负载率对孤立海岛微电网暂态稳定性的影响

张贻娜，高超峰，王文明，朱文江，胡 明

(中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

我国临海海域广阔且海岛众多，近岸海岛可通过海岛电缆从大陆电网引电，而较为偏远的海岛则必须建立孤立海岛微电网来满足自身用电。这种孤立海岛微电网多采用小功率分布式新能源作为电源，网架结构简单，往往具有电源间歇不稳定、低可靠、网架耦合性强等特点，其系统稳定性本就难以保证，加之海岛负载多为工业、旅游用电，季节性、时段性强，常常出现较大差别的不同等级负载情况，这对系统暂态稳定性会有直接影响。

目前，国内外关于孤立海岛微电网设计、稳定性分析及控制策略、分布式能源接入、能量管理系统等已有较多研究[1-9]，但关于负载率对海岛孤立微电网暂态稳定性的影响研究仍然较少。

本文根据负载率由低到高，将某孤立海岛微电网划分为重度轻载、轻度轻载、水平适中、轻度重载、重度重载这5个负载水平等级，并对5个负载水平等级下的孤立海岛微电网进行一系列暂态稳定性仿真分析，包括柴油机单台机切机、大负荷突增、大负荷突减。以探究负载率对海岛微电网暂态稳定性的影响，可为海岛规划设计、负荷运行管理、稳定性控制策略制定等提供重要参考依据，具有较为重要的研究意义与应用价值。

1 孤立海岛微电网设计及负载水平设置

以某孤立海岛微电网设计[10]为例：8台1 MW柴油机，8台40 kW风机，建设10 kV线路，形成多分段且环网的供电结构，平时开环运行(H4和H5一闭一合)，各区域内发电机组采用分区块集中发电上网模式。其电源布置及电力系统设计如图1。

图1 孤立海岛微电网拓扑图Fig.1 Topology of isolated island microgrid

从调度仿真的数据中选取5种可能运行情况，对应5种负载水平。每种负载水平所运行柴油发电机台数按照如下原则选取：单台柴油发电机最佳负荷率约为75%，包含一定功率裕量，又可保证经济性。最低负载要求30%左右，低于此值，柴油发电机单位功率耗油量较大，将影响其运行寿命。除柴油机外其他分布式电源均投入运行。负载水平配置如表1。

2 不同负载率下的暂态稳定性分析

搭建海岛微电网模型[11-15]，并针对5种负载水平分别进行柴油机切机、大负荷突增、大负荷突减暂态稳定性仿真，对比不同负载率情况下的暂态稳定性。

表1 5种负载水平及柴油机配置Table 1 Five load levels and diesel engine configuration

2.1 柴油发电机切机

柴油发电机保护配置如表2所示。

表2 柴油发电机保护配置Table 2 Diesel engine protection configuration

针对5种负载场景进行单台柴油发电机(T1-3)切机事件仿真，结果如图2—11所示。

图2 切机-重度轻载系统频率Fig.2 Generator tripping-heavy light load system frequency

图3 切机-重度轻载首末端电压Fig.3 Generator tripping-heavy light load system voltage

图4 切机-轻度轻载系统频率Fig.4 Generator tripping-mild light load system frequency

图5 切机-轻度轻载首末端电压Fig.5 Generator tripping-mild light load system voltage

图6 切机-水平适中系统频率Fig.6 Generator tripping-moderate load system frequency

图7 切机-水平适中首末端电压Fig.7 Generator tripping-moderate load system system voltage

图8 切机-轻度重载系统频率Fig.8 Generator tripping-mild heavy load system frequency

图9 切机-轻度重载首末端电压Fig.9 Generator tripping-mild heavy load system voltage

图10 切机-重度重载系统频率Fig.10 Generator tripping-heavy heavy load system frequency

图11 切机-重度重载首末端电压Fig.11 Generator tripping-heavy heavy load system system voltage

通过以上对比分析可知，当发生切机故障时，不同负载率的暂态稳定性波动不同，其波动程度由大到小依次是：重度轻载、轻度轻载、水平适中、轻度重载、重度重载。可见在剩余电源容量足够保证系统恢复稳定的前提下，负载率越大，单台机切机故障电压、频率波动越小。这是因为多数负载为感性负载且并联于系统中，负载率越大其电抗总体值越小，与电抗值成反比的功率极限就越大，故稳定性越好。

