越限、維修等大停電事件時，微電網與主網斷開。此時，微電網內的小水電輸出功率與負荷功率的大小關系決定了微電網是否能夠穩定運行。微電網離網形成孤島的方式有兩種，一是計劃孤島，二是非計劃孤島。當出現大停電事件時，需提前制定孤島劃分策略，保證微電網完成計劃孤島運行。

2.1 目標函數

孤島劃分是指根據負荷功率、DG容量、DG接入位置、DG調節能力、儲能裝置等電網實際情況，通過改變開關狀態合理劃分孤島區域，保證孤島穩定運行。微電網模式無縫切換依賴于科學合理的孤島劃分策略，IEEE Std 1547.4—2011 標準規定計劃孤島實現一般有幾個考慮因素[8]：負荷和DG均具有動態特性；電壓與頻率禁止越限；不同類型開關的動作策略；微電網易于恢復并網運行模式，進行合理的切負荷操作。

綜合考慮種種因素，微電網從并網模式到孤島運行模式過渡期間，遵循以下幾個孤島劃分原則[2]：盡可能保證一級負荷供電；盡可能保證更多其他負荷供電；微電網可方便迅速接入主網，孤島數目越少即解列點越少，越容易完成并網；網絡損耗小，微電網規模越大，網絡損耗便越大。

小水電微電網在孤島運行模式下，需給微電網配置許多儲能裝置以快速平抑切換瞬間的不平衡功率，從而保證微電網孤島運行穩定安全，但是儲能裝置配置成本高，無法大量配置，故不考慮微電網長期保持孤島運行狀態，即網絡損耗不是孤島劃分需考慮的主要因素，盡可能形成大規模微電網。并且，考慮小水電微電網后續重新并網，則要求解列點數目盡可能少。

小水電可以主動響應微電網的頻率變化調整其輸出功率，但由于暫態過渡時間短，小水電功率調節速度與容量有限，需提前進行快速正確的切負荷控制來實現微電網孤島運行時功率平衡，是微電網實現模式順利轉換的關鍵。

本文主要考慮單一故障下形成單個大孤島。確立目標函數，使切負荷損失最少，即切除負荷功率最少且失電用戶數最少，并以保證一級負荷供電為前提，保證更多二級負荷與三級負荷實現用電。

假設每個負荷均有相應的開關來決定負荷切除與否，引入權重系數表征負荷的重要等級，以開關狀態即是否切負荷為決策變量，得目標函數：

式中：xi為各開關狀態，i為0-1變量；xi=0為開關不動作即負荷不切除；xi=1 開關動作即負荷切除；λi為權重系數；PLoadi為切除負荷的有功；n為負荷數量。權重系數按等級劃分分別為100、10、1。在模型求解中，將其縮小100 倍進行計算，即分別為1、0.1、0.01。

2.2 約束條件

孤島劃分的常規約束條件均為穩態約束。本設計只考慮形成單個大孤島，故不考慮網絡拓撲約束；而且，本設計只考慮DG 出力無法滿足負荷需求的情況；假設負荷為恒功率負荷。

功率平衡約束：功率缺額為0。

穩態頻率約束：

DG出力約束：每一臺DG出力不超過其可輸出功率范圍。

式中：n為負荷數目；PLoadi為負荷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為小水電數量；Δfmax、Δfmin分別為穩態頻率范圍的上下限。

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，其結構圖如圖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。具有調節能力的小水電有3臺，即DG1，DG2和DG3，其輸出有功功率標幺值及其上下限如表1所示，其他的小水電不可進行功率調節，故不考慮其出力上下限；微電網帶10個恒功率負荷，其功率標幺值及權重系數如表2所示。

表1 小水電輸出功率

表2 負荷有功功率

暫不考慮潮流分布，忽略支路傳輸功率、無功-電壓特性等因素影響，僅考慮功率平衡與穩態頻率約束，Δfmax=0.004，Δfmin=-0.004，即頻率偏差為±2 Hz，功率缺額為0.83，進行仿真分析。利用MATLAB及CPLEX求解器求解，得出切負荷結果。

在滿足功率平衡約束條件下，穩態頻率標幺值為-0.0033，大于-0.004，滿足穩態頻率約束；3 臺發電機中DG1 增發功率未超過約束范圍，DG2 和DG3均達到增發功率限額，以滿發狀態運行。

基于表3 切負荷量結果，當以0.58 為切負荷量進行切負荷操作時，運行模式轉換的過渡過程的頻率差變化如圖2所示。

表3 切除負荷量結果

圖2 頻率差變化圖

在此基礎上，當功率缺額增大時，在不改變可調頻發電機的情況下，切負荷量增加；當在同樣的功率缺額下，增大可調頻發電機的數量時，則切負荷量減少。

4 結束語

隨著技術發展和電網需求，微電網和DG 在電力領域中的地位越來越重要。制定小水電微電網離網策略是實現微電網由并網運行平滑過渡到孤島運行的關鍵一步，對實現DG 最大效用、保證負荷連續供電、提供電網運行可靠性穩定性具有重要意義。

本文提出考慮功率平衡約束和頻率約束的水電微電網離網策略。通過分析計算結果，發現此策略能夠有效解決微電網離網過程中的頻率越限問題，防止微電網崩潰，保證微電網孤網時穩定運行。穩態頻率約束的考慮方式及其對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，在小規模微電網應用中具有良好效果，能夠體現小水電輸出功率具有分段特性，并且解決頻率越限問題，使其順利過渡，穩定運行。