智能水電微網控制技術研究

成展強，李 巖，陳志峰

（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）

優質的電能是支撐農村經濟發展、建設美麗鄉村的重要保障[1]，隨著農村電氣化水平的提高，人們對供電可靠性和電能質量的要求也越來越高。由于偏遠山區居民分布不均勻，山區用電負荷不高，施工條件惡劣等特點，大部分地區的10 kV線路為節省電網投資均采用單輻射方式供電，導致其供電可靠性低，在線路檢修時，單饋線地區停電時間過長[2]。若電網采用雙回線供電則經濟性較差[3-5]，本文在合理控制電網投資的前提下，提出一種運行靈活、可靠的智能水電微網控制技術，提高山區電網的供電可靠性。

1 微網組網方式

微電網是指將一定區域內的分布式電源、儲能裝置、控制裝置以及當地負荷組織起來形成的配用電系統，可在主網停電時繼續為用戶提供電力供應。建設微電網的必備條件是要有獨立的分布式電源，山區有豐富的水電資源，微電網可采用水電作為主電源[6]，根據水電的裝機容量與用電負荷的情況設計組網范圍，確保微網系統離網后仍能安全穩定運行，微網系統結構如圖1所示，微電網內主要設備須考慮以下因素。

圖1 微網系統結構圖

1.1 水電站的選擇

水電站應有一定的庫容，至少具備日調節能力；調速器應增加電操作機構，可精確控制水輪機進水量；水輪機須開展智能化改造，采用自動控制的勵磁系統，在水電控制器具有自動調頻功能。

1.2 并網開關功能

根據微網組網范圍，選擇相應的配網支線或主線開關作為微電網分界點。開關具有3種離網模式，包括調度遙控分閘、微網控制器下發指令分閘、滿足就地離網判據自動分閘。開關具有3種并網模式，包括調度遙控同期合閘、微網控制器下發指令同期合閘、滿足就地并網判據自動同期合閘。根據微網運行需要，選擇相應的并、離網控制模式。

1.3 水庫容量管理

在水電微網中，水庫的作用相當于儲能系統，須對水位狀態實時監測，并根據水電機組的出力與實時水耗，計算剩余發電時間，便于調度管理。

2 小水電自動調頻

常規的小水電機組均不具備自動調頻功能，由于小型水輪機慣性小，且微網負荷波動時頻率變化較大，因此水電微網的頻率控制難度較大。在微網頻率越限時如果不能快速、精確的調整水輪機出力，將導致機組跳閘，造成微網停電，嚴重時還會燒毀電器設備。

為了保持微網頻率穩定，須要根據頻率變化，動態調整發電機組的輸出功率，使微網的頻率控制在目標范圍。小水電機組的調頻響應較慢，須經過多個傳動環節。圖2為水電機組調頻示意圖，小水電控制器配置高精度頻率測量算法，對電網的頻率、頻率變化率進行實時檢測，當水電控制器檢測到頻率出現偏差時，對偏差信號進行PID控制，PID控制器輸出信號經交流接觸器驅動調速器電機，改變水輪機進水量，從而調整水輪機轉速，最終達到頻率調整的目標。

圖2 水電機組調頻示意圖

小水電系統的調速器是通過打開和關閉調速器電機（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葉的位置和大小[7]。控制水的流動，其中沒有其他中間環節，永態轉差系數，所以轉速控制系統的PID控制方程簡化為：

與差分方程等效，上述傳遞函數各部分可寫為：

式中：Y(k)為當前時刻須要執行的位移（電動機調速器通斷時間）；T為采樣周期；K P為比例增益系數；K t為積分增益系數；K D為微分增益系數；T1V為微分環節時間常數。

3 微網控制策略

3.1 微網控制系統

微網控制系統主要由調度主站，水電控制器，微網分界開關控制器、微網控制器組成，微網系統結構如圖3所示。

圖3 微網系統結構圖

水電智能控制器。是實現水電智能化的關鍵設備，可控制水輪機的調速器、機組并網開關、勵磁系統，對水電機組進行自動開停機操作，通過調節水輪機的出力實現自動調節微網頻率。

