本地负荷不同容量比下风水孤网稳定性仿真研究

李嘉琪，郑少铧，王玕，王智东，周培源，吴灿，张紫凡

（华南理工大学广州学院电气工程学院，广州 510800）

引言

为了减少煤炭石化资源的消耗，南方山区根据自身自然条件优势，发展风电和水电等分布式能源[1,2]，有力支撑了电网。在山区电网中，存在风电和小水电接入同一配电网支线的情况，风电、小水电和各自本地负荷一起组成了微电网[3,4]。风电和小水电除了满足本地负荷需求外，在发电过剩时还可以向主电网输送电能；由于分布式能源的季节性、间歇性和波动性特点，风电和小水电发电不够时，由主电网向本地负荷供电。由风电和小水电组成的风水微电网与主电网的交互影响研究[5]，具有重要的工程应用价值，也日益引起了研究重视。

风水微电网与主电网的联络开关断开后，出于保护风水设备、避免风水微电网出现过压过频的考虑[6,7]，当前普遍采用切机切负荷的做法[8]，但存在着停电时间过长的问题。因此，加强风水微电网与主电网的联络开关跳闸后形成孤网的特性研究[9,10]，尤其是孤网初期的幅频特性及其相关的影响因素研究，将有助于为探索新型的风水孤网的复网方式提供理论支撑。

本文在分析风水孤网的电源影响情况基础上，进一步考虑风电和小水电通常分散在山区电网的不同位置，重点研究风电和小水电不同本地负荷对风水孤网的稳定性影响。Matlab/Simulink仿真软件的基础上对仅含小水电和风电的微电网系统进行了建模与仿真研究，在本地小水电与风电两种电源容量和本地负荷相等的前提下，通过调整风电和小水电的本地负荷比例，分析小水电和风电不同发电比例对孤岛后电压和频率稳定性的影响。

1 双馈风力发电机模型

双馈风力发电机的模型主要由机械动力模型、双馈感应电机模型、背靠背变流器模型以及锁相环模型等组成，它的结构如图1所示，转子绕组通过背靠背变流器与电网连接，定子绕组直接与电网相连，随着发电机转速的调节，转差功率经过背靠背变流器与电网进行交换，因此变流器设计容量降低至风机额定功率的25～30 %，因此风机转速可以在额定值的±30 %范围内变化。当风机转速变化时，励磁电流的频率也会随之调节，从而实现双馈风机的变速恒运行。当发电机转速大于同步转速时，双馈风机运行在超同步转速工况，功率由转子通过变流器馈入电力系统；当双馈风机运行在次同步转速工况，功率由电力系统通过变流器向转子馈入功率。

2 MATLAB的风水微电网模型

深入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2所示，主要参数包括：DFIG额定功率为1 000 kW，风速为10 m/s，水轮机额定功率1 000 kW，温度为25 ℃，1.0 s时断开并网断路器，4.0 s时重新合上断路器。仿真模型图如图2所示，其中风电、小水电通过联络开关与主电网相连。

3 孤岛初期幅频变化情况的仿真分析

在Matlab平台利用搭建好的水力和风力联合发电的微电网模型，在本地小水电与风电两种电源容量相等的前提下，通过调整小水电与风电的负荷占比比例进行仿真，观察与分析水风互补孤岛模型的仿真情况，仿真场景分别如表1所示。

图1 双馈风力发电机结构图

图3为小水电负荷占比与风电负荷占比比例为2:8场景下的水力发电频率和风力发电频率。从图中可以看出，在0～1 s时，风电水电通过联络开关与主网相连，水电与风电的频率与主网同步为50。1 s时，联络开关断开，水电和风电频率由50上升到55，4 s时已经上升到56左右 ，4 s后，重新闭合联络开关，水电与风电频率下降，5 s时分别下降到到51、50左右波动，最终水电频率稳定在50，风电频率稳定在50。

图2 水力和风力联合发电的微电网结构

表1 保持电源比例不变下不同场景情况

图4为小水电负荷占比与风电负荷占比比例为3:7场景下的水力发电频率和风力发电频率。从图中可以看出，在0～1 s时，风电水电通过联络开关与主网相连，水电与风电的频率与主网同步为50。1 s时，联络开关断开，水电和风电频率由50上升到51，4 s时已经上升到51.5左右 ，4 s后，重新闭合联络开关，水电与风电频率下降，5 s时分别下降到到49.5、50左右波动，最终水电频率稳定在50，风电频率稳定在50。

图3 水风负荷占比2:8 频率变化图

图4 水风负荷占比3:7 频率变化图

图5为小水电负荷占比与风电负荷占比比例为5:5场景下的水力发电频率和风力发电频率。从图中可以看出，在0～1 s时，风电水电通过联络开关与主网相连，水电与风电的频率与主网同步为50。1 s时，联络开关断开，水电和风电频率由50下降到44，4 s时已经下降到43左右 ，4 s后，重新闭合联络开关，水电与风电频率上升，5 s时分别上升到到49、50左右波动，最终水电频率稳定在50，风电频率稳定在50。

