黃維峰

廣東粵電石碑山風(fēng)能開(kāi)發(fā)有限公司 廣東揭陽(yáng) 515223

現(xiàn)階段，雖說(shuō)水電在某些方面存有一定的局限性，對(duì)我國(guó)水電站的開(kāi)發(fā)建設(shè)及規(guī)模的擴(kuò)大不會(huì)造成太多影響，但也不可能忽視，如果不加以控制，可能會(huì)存在安全隱患。在某些水電占比較高的電網(wǎng)中，主要是通過(guò)水輪機(jī)來(lái)疏導(dǎo)過(guò)大的電負(fù)荷，其作用機(jī)理是通過(guò)擴(kuò)大導(dǎo)水葉開(kāi)度，來(lái)改善電能有功功率的輸出效率[1]。但是在輸出功率提高之前，由于水錘效應(yīng)的存在，會(huì)使功率有一個(gè)短暫的下跌過(guò)程，然后才能逐步提升功率的輸出率，這一過(guò)程導(dǎo)致系統(tǒng)的有功功率出現(xiàn)不平衡的狀況，使電網(wǎng)頻率超出正常范圍，如果發(fā)電機(jī)大面積解列，電網(wǎng)無(wú)法承受這樣的負(fù)荷時(shí)就會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。風(fēng)電相較于其他發(fā)電方式來(lái)說(shuō)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，國(guó)家政策的扶持力度較大，具有較好的市場(chǎng)前景，風(fēng)電的可開(kāi)發(fā)性較大[2]。

1 風(fēng)電補(bǔ)償水電系統(tǒng)水錘效應(yīng)的控制策略

1.1 風(fēng)電補(bǔ)償水錘效應(yīng)的控制流程

實(shí)現(xiàn)水錘效應(yīng)的控制，主要通過(guò)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)完成，結(jié)合原有慣性控制策略，增加新的控制環(huán)節(jié)可以有效平衡整風(fēng)機(jī)的輸出有功功率，其作用機(jī)理是借助雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性，合理控制水輪機(jī)導(dǎo)水葉開(kāi)度，以此實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率中電臺(tái)變化的實(shí)時(shí)響應(yīng)，再由水錘效應(yīng)產(chǎn)生的功率缺額進(jìn)行控制，基本的控制流程如下：

（1）實(shí)時(shí)對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)；

（2）有效輸出功率的補(bǔ)償參考數(shù)據(jù)通過(guò)風(fēng)機(jī)的虛擬慣性控制得到，其主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)頻率的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，故第一時(shí)間就可以獲取到有效參數(shù)的值，此處為Pf；

（3）監(jiān)測(cè)水輪機(jī)導(dǎo)水葉開(kāi)度的數(shù)據(jù)是否恒定。水錘效應(yīng)產(chǎn)生是因?yàn)閷?dǎo)水葉開(kāi)度發(fā)生了變化，一般情況下，只要電網(wǎng)頻率在水輪機(jī)調(diào)速器的有效可控范圍內(nèi)，就可以避免水輪機(jī)調(diào)速器產(chǎn)生作用導(dǎo)致的水錘效應(yīng)，而且虛擬慣性控制完全可以應(yīng)對(duì)正常情況下的電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)監(jiān)控[3]。

（4）如果情況與步驟3剛好相反，即電網(wǎng)頻率超出了水輪機(jī)調(diào)速器的有效可控范圍，引發(fā)水輪機(jī)調(diào)速器，導(dǎo)致水輪機(jī)導(dǎo)水葉開(kāi)度發(fā)生變化，從而產(chǎn)生水錘效應(yīng)。此時(shí)就需要增加新的控制環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，輔助風(fēng)機(jī)配合水輪機(jī)導(dǎo)水葉開(kāi)度產(chǎn)生的變化，以此獲取補(bǔ)償參考數(shù)值，稱為功率補(bǔ)償參考值Pμ；

