智能水電微網(wǎng)控制技術(shù)研究

成展強，李 巖，陳志峰

（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）

優(yōu)質(zhì)的電能是支撐農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、建設(shè)美麗鄉(xiāng)村的重要保障[1]，隨著農(nóng)村電氣化水平的提高，人們對供電可靠性和電能質(zhì)量的要求也越來越高。由于偏遠(yuǎn)山區(qū)居民分布不均勻，山區(qū)用電負(fù)荷不高，施工條件惡劣等特點，大部分地區(qū)的10 kV線路為節(jié)省電網(wǎng)投資均采用單輻射方式供電，導(dǎo)致其供電可靠性低，在線路檢修時，單饋線地區(qū)停電時間過長[2]。若電網(wǎng)采用雙回線供電則經(jīng)濟(jì)性較差[3-5]，本文在合理控制電網(wǎng)投資的前提下，提出一種運行靈活、可靠的智能水電微網(wǎng)控制技術(shù)，提高山區(qū)電網(wǎng)的供電可靠性。

1 微網(wǎng)組網(wǎng)方式

微電網(wǎng)是指將一定區(qū)域內(nèi)的分布式電源、儲能裝置、控制裝置以及當(dāng)?shù)刎?fù)荷組織起來形成的配用電系統(tǒng)，可在主網(wǎng)停電時繼續(xù)為用戶提供電力供應(yīng)。建設(shè)微電網(wǎng)的必備條件是要有獨立的分布式電源，山區(qū)有豐富的水電資源，微電網(wǎng)可采用水電作為主電源[6]，根據(jù)水電的裝機容量與用電負(fù)荷的情況設(shè)計組網(wǎng)范圍，確保微網(wǎng)系統(tǒng)離網(wǎng)后仍能安全穩(wěn)定運行，微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，微電網(wǎng)內(nèi)主要設(shè)備須考慮以下因素。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 水電站的選擇

水電站應(yīng)有一定的庫容，至少具備日調(diào)節(jié)能力；調(diào)速器應(yīng)增加電操作機構(gòu)，可精確控制水輪機進(jìn)水量；水輪機須開展智能化改造，采用自動控制的勵磁系統(tǒng)，在水電控制器具有自動調(diào)頻功能。

1.2 并網(wǎng)開關(guān)功能

根據(jù)微網(wǎng)組網(wǎng)范圍，選擇相應(yīng)的配網(wǎng)支線或主線開關(guān)作為微電網(wǎng)分界點。開關(guān)具有3種離網(wǎng)模式，包括調(diào)度遙控分閘、微網(wǎng)控制器下發(fā)指令分閘、滿足就地離網(wǎng)判據(jù)自動分閘。開關(guān)具有3種并網(wǎng)模式，包括調(diào)度遙控同期合閘、微網(wǎng)控制器下發(fā)指令同期合閘、滿足就地并網(wǎng)判據(jù)自動同期合閘。根據(jù)微網(wǎng)運行需要，選擇相應(yīng)的并、離網(wǎng)控制模式。

1.3 水庫容量管理

在水電微網(wǎng)中，水庫的作用相當(dāng)于儲能系統(tǒng)，須對水位狀態(tài)實時監(jiān)測，并根據(jù)水電機組的出力與實時水耗，計算剩余發(fā)電時間，便于調(diào)度管理。

2 小水電自動調(diào)頻

常規(guī)的小水電機組均不具備自動調(diào)頻功能，由于小型水輪機慣性小，且微網(wǎng)負(fù)荷波動時頻率變化較大，因此水電微網(wǎng)的頻率控制難度較大。在微網(wǎng)頻率越限時如果不能快速、精確的調(diào)整水輪機出力，將導(dǎo)致機組跳閘，造成微網(wǎng)停電，嚴(yán)重時還會燒毀電器設(shè)備。

為了保持微網(wǎng)頻率穩(wěn)定，須要根據(jù)頻率變化，動態(tài)調(diào)整發(fā)電機組的輸出功率，使微網(wǎng)的頻率控制在目標(biāo)范圍。小水電機組的調(diào)頻響應(yīng)較慢，須經(jīng)過多個傳動環(huán)節(jié)。圖2為水電機組調(diào)頻示意圖，小水電控制器配置高精度頻率測量算法，對電網(wǎng)的頻率、頻率變化率進(jìn)行實時檢測，當(dāng)水電控制器檢測到頻率出現(xiàn)偏差時，對偏差信號進(jìn)行PID控制，PID控制器輸出信號經(jīng)交流接觸器驅(qū)動調(diào)速器電機，改變水輪機進(jìn)水量，從而調(diào)整水輪機轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到頻率調(diào)整的目標(biāo)。

