風水不同源比下孤網初期穩定性仿真研究

李嘉琪，鄭少鏵，王玕，王智東，林穎，陳輝，張紫凡，陳志峰，郭長興

（華南理工大學廣州學院電氣工程學院，廣東廣州510800）

0前言

南方地區有豐富的水資源和風資源，因地制宜發展分布式能源有助于減少煤炭消耗。在南方山區電網，存在風電和小水電接入同一條線路的情況[1-2]。當前學者們對分布式小水電和風電組成的微電網，及其與主電網的交互影響研究較少[3]。

小水電和風電組成的微電網接入主電網時，由于存在主電網的支撐作用，電壓與頻率的穩定性問題并不明顯[4-5]。當微電網與主電網的聯絡開關斷開后，小型水力發電與風力發電分布式能源所在的微電網形成了孤島狀態。由于山區的小型水力發電，風力發電多數運行在缺少儲能設備的情況下[6]，孤島后電壓和頻率的穩定性問題是研究的關鍵點[7-9]。文獻[10]研究了不同源荷容量比下，風光微電網孤島初期的電壓頻率特性，研究表明單風電組成的微網孤島運行時經常出現電壓崩潰的現象。文獻[11]對僅含分布式小水電的微電網進行仿真，研究發現頻率調節頻繁，功率不平衡時會產生嚴重的頻率不穩定情況。風水微電網孤島時若能夠保持電壓和頻率的穩定，則有助于避免山區電網切機切負荷情況，提高供電可靠性。

本文在M atlab/Simulink 仿真軟件的基礎上對含小水電和風電的微電網系統進行了建模與仿真。研究發現在本地小水電與風電兩種電源容量和本地負荷相等的前提下，通過調整風電和小水電的電源容量比例，分析小水電和風電不同發電比例對孤島后電壓和頻率穩定性的影響。

1風水微網系統

本文針對僅含小水電與風電的微電網進行孤島初期的電壓頻率變化研究，小水電、風電接入主電網的系統框圖如圖1所示。

圖1小水電、風電接入主電網系統框圖

其中，水力發電為負荷1供電，通過升壓變壓器與主電網相連，風力發電一部分供給負荷2。正常運行時，小水電與風電接入到電網中，由主電網保持整個系統的穩定。當系統因轉供電或者短期故障等原因，聯絡開關跳開后，小水電，風電分布式能源所在的微電網形成了孤島。

1.1風力發電模型

基于感應發電機的雙饋風力發電機組由風力機、齒輪箱傳動系統、雙饋感應發電機、轉子側AC/DC/AC變頻器、控制系統等組成[12]。雙饋感應電機的定子和轉子都可以向電網傳送能量，定子側定子繞組直接連接電網，轉子側通過AC/DC/AC雙向變換器接入電網。基于感應發電機的雙饋風力發電機組系統結構圖如圖2所示。

圖2基于感應發電機的雙饋風力發電機組系統結構圖

其中由于感應發電機的轉子電路中包含AC/DC/AC 雙向變換器，所以具有功率雙向流動的能力，即感應發電機既能運行在次同步模式下，也能夠運行在超同步模式下。在不同的運行模式下，感應發電機具有不同的功率傳遞關系，在忽略定子損耗、轉子損耗的前提下，其功率傳遞關系為：

式中，P1為感應發電機定子側的輸出電功率，忽略定子側損耗時，P1=Tω0；PM為轉軸輸入的機械功率，PM=Tωr；PS為感應電機轉子側輸入的轉差功率。忽略轉子側損耗，轉差功率為：

轉子側變流器通過控制轉子電流分量控制有功功率和無功功率，而電網側變流器控制直流母線電壓并確保變流器運行在統一功率因數(即零無功功率)。功率是饋入轉子還是從轉子提取取決于傳動系統的運行條件：在超同步狀態，功率從轉子通過變流器饋入電網；而在次同步狀態，功率反方向傳送。在兩種情況(超同步和欠同步)下，定子都向電網饋電。

