区域小水电与风力发电在孤网初期稳定性仿真

郑少铧，温永森，王玕，王智东，黎子豪，冯锺浩，张紫凡

（华南理工大学广州学院电气工程学院，广州 510800）

引言

南方地区有丰富的水资源和风资源，因地制宜发展分布式能源有助于减少煤炭消耗。在南方山区电网，存在风电和某地区的小水电接群入同一条线路的情况。当前对小水电群和风电组成的微电网及其与主电网的交互影响研究较少。

小水电群和风电组成的微电网接入主电网时[1,2]，由于主电网的支撑作用，稳定性问题不明显。当微电网与主电网的联络开关断开后，小型水力发电机组与风力发电分布式能源所在的微电网形成了孤岛状态[3]。由于山区小型水力发电，风力发电多运行在缺少储能设备的情况下，孤岛后电压和频率的稳定性问题是研究的关键点。孤岛若能够保持电压和频率的稳定，则有助于避免切机切负荷情况，提高供电可靠性。减小分布式能源接入区域配电网时所造成的影响[4]。

本文在Matlab/Simulink仿真软件的基础上对含有小水电群和风电的微电网系统进行了建模与仿真研究[5,6]，通过调整小水电的电源容量和水轮机的数量，分析区域小水电和风电在水轮机不同数量时对孤岛后电压和频率稳定性的影响。

1 风水微网

本文针对仅含小水电与风电的微电网进行孤岛初期的电压频率变化研究，小水电群、风电接入主电网的系统框图如图1 所示。

其中，水力发电为负荷1供电，通过升压变压器与主电网相连，风力发电一部分供给负荷2正常运行时，区域小水电群与风电接入到电网中，由主电网保持整个系统的稳定。当系统因转供电或者短期故障等原因，联络开关跳开后，区域小水电与风电分布式能源所在的微电网形成了孤岛。

1.1 风力发电模型

双馈型风力发电机控制器由两个PWM变流器对称连接．如图1双馈风力发电机模型所示[7-9]，转组连接的称为转子侧变流器（RSC），它通过产生不同幅值频率相位的三相电压调节发电机转矩和定子侧与电网交换的无功功率．与电网系统连接的称为网侧变流器（GSC），它与电网交换有功功率，功率的大小取决于转子侧变流器吸收或发出的有功功率。两个变流器可工作在整流或逆变状态。由于发电机定子侧和转子侧都可以向电网输送功率，因此称为“双馈”。风力发电机和双馈感应发电机系统如图2所示。

变流器由两部分组成：转子侧变流器和电网侧变流器，它们是彼此独立控制的。电力电子变流器的主要原理是转子侧变流器通过控制转子电流分量控制有功功率和无功功率，而电网侧变流器控制直流母线电压并确保变流器运行在统一功率因数（即零无功功率）。功率是馈入转子还是从转子提取，取决于传动链的运行条件：在超同步状态，功率从转子通过变流器馈入电网；而在欠同步状态，功率反方向传送。在两种情况（超同步和欠同步）下，定子都向电网馈电。

1.2 小水电模型

为了保证问题研究具有普遍性，选择了典型的电力系统—单机-无穷大系统[10]，如图3所示。直接利用PSB中的水轮机调速器模块、励磁调节器模块以及同步发电机来模拟小水电发电系统，利用变压器、输电线路、负载、标准电压源以及测量元件等模拟无穷大电力系统。同时来证明小水电是否具有惯性的特点。

图1 区域小水电、风电接入主电网系统框图

图2 风力发电机和双馈感应发电机系统

2 水风互补孤岛初期幅频变化情况

2.1 水风互补孤岛模型初始条件

进一步研究含水风互补的微电网运行情况，在Matlab平台上搭建含水力和风力联合发电的微电网模型，如图4，仿真的主要参数见表1。包括水力发电机、风力发电机、本地负荷、变压器以及断路器等模型，其中风电和区域小水电通过联络开关与主电网相连的场景进行仿真。

表1 本次仿真的主要参数

图3 小水电接入主电网系统图

图4 多水力和风力联合发电的微电网结构

2.2 水风互补孤岛模型仿真情况

为了观察与研究水风互补孤岛模型的仿真情况，在区域小水电与风电两种电源容量与各自的本地负荷相等的前提下，通过调整水轮机的电源容量和水轮机的数量，如表2所示5种场景进行仿真。仿真模型图如图4所示，其中风电、区域小水电通过联络开关与主电网相连。

图5为两台额定功率均为600 kW的水轮机与额定功率为600 kW的风力发电机同时工作下的水力发电频率和风力发电频率。从图中可以看出，刚开始运行时会伴随着小幅度的频率波动，随后稳定。0～1 s时，水电风电通过联络开关与主网联接，此时水电风电频率与主网频率同步。在1 s时，联络开关断开，频率会从50 Hz上升至52.6 Hz。4 s重新合闸后，频率在短时间出现激增随后下降，在4～5 s时经历了小幅度的频率波动后，水电频率和风电频率最终平滑的恢复至50 Hz。

