水電富集地區(qū)的孤島微網(wǎng)切機(jī)組網(wǎng)與調(diào)頻控制

劉志勇，李巖

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，廣東 韶關(guān) 512026；2.廣東云舜綜合能源科技有限公司，廣東 韶關(guān) 512026)

0 引 言

小水電可以提高農(nóng)村電氣化水平，改善生活質(zhì)量，在當(dāng)?shù)貏?chuàng)造工業(yè)化條件和增加就業(yè)崗位。2016年6月，國家發(fā)改委、水利部聯(lián)合印發(fā)《農(nóng)村小水電扶貧工程試點實施方案》，擬選取部分水能資源豐富的國家級貧困縣，開展農(nóng)村小水電扶貧工程試點。近年來小水電快速發(fā)展,水電機(jī)組形成多點并網(wǎng)、逐級匯集和大功率外送的格局。在外送通道受阻時，水電群與少量就地負(fù)荷組網(wǎng)維持孤島運行，孤網(wǎng)內(nèi)頻率驟升造成機(jī)組自身和用戶設(shè)備損壞的問題時有發(fā)生[1-2]。保障小水電孤島有功平衡、維持孤島運行于期望頻率對提高農(nóng)村電網(wǎng)可靠性的重要性不言而喻。

小水電多分布在偏僻的山區(qū)，多接入配電網(wǎng)10 kV饋線末端，具有容量小、位置分散和調(diào)節(jié)性能差的特點[3]。又由于小水電站建設(shè)歷史時期不一，沒有統(tǒng)一的發(fā)展規(guī)劃和管理，在各自為政的同時還缺乏通信手段。長期以來，各級電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)對小水電機(jī)組監(jiān)管控制不到位，圍繞小水電孤島組網(wǎng)與調(diào)頻控制的研究文獻(xiàn)較少。文獻(xiàn)[4]提出了一種孤網(wǎng)多輪切機(jī)策略，即通過多輪切機(jī)和在每輪切機(jī)環(huán)節(jié)加設(shè)不同時長的延時防止發(fā)電機(jī)過切。文獻(xiàn)[5]110中提出了一種基于頻率變化率的切機(jī)方案，有效改善了頻率的動態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]提出了無需中央控制器和通信系統(tǒng)即可實現(xiàn)微網(wǎng)的三次分層控制。在此基礎(chǔ)上，本文提出基于頻率變化率的孤島微網(wǎng)切機(jī)組網(wǎng)和分層調(diào)頻控制策略。算例驗證表明，所提方法不需要作電網(wǎng)改造，成本低且不依賴通信手段，魯棒性好，滿足多場景頻率控制要求。

1 孤島切機(jī)組網(wǎng)

為減少因外送通道受阻頻率驟升對用戶設(shè)備及水電機(jī)組造成的影響，采用高頻切機(jī)保護(hù)快速切除部分富余發(fā)電機(jī)和切換可調(diào)機(jī)組控制方式，以保持孤網(wǎng)的頻率穩(wěn)定和功角穩(wěn)定。然而，高頻切機(jī)常因系統(tǒng)容量原因造成切機(jī)不足或者切機(jī)過多，系統(tǒng)難以維持在額定頻率附近運行。在文獻(xiàn)[5]110的基礎(chǔ)上，結(jié)合頻率變化率ROCOF判據(jù)加速切機(jī)動作，即當(dāng)系統(tǒng)頻率超過高周切機(jī)首輪定值和持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定延時時，根據(jù)機(jī)組本地的測量值，判斷此時頻率變化率加速特殊輪切除。由此得到切機(jī)加速動作策略，如圖1所示。

圖1 孤島切機(jī)組網(wǎng)策略

安裝ROCOF繼電器的水電發(fā)電機(jī)與配電網(wǎng)并聯(lián)運行的等效電路如圖2所示。同步發(fā)電機(jī)(SG)與負(fù)載(L)，發(fā)電機(jī)出力與負(fù)載消耗的差值通過主網(wǎng)平衡，因此系統(tǒng)頻率保持不變。當(dāng)故障使外送通道受阻，斷路器(CB)打開，小水電機(jī)組和負(fù)載組成的系統(tǒng)變成孤島，孤島有功功率不平衡。由于小水電大功率外送，有功功率過剩導(dǎo)致孤島系統(tǒng)頻率出現(xiàn)驟升，隨后孤島頻率劇烈動態(tài)變化。這種孤島頻率變化的快慢可被ROCOF繼電器檢測到，用于判斷是否跳開小水電機(jī)組。

