王 玕，溫永森，周培源，王智東，羅藝華

（1.廣州城市理工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510800；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)翁源供電局，廣東 韶關(guān) 512026）

0 引言

電力電子技術(shù)的日益成熟，使得水力發(fā)電，光伏發(fā)電得到了更大規(guī)模的開發(fā)與利用［1-2］。水、光、風(fēng)、生物質(zhì)等多種能源互補(bǔ)運(yùn)行，不僅可以削弱可再生能源的不穩(wěn)定性與波動性影響問題，還可以提高各能源電站的運(yùn)行效率［3-4］。2021年3月中共中央總書記習(xí)近平強(qiáng)調(diào)要構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，提高利用效能，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。以風(fēng)光水等新能源電站的建設(shè)勢在必行。

我國南方偏遠(yuǎn)山區(qū)，由于遠(yuǎn)離主要供電網(wǎng)絡(luò)，更高質(zhì)量、更高可靠性供電成為了農(nóng)村居民最亟待解決的問題。優(yōu)先依靠當(dāng)?shù)刎S富的自然資源如水力能源、太陽能等構(gòu)建分布式電源主動配網(wǎng)系統(tǒng)或微電網(wǎng)系統(tǒng)，可有效解決山區(qū)居民在區(qū)域主供電線路發(fā)生故障或檢修時的短時供電問題以及供電線路末端的低電壓問題［5-8］。不僅有效提高當(dāng)?shù)鼐用竦挠秒娍煽啃裕铱梢詼p少偏遠(yuǎn)地區(qū)長距離的輸電損耗。但水力、光伏等分布式電源分散且大量就地接入配電網(wǎng)，一定程度上使得源端和荷端電壓頻率均出現(xiàn)較大的不確定性，電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式將更加多樣化、分散化，這對富含小水電與光伏的配電網(wǎng)穩(wěn)定性造成了新的挑戰(zhàn)［9-11］。

電壓穩(wěn)定與頻率穩(wěn)定是電力系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠的兩個考核重要指標(biāo)［12］。頻率穩(wěn)定是電力網(wǎng)絡(luò)安全可靠運(yùn)行的基本反映，文獻(xiàn)［13］搭建了風(fēng)光儲微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模型，相對于獨(dú)立的風(fēng)電與光伏系統(tǒng)，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)電壓及功率波動較小，風(fēng)光儲微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)則能有效改善輸出電壓及功率波動的問題。但由于儲能成本較高，山區(qū)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、水力發(fā)電多運(yùn)行在缺少儲能的狀態(tài)下。針對這一情況，文獻(xiàn)［14］研究無儲能情況下風(fēng)光微電網(wǎng)孤島初期幅頻特性，仿真結(jié)果表明風(fēng)電孤島容易出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象，風(fēng)光互補(bǔ)運(yùn)行具有較好的頻率穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［15］對風(fēng)水不同源比下孤網(wǎng)初期的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，結(jié)果表明對比風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，水力發(fā)電機(jī)組具有較大的慣量水平。

目前水輪機(jī)組與光伏發(fā)電并網(wǎng)后系統(tǒng)的孤島穩(wěn)定性研究較少，因此本文構(gòu)建水光并網(wǎng)仿真模型，通過仿真研究的方法，分析源端的接入距離對含水光的配網(wǎng)系統(tǒng)孤島初期頻率穩(wěn)定性的影響，為山區(qū)配網(wǎng)建設(shè)提供理論支撐。

1 水光并網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

小水電、光電接入主電網(wǎng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。光伏發(fā)電與水力發(fā)電后經(jīng)變壓器升壓后傳輸至負(fù)荷端，當(dāng)光伏發(fā)電與水力發(fā)電的發(fā)電源端功率大于負(fù)載時，富余電力通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)送入電網(wǎng)；當(dāng)光伏發(fā)電與水力發(fā)電的發(fā)電源端功率小于負(fù)荷端功率時，不足的功率電網(wǎng)將通過聯(lián)結(jié)開關(guān)送入負(fù)荷［16］。當(dāng)電網(wǎng)單線路需檢修或線路出現(xiàn)故障時，主動斷開聯(lián)絡(luò)開關(guān)，水力發(fā)電、光伏發(fā)電與負(fù)荷離網(wǎng)后孤島運(yùn)行，保障重要負(fù)荷的正常供電。

