負載率對孤立海島微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

張貽娜，高超峰，王文明，朱文江，胡 明

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

我國臨海海域廣闊且海島眾多，近岸海島可通過海島電纜從大陸電網(wǎng)引電，而較為偏遠的海島則必須建立孤立海島微電網(wǎng)來滿足自身用電。這種孤立海島微電網(wǎng)多采用小功率分布式新能源作為電源，網(wǎng)架結構簡單，往往具有電源間歇不穩(wěn)定、低可靠、網(wǎng)架耦合性強等特點，其系統(tǒng)穩(wěn)定性本就難以保證，加之海島負載多為工業(yè)、旅游用電，季節(jié)性、時段性強，常常出現(xiàn)較大差別的不同等級負載情況，這對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性會有直接影響。

目前，國內(nèi)外關于孤立海島微電網(wǎng)設計、穩(wěn)定性分析及控制策略、分布式能源接入、能量管理系統(tǒng)等已有較多研究[1-9]，但關于負載率對海島孤立微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響研究仍然較少。

本文根據(jù)負載率由低到高，將某孤立海島微電網(wǎng)劃分為重度輕載、輕度輕載、水平適中、輕度重載、重度重載這5個負載水平等級，并對5個負載水平等級下的孤立海島微電網(wǎng)進行一系列暫態(tài)穩(wěn)定性仿真分析，包括柴油機單臺機切機、大負荷突增、大負荷突減。以探究負載率對海島微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，可為海島規(guī)劃設計、負荷運行管理、穩(wěn)定性控制策略制定等提供重要參考依據(jù)，具有較為重要的研究意義與應用價值。

1 孤立海島微電網(wǎng)設計及負載水平設置

以某孤立海島微電網(wǎng)設計[10]為例：8臺1 MW柴油機，8臺40 kW風機，建設10 kV線路，形成多分段且環(huán)網(wǎng)的供電結構，平時開環(huán)運行(H4和H5一閉一合)，各區(qū)域內(nèi)發(fā)電機組采用分區(qū)塊集中發(fā)電上網(wǎng)模式。其電源布置及電力系統(tǒng)設計如圖1。

圖1 孤立海島微電網(wǎng)拓撲圖Fig.1 Topology of isolated island microgrid

從調(diào)度仿真的數(shù)據(jù)中選取5種可能運行情況，對應5種負載水平。每種負載水平所運行柴油發(fā)電機臺數(shù)按照如下原則選?。簡闻_柴油發(fā)電機最佳負荷率約為75%，包含一定功率裕量，又可保證經(jīng)濟性。最低負載要求30%左右，低于此值，柴油發(fā)電機單位功率耗油量較大，將影響其運行壽命。除柴油機外其他分布式電源均投入運行。負載水平配置如表1。

2 不同負載率下的暫態(tài)穩(wěn)定性分析

搭建海島微電網(wǎng)模型[11-15]，并針對5種負載水平分別進行柴油機切機、大負荷突增、大負荷突減暫態(tài)穩(wěn)定性仿真，對比不同負載率情況下的暫態(tài)穩(wěn)定性。

表1 5種負載水平及柴油機配置Table 1 Five load levels and diesel engine configuration

2.1 柴油發(fā)電機切機

柴油發(fā)電機保護配置如表2所示。

表2 柴油發(fā)電機保護配置Table 2 Diesel engine protection configuration

針對5種負載場景進行單臺柴油發(fā)電機(T1-3)切機事件仿真，結果如圖2—11所示。

圖2 切機-重度輕載系統(tǒng)頻率Fig.2 Generator tripping-heavy light load system frequency

圖3 切機-重度輕載首末端電壓Fig.3 Generator tripping-heavy light load system voltage

圖4 切機-輕度輕載系統(tǒng)頻率Fig.4 Generator tripping-mild light load system frequency

圖5 切機-輕度輕載首末端電壓Fig.5 Generator tripping-mild light load system voltage

圖6 切機-水平適中系統(tǒng)頻率Fig.6 Generator tripping-moderate load system frequency

圖7 切機-水平適中首末端電壓Fig.7 Generator tripping-moderate load system system voltage

圖8 切機-輕度重載系統(tǒng)頻率Fig.8 Generator tripping-mild heavy load system frequency

圖9 切機-輕度重載首末端電壓Fig.9 Generator tripping-mild heavy load system voltage

圖10 切機-重度重載系統(tǒng)頻率Fig.10 Generator tripping-heavy heavy load system frequency

圖11 切機-重度重載首末端電壓Fig.11 Generator tripping-heavy heavy load system system voltage

通過以上對比分析可知，當發(fā)生切機故障時，不同負載率的暫態(tài)穩(wěn)定性波動不同，其波動程度由大到小依次是：重度輕載、輕度輕載、水平適中、輕度重載、重度重載?？梢娫谑Ｓ嚯娫慈萘孔銐虮ＷC系統(tǒng)恢復穩(wěn)定的前提下，負載率越大，單臺機切機故障電壓、頻率波動越小。這是因為多數(shù)負載為感性負載且并聯(lián)于系統(tǒng)中，負載率越大其電抗總體值越小，與電抗值成反比的功率極限就越大，故穩(wěn)定性越好。

