水电微电网平滑切换策略

黄玉琛，张秋萍，陈智聪

（1.广东电网有限责任公司韶关供电局，广东 韶关 512000；2.武汉大学电气与自动化学院，湖北 武汉 430072）

对于维持偏远山区的供电，分布式电源（distributed generation，DG）是不可替代且行之有效地供电方式。受限于投资策略和环境保护，变电站基本采用“单线单变”供电结构，网架结构单薄，停电检修或线路故障均易造成区域停电事件，供电可靠性低。小水电改造成本低、改造技术成熟，库容式小水电调频调压能力较好，可视作稳定可控电源[1]，以小水电为分布式电源的微电网通过联络开关接入配电网，联络开关闭合与断开的状态决定了微电网的运行模式。开关闭合意味着微电网并入配电网运行，开关断开说明微电网脱网独立运行[2]。当主网发生故障时，微电网应进行模式切换，保证电网服务优良性。

在水电微电网研究方面，国外关于水电站调度模型和算法起步较早，在该领域已有相对完善的学术成果。我国在小水电方面也有许多研究，在水资源丰富的偏远地区，典型微电源为小水电，对水电微电网进行优化调度、运行控制等相关研究对解决偏远山区供电困难问题具有重要意义[3-5]。对于暂态频率分析，主要有全状态时域仿真法、单机等值模型法、线性化分析法和人工智能法等可快速完成暂态频率分析[6]。水电微电网离网基于孤岛划分原则，在孤岛划分研究方面，国内外学者进行了广泛研究。孤岛划分在确定孤岛时，须遵循一定原则，其优化目标主要包括降低网损、均衡负荷、提升供电可靠性、改善电压质量、降低成本，需考虑的约束有拓扑约束、潮流约束、状态量约束、设备约束等[7-8]。传统的孤岛划分建立树背包（TKP）求解，如文献[9]和文献[10]利用最小生成树模型进行孤岛划分求解，前者计及负荷并采用sollin 算法求解，有效提高DG利用率和计算速度，后者采取改进遗传算法求解并进行孤岛融合，但是均忽略了分布式电源出力和负荷的动态变换特性。孤岛划分在输电网和配电网方面均已取得较好的研究成果，但在算法计算精度和计算速度、综合考虑不同约束条件的模型建立等方面仍存在很大的研究空间和很好的研究前景。

1 小水电微电网

1.1 微电网

各个国家基于自身国情对微电网进行定义。综合各国定义而言，微电网是由各种DG、储能装置、负荷单元以及完善的能量管理系统集成的小型发配电系统，可进行自我控制和自我能量管理[11]。

微电网的运行模式不是单一的，根据微电网与主网的联系主要分为两种，一是并网运行，二是孤岛运行[2]。当主网发生故障或电网电能质量无法满足负荷需求，微电网根据离网策略可平滑切换到孤岛运行模式，尽量保证网内各种等级负荷不断电。

为实现微电网并网/离网模式的平滑切换，减少对电网带来的不利影响，优化微电网控制策略极为重要。从微电网整体控制角度而言，其典型运行控制策略主要有两种[12]。主从控制和对等控制，两种控制策略各有优劣，根据不同运行情况可选择不同控制策略。

微电网作为主网与DG的连接枢纽，与DG的发展密不可分、相辅相成。微电网的研究基础厚实，在协调控制、项目建设、应急检修、运行调度、市场交易等方面的技术有很大研究进展和突破。

微电网对高渗透率DG 的极强消纳能力、微电网在偏远地区的较高适用性以及微电网的诸多特征都让微电网成为电力系统必不可少的一个环节。微电网也在向着更高层次发展，与配电网高层次友好良性互动、承载信息和能源、综合有效利用多种分布式新能源都将是微电网的未来发展方向[13-14]。