圖2 水電機組調(diào)頻示意圖

小水電系統(tǒng)的調(diào)速器是通過打開和關(guān)閉調(diào)速器電機（伺服電機）來控制角行程，通過齒輪帶動連桿直接控制水輪機導(dǎo)葉的位置和大小[7]?？刂扑牧鲃樱渲袥]有其他中間環(huán)節(jié)，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)，所以轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的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：Y(k)為當(dāng)前時刻須要執(zhí)行的位移（電動機調(diào)速器通斷時間）；T為采樣周期；K P為比例增益系數(shù)；K t為積分增益系數(shù)；K D為微分增益系數(shù)；T1V為微分環(huán)節(jié)時間常數(shù)。

3 微網(wǎng)控制策略

3.1 微網(wǎng)控制系統(tǒng)

微網(wǎng)控制系統(tǒng)主要由調(diào)度主站，水電控制器，微網(wǎng)分界開關(guān)控制器、微網(wǎng)控制器組成，微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

水電智能控制器。是實現(xiàn)水電智能化的關(guān)鍵設(shè)備，可控制水輪機的調(diào)速器、機組并網(wǎng)開關(guān)、勵磁系統(tǒng)，對水電機組進(jìn)行自動開停機操作，通過調(diào)節(jié)水輪機的出力實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)微網(wǎng)頻率。

分界開關(guān)控制器。具有配網(wǎng)自動化開關(guān)的基本功能，能實現(xiàn)對開關(guān)的遙信、遙測、遙控，配置線路保護(hù)。具有微網(wǎng)自動離網(wǎng)與并網(wǎng)功能：在電網(wǎng)發(fā)生故障時，可自動斷開開關(guān)，使微網(wǎng)離網(wǎng)運行；在電網(wǎng)恢復(fù)正常時，可通過自動同期把微網(wǎng)并入主網(wǎng)。

水電微網(wǎng)控制器。與水電控制器、并網(wǎng)開關(guān)、調(diào)度EMS系統(tǒng)建立通信，可采集水電機組、分界開關(guān)的功率等運行數(shù)據(jù)，可接收調(diào)度EMS系統(tǒng)的指令，對機組下發(fā)開、停機與調(diào)整出力命令，對分界開關(guān)下發(fā)分、合閘命令。具有對微電網(wǎng)的綜合控制功能，可根據(jù)調(diào)度主站下發(fā)的操作命令，結(jié)合水電機組、分界開關(guān)的運行狀態(tài)，進(jìn)行微網(wǎng)并離網(wǎng)切換的程序化操作。

3.2 微網(wǎng)控制模式

微電網(wǎng)主要控制模式包括主從控制、對等控制、分層控制，水電微網(wǎng)根據(jù)網(wǎng)內(nèi)電源的數(shù)量、特點，選擇不同的模式。

3.2.1 主從控制模式

主從控制模式是指在微電網(wǎng)處于孤島運行模式時，其中一個分布式電源采取恒電壓和恒頻率控制，用于向微電網(wǎng)中其他分布式電源提供電壓和頻率參考，而其他的分布式電源則可采用定功率控制。采用恒電壓和恒頻率控制的分布式電源控制器稱為主控制器，而其他的分布式電源控制器稱為從控制器。由于水電豐富多建于山區(qū)偏遠(yuǎn)地帶，地區(qū)用電負(fù)荷較少，通常一個水電站可供應(yīng)微網(wǎng)所有負(fù)荷，可采用單主機控制模式，水輪機運行在恒電壓與恒頻率模式。若有其他小型水電機組或光伏等分布式電源采用固定功率發(fā)電模式。

3.2.2 對等控制模式

對等控制模式是指微電網(wǎng)中所有的分布式電源在控制上都具有同等的地位，各控制器之間不存在主和從的控制關(guān)系，每個分布式電源都根據(jù)接入系統(tǒng)點電壓和頻率的就地信息進(jìn)行控制。對于這種控制模式，分布式電源控制器的策略選擇十分關(guān)鍵，目前常用的方法是下垂控制。當(dāng)微網(wǎng)規(guī)模較大，由多個水電站共同支撐，宜采用對等控制模式，各機組執(zhí)行下垂控制策略。

3.2.3 分層控制模式

分層控制模式一般都設(shè)有中央控制器，用于向微網(wǎng)中的分布式電源發(fā)出控制信息。中心控制器首先對分布式電源發(fā)電功率和負(fù)荷需求量進(jìn)行預(yù)測，然后制定相應(yīng)的計劃，并根據(jù)實時采集的電壓、電流、功率等信息，對運行計劃進(jìn)行調(diào)整。對于變電站級微網(wǎng)，可采用分層控制模式，由中央控制器向各水電站進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