分界開關控制器。具有配網自動化開關的基本功能，能實現對開關的遙信、遙測、遙控，配置線路保護。具有微網自動離網與并網功能：在電網發生故障時，可自動斷開開關，使微網離網運行；在電網恢復正常時，可通過自動同期把微網并入主網。

水電微網控制器。與水電控制器、并網開關、調度EMS系統建立通信，可采集水電機組、分界開關的功率等運行數據，可接收調度EMS系統的指令，對機組下發開、停機與調整出力命令，對分界開關下發分、合閘命令。具有對微電網的綜合控制功能，可根據調度主站下發的操作命令，結合水電機組、分界開關的運行狀態，進行微網并離網切換的程序化操作。

3.2 微網控制模式

微電網主要控制模式包括主從控制、對等控制、分層控制，水電微網根據網內電源的數量、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偏遠地帶，地區用電負荷較少，通常一個水電站可供應微網所有負荷，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電模式。

3.2.2 對等控制模式

對等控制模式是指微電網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系，每個分布式電源都根據接入系統點電壓和頻率的就地信息進行控制。對于這種控制模式，分布式電源控制器的策略選擇十分關鍵，目前常用的方法是下垂控制。當微網規模較大，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有中央控制器，用于向微網中的分布式電源發出控制信息。中心控制器首先對分布式電源發電功率和負荷需求量進行預測，然后制定相應的計劃，并根據實時采集的電壓、電流、功率等信息，對運行計劃進行調整。對于變電站級微網，可采用分層控制模式，由中央控制器向各水電站進行協調控制。

3.3 并離網控制流程

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

并網轉離網控制流程為：①微網控制器檢測分界開關潮流→②微網控制器對水電控制器下發功率調整指令，調整至分界開關零功率交換→③水電控制器將水輪機出力調整至目標值→④微網控制器對分界開關下發分閘指令→⑤分界開關執行分閘操作→⑥微網控制器對水電控制器下發指令，調整為恒壓、恒頻控制模式，自動調節微網電壓和頻率。

離網轉并網控制流程為：①微網控制器檢測微網電壓、頻率→②微網控制器下發調壓、調頻命令給水電控制器，令其自動調整電壓和頻率→③水電控制器調整勵磁與出力，使微網電壓、頻率在允許并網范圍→④微網控制器對分界開關下發同期并網指令→⑤分界開關執行同期并網操作→⑥微網控制器對水電控制器下發指令，將其轉換為恒功率運行模式。

4 試運行分析

根據以上技術方案開發的水電微網成套控制設備，已在韶關乳源智能電網示范區多個微網應用，并多次在主網停電時完成水電自組網保供電任務，現選擇其中一次組網范圍大、離網時間長的案例進行分析。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系統，對22個公用臺區和4個專用臺區不間斷供電，離網運行長達36 h。僅由水電機組進行頻率控制，離網運行期間在負荷頻繁變化的情況下，頻率、電壓長期控制在設置范圍。其離網運行頻率波形圖如圖4所示。運行數據顯示，水電微網離網運行有以下特征：頻率波動較大，因水電機組調節出力有一定延時，不具備電池儲能的功率快速控制能力；頻率調整比較頻率，發生一次負荷波動造成的微網頻率變化，機組須對調速器發出多次控制指令，這是由于PID控制時須對頻率進行反向超調引起的振蕩，須多次調節頻率才能趨向穩定。

圖4 離網運行頻率波形圖

5 結束語

本文提出一種智能水電微網組網及控制方法，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頻的難題。開發了適用于水電的微網控制器，實現了微網并離網無縫切換。以上微網控制策略已實現工程應用，其有效性在帶負荷離網運行中得到驗證。在小水電豐富地區，因地制宜開展水電微網建設，可大幅降低建設備用電源的電網投資，在較少的建設成本下，同樣能為山區提供可靠的電力供應。尤其在新能源為主體的新型電力系統，水電與光伏互補，可進一步提高微網的適用性與離網運行時間，有較好的推廣前景。