考慮并離網模式切換的小水電微網調頻策略研究

陳志峰，王 玕，王智東，張紫凡，崔多華，穆 松，梁澤為

（1.廣州城市理工學院電氣工程學院，廣州 510800；2.華南理工大學電力學院，廣州 510641）

0 引 言

水電作為可再生能源，對于減少能源領域煤炭的依賴、實現能源“碳中和”具有重要意義［1，2］。我國水電資源豐富，開發水電潛力巨大，因地制宜發展小水電，對于補充地區電網能源和減少能源損耗具有積極作用。

但當前小水電多處于粗放式的發電狀態，普遍缺少協調控制能力［3］。尤其隨著新能源微電網的逐步推廣應用，小水電也需逐步具備接入微電網等能力的要求［4］：并網運行時，主要考慮小水電調速器的靈敏性；離網運行時，既要保證系統的穩定性，又要具備良好的動態品質。而當前小水電調頻控制器多以最大發電為目標，對地區電網的電能質量造成負面影響。同時小水電的無序發電也容易造成配網電壓波動過大等問題［5］。現研究多從電網側的控制和保護著手，包括對配網保護邏輯［6］、饋線自動化復電策略進行優化等方式，消除小水電對配網的影響，較少以改善小水電機組性能的方式，在源頭解決小水電接入的問題。部分對小水電機組功能改善的方案，側重理論研究或試點運行，未充分考慮經濟性與可推廣性［7］。配網故障后對小水電的處理，常采用解列機組的簡單方式［8］，未發揮小水電組建微網的天然優勢。對局部負荷組建微網運行，從而把小水電作為影響供電可靠性的不利因素轉化為提高供電可靠性的有利手段值得研究探索。

本文提出一種考慮并離網模式切換的小水電微網調頻策略。基于傅里葉算法精準獲得機組頻率，通過頻率判據實現并離網狀態識別，并及時轉換水電機組工作模式。離網運行時利用PID 調節器提高機組輸出頻率的穩定性，保障供電可靠性。以乳源10 kV 東下山支線開展試運行研究，驗證了所提策略對小水電微網調頻控制的有效性。

1 傅里葉測頻算法

頻率測量可采用鎖相環等硬件技術來實現，但存在成本較高、所需電子元件多、占據電路板布局空間等問題。由于小水電調頻控制器自身需要采集小水電機組的電流和電壓，電流和電壓包含了表征頻率的信息。因此，本文通過傅里葉算法對所采集到的電流、電壓數值進行分析［9，10］，采用軟件方法實現小水電調頻控制器的頻率采集。軟件測頻流程如圖1所示。

圖1 頻率采集流程圖Fig.1 Flow chart of frequency acquisition

根據電壓信號基波方程：

式中：Um為電壓信號幅值；f為系統實際頻率；φ0為電壓初始相位；f0為觀測頻率；Δf為系統實際頻率與觀測頻率的偏差。

令相位φ（t）=2πΔft+φ0，當ΔT時間后，電壓信號間的相位差為Δφ，則有：

當Δφ確定時，即可求出Δf，從而得到系統實際頻率f。對電壓u（t）在時間Ti內進行離散傅里葉變換及三角變換推算，得到電壓的虛部模值UIi與實部模值URi，由電壓相角公式可得：

其中，在采樣時間［0-T0］內：

在采樣時間［TN-（TN+T0）］內：

其中TN=1/fN，fN為采樣頻率，取值為4 800 Hz。通過每個采樣周期測量一次，提高頻率測量的快速性。根據式（2）至式（5）可得出：

式（7）可測得系統實際頻率，將一個工頻內采集的頻率值進行最小二乘擬合，當所得頻率在50 Hz額定值附近區間時，為正常值；當所測頻率非正常值時，重新進行周期信號采集與運算，此測頻算法精度經現場實測能夠達到0.002 Hz，最快40 ms能夠跟蹤頻率變化。