圖2 配備ROCOF水電機(jī)組并網(wǎng)的等效電路

ROCOF繼電器對機(jī)端電壓頻率信號采樣，計算頻率變化率，再進(jìn)行濾波后與整定值作比較輸出。考慮到同一位置多臺小水電機(jī)組采用同一定值可能導(dǎo)致的過切需進(jìn)一步設(shè)置延時。即高于整定值經(jīng)一定延時后，發(fā)跳閘信號給斷路器CB，使小水電機(jī)組SG解列。為避免發(fā)電機(jī)啟動階段和發(fā)生短路故障時誤動作，ROCOF繼電器通常有低電壓閉鎖功能，即機(jī)端電壓低于某個設(shè)定值則繼電器閉鎖，不發(fā)跳閘信號。

2 孤島調(diào)頻控制

水電富集地區(qū)多位于山區(qū)，缺乏有效的通信條件，通過微網(wǎng)調(diào)度中心作集中控制的條件不成熟，繼而投向簡單靈活、成本經(jīng)濟(jì)的對等控制方式?，F(xiàn)有的小水電機(jī)組并非均具備調(diào)頻能力，水電機(jī)組地域位置集中，其庫容不存在經(jīng)濟(jì)性差異，經(jīng)典調(diào)頻控制中保證經(jīng)濟(jì)性的三次調(diào)頻優(yōu)勢不顯著。因此本文設(shè)計的小水電控制策略沒有加入三次控制，僅考慮一次控制和二次控制，控制策略框圖如圖3所示。

圖3 小水電機(jī)組的分層控制

從圖3可知，該控制策略的一次控制采用傳統(tǒng)的F-P線性下垂控制策略，由于下垂曲線的斜率為常數(shù)，因此各小水電按照額定功率分配負(fù)荷，使小水電孤島微網(wǎng)具有良好的動態(tài)特性，為有差調(diào)節(jié)。二次控制借助機(jī)組的輸出端頻率信息，直接加入一個反饋環(huán)節(jié)將孤島頻率恢復(fù)至允許的范圍內(nèi)，可將穩(wěn)態(tài)運行時的頻率偏差控制得足夠小。圖3控制策略的表達(dá)式如下：

(1)

(2)

fsec(αi,fi)=(50-fi)αi

(3)

式中:fi為發(fā)電機(jī)i的頻率;fpri(·)和fsec(·)分別為一次和二次頻率控制函數(shù);di、αi和T2i分別為發(fā)電機(jī)i的一次調(diào)頻下垂系數(shù)、二次調(diào)頻比例系數(shù)和時間常數(shù);fmax和fmin分別為頻率最大值和最小值；fref為頻率參考值。

下面分析該控制策略的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。

1)靜態(tài)特性

控制策略的靜態(tài)特性方程如下。

(4)

式中的1/(1+αi)體現(xiàn)出了二次控制的作用。fmax和di均為整定值，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時各發(fā)電機(jī)輸出功率為定值時，αi的取值越大，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的頻率偏差Δfi越小。

2)動態(tài)特性

根據(jù)式(1)～式(3)可得到控制策略的動態(tài)特性方程。

(5)

在快速暫態(tài)過程中，|T2is|一般遠(yuǎn)大于1+αi，即(1+T2is)/(1+αi+T2is)≈1。因此，對式(5)進(jìn)行化簡后，可以得出近似于一次控制策略的曲線。可見系統(tǒng)的動態(tài)特性主要由一次控制策略決定，暫態(tài)負(fù)荷能夠得到合理分配。若αi值過大，會影響到系統(tǒng)的暫態(tài)特性。因此要合理選擇αi和T2i的大小，同時兼顧系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。

3 算例分析

韶關(guān)地區(qū)小水電分布繁密，河流上下游落差大，水量和水力資源十分豐富。韶關(guān)地區(qū)水電裝機(jī)數(shù)多達(dá)1 800座，大多分布在大小河流沿線，大部分就近接入附近的10 kV及以上電網(wǎng)。為驗證提出的孤島微網(wǎng)切機(jī)組網(wǎng)和頻率控制方案在實際工程中的可用性和有效性，選取了韶關(guān)翁源地區(qū)的35 kV紅嶺站及其下游線路作為研究對象。紅嶺站通過一條35 kV母線與主網(wǎng)相連，10 kV梅斜線中的小水電站有充足的庫容，其機(jī)組可作為調(diào)頻機(jī)組1 000 kW，可負(fù)責(zé)孤島微電網(wǎng)的調(diào)頻任務(wù)；其他發(fā)電機(jī)均為250 kW調(diào)節(jié)能力有限，采用定功率控制；紅嶺站下屬的所有負(fù)荷等效為集中負(fù)荷；所提到的發(fā)電機(jī)與負(fù)荷均通過串接式結(jié)構(gòu)接入電網(wǎng)。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