（5）獲取總的風(fēng)機(jī)補(bǔ)償功率參考值PTe_ref。

1.2 控制風(fēng)電補(bǔ)償水錘效應(yīng)的舉措

圖1所示為控制方法的基本流程以及所涉及到的主要控制器。Δf與dΔf/dt是功率控制環(huán)節(jié)的兩個(gè)主要回路。在第一回路中，風(fēng)機(jī)的功率由Δf的比例進(jìn)行控制，Pf1為最終輸出功率的結(jié)果，故實(shí)測(cè)及參考頻率所產(chǎn)生的絕對(duì)誤差值可用公式（1）計(jì)算：

式中，-Kpf為比例系數(shù)，Δf實(shí)測(cè)與參考頻率產(chǎn)生的偏差。

在第二回路中，主要進(jìn)行慣性控制操作，dΔf/dt進(jìn)行比例控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體公式如下：

式中，Kdf依然是一個(gè)比例系數(shù)，不錯(cuò)在此處它的含義是增加的等效慣性值。在慣性控制環(huán)節(jié)，得到的第一參考數(shù)據(jù)計(jì)算公式為：

圖1 利用風(fēng)電補(bǔ)償控制水錘效應(yīng)的原理圖

圖1中，新附加控制中的回路1由Δμ經(jīng)過(guò)比例環(huán)節(jié)組成。導(dǎo)水葉開(kāi)始工作時(shí)，可利用此控制環(huán)節(jié)對(duì)風(fēng)機(jī)輸出的電磁功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（5）：

回路2中，dΔμ/dt主要由濾波器和比例環(huán)節(jié)構(gòu)成，該回路中的輸出功率可用公式（6）表示：

其中，對(duì)新附加控制所產(chǎn)生的功率可用公式（7）進(jìn)行計(jì)算：

為了避免風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低，應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，通常取值0．7pu。由此得出，計(jì)算虛擬慣性控制環(huán)節(jié)和新附加控制環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的功率公式為式（8）：

則風(fēng)機(jī)輸出的參考功率為

2 考慮水錘效應(yīng)的電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)解析方法

在一部分電網(wǎng)中，水輪機(jī)的占比會(huì)比較高，因此水錘效應(yīng)的發(fā)生概率以及其帶來(lái)的不利影響也會(huì)比較大。由于水錘效應(yīng)的存在，當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)受到較大的負(fù)荷干擾時(shí)，無(wú)法進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，而且水錘效應(yīng)還會(huì)使電網(wǎng)的有功功率缺額持續(xù)擴(kuò)大，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的頻率造成嚴(yán)重的不利影響，破壞電網(wǎng)的安全運(yùn)行，故需要充分重視?？梢酝ㄟ^(guò)全狀態(tài)時(shí)域法對(duì)大型互聯(lián)電網(wǎng)進(jìn)行分析，其特點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)進(jìn)行仿真解析，耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，也正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，該法不能及時(shí)監(jiān)測(cè)到水錘效應(yīng)的產(chǎn)生，全時(shí)域分析法無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速分析水錘效應(yīng)所產(chǎn)生的影響[4]。而通過(guò)簡(jiǎn)化水輪機(jī)-調(diào)速器系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)快速分析的目的，且仿真準(zhǔn)確度高，具體分析流程如圖2所示

圖2 頻率動(dòng)態(tài)分析流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于水錘效應(yīng)的存在可能會(huì)給電網(wǎng)頻率造成嚴(yán)重的不利影響，在此基礎(chǔ)上，本文分析了目前采用風(fēng)電補(bǔ)償水輪機(jī)水錘效應(yīng)的方法，借助風(fēng)電本身的特性以及結(jié)合實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中新的控制環(huán)節(jié)，使得變速風(fēng)機(jī)可以實(shí)時(shí)的、有效的配合電網(wǎng)頻率的動(dòng)態(tài)變化，平衡器有效輸出功率，最大程度的減弱水錘效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)的影響。并簡(jiǎn)要闡述了通過(guò)簡(jiǎn)化水輪機(jī)-調(diào)速器系統(tǒng)達(dá)到快速、仿真分析水錘效應(yīng)的目的，希望能夠借此建立起響應(yīng)電網(wǎng)頻率的解析模型，并能夠提供有效的參考價(jià)值。