1.2小水電模型

基于小水電的數學模型[13]，直接使用M atlab-Sim PowerSystems中的水輪機調速器模塊、勵磁調節器模塊以及同步發電機模塊搭建小水電發電系統，系統圖如圖3所示。

其中HTG部分為水輪機調速器模塊，表示水輪機及其PID控制系統的非線性模型，模塊輸出水輪機的機械功率Pm；Excitation System部分為勵磁調節器模塊，通過勵磁調節系統Vf來調節發電機的端電壓。使用三相同步電機模型模擬小型水力發電系統，定子三相繞組的輸出接入電網，通過調節水輪機的輸出機械功率與勵磁電壓進而改變電網接入端的電壓與頻率。

圖3小水電接入主電網系統圖

2水風互補孤島初期幅頻變化情況

2.1水風互補孤島模型初始條件

進一步研究含水風互補的微電網運行情況[14]，在Matlab平臺上搭建含水力和風力聯合發電的微電網模型，如圖4所示，水力發電機、風力發電機、本地負荷、變壓器以及聯絡開關等模型，其中風電、小水電通過聯絡開關與主電網相連的場景進行仿真。

圖4水力和風力聯合發電的微電網結構

本次仿真的主要參數包括：DFIG 額定功率為1000 kW，風速為10m/s，水輪機額定功率1000 kW，溫度為25℃，有功功率為800 kW，1.0 s時斷開聯絡開關，4.0秒時重新合上聯絡開關。

2.2水風互補孤島模型仿真情況

為了觀察與研究水風互補孤島模型的仿真情況，在本地小水電與風電兩種電源容量和本地負荷相等的前提下，通過調整風電和小水電的電源出力的比例進行仿真，仿真場景如表1所示。仿真模型如圖4所示，其中風電、小水電通過聯絡開關與主電網相連。

表1保持負荷比例不變下不同場景情況

圖5為小水電電源出力與風電出力比為2:8場景下的水力發電頻率和風力發電頻率。從圖中可以看出，在0-1 s時，風電水電通過聯絡開關與主網相連，水電與風電的頻率與主網同步。1 s時，聯絡開關斷開，水電頻率由50下降到45，4 s時已經下降到35左右，4 s后，重新閉合聯絡開關，水電與風電頻率上升，5 s時分別上升到45、44左右，最終水電頻率穩定在50，風電頻率穩定在50。

圖6為小水電電源出力與風電出力比為3:7場景下的水力發電頻率和風力發電頻率。從圖中可以看出，在0-1s時，風電水電通過聯絡開關與主網相連，水電與風電的頻率與主網同步。1 s時，聯絡開關斷開，水電頻率由50下降到45，4 s時已經下降到37，4 s后，重新閉合聯絡開關，水電與風電頻率上升，5 s時分別上升到47.5，最終水電頻率穩定在49.5，風電頻率穩定在50。

圖5水風發電機出力比2:8頻率變化圖

圖6水風發電機出力比3:7頻率變化圖

圖7水風發電機出力比5:5頻率變化圖

圖7為小水電電源出力與風電出力比為5:5場景下的水力發電頻率和風力發電頻率。從圖中可以看出，在0-1 s時，風電水電通過聯絡開關與主網相連，水電與風電的頻率與主網同步。1 s時，聯絡開關斷開，水電頻率由50下降到48左右，4 s時已經下降到43，4 s后，重新閉合聯絡開關，水電與風電頻率上升，5 s時分別上升到49.5、50，最終水電頻率穩定在49.5，風電頻率穩定在50。

圖8為小水電電源出力與風電出力比為7:3場景下的水力發電頻率和風力發電頻率。從圖中可以看出，在0-1 s時，風電水電通過聯絡開關與主網相連，水電與風電的頻率與主網同步。1 s時，聯絡開關斷開，水電頻率由50下降到49.8，4 s時已經下降到49.2，4 s后，重新閉合聯絡開關，水電與風電頻率上升，5 s時分別上升到49.95、49.9，最終水電頻率穩定在50，風電頻率穩定在50。