图6为小水电负荷占比与风电负荷占比比例为7:3场景下的水力发电频率和风力发电频率。从图中可以看出，在0～1 s时，风电水电通过联络开关与主网相连，水电与风电的频率与主网同步为50。1 s时，联络开关断开，水电和风电频率由50下降到40，4 s时已经下降到36左右 ，4 s后，重新闭合联络开关，水电与风电频率上升，5 s时分别上升到到50左右波动，最终水电频率稳定在50，风电频率稳定在50。

图7为小水电负荷占比与风电负荷占比比例为8:2场景下的水力发电频率和风力发电频率。从图中可以看出，在0～1 s时，风电水电通过联络开关与主网相连，水电与风电的频率与主网同步为50。1 s时，联络开关断开，水电和风电频率由50下降到35，4 s时已经下降到32左右 ，4 s后，重新闭合联络开关，水电与风电频率下降，5 s时分别下降到到20左右，最终水电频率和风电频率都未能恢复到50。

通过观察仿真结果图3～图7可以看出，水力与风力发电机联合孤岛发电运行时，小水电系统与风力系统通过变压后相连再与并网断路器接入电网系统，所以两者的各自频率变化趋势是一样的。并且频率会因两者负荷比例差距过大而导致频率波动幅度加大。小水电负荷占比与风电负荷占比因不同场景变化时，水电与风电的频率在1 s内能稳定在50 Hz。

图5 水风负荷占比5:5 频率变化图

图6 水风负荷占比7:3 频率变化图

图7 水风负荷占比8:2 频率变化图

当小水电负荷占比与风电负荷占比为2:8时，在1～4 s内上升到55 Hz左右，第4 s后水电与风电的频率下降稳定在50 Hz。当小水电负荷占比与风电负荷占比为3:7时，在1～4 s内上升到51 Hz左右，第4 s后水电与风电的频率下降稳定在50 Hz，呈现先上升再下降回复的趋势。当小水电负荷占比与风电负荷占比为5:5时，在1～4 s内下降到43 Hz左右，第4 s后水电与风电的频率上升稳定在50 Hz。当小水电负荷占比与风电负荷占比为7:3时，在1～4 s内下降到36 Hz左右，第4 s后水电与风电的频率上升稳定在50 Hz，呈现先下降再上升回复的趋势。当小水电负荷占比与风电负荷占比为8:2时，在1～4 s内下降到32 Hz左右，第4 s后水电与风电的频率仍然下降至20 Hz左右，未能稳定在50 Hz。

分析5组仿真图的结果，从并网频率效率以及设备安全方面分析，当小水电负荷占比与风电负荷占比为3:7时为最佳。在该比例下水电与风电的频率在1～4 s内的变化量为1 Hz，并且在4 s后水电与风电的频率能稳定在50 Hz左右。从原理图的负荷占比比例方面分析，当小水电负荷占比与风电负荷占比为3:7与7:3时都为变化转折点。小水电负荷占比与风电负荷占比以5:5为界限。若小水电负荷占比小，即小水电负荷占比与风电负荷占比低于5:5时 ，表示小水电系统能产生多余的电力，在第1～4 s孤岛情况下小水电系统能为风电系统补偿电力。若小水电负荷占比大，小水电负荷占比与风电负荷占比高于5:5，表示风电系统能产生多余的电力，在第1～4 s孤岛情况下风电系统能为小水电系统补偿电力。为此通过观察仿真图看出当小水电负荷占比与风电负荷占比高于3:7时，水电与风电的频率变化趋势由先上升再下降回复转变为先下降再上升回复。当小水电负荷占比与风电负荷占比高于7:3时，水电与风电的频率会一直下降，没有回复到50 Hz。说明水轮机负荷远高于风机负荷的时候，由于水轮机自身惯性特性，水轮机超负荷工作，在孤岛时风机补偿也无法平衡负荷的大小，会导致整体电路出现崩溃现象进而无法重新并网。

4 结论

结合山区风电和水电多运行在缺储能的实际情况，本文针对缺储能水风微电网运行情况进行仿真，重点研究孤岛初期幅频特性。仿真分析发现：断开主网后，由于水轮机的惯性特性，水电孤岛后频率围绕50 Hz波动最终会稳定在50 Hz，电压波动幅度与负荷大小比有关，频率的变化趋势与负荷大小比呈反比的关系；DFIG风电孤岛运行时容易出现电压崩溃现象；而水风互补由于水电对电压的支撑作用，孤岛运行时具有较好的稳定性。仿真同时发现风电微电网孤岛运行时，即使在缺储能情况下，微电网符合有条件稳定的特征，有望避免当前山区电网发生孤岛情况就采取切机切负荷的一刀切做法，甚至还可以在符合并网条件下快速并网，从而提高山区供电稳定性。