3.3 并離網(wǎng)控制流程

并離網(wǎng)轉(zhuǎn)換可分為停電轉(zhuǎn)換與不停電無縫切換，由于水輪機黑啟動時帶負(fù)荷能力不強，微網(wǎng)離網(wǎng)操作更適合采用無縫切換，須對機組、分界開關(guān)按一定的邏輯自動完成[8]，微網(wǎng)控制器可自動完成并離網(wǎng)切換操作。

并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)控制流程為：①微網(wǎng)控制器檢測分界開關(guān)潮流→②微網(wǎng)控制器對水電控制器下發(fā)功率調(diào)整指令，調(diào)整至分界開關(guān)零功率交換→③水電控制器將水輪機出力調(diào)整至目標(biāo)值→④微網(wǎng)控制器對分界開關(guān)下發(fā)分閘指令→⑤分界開關(guān)執(zhí)行分閘操作→⑥微網(wǎng)控制器對水電控制器下發(fā)指令，調(diào)整為恒壓、恒頻控制模式，自動調(diào)節(jié)微網(wǎng)電壓和頻率。

離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)控制流程為：①微網(wǎng)控制器檢測微網(wǎng)電壓、頻率→②微網(wǎng)控制器下發(fā)調(diào)壓、調(diào)頻命令給水電控制器，令其自動調(diào)整電壓和頻率→③水電控制器調(diào)整勵磁與出力，使微網(wǎng)電壓、頻率在允許并網(wǎng)范圍→④微網(wǎng)控制器對分界開關(guān)下發(fā)同期并網(wǎng)指令→⑤分界開關(guān)執(zhí)行同期并網(wǎng)操作→⑥微網(wǎng)控制器對水電控制器下發(fā)指令，將其轉(zhuǎn)換為恒功率運行模式。

4 試運行分析

根據(jù)以上技術(shù)方案開發(fā)的水電微網(wǎng)成套控制設(shè)備，已在韶關(guān)乳源智能電網(wǎng)示范區(qū)多個微網(wǎng)應(yīng)用，并多次在主網(wǎng)停電時完成水電自組網(wǎng)保供電任務(wù)，現(xiàn)選擇其中一次組網(wǎng)范圍大、離網(wǎng)時間長的案例進(jìn)行分析。35 kV銀溪變電站因計劃檢修全站停電，以馬勁泉電站為主電源，組建饋線級水電微網(wǎng)系統(tǒng)，對22個公用臺區(qū)和4個專用臺區(qū)不間斷供電，離網(wǎng)運行長達(dá)36 h。僅由水電機組進(jìn)行頻率控制，離網(wǎng)運行期間在負(fù)荷頻繁變化的情況下，頻率、電壓長期控制在設(shè)置范圍。其離網(wǎng)運行頻率波形圖如圖4所示。運行數(shù)據(jù)顯示，水電微網(wǎng)離網(wǎng)運行有以下特征：頻率波動較大，因水電機組調(diào)節(jié)出力有一定延時，不具備電池儲能的功率快速控制能力；頻率調(diào)整比較頻率，發(fā)生一次負(fù)荷波動造成的微網(wǎng)頻率變化，機組須對調(diào)速器發(fā)出多次控制指令，這是由于PID控制時須對頻率進(jìn)行反向超調(diào)引起的振蕩，須多次調(diào)節(jié)頻率才能趨向穩(wěn)定。

圖4 離網(wǎng)運行頻率波形圖

5 結(jié)束語

本文提出一種智能水電微網(wǎng)組網(wǎng)及控制方法，通過對水電機組智能化改造，建立適用于小水電的PID控制模型，解決了小水電機組精確調(diào)頻的難題。開發(fā)了適用于水電的微網(wǎng)控制器，實現(xiàn)了微網(wǎng)并離網(wǎng)無縫切換。以上微網(wǎng)控制策略已實現(xiàn)工程應(yīng)用，其有效性在帶負(fù)荷離網(wǎng)運行中得到驗證。在小水電豐富地區(qū)，因地制宜開展水電微網(wǎng)建設(shè)，可大幅降低建設(shè)備用電源的電網(wǎng)投資，在較少的建設(shè)成本下，同樣能為山區(qū)提供可靠的電力供應(yīng)。尤其在新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，水電與光伏互補，可進(jìn)一步提高微網(wǎng)的適用性與離網(wǎng)運行時間，有較好的推廣前景。