陳志峰，王 玕，王智東，張紫凡，崔多華，穆 松，梁澤為

（1.廣州城市理工學(xué)院電氣工程學(xué)院，廣州 510800；2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510641）

0 引 言

水電作為可再生能源，對于減少能源領(lǐng)域煤炭的依賴、實現(xiàn)能源“碳中和”具有重要意義［1，2］。我國水電資源豐富，開發(fā)水電潛力巨大，因地制宜發(fā)展小水電，對于補充地區(qū)電網(wǎng)能源和減少能源損耗具有積極作用。

但當前小水電多處于粗放式的發(fā)電狀態(tài)，普遍缺少協(xié)調(diào)控制能力［3］。尤其隨著新能源微電網(wǎng)的逐步推廣應(yīng)用，小水電也需逐步具備接入微電網(wǎng)等能力的要求［4］：并網(wǎng)運行時，主要考慮小水電調(diào)速器的靈敏性；離網(wǎng)運行時，既要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又要具備良好的動態(tài)品質(zhì)。而當前小水電調(diào)頻控制器多以最大發(fā)電為目標，對地區(qū)電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成負面影響。同時小水電的無序發(fā)電也容易造成配網(wǎng)電壓波動過大等問題［5］。現(xiàn)研究多從電網(wǎng)側(cè)的控制和保護著手，包括對配網(wǎng)保護邏輯［6］、饋線自動化復(fù)電策略進行優(yōu)化等方式，消除小水電對配網(wǎng)的影響，較少以改善小水電機組性能的方式，在源頭解決小水電接入的問題。部分對小水電機組功能改善的方案，側(cè)重理論研究或試點運行，未充分考慮經(jīng)濟性與可推廣性［7］。配網(wǎng)故障后對小水電的處理，常采用解列機組的簡單方式［8］，未發(fā)揮小水電組建微網(wǎng)的天然優(yōu)勢。對局部負荷組建微網(wǎng)運行，從而把小水電作為影響供電可靠性的不利因素轉(zhuǎn)化為提高供電可靠性的有利手段值得研究探索。

本文提出一種考慮并離網(wǎng)模式切換的小水電微網(wǎng)調(diào)頻策略?；诟道锶~算法精準獲得機組頻率，通過頻率判據(jù)實現(xiàn)并離網(wǎng)狀態(tài)識別，并及時轉(zhuǎn)換水電機組工作模式。離網(wǎng)運行時利用PID 調(diào)節(jié)器提高機組輸出頻率的穩(wěn)定性，保障供電可靠性。以乳源10 kV 東下山支線開展試運行研究，驗證了所提策略對小水電微網(wǎng)調(diào)頻控制的有效性。

1 傅里葉測頻算法

頻率測量可采用鎖相環(huán)等硬件技術(shù)來實現(xiàn)，但存在成本較高、所需電子元件多、占據(jù)電路板布局空間等問題。由于小水電調(diào)頻控制器自身需要采集小水電機組的電流和電壓，電流和電壓包含了表征頻率的信息。因此，本文通過傅里葉算法對所采集到的電流、電壓數(shù)值進行分析［9，10］，采用軟件方法實現(xiàn)小水電調(diào)頻控制器的頻率采集。軟件測頻流程如圖1所示。

圖1 頻率采集流程圖Fig.1 Flow chart of frequency acquisition

根據(jù)電壓信號基波方程：

式中：Um為電壓信號幅值；f為系統(tǒng)實際頻率；φ0為電壓初始相位；f0為觀測頻率；Δf為系統(tǒng)實際頻率與觀測頻率的偏差。

令相位φ（t）=2πΔft+φ0，當ΔT時間后，電壓信號間的相位差為Δφ，則有：

當Δφ確定時，即可求出Δf，從而得到系統(tǒng)實際頻率f。對電壓u（t）在時間Ti內(nèi)進行離散傅里葉變換及三角變換推算，得到電壓的虛部模值UIi與實部模值URi，由電壓相角公式可得：

其中，在采樣時間［0-T0］內(nèi)：

在采樣時間［TN-（TN+T0）］內(nèi)：

其中TN=1/fN，fN為采樣頻率，取值為4 800 Hz。通過每個采樣周期測量一次，提高頻率測量的快速性。根據(jù)式（2）至式（5）可得出：

式（7）可測得系統(tǒng)實際頻率，將一個工頻內(nèi)采集的頻率值進行最小二乘擬合，當所得頻率在50 Hz額定值附近區(qū)間時，為正常值；當所測頻率非正常值時，重新進行周期信號采集與運算，此測頻算法精度經(jīng)現(xiàn)場實測能夠達到0.002 Hz，最快40 ms能夠跟蹤頻率變化。