2 并離網運行模式切換研究

2.1 并離網狀態識別

根據發電機組的轉子運動方程可知，在發電機功率不平衡的情況下，發電機的轉速會逐漸偏離額定轉速［11］。

式中：水電機組的轉動慣量記為J；ω為轉子角速度，ω=2πf；Pmi，Pmi分別為水電機組的機械功率與電磁功率。

并網運行時，水電機組機械功率與電磁功率的差額由電網消納，機組頻率穩定在額定值附近。離網運行時，功率差額將導致頻率與電壓的偏差［12］。計算公式如下：

式中：Δt為孤島持續時間；Shydro為水電孤島系統容量；Hhydro為水電孤島慣性時間常數；ΔV為電壓偏差；VN為額定電壓；R、X分別為架空線路電阻與電抗。

孤島后，功率不平衡會造成水電側電壓變化。由于架空線路電抗遠大于電阻，小水電機群孤島后電壓主要取決于無功功率平衡水平。考慮到小水電站功率因數普遍為95%以上，孤島后電壓不會出現較大的波動。

孤島后由于山區負荷較少，系統有功功率不平衡，將導致頻率偏差，隨著時間的增加，頻率偏差逐漸增大。因此可以通過判斷并網側的水電機組基波頻率、電壓抖動情況判斷并離網狀態。

并網運行時，水電機組電壓、頻率與電網額定值保持一致，判斷邏輯如圖2所示。

圖2 并網狀態識別邏輯圖Fig.2 Logic diagram of grid connection status identification

圖中擾動設置為增大或減小水電機組輸出功率。增大或減小水電機組輸出功率擾動時，若測量實時頻率f與基準頻率的差值在0～0.2 Hz 范圍內或輸出電壓U與基準電壓Un的差值在0～0.2Un范圍內則認為水電機組處于并網運行階段。

離網運行時，發揮小水電組建微網的天然優勢，小水電機組與本地負荷運行于微網孤島模式。當微網中負荷變化時，微網系統的電壓與頻率隨之變化。電網中主要負荷為有功負荷，且頻率變化率與不平衡功率成線性關系，故頻率易發生抖動。以頻率變化為判據，同時為了防止故障等情況干擾，結合電壓與電流輔助躲避故障，進行孤島狀態識別。判斷邏輯如圖3所示。

圖3 離網狀態識別邏輯圖Fig.3 Logic diagram of off-grid status identification

其中0.2 Hz為并離網門檻閾值，30%Un電壓跌幅與1.2In判斷是否為短路故障門檻。若測量實時頻率f與基準頻率的差值高于0.2 Hz 且輸出電壓U與基準電壓Un的差值在0～0.3Un范圍內則認為發電機組此時處于離網運行階段。

2.2 并離網狀態切換

水電機組并入電網運行時，水電機組與本地負荷組成的并網系統電壓、頻率由電網維持，水電機組可以運行于恒水位模式、恒功率模式、恒功率因數模式。在恒水位模式運行時，控制裝置檢測池前水位與恒水位目標值，啟動恒水位運行調整，控制水位在目標水位范圍內。在恒功率模式運行時，若檢測到機端輸出功率與恒功率目標值相差超過恒功率門檻時，啟動恒功率運行調整，控制導葉角度，使機端輸出功率在目標范圍內。在恒功率因數模式運行時，若檢測到輸出功率因數與恒功率因數目標值相差超過恒功率因數門檻時，啟動恒功率因數運行調整，控制功率因數在目標范圍內。

水電機組離網運行時，微網孤島系統電壓、頻率由水電機組維持，水輪發電機作為VF 節點穩定系統的電壓、頻率，水電機組設置為恒壓恒頻運行，在發電機容量及池前水位下限范圍內，增減發電機有功出力及勵磁電流，使得系統電壓、頻率穩定在額定范圍內。

