考慮并離網(wǎng)模式切換的小水電微網(wǎng)調(diào)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(xué)院電氣工程學(xué)院，廣州 510800；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510641）

0 引 言

水電作為可再生能源，對于減少能源領(lǐng)域煤炭的依賴、實(shí)現(xiàn)能源“碳中和”具有重要意義［1，2］。我國水電資源豐富，開發(fā)水電潛力巨大，因地制宜發(fā)展小水電，對于補(bǔ)充地區(qū)電網(wǎng)能源和減少能源損耗具有積極作用。

但當(dāng)前小水電多處于粗放式的發(fā)電狀態(tài)，普遍缺少協(xié)調(diào)控制能力［3］。尤其隨著新能源微電網(wǎng)的逐步推廣應(yīng)用，小水電也需逐步具備接入微電網(wǎng)等能力的要求［4］：并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，主要考慮小水電調(diào)速器的靈敏性；離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，既要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又要具備良好的動態(tài)品質(zhì)。而當(dāng)前小水電調(diào)頻控制器多以最大發(fā)電為目標(biāo)，對地區(qū)電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成負(fù)面影響。同時(shí)小水電的無序發(fā)電也容易造成配網(wǎng)電壓波動過大等問題［5］。現(xiàn)研究多從電網(wǎng)側(cè)的控制和保護(hù)著手，包括對配網(wǎng)保護(hù)邏輯［6］、饋線自動化復(fù)電策略進(jìn)行優(yōu)化等方式，消除小水電對配網(wǎng)的影響，較少以改善小水電機(jī)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(jī)組功能改善的方案，側(cè)重理論研究或試點(diǎn)運(yùn)行，未充分考慮經(jīng)濟(jì)性與可推廣性［7］。配網(wǎng)故障后對小水電的處理，常采用解列機(jī)組的簡單方式［8］，未發(fā)揮小水電組建微網(wǎng)的天然優(yōu)勢。對局部負(fù)荷組建微網(wǎng)運(yùn)行，從而把小水電作為影響供電可靠性的不利因素轉(zhuǎn)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(wǎng)模式切換的小水電微網(wǎng)調(diào)頻策略?；诟道锶~算法精準(zhǔn)獲得機(jī)組頻率，通過頻率判據(jù)實(shí)現(xiàn)并離網(wǎng)狀態(tài)識別，并及時(shí)轉(zhuǎn)換水電機(jī)組工作模式。離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)利用PID 調(diào)節(jié)器提高機(jī)組輸出頻率的穩(wěn)定性，保障供電可靠性。以乳源10 kV 東下山支線開展試運(yùn)行研究，驗(yàn)證了所提策略對小水電微網(wǎng)調(diào)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(huán)等硬件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，但存在成本較高、所需電子元件多、占據(jù)電路板布局空間等問題。由于小水電調(diào)頻控制器自身需要采集小水電機(jī)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(shù)值進(jìn)行分析［9，10］，采用軟件方法實(shí)現(xiàn)小水電調(diào)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(jù)電壓信號基波方程：

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

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

當(dāng)Δφ確定時(shí)，即可求出Δf，從而得到系統(tǒng)實(shí)際頻率f。對電壓u（t）在時(shí)間Ti內(nèi)進(jìn)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(shí)部模值URi，由電壓相角公式可得：

其中，在采樣時(shí)間［0-T0］內(nèi)：

在采樣時(shí)間［TN-（TN+T0）］內(nèi)：

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

式（7）可測得系統(tǒng)實(shí)際頻率，將一個(gè)工頻內(nèi)采集的頻率值進(jìn)行最小二乘擬合，當(dāng)所得頻率在50 Hz額定值附近區(qū)間時(shí)，為正常值；當(dāng)所測頻率非正常值時(shí)，重新進(jìn)行周期信號采集與運(yùn)算，此測頻算法精度經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測能夠達(dá)到0.002 Hz，最快40 ms能夠跟蹤頻率變化。

2 并離網(wǎng)運(yùn)行模式切換研究

2.1 并離網(wǎng)狀態(tài)識別

根據(jù)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程可知，在發(fā)電機(jī)功率不平衡的情況下，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會逐漸偏離額定轉(zhuǎn)速［11］。

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

并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，水電機(jī)組機(jī)械功率與電磁功率的差額由電網(wǎng)消納，機(jī)組頻率穩(wěn)定在額定值附近。離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，功率差額將導(dǎo)致頻率與電壓的偏差［12］。計(jì)算公式如下：