1.2 小水电微电网

小水电微电网，顾名思义，是分布式电源为小水电的微电网。小水电微电网主要包括小水电、储能装置、负荷、监控和保护装置等能量管理系统。

小水电作为分布式电源，其接入对电网有一定影响。小水电的发电能力具有明显的季节性特点，受自然因素影响，存在丰水期和枯水期。当小水电处于丰水期时，来水量大，小水电的输出功率多，为使处于电网中后端的小水电可按要求上网，发电机会调高输出电压，导致电网末端电压高于额定值，可能损毁设备；当小水电处于枯水期时，小水电的输出功率很少甚至没有，电网末端电压则会低于额定值。尽管如此，小水电可作为电源进行调峰调频，稳定电网电压和频率，具有极大的发展前景，促进电网建设。

小水电发电特性与季节、气候等自然因素相关，出力随机非连续且无法预测，发电能力存在极大不确定性，与其他可控电源一起协调发电可使电网更加稳定可靠。小水电微电网中主力电源为小水电，可增加潮汐发电、光伏发电等清洁发电形式。

储能装置可平抑功率波动，缓解因扰动产生的功率不平衡，维持电网系统稳定，包括飞轮、蓄电池等常见的储能装置及水库等类储能装置。我国库容式小水电可通过调节水流量来调节小水电的输出功率，减少弃水现象，稳定电网电压和频率。

小水电微电网的负荷也是随时变化的，从而促使微电网运行状态量发生相应的改变。综合考虑负荷相关因素，合理建立负荷模型，监控负荷变化并进行可靠预测，从而进行负荷控制，可以缓解因扰动产生的功率不平衡现象。

监控和保护装置负责对微电网的各种突发情况应有所预警并及时处理，其中，监控装置负责监控电网实时运行状态，保护装置负责电网故障处理[3]，使微电网运行性能有所保障。

小水电微电网可以小水电为单一电源，也可在此基础上加入其他分布式电源。不考虑保护装置与自动装置的结构图如图1 所示。小水电的接入方式包括串接型、并接型和树型，在图中均有体现。

小水电微电网研究空间大，相对于风力发电、光伏发电而言，小水电优势明显，其规模可控，改造成本低、改造技术成熟，库容式小水电调频调压能力较好，可视作稳定可控电源，部分径流式小水电也可建设小型水库作为储能单元构成可控可调节电源，对维持电网的电压频率稳定具有重要作用。

2 离网策略数学模型

小水电微电网可以并入区域配电网运行，也可以脱离配电网独立运行。当上级电网出现如主变失压、频率越限、维修等大停电事件时，微电网与主网断开。此时，微电网内的小水电输出功率与负荷功率的大小关系决定了微电网是否能够稳定运行。微电网离网形成孤岛的方式有两种，一是计划孤岛，二是非计划孤岛。当出现大停电事件时，需提前制定孤岛划分策略，保证微电网完成计划孤岛运行。

2.1 目标函数

孤岛划分是指根据负荷功率、DG容量、DG接入位置、DG调节能力、储能装置等电网实际情况，通过改变开关状态合理划分孤岛区域，保证孤岛稳定运行。微电网模式无缝切换依赖于科学合理的孤岛划分策略，IEEE Std 1547.4—2011 标准规定计划孤岛实现一般有几个考虑因素[8]：负荷和DG均具有动态特性；电压与频率禁止越限；不同类型开关的动作策略；微电网易于恢复并网运行模式，进行合理的切负荷操作。

综合考虑种种因素，微电网从并网模式到孤岛运行模式过渡期间，遵循以下几个孤岛划分原则[2]：尽可能保证一级负荷供电；尽可能保证更多其他负荷供电；微电网可方便迅速接入主网，孤岛数目越少即解列点越少，越容易完成并网；网络损耗小，微电网规模越大，网络损耗便越大。

小水电微电网在孤岛运行模式下，需给微电网配置许多储能装置以快速平抑切换瞬间的不平衡功率，从而保证微电网孤岛运行稳定安全，但是储能装置配置成本高，无法大量配置，故不考虑微电网长期保持孤岛运行状态，即网络损耗不是孤岛划分需考虑的主要因素，尽可能形成大规模微电网。并且，考虑小水电微电网后续重新并网，则要求解列点数目尽可能少。