圖1 小水電、光電接入配網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture diagram of small hydropower and photovoltaic access to power grid

1.1 水電并網(wǎng)簡化模型

小型水力發(fā)電站通過天然水庫或自建攔水壩將水流集中后由引水渠引入水輪機(jī)組，再由水輪機(jī)調(diào)速器與勵磁系統(tǒng)控制器調(diào)節(jié)水輪機(jī)組發(fā)電，后經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換電壓，經(jīng)過輸電配電線路后供給用戶［17］。小型水力發(fā)電并網(wǎng)模型如圖2所示。

圖2 水力發(fā)電簡化模型Fig.2 Simplified model of hydropower generation

1.2 光伏并網(wǎng)簡化模型

圖3為光伏并網(wǎng)模型，由光伏陣列、三電平功率變換器、LC濾波器組成，光伏陣列設(shè)定工作在最大功率點(diǎn)工作模式［18］。一定光照條件下，光伏陣列利用光生伏特效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電能，直流電能通過三電平功率變換器逆變?yōu)榻涣麟娔?，?jīng)LC濾波器削弱逆變過程中的諧波分量后并入電網(wǎng)［19］。

圖3 光伏并網(wǎng)簡化模型Fig.3 Simplified model of photovoltaic grid-connected system

2基于MATLAB的水光并網(wǎng)模型

為深入研究源端供電距離對含水光配電網(wǎng)頻率的影響，在Matlab平臺上搭建含水力和光伏聯(lián)合發(fā)電的微電網(wǎng)模型如圖4，圖中包含水力發(fā)電模型，光伏發(fā)電并網(wǎng)模型，供電線路、負(fù)荷、并網(wǎng)開關(guān)等［20］。其中光伏發(fā)電、水力發(fā)電后經(jīng)過變壓器升高電壓，然后經(jīng)過線路給區(qū)域負(fù)荷供電。仿真初始時，水電光伏并網(wǎng)運(yùn)行，1 s后并網(wǎng)開關(guān)斷開，并網(wǎng)開關(guān)斷開后，孤島狀態(tài)下的系統(tǒng)電源與負(fù)荷之比為1∶1，仿真總時長為60 s。

圖4 小水電、光伏并網(wǎng)模型Fig.4 Small hydropower and photovoltaic grid connection model

3 不同供電距離的仿真分析結(jié)果

為了研究系統(tǒng)孤島的仿真情況，在本地小水電與光電兩種電源容量和與本地負(fù)荷相等的前提下，通過調(diào)整光伏和小水電的接入距離進(jìn)行仿真，仿真場景如

表1 不同供電距離仿真設(shè)置Table 1 Different power supply distance scenarios

場景一模式下，水力發(fā)電與光伏發(fā)電的供電距離均為4 km。如圖5所示，仿真初始系統(tǒng)頻率穩(wěn)定為50 Hz。1 s時并網(wǎng)開關(guān)斷開，斷開后，水光配電網(wǎng)系統(tǒng)為孤島模式，系統(tǒng)頻率快速上升，在8.318 s時到達(dá)峰值54.72 Hz，然后頻率開始下降，在27.75 s時下降至波谷值49.56 Hz，谷值后開始緩慢上升，最終穩(wěn)定在50.24 Hz左右。