2.2 大负荷突增

针对5种负载水平进行大负荷突增仿真：对重度轻载、轻度轻载、水平适中、轻度重载和重度重载分别进行70%、70%、70%、50%和20%的负荷阶跃分析，结果如图12—21所示。

负荷阶跃百分比说明：针对“重度轻载”、“轻度轻载”和“水平适中”可进行70%负荷阶跃仿真分析，以校验系统的抗扰动能力；但针对“轻度重载”、“重度重载”，因其对应的负荷率较高，进行70%负荷突增仿真不合理，故分别做50%、20%负荷阶跃分析。

图12 负荷突增-重度轻载系统频率Fig.12 Sudden increase of load-heavy light load system frequency

图13 负荷突增-重度轻载首末端电压Fig.13 Sudden increase of load-heavy light load system voltage

图14 负荷突增-轻度轻载系统频率Fig.14 Sudden increase of load-mild light load system frequency

图15 负荷突增-轻度轻载首末端电压Fig.15 Sudden increase of load-mild light load system voltage

图16 负荷突增-水平适中系统频率Fig.16 Sudden increase of load-moderate load system frequency

图17 负荷突增-水平适中首末端电压Fig.17 Sudden increase of load-moderate load system voltage

图18 负荷突增-轻度重载系统频率Fig.18 Sudden increase of load-mild heavy load system frequency

图19 负荷突增-轻度重载首末端电压Fig.19 Sudden increase of load-mild heavy load system voltage

图20 负荷突增-重度重载系统频率Fig.20 Sudden increase of load-heavy heavy load system frequency

图21 负荷突增-重度重载首末端电压Fig.21 Sudden increase of load-heavy heavy load system voltage

通过以上对比分析，当发生大负荷突增时，不同负载率下的电压、频率波动大小不同，其波动程度由大到小依次是：水平适中、轻度轻载、轻度重载、重度轻载、重度重载。可见负荷阶跃百分比不同时，孤立海岛微电网暂态稳定性由负载率和阶跃百分比共同决定。

2.3 大负荷突减

针对5种负载水平均进行70%大负荷突减仿真：5 s时系统负荷突减，30 s时仿真结束，结果如图22—31。

图22 负荷突减-重度轻载系统频率Fig.22 Sudden decrease of load-heavy light load system frequency

图23 负荷突减-重度轻载首末端电压Fig.23 Sudden decrease of load-heavy light load system voltage

通过以上对比分析，当大负荷突减时，不同负载率的暂态稳定性波动不同，其波动程度由大到小依次是：重度重载、轻度重载、水平适中、轻度轻载、重度轻载。可见负荷阶跃百分比相同时，负载率越大孤立海岛微电网暂态稳定性越差。

图24 负荷突减-轻度轻载系统频率Fig.24 Sudden decrease of load-mild light load system system frequency

图25 负荷突减-轻度轻载首末端电压Fig.25 Sudden decrease of load-mild light load system system voltage

图26 负荷突减-水平适中系统频率Fig.26 Sudden decrease of load-moderate load system frequency

图27 负荷突减-水平适中首末端电压Fig.27 Sudden decrease of load-moderate load system voltage

图28 负荷突减-轻度重载系统频率Fig.28 Sudden decrease of load-mild heavy load system frequency

图29 负荷突减-轻度重载首末端电压Fig.29 Sudden decrease of load-mild heavy load system voltage

图30 负荷突减-重度重载系统频率Fig.30 Sudden decrease of load-heavy heavy load system frequency

图31 负荷突减-重度重载首末端电压Fig.31 Sudden decrease of load-heavy heavy load system voltage

3 结论

通过对比分析5种负载率下海岛微电网暂态稳定性，可得出以下结论：发生单台机切机故障时，在剩余容量足够使系统最终恢复稳定的前提下，负载率越大，暂态稳定性越好；负荷阶跃百分比相同时，负荷率越大其暂态稳定性越差；当负荷阶跃百分比不同时，其暂态稳定性由负荷率及负荷阶跃百分比共同决定。