2.2 大負荷突增

針對5種負載水平進行大負荷突增仿真：對重度輕載、輕度輕載、水平適中、輕度重載和重度重載分別進行70%、70%、70%、50%和20%的負荷階躍分析，結果如圖12—21所示。

負荷階躍百分比說明：針對“重度輕載”、“輕度輕載”和“水平適中”可進行70%負荷階躍仿真分析，以校驗系統(tǒng)的抗擾動能力；但針對“輕度重載”、“重度重載”，因其對應的負荷率較高，進行70%負荷突增仿真不合理，故分別做50%、20%負荷階躍分析。

圖12 負荷突增-重度輕載系統(tǒng)頻率Fig.12 Sudden increase of load-heavy light load system frequency

圖13 負荷突增-重度輕載首末端電壓Fig.13 Sudden increase of load-heavy light load system voltage

圖14 負荷突增-輕度輕載系統(tǒng)頻率Fig.14 Sudden increase of load-mild light load system frequency

圖15 負荷突增-輕度輕載首末端電壓Fig.15 Sudden increase of load-mild light load system voltage

圖16 負荷突增-水平適中系統(tǒng)頻率Fig.16 Sudden increase of load-moderate load system frequency

圖17 負荷突增-水平適中首末端電壓Fig.17 Sudden increase of load-moderate load system voltage

圖18 負荷突增-輕度重載系統(tǒng)頻率Fig.18 Sudden increase of load-mild heavy load system frequency

圖19 負荷突增-輕度重載首末端電壓Fig.19 Sudden increase of load-mild heavy load system voltage

圖20 負荷突增-重度重載系統(tǒng)頻率Fig.20 Sudden increase of load-heavy heavy load system frequency

圖21 負荷突增-重度重載首末端電壓Fig.21 Sudden increase of load-heavy heavy load system voltage

通過以上對比分析，當發(fā)生大負荷突增時，不同負載率下的電壓、頻率波動大小不同，其波動程度由大到小依次是：水平適中、輕度輕載、輕度重載、重度輕載、重度重載。可見負荷階躍百分比不同時，孤立海島微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性由負載率和階躍百分比共同決定。

2.3 大負荷突減

針對5種負載水平均進行70%大負荷突減仿真：5 s時系統(tǒng)負荷突減，30 s時仿真結束，結果如圖22—31。

圖22 負荷突減-重度輕載系統(tǒng)頻率Fig.22 Sudden decrease of load-heavy light load system frequency

圖23 負荷突減-重度輕載首末端電壓Fig.23 Sudden decrease of load-heavy light load system voltage

通過以上對比分析，當大負荷突減時，不同負載率的暫態(tài)穩(wěn)定性波動不同，其波動程度由大到小依次是：重度重載、輕度重載、水平適中、輕度輕載、重度輕載。可見負荷階躍百分比相同時，負載率越大孤立海島微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性越差。

圖24 負荷突減-輕度輕載系統(tǒng)頻率Fig.24 Sudden decrease of load-mild light load system system frequency

圖25 負荷突減-輕度輕載首末端電壓Fig.25 Sudden decrease of load-mild light load system system voltage

圖26 負荷突減-水平適中系統(tǒng)頻率Fig.26 Sudden decrease of load-moderate load system frequency

圖27 負荷突減-水平適中首末端電壓Fig.27 Sudden decrease of load-moderate load system voltage

圖28 負荷突減-輕度重載系統(tǒng)頻率Fig.28 Sudden decrease of load-mild heavy load system frequency

圖29 負荷突減-輕度重載首末端電壓Fig.29 Sudden decrease of load-mild heavy load system voltage

圖30 負荷突減-重度重載系統(tǒng)頻率Fig.30 Sudden decrease of load-heavy heavy load system frequency

圖31 負荷突減-重度重載首末端電壓Fig.31 Sudden decrease of load-heavy heavy load system voltage

3 結論

通過對比分析5種負載率下海島微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性，可得出以下結論：發(fā)生單臺機切機故障時，在剩余容量足夠使系統(tǒng)最終恢復穩(wěn)定的前提下，負載率越大，暫態(tài)穩(wěn)定性越好；負荷階躍百分比相同時，負荷率越大其暫態(tài)穩(wěn)定性越差；當負荷階躍百分比不同時，其暫態(tài)穩(wěn)定性由負荷率及負荷階躍百分比共同決定。