式中：Δt為孤島持續(xù)時(shí)間；Shydro為水電孤島系統(tǒng)容量；Hhydro為水電孤島慣性時(shí)間常數(shù)；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(cè)電壓變化。由于架空線路電抗遠(yuǎn)大于電阻，小水電機(jī)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(shù)普遍為95%以上，孤島后電壓不會出現(xiàn)較大的波動。

孤島后由于山區(qū)負(fù)荷較少，系統(tǒng)有功功率不平衡，將導(dǎo)致頻率偏差，隨著時(shí)間的增加，頻率偏差逐漸增大。因此可以通過判斷并網(wǎng)側(cè)的水電機(jī)組基波頻率、電壓抖動情況判斷并離網(wǎng)狀態(tài)。

并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，水電機(jī)組電壓、頻率與電網(wǎng)額定值保持一致，判斷邏輯如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)狀態(tài)識別邏輯圖Fig.2 Logic diagram of grid connection status identification

圖中擾動設(shè)置為增大或減小水電機(jī)組輸出功率。增大或減小水電機(jī)組輸出功率擾動時(shí)，若測量實(shí)時(shí)頻率f與基準(zhǔn)頻率的差值在0～0.2 Hz 范圍內(nèi)或輸出電壓U與基準(zhǔn)電壓Un的差值在0～0.2Un范圍內(nèi)則認(rèn)為水電機(jī)組處于并網(wǎng)運(yùn)行階段。

離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，發(fā)揮小水電組建微網(wǎng)的天然優(yōu)勢，小水電機(jī)組與本地負(fù)荷運(yùn)行于微網(wǎng)孤島模式。當(dāng)微網(wǎng)中負(fù)荷變化時(shí)，微網(wǎng)系統(tǒng)的電壓與頻率隨之變化。電網(wǎng)中主要負(fù)荷為有功負(fù)荷，且頻率變化率與不平衡功率成線性關(guān)系，故頻率易發(fā)生抖動。以頻率變化為判據(jù)，同時(shí)為了防止故障等情況干擾，結(jié)合電壓與電流輔助躲避故障，進(jìn)行孤島狀態(tài)識別。判斷邏輯如圖3所示。

圖3 離網(wǎng)狀態(tài)識別邏輯圖Fig.3 Logic diagram of off-grid status identification

其中0.2 Hz為并離網(wǎng)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(shí)時(shí)頻率f與基準(zhǔn)頻率的差值高于0.2 Hz 且輸出電壓U與基準(zhǔn)電壓Un的差值在0～0.3Un范圍內(nèi)則認(rèn)為發(fā)電機(jī)組此時(shí)處于離網(wǎng)運(yùn)行階段。

2.2 并離網(wǎng)狀態(tài)切換

水電機(jī)組并入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，水電機(jī)組與本地負(fù)荷組成的并網(wǎng)系統(tǒng)電壓、頻率由電網(wǎng)維持，水電機(jī)組可以運(yùn)行于恒水位模式、恒功率模式、恒功率因數(shù)模式。在恒水位模式運(yùn)行時(shí)，控制裝置檢測池前水位與恒水位目標(biāo)值，啟動恒水位運(yùn)行調(diào)整，控制水位在目標(biāo)水位范圍內(nèi)。在恒功率模式運(yùn)行時(shí)，若檢測到機(jī)端輸出功率與恒功率目標(biāo)值相差超過恒功率門檻時(shí)，啟動恒功率運(yùn)行調(diào)整，控制導(dǎo)葉角度，使機(jī)端輸出功率在目標(biāo)范圍內(nèi)。在恒功率因數(shù)模式運(yùn)行時(shí)，若檢測到輸出功率因數(shù)與恒功率因數(shù)目標(biāo)值相差超過恒功率因數(shù)門檻時(shí)，啟動恒功率因數(shù)運(yùn)行調(diào)整，控制功率因數(shù)在目標(biāo)范圍內(nèi)。

水電機(jī)組離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)孤島系統(tǒng)電壓、頻率由水電機(jī)組維持，水輪發(fā)電機(jī)作為VF 節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓、頻率，水電機(jī)組設(shè)置為恒壓恒頻運(yùn)行，在發(fā)電機(jī)容量及池前水位下限范圍內(nèi)，增減發(fā)電機(jī)有功出力及勵磁電流，使得系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定在額定范圍內(nèi)。

水電機(jī)組與本地負(fù)荷組成的區(qū)域電網(wǎng)由并網(wǎng)模式進(jìn)入孤島模式時(shí)，區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)功率易不平衡，區(qū)域電網(wǎng)電壓、頻率隨之波動，對供電的穩(wěn)定性的安全性均有較大影響，需要控制器能快速響應(yīng)，調(diào)節(jié)功率，穩(wěn)定頻率。因此當(dāng)水電控制器檢測到電網(wǎng)電壓、頻率波動，應(yīng)快速自動切換為VF 節(jié)點(diǎn)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、頻率。由孤島恢復(fù)為并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電壓和頻率趨于穩(wěn)定，無運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。因此在控制器判斷系統(tǒng)電壓、頻率長期穩(wěn)定的情況下，可在確認(rèn)并網(wǎng)后經(jīng)手動將水電機(jī)組切換為恒功率運(yùn)行模式。