圖9為小水電電源出力與風電出力比為8:2場景下的水力發電頻率和風力發電頻率。從圖中可以看出，在0-1 s時，風電水電通過聯絡開關與主網相連，水電與風電的頻率與主網同步。1 s時，聯絡開關斷開，水電頻率由50上升到50.5，4 s時已經上升到51.75，4 s后，重新閉合聯絡開關，水電與風電頻率下降，5 s時分別下降到49.5、49.75，最終水電頻率穩定在50，風電頻率穩定在50。

圖8水風發電機出力比7:3頻率變化圖

圖9水風發電機出力比8:2頻率變化圖

從以上分析可以看出，不管電源功率之比怎么變化，主電網頻率在0-1 s內總是在50 Hz上下波動，在1 s-4 s時穩定不變，在4 s之后又是在50 Hz上下波動。而水輪機和風力發電機的頻率隨著電源功率之比的變化而變化。當小水電電源出力占比與風電出力占比低于2:8時，水輪機和風力發電機在0-1 s時間內頻率還能穩定在50 Hz，1 s過后頻率逐漸降低為35以下；當小水電電源出力占比與風電出力占比高于于3:7時，水輪機和風力發電機在0-1 s時間內頻率能穩定在50 Hz 左右，1 s-4 s時間內，頻率下載逐漸下降到35-50 Hz 之間（電源之比越大，頻率下降的越少），第4 s過后，水輪機和風力發電機頻率逐漸上升，最終在50 Hz 左右波動。也就是說水力電源占比越大，總體的頻率恢復性越穩定，總體能恢復并網的50 Hz，若風力電源占比越大，與水力電源之比高于8:2，總體的頻率恢復性會波動幅度大，臨近崩潰的情況。風力，水力的電源頻率都會一直波動較大，影響并網條件。

分析5組仿真結果圖，發現從并網效率以及對設備安全等方面來看，水輪機與DFIG 的比例為7：3最佳。在該比例下，即使是1.0 s斷開4.0 s 合閘，頻率的變化量也只有1 Hz 左右，較少的變化量致使水輪機和DFIG 重新并網后產生的沖擊電流也不會過大，持續時間長。讓設備超負荷抗壓的時間也會縮短。因水輪機具有慣性特性，所以水電比重大的情況，與DFIG比重大的情況，在范圍之內，雖然都可以重新并網，但是后者的頻率變化范圍超過10 Hz，帶來的沖擊電流持續時間也過久，不利于設備的長期使用，影響設備壽命。重新合閘后由于水輪機的慣性特性，每次波動和轉折點都會比風力發電機的要緩和。所以當水電比重大時，在孤島情況下的支撐作用效果更好，有效維持了電壓和頻率，重新并網時沖擊電流也不會過大損傷設備。當本地電源和負荷接近時，減少功率交換，合閘后的頻率特性會以平滑的曲線恢復至50 Hz。

3結束語

結合山區風電和水電多運行在缺儲能的實際情況，本文針對缺儲能水風微電網運行情況進行仿真，重點研究孤島初期幅頻特性。仿真分析發現：斷開主網后，由于水輪機的慣性特性，水電孤島后頻率圍繞50 Hz 波動最終會穩定在50 Hz，電壓波動幅度與源荷容量比有關，頻率的變化趨勢與源荷容量比呈反比的關系；DFIG風電孤島運行時容易出現電壓崩潰現象；而水風互補由于水電對電壓的支撐作用，孤島運行時具有較好的穩定性。仿真同時發現風電微電網孤島運行時，即使在缺儲能情況下，微電網符合有條件穩定的特征，有望避免當前山區電網發生孤島情況就采取切機切負荷的一刀切做法，甚至還可以在符合并網條件下快速并網，從而提高山區供電穩定性。