图6为三台额定功率为600 kW的水轮机与额定功率为600 kW的风力发电机同时工作下的水力发电频率和风力发电频率。从图中可以看出，刚开始运行时会伴随着小幅度的频率波动，随后稳定。0～1 s时，水电风电通过联络开关与主网联接，此时水电风电频率与主网频率同步。在1 s时，联络开关断开，频率从50 Hz上升至52.8 Hz。4 s重新合闸后，水电频率和风电频率在49.5～50.9 Hz内持续震荡，5 s时频率波动减少，最终稳定在50 Hz上下。

表2 保持负荷比例不变下不同场景情况

图5 两台水轮机，额定功率均为600 kW（风力发电频率、水力发电频率）

图6 三台水轮机，额定功率均为600 kW（风力发电频率、水力发电频率）

图7 四台水轮机，额定功率均为600 kW（风力发电频率、水力发电频率）

图7为四台额定功率为600 kW的水轮机与额定功率为600 kW的风力发电机同时工作下的水力发电频率和风力发电频率。从图中可以看出，刚开始运行时会伴随着小幅度的频率波动，随后稳定。0～1 s时，水电风电通过联络开关与主网联接，此时水电风电频率与主网频率同步。在1 s时，联络开关断开，频率会从50 Hz上升至53.1 Hz。4 s重新合闸后，水电频率和风电频率在49～51.5 Hz内持续震荡，5 s时频率波动逐渐减小，最终稳定在50 Hz上下。

图8为三台额定功率为200 kW的水轮机与额定功率为600 kW的风力发电机同时工作下的水力发电频率和风力发电发电频率。从图中可以看出，刚开始运行时会伴随着小幅度的频率波动，随后稳定。0～1 s时，水电风电通过联络开关与主网联接，此时水电风电频率与主网频率同步。在1 s时，联络开关断开，频率会从50 Hz上升至61 Hz。4 s重新合闸后，频率缓慢下降，6 s时，频率下降至50 Hz。

图9为四台台额定功率为150 kW的水轮机与额定功率为600 kW的风力发电机同时工作下的水力发电频率和风力发电发电频率。从图中可以看出，刚开始运行时会伴随着小幅度的频率波动，随后稳定。0～1 s时，水电风电通过联络开关与主网联接，此时水电风电频率与主网频率同步。在1 s时，联络开关断开，频率会从50 Hz上升至62 Hz。4 s重新合闸后，频率缓慢下降，6 s时，频率下降至52 Hz上下。

从以上分析来看，区域小水电和风力发电联合运行时，不论水轮机的台数还是额定功率的改变，主网频率在0～1 s都会在50 Hz上下波动，在1～4 s时会逐步上升，4 s后频率会逐渐下降最后保持在50 Hz左右。当水轮机额定功率总和600 kW时，无论水轮机台数的多少，其仿真结果相似，断开主网后频率会上升至60.5 Hz左右。当每台水轮机的额定功率均为600 kW时，随着水轮机台数的增加，水轮机和风力发电机在处于孤岛情况下，频率上升的幅度越大，导致在4 s重新合闸时，有大幅度的频率冲击，给主网造成一定的负面影响。

分析5组仿真结果图，发现从并网效率以及对设备安全等方面来看，每台水轮机额定功率为600 kW时，两台至三台水轮机与风力发电机重新并网所带来的频率冲击更小，频率的变化量有3 Hz左右，较少的变化量致使水轮机和风力发电机重新并网后产生的冲击电流也不会过大，持续时间长。让设备超负荷抗压的时间也会缩短。因此选取两至三台水轮机，同时容量均为初始容量600 kW，在孤岛情况下的支撑作用效果更好，有效维持了电压和频率，重新并网时冲击电流也不会过大损伤设备。当水轮机额定功率总和为600 kW时，频率变化量超过了10 Hz，过大的频率变化量会给发电机以及主网造成一定过负荷，同时也可能造成不可逆的损害，因此建议增大水轮机的额定功率。

图8 三台水轮机，额定功率均为200 kW（风力发电频率、水力发电频率）

图9 四台水轮机，额定功率均为150 kW（风力发电频率、水力发电频率）

3 结论

结合山区风电和水电多运行在缺储能的实际情况，本文仿真缺储能水风微电网运行情况，重点进行孤岛初期幅频特性研究。仿真分析发现：水轮机容量总和一定时，区域小水电与风力联合发电效果相似，孤岛时产生的频率波动过大，重新并网可能会给主网带来一定的冲击。当每台水轮机等于初始容量时，频率的波动会随着水轮机的台数增加而扩大，但产生的频率波动比上一情况小，重新并网时给主网造成的冲击相对也小。考虑到区域小水电具有一定的库容，可以平抑水库短期来水不均的影响，而且，水电机组启停机时间短、运行灵活，因此可以利用水电机组的运行特性平抑风电出力的短期波动，同时利用水轮机的惯性特性，在孤岛后能够使频率最终稳定在并网频率范围内，完成重新并网，加强山区电网的稳定性。