為避免并網(wǎng)斷路器誤動作，孤網(wǎng)運行頻率應(yīng)與電網(wǎng)額定頻率50 Hz有所差別，因此設(shè)定孤島微網(wǎng)頻率保持在55 Hz。將第一輪切機(jī)的整定頻率設(shè)置為比55 Hz稍高的57 Hz。又考慮到孤島組網(wǎng)前頻率為50 Hz，改變參考頻率為55 Hz會導(dǎo)致系統(tǒng)波動，故第二、第三輪次的整定值應(yīng)取一個稍高的值防止發(fā)電機(jī)過切。綜合考慮以上因素后，本文提出的切機(jī)組網(wǎng)方案整定值如表1所示。

表1 切機(jī)組網(wǎng)方案

從故障位置不確定性和不平衡功率大小2個角度，通過4個場景驗證所提切機(jī)組網(wǎng)方案的有效性。

場景1：紅嶺站電源側(cè)故障，孤島微網(wǎng)負(fù)荷1 000 kW。

場景2：紅嶺站電源側(cè)故障，孤島微網(wǎng)負(fù)荷1 200 kW。

場景3：紅嶺站電源側(cè)斷開檢修，小水電機(jī)組2出線處發(fā)生故障，機(jī)組3解列，孤島微網(wǎng)負(fù)荷1 300 kW。

場景4：紅嶺站電源側(cè)斷開檢修，小水電機(jī)組3出線處發(fā)生故障，機(jī)組2和3解列，孤島微網(wǎng)負(fù)荷900 kW。

4個場景采用所提孤島切機(jī)組網(wǎng)作時域仿真，各發(fā)電機(jī)頻率波形如圖5所示。

圖5 各發(fā)電機(jī)組頻率的本地測量值

從圖5和表2可見，切機(jī)方案在外送通道受阻情況下，在不同的故障位置和功率富余，所提切機(jī)組網(wǎng)策略均能根據(jù)本地頻率采集數(shù)據(jù)，迅速輸出切機(jī)信號，切除適量發(fā)電機(jī)后能迅速恢復(fù)孤島頻率并穩(wěn)定運行。

表2 各場景機(jī)組切除情況

為驗證所提調(diào)頻策略的有效性，在水電孤島微網(wǎng)形成后，觀察負(fù)荷波動變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。孤島負(fù)荷為1 700 kW，t=4 s切除300 kW負(fù)荷，t=9 s投入100 kW負(fù)荷，t=15 s投入200 kW負(fù)荷。微網(wǎng)頻率、發(fā)電機(jī)功率和功率平衡情況如圖6所示。

從圖6(a)可以看出：各發(fā)電機(jī)頻率波動最大值發(fā)生在負(fù)荷投切的瞬間，隨后均在3 s內(nèi)趨于穩(wěn)定；動態(tài)過程頻率與參考值55 Hz的差值均不超過0.2 Hz，體現(xiàn)了調(diào)頻策略一次調(diào)頻的特性；穩(wěn)態(tài)下頻率幾乎不發(fā)生波動，滿足了正常工況下電網(wǎng)對頻率穩(wěn)定的要求，體現(xiàn)了調(diào)頻策略二次調(diào)頻的特性。

圖6 孤島微網(wǎng)調(diào)頻控制

從圖6(b)和圖6(c)可見，在負(fù)荷投切瞬間發(fā)電機(jī)輸出功率波動，其中調(diào)頻機(jī)組平衡負(fù)荷變化，另外三臺小水電機(jī)組輸出固定的有功功率，保證了孤島微網(wǎng)內(nèi)功率平衡。

綜合分析，所提出控制方案能夠滿足小水電孤島微網(wǎng)的調(diào)頻目標(biāo)：①保持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定；②保持發(fā)電功率和負(fù)荷功率平衡；③負(fù)荷波動時各發(fā)電機(jī)頻率和發(fā)電功率能迅速恢復(fù)穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

針對水電富集地區(qū)送出通道受阻頻率驟升問題，提出基于頻率變化率的孤島微網(wǎng)切機(jī)組網(wǎng)和小水電分層調(diào)頻控制策略。所提方法經(jīng)濟(jì)性好，且不依賴通信手段，能應(yīng)對微網(wǎng)孤島運行狀態(tài)下多種情景的頻率控制需求，有助于提高地區(qū)電網(wǎng)可靠性。