水電機組與本地負荷組成的區域電網由并網模式進入孤島模式時，區域電網內功率易不平衡，區域電網電壓、頻率隨之波動，對供電的穩定性的安全性均有較大影響，需要控制器能快速響應，調節功率，穩定頻率。因此當水電控制器檢測到電網電壓、頻率波動，應快速自動切換為VF 節點，穩定電網電壓、頻率。由孤島恢復為并網運行時，電壓和頻率趨于穩定，無運行風險。因此在控制器判斷系統電壓、頻率長期穩定的情況下，可在確認并網后經手動將水電機組切換為恒功率運行模式。

3 離網恒頻控制策略

由發電機的機械運動方程可知，當水輪機機械功率與發電機電磁功率平衡時，發電機轉速穩定，孤島系統頻率穩定。孤島系統中負荷波動時，要隨之調整原動機機械功率。其調速系統如圖4模型所示［13，14］。

圖4 調速系統框圖Fig.4 Block diagram of speed regulation system

由于小水電系統調速器直接由電動調速器（伺服電機）通斷控制轉角行程［15］，由齒輪帶動連桿直接控制水輪機導葉位置來控制水流大小，無其他中間環節，且不考慮永態轉差系數bP，因此調速系統中PID控制方程簡化為：

與差分方程等效，上述傳遞函數各部分可寫為：

式中：T為采樣周期；Y(k)為當前時刻需要執行的位移（電動機調速器通斷時間）；KP為比例增益系數；KI為積分增益系數；KD為微分增益系數；T1V為微分環節時間常數。

4 試運行研究

以乳源10 kV 東下山支線開展水電機組與試驗負荷組成的區域電網離網試運行研究。

具體參數如下：1 臺水電發電機組，額定容量125 kW；試驗負荷：20～125 kW。試驗中自動運行參數如表1所示。

表1 自動運行參數 sTab.1 Automatic operation parameters

4.1 離網運行

離網運行時，調速器通過并離網狀態識別切換水電機組工作模式，水電機組運行于恒頻工作模式，調速器控制水電機組出力實時跟蹤負荷變化。水電機組輸出頻率波形如圖5所示，圖5中，頻率穩定在50 Hz 上下，頻率幅值在49.5～50.4 Hz 之間波動。

圖5 離網運行頻率波形圖Fig.5 Off-grid operation frequency waveform

4.2 20 kW甩負荷

20 kW 甩負荷運行時，水電機組輸出頻率波形如圖6所示。由于突甩負荷，水電機組輸出功率大于負載功率，系統頻率升高，并離網檢測頻率越限，調速器動作，控制系統輸出功率與負載功率平衡以保持頻率穩定。圖6中所示10 s 內頻率上升至53.4 Hz，在調速器作用下頻率下降，20 s 時穩定在50 Hz 附近，幅值在49.7～50.4 Hz之間波動。

圖6 20 kW甩負荷頻率波形圖Fig.6 20 kW load shedding frequency waveform

4.3 20 kW增負荷

20 kW 黑啟動運行時，水電機組輸出頻率波形如圖7所示。由于突增負荷，水電機組輸出功率小于負載功率，系統頻率下降，圖7中所示10 s內頻率下降至44.5 Hz，在調速器作用下頻率上升，22 s時穩定在50 Hz附近，幅值在49.5～50.5 Hz之間波動。

圖7 20 kW甩負荷頻率波形圖Fig.7 20 kW black start-up experiment frequency waveform

5 結 論

本文提出了一種考慮并離網模式切換的小水電微網調頻策略，從源頭治理改善小水電機組性能。以乳源10 kV 東下山支線開展單機離網試運行研究。結果表明：通過頻率判據可精準識別并離網運行狀態，當頻率差額越過閾值時，切換至離網恒頻工作模式。離網運行時在大擾動情況下，PID 調速器調節機組頻率穩定在49.5～50.5 Hz 區間內，保障孤島系統供電可靠性。