小水电可以主动响应微电网的频率变化调整其输出功率，但由于暂态过渡时间短，小水电功率调节速度与容量有限，需提前进行快速正确的切负荷控制来实现微电网孤岛运行时功率平衡，是微电网实现模式顺利转换的关键。

本文主要考虑单一故障下形成单个大孤岛。确立目标函数，使切负荷损失最少，即切除负荷功率最少且失电用户数最少，并以保证一级负荷供电为前提，保证更多二级负荷与三级负荷实现用电。

假设每个负荷均有相应的开关来决定负荷切除与否，引入权重系数表征负荷的重要等级，以开关状态即是否切负荷为决策变量，得目标函数：

式中：xi为各开关状态，i为0-1变量；xi=0为开关不动作即负荷不切除；xi=1 开关动作即负荷切除；λi为权重系数；PLoadi为切除负荷的有功；n为负荷数量。权重系数按等级划分分别为100、10、1。在模型求解中，将其缩小100 倍进行计算，即分别为1、0.1、0.01。

2.2 约束条件

孤岛划分的常规约束条件均为稳态约束。本设计只考虑形成单个大孤岛，故不考虑网络拓扑约束；而且，本设计只考虑DG 出力无法满足负荷需求的情况；假设负荷为恒功率负荷。

功率平衡约束：功率缺额为0。

稳态频率约束：

DG出力约束：每一台DG出力不超过其可输出功率范围。

式中：n为负荷数目；PLoadi为负荷i的有功；PDGj为小水电j的出力；PDGj_max、PDGj_min分别为小水电j出力上下限；m为小水电数量；Δfmax、Δfmin分别为稳态频率范围的上下限。

3 仿真分析

本文仅考虑以小水电作为分布式电源的微电网，其结构图如图1所示。小水电接入方式包括串接型、并接型和树型，在图中均可体现。具有调节能力的小水电有3台，即DG1，DG2和DG3，其输出有功功率标幺值及其上下限如表1所示，其他的小水电不可进行功率调节，故不考虑其出力上下限；微电网带10个恒功率负荷，其功率标幺值及权重系数如表2所示。

表1 小水电输出功率

表2 负荷有功功率

暂不考虑潮流分布，忽略支路传输功率、无功-电压特性等因素影响，仅考虑功率平衡与稳态频率约束，Δfmax=0.004，Δfmin=-0.004，即频率偏差为±2 Hz，功率缺额为0.83，进行仿真分析。利用MATLAB及CPLEX求解器求解，得出切负荷结果。

在满足功率平衡约束条件下，稳态频率标幺值为-0.0033，大于-0.004，满足稳态频率约束；3 台发电机中DG1 增发功率未超过约束范围，DG2 和DG3均达到增发功率限额，以满发状态运行。

基于表3 切负荷量结果，当以0.58 为切负荷量进行切负荷操作时，运行模式转换的过渡过程的频率差变化如图2所示。

表3 切除负荷量结果

图2 频率差变化图

在此基础上，当功率缺额增大时，在不改变可调频发电机的情况下，切负荷量增加；当在同样的功率缺额下，增大可调频发电机的数量时，则切负荷量减少。

4 结束语

随着技术发展和电网需求，微电网和DG 在电力领域中的地位越来越重要。制定小水电微电网离网策略是实现微电网由并网运行平滑过渡到孤岛运行的关键一步，对实现DG 最大效用、保证负荷连续供电、提供电网运行可靠性稳定性具有重要意义。

本文提出考虑功率平衡约束和频率约束的水电微电网离网策略。通过分析计算结果，发现此策略能够有效解决微电网离网过程中的频率越限问题，防止微电网崩溃，保证微电网孤网时稳定运行。稳态频率约束的考虑方式及其对小水电输出功率的处理方法跟其他研究的处理方法存在差别，在小规模微电网应用中具有良好效果，能够体现小水电输出功率具有分段特性，并且解决频率越限问题，使其顺利过渡，稳定运行。