水電富集地區的孤島微網切機組網與調頻控制

劉志勇，李巖

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

0 引 言

小水電可以提高農村電氣化水平，改善生活質量，在當地創造工業化條件和增加就業崗位。2016年6月，國家發改委、水利部聯合印發《農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，開展農村小水電扶貧工程試點。近年來小水電快速發展,水電機組形成多點并網、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荷組網維持孤島運行，孤網內頻率驟升造成機組自身和用戶設備損壞的問題時有發生[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村電網可靠性的重要性不言而喻。

小水電多分布在偏僻的山區，多接入配電網10 kV饋線末端，具有容量小、位置分散和調節性能差的特點[3]。又由于小水電站建設歷史時期不一，沒有統一的發展規劃和管理，在各自為政的同時還缺乏通信手段。長期以來，各級電網調度機構對小水電機組監管控制不到位，圍繞小水電孤島組網與調頻控制的研究文獻較少。文獻[4]提出了一種孤網多輪切機策略，即通過多輪切機和在每輪切機環節加設不同時長的延時防止發電機過切。文獻[5]110中提出了一種基于頻率變化率的切機方案，有效改善了頻率的動態響應穩定性。文獻[6]提出了無需中央控制器和通信系統即可實現微網的三次分層控制。在此基礎上，本文提出基于頻率變化率的孤島微網切機組網和分層調頻控制策略。算例驗證表明，所提方法不需要作電網改造，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 孤島切機組網

為減少因外送通道受阻頻率驟升對用戶設備及水電機組造成的影響，采用高頻切機保護快速切除部分富余發電機和切換可調機組控制方式，以保持孤網的頻率穩定和功角穩定。然而，高頻切機常因系統容量原因造成切機不足或者切機過多，系統難以維持在額定頻率附近運行。在文獻[5]110的基礎上，結合頻率變化率ROCOF判據加速切機動作，即當系統頻率超過高周切機首輪定值和持續時間達到設定延時時，根據機組本地的測量值，判斷此時頻率變化率加速特殊輪切除。由此得到切機加速動作策略，如圖1所示。

圖1 孤島切機組網策略

安裝ROCOF繼電器的水電發電機與配電網并聯運行的等效電路如圖2所示。同步發電機(SG)與負載(L)，發電機出力與負載消耗的差值通過主網平衡，因此系統頻率保持不變。當故障使外送通道受阻，斷路器(CB)打開，小水電機組和負載組成的系統變成孤島，孤島有功功率不平衡。由于小水電大功率外送，有功功率過剩導致孤島系統頻率出現驟升，隨后孤島頻率劇烈動態變化。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組。

圖2 配備ROCOF水電機組并網的等效電路

ROCOF繼電器對機端電壓頻率信號采樣，計算頻率變化率，再進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組采用同一定值可能導致的過切需進一步設置延時。即高于整定值經一定延時后，發跳閘信號給斷路器CB，使小水電機組SG解列。為避免發電機啟動階段和發生短路故障時誤動作，ROCOF繼電器通常有低電壓閉鎖功能，即機端電壓低于某個設定值則繼電器閉鎖，不發跳閘信號。

2 孤島調頻控制

水電富集地區多位于山區，缺乏有效的通信條件，通過微網調度中心作集中控制的條件不成熟，繼而投向簡單靈活、成本經濟的對等控制方式。現有的小水電機組并非均具備調頻能力，水電機組地域位置集中，其庫容不存在經濟性差異，經典調頻控制中保證經濟性的三次調頻優勢不顯著。因此本文設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的F-P線性下垂控制策略，由于下垂曲線的斜率為常數，因此各小水電按照額定功率分配負荷，使小水電孤島微網具有良好的動態特性，為有差調節。二次控制借助機組的輸出端頻率信息，直接加入一個反饋環節將孤島頻率恢復至允許的范圍內，可將穩態運行時的頻率偏差控制得足夠小。圖3控制策略的表達式如下：

(1)

(2)

fsec(αi,fi)=(50-fi)αi

(3)

式中:fi為發電機i的頻率;fpri(·)和fsec(·)分別為一次和二次頻率控制函數;di、αi和T2i分別為發電機i的一次調頻下垂系數、二次調頻比例系數和時間常數;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特性和動態特性。

1)靜態特性

控制策略的靜態特性方程如下。

(4)

式中的1/(1+αi)體現出了二次控制的作用。fmax和di均為整定值，當系統穩態運行時各發電機輸出功率為定值時，αi的取值越大，系統穩態時的頻率偏差Δfi越小。

2)動態特性

根據式(1)～式(3)可得到控制策略的動態特性方程。

(5)

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

3 算例分析

韶關地區小水電分布繁密，河流上下游落差大，水量和水力資源十分豐富。韶關地區水電裝機數多達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。為驗證提出的孤島微網切機組網和頻率控制方案在實際工程中的可用性和有效性，選取了韶關翁源地區的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母線與主網相連，10 kV梅斜線中的小水電站有充足的庫容，其機組可作為調頻機組1 000 kW，可負責孤島微電網的調頻任務；其他發電機均為250 kW調節能力有限，采用定功率控制；紅嶺站下屬的所有負荷等效為集中負荷；所提到的發電機與負荷均通過串接式結構接入電網。系統拓撲結構如圖4所示。

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

表1 切機組網方案

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組網方案的有效性。

場景1：紅嶺站電源側故障，孤島微網負荷1 000 kW。

場景2：紅嶺站電源側故障，孤島微網負荷1 200 kW。

場景3：紅嶺站電源側斷開檢修，小水電機組2出線處發生故障，機組3解列，孤島微網負荷1 300 kW。

場景4：紅嶺站電源側斷開檢修，小水電機組3出線處發生故障，機組2和3解列，孤島微網負荷900 kW。

4個場景采用所提孤島切機組網作時域仿真，各發電機頻率波形如圖5所示。

圖5 各發電機組頻率的本地測量值

從圖5和表2可見，切機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，所提切機組網策略均能根據本地頻率采集數據，迅速輸出切機信號，切除適量發電機后能迅速恢復孤島頻率并穩定運行。

表2 各場景機組切除情況

為驗證所提調頻策略的有效性，在水電孤島微網形成后，觀察負荷波動變化對系統穩定性的影響。孤島負荷為1 700 kW，t=4 s切除300 kW負荷，t=9 s投入100 kW負荷，t=15 s投入200 kW負荷。微網頻率、發電機功率和功率平衡情況如圖6所示。

從圖6(a)可以看出：各發電機頻率波動最大值發生在負荷投切的瞬間，隨后均在3 s內趨于穩定；動態過程頻率與參考值55 Hz的差值均不超過0.2 Hz，體現了調頻策略一次調頻的特性；穩態下頻率幾乎不發生波動，滿足了正常工況下電網對頻率穩定的要求，體現了調頻策略二次調頻的特性。

圖6 孤島微網調頻控制

從圖6(b)和圖6(c)可見，在負荷投切瞬間發電機輸出功率波動，其中調頻機組平衡負荷變化，另外三臺小水電機組輸出固定的有功功率，保證了孤島微網內功率平衡。

綜合分析，所提出控制方案能夠滿足小水電孤島微網的調頻目標：①保持系統頻率穩定；②保持發電功率和負荷功率平衡；③負荷波動時各發電機頻率和發電功率能迅速恢復穩定。

4 結束語

針對水電富集地區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切機組網和小水電分層調頻控制策略。所提方法經濟性好，且不依賴通信手段，能應對微網孤島運行狀態下多種情景的頻率控制需求，有助于提高地區電網可靠性。