圖5 場景1模式下系統(tǒng)頻率波形圖Fig.5 System frequency waveform in scenario 1

場景二模式下，光伏發(fā)電側(cè)的供電距離為4 km，增加水力發(fā)電側(cè)供電距離至10 km。如圖6所示，仿真初始系統(tǒng)頻率穩(wěn)定為50 Hz。1 s時并網(wǎng)開關(guān)斷開，斷開后，水光配電網(wǎng)系統(tǒng)為孤島模式，系統(tǒng)頻率快速上升，在9.061 s時到達(dá)峰值62.63 Hz，然后頻率開始下降，在32.33 s時下降至波谷值47.74 Hz，谷值后開始緩慢上升，最終在51.06 Hz上下平穩(wěn)波動。

圖6 場景2模式下系統(tǒng)頻率波形圖Fig.6 System frequency waveform in scenario 2

場景三模式下，光伏發(fā)電側(cè)的供電距離為6 km，水力發(fā)電側(cè)供電距離為8 km。如圖7所示，1 s時并網(wǎng)開關(guān)斷開，水光配電網(wǎng)系統(tǒng)頻率緩慢上升，9.13 s到達(dá)峰值60.33 Hz，然后頻率開始下降，31 s時下降至最小值48.27 Hz，31 s后開始上升，最終在50.74 Hz上下平穩(wěn)波動。

圖7 場景3模式下系統(tǒng)頻率波形圖Fig.7 System frequency waveform in scenario 3

場景四模式下，光伏發(fā)電側(cè)的供電距離為8 km，水力發(fā)電側(cè)供電距離為6 km。如圖8所示，并網(wǎng)開關(guān)斷開后，水光配電網(wǎng)系統(tǒng)頻率快速上升，8.542 s到達(dá)峰值57.58 Hz，然后頻率開始下降，29.31 s時下降至最小值48.96 Hz，29.31 s后開始緩慢上升，最終在50.43 Hz上下平穩(wěn)波動。

圖8 場景4模式下系統(tǒng)頻率波形圖Fig.8 System frequency waveform in scenario 4

場景五模式下，光伏發(fā)電側(cè)的供電距離為10 km，水力發(fā)電側(cè)供電距離為4 km。如圖9所示，并網(wǎng)開關(guān)斷開后，水光配電網(wǎng)系統(tǒng)頻率快速上升，8.378 s到達(dá)峰值54.72 Hz，然后頻率開始下降，27.71 s時下降至最小值49.56 Hz，27.71 s后開始上升，最終在50.24 Hz上下平穩(wěn)波動。

圖9 場景5模式下系統(tǒng)頻率波形圖Fig.9 System frequency waveform in scenario 5

五組場景模式下峰值頻率與穩(wěn)定頻率如表2所示。數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水輪機(jī)側(cè)電源供電距離由4 km增加到10 km的過程中，孤島下水光配電網(wǎng)系統(tǒng)頻率上升的峰值由54.72 Hz增加到62.63 Hz，穩(wěn)定后的頻率由50.24 Hz增加到51.06 Hz。

表2 不同供電距離下孤島后頻率值Table 2 Islanding frequency value under different power supply distance

3 結(jié)語

結(jié)合山區(qū)小水電與光伏發(fā)電運(yùn)行的實(shí)際情況，本文仿真含水光配電網(wǎng)的運(yùn)行情況，重點(diǎn)對孤島初期頻率特性進(jìn)行研究。以場景一作為對照組，與場景二至場景五進(jìn)行對比，研究發(fā)現(xiàn)：

1）光伏供電距離的遠(yuǎn)近對系統(tǒng)孤島情況下的頻率穩(wěn)定性影響較弱；

2）在一定范圍內(nèi)，水輪機(jī)供電距離越長，孤島后水光配電網(wǎng)系統(tǒng)頻率上升峰值越高，系統(tǒng)越不穩(wěn)定；水輪機(jī)供電距離越短，孤島后水光配電網(wǎng)系統(tǒng)頻率上升峰值越低，穩(wěn)定后的系統(tǒng)頻率越接近50 Hz。由于水輪機(jī)對頻率的支撐作用，系統(tǒng)孤島運(yùn)行時具有較好的穩(wěn)定性。