3 離網(wǎng)恒頻控制策略

由發(fā)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動方程可知，當(dāng)水輪機(jī)機(jī)械功率與發(fā)電機(jī)電磁功率平衡時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，孤島系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。孤島系統(tǒng)中負(fù)荷波動時(shí)，要隨之調(diào)整原動機(jī)機(jī)械功率。其調(diào)速系統(tǒng)如圖4模型所示［13，14］。

圖4 調(diào)速系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of speed regulation system

由于小水電系統(tǒng)調(diào)速器直接由電動調(diào)速器（伺服電機(jī)）通斷控制轉(zhuǎn)角行程［15］，由齒輪帶動連桿直接控制水輪機(jī)導(dǎo)葉位置來控制水流大小，無其他中間環(huán)節(jié)，且不考慮永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bP，因此調(diào)速系統(tǒng)中PID控制方程簡化為：

與差分方程等效，上述傳遞函數(shù)各部分可寫為：

式中：T為采樣周期；Y(k)為當(dāng)前時(shí)刻需要執(zhí)行的位移（電動機(jī)調(diào)速器通斷時(shí)間）；KP為比例增益系數(shù)；KI為積分增益系數(shù)；KD為微分增益系數(shù)；T1V為微分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。

4 試運(yùn)行研究

以乳源10 kV 東下山支線開展水電機(jī)組與試驗(yàn)負(fù)荷組成的區(qū)域電網(wǎng)離網(wǎng)試運(yùn)行研究。

具體參數(shù)如下：1 臺水電發(fā)電機(jī)組，額定容量125 kW；試驗(yàn)負(fù)荷：20～125 kW。試驗(yàn)中自動運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 自動運(yùn)行參數(shù) sTab.1 Automatic operation parameters

4.1 離網(wǎng)運(yùn)行

離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，調(diào)速器通過并離網(wǎng)狀態(tài)識別切換水電機(jī)組工作模式，水電機(jī)組運(yùn)行于恒頻工作模式，調(diào)速器控制水電機(jī)組出力實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷變化。水電機(jī)組輸出頻率波形如圖5所示，圖5中，頻率穩(wěn)定在50 Hz 上下，頻率幅值在49.5～50.4 Hz 之間波動。

圖5 離網(wǎng)運(yùn)行頻率波形圖Fig.5 Off-grid operation frequency waveform

4.2 20 kW甩負(fù)荷

20 kW 甩負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，水電機(jī)組輸出頻率波形如圖6所示。由于突甩負(fù)荷，水電機(jī)組輸出功率大于負(fù)載功率，系統(tǒng)頻率升高，并離網(wǎng)檢測頻率越限，調(diào)速器動作，控制系統(tǒng)輸出功率與負(fù)載功率平衡以保持頻率穩(wěn)定。圖6中所示10 s 內(nèi)頻率上升至53.4 Hz，在調(diào)速器作用下頻率下降，20 s 時(shí)穩(wěn)定在50 Hz 附近，幅值在49.7～50.4 Hz之間波動。

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

4.3 20 kW增負(fù)荷

20 kW 黑啟動運(yùn)行時(shí)，水電機(jī)組輸出頻率波形如圖7所示。由于突增負(fù)荷，水電機(jī)組輸出功率小于負(fù)載功率，系統(tǒng)頻率下降，圖7中所示10 s內(nèi)頻率下降至44.5 Hz，在調(diào)速器作用下頻率上升，22 s時(shí)穩(wěn)定在50 Hz附近，幅值在49.5～50.5 Hz之間波動。

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

5 結(jié) 論

本文提出了一種考慮并離網(wǎng)模式切換的小水電微網(wǎng)調(diào)頻策略，從源頭治理改善小水電機(jī)組性能。以乳源10 kV 東下山支線開展單機(jī)離網(wǎng)試運(yùn)行研究。結(jié)果表明：通過頻率判據(jù)可精準(zhǔn)識別并離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)頻率差額越過閾值時(shí)，切換至離網(wǎng)恒頻工作模式。離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)在大擾動情況下，PID 調(diào)速器調(diào)節(jié)機(jī)組頻率穩(wěn)定在49.5～50.5 Hz 區(qū)間內(nèi)，保障孤島系統(tǒng)供電可靠性。