2 并離網(wǎng)運行模式切換研究

2.1 并離網(wǎng)狀態(tài)識別

根據(jù)發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子運動方程可知，在發(fā)電機功率不平衡的情況下，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速會逐漸偏離額定轉(zhuǎn)速［11］。

式中：水電機組的轉(zhuǎn)動慣量記為J；ω為轉(zhuǎn)子角速度，ω=2πf；Pmi，Pmi分別為水電機組的機械功率與電磁功率。

并網(wǎng)運行時，水電機組機械功率與電磁功率的差額由電網(wǎng)消納，機組頻率穩(wěn)定在額定值附近。離網(wǎng)運行時，功率差額將導(dǎo)致頻率與電壓的偏差［12］。計算公式如下：

式中：Δt為孤島持續(xù)時間；Shydro為水電孤島系統(tǒng)容量；Hhydro為水電孤島慣性時間常數(shù)；ΔV為電壓偏差；VN為額定電壓；R、X分別為架空線路電阻與電抗。

孤島后，功率不平衡會造成水電側(cè)電壓變化。由于架空線路電抗遠大于電阻，小水電機群孤島后電壓主要取決于無功功率平衡水平?？紤]到小水電站功率因數(shù)普遍為95%以上，孤島后電壓不會出現(xiàn)較大的波動。

孤島后由于山區(qū)負荷較少，系統(tǒng)有功功率不平衡，將導(dǎo)致頻率偏差，隨著時間的增加，頻率偏差逐漸增大。因此可以通過判斷并網(wǎng)側(cè)的水電機組基波頻率、電壓抖動情況判斷并離網(wǎng)狀態(tài)。

并網(wǎng)運行時，水電機組電壓、頻率與電網(wǎng)額定值保持一致，判斷邏輯如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)狀態(tài)識別邏輯圖Fig.2 Logic diagram of grid connection status identification

圖中擾動設(shè)置為增大或減小水電機組輸出功率。增大或減小水電機組輸出功率擾動時，若測量實時頻率f與基準頻率的差值在0～0.2 Hz 范圍內(nèi)或輸出電壓U與基準電壓Un的差值在0～0.2Un范圍內(nèi)則認為水電機組處于并網(wǎng)運行階段。

離網(wǎng)運行時，發(fā)揮小水電組建微網(wǎng)的天然優(yōu)勢，小水電機組與本地負荷運行于微網(wǎng)孤島模式。當微網(wǎng)中負荷變化時，微網(wǎng)系統(tǒng)的電壓與頻率隨之變化。電網(wǎng)中主要負荷為有功負荷，且頻率變化率與不平衡功率成線性關(guān)系，故頻率易發(fā)生抖動。以頻率變化為判據(jù)，同時為了防止故障等情況干擾，結(jié)合電壓與電流輔助躲避故障，進行孤島狀態(tài)識別。判斷邏輯如圖3所示。

圖3 離網(wǎng)狀態(tài)識別邏輯圖Fig.3 Logic diagram of off-grid status identification

其中0.2 Hz為并離網(wǎng)門檻閾值，30%Un電壓跌幅與1.2In判斷是否為短路故障門檻。若測量實時頻率f與基準頻率的差值高于0.2 Hz 且輸出電壓U與基準電壓Un的差值在0～0.3Un范圍內(nèi)則認為發(fā)電機組此時處于離網(wǎng)運行階段。

2.2 并離網(wǎng)狀態(tài)切換

水電機組并入電網(wǎng)運行時，水電機組與本地負荷組成的并網(wǎng)系統(tǒng)電壓、頻率由電網(wǎng)維持，水電機組可以運行于恒水位模式、恒功率模式、恒功率因數(shù)模式。在恒水位模式運行時，控制裝置檢測池前水位與恒水位目標值，啟動恒水位運行調(diào)整，控制水位在目標水位范圍內(nèi)。在恒功率模式運行時，若檢測到機端輸出功率與恒功率目標值相差超過恒功率門檻時，啟動恒功率運行調(diào)整，控制導(dǎo)葉角度，使機端輸出功率在目標范圍內(nèi)。在恒功率因數(shù)模式運行時，若檢測到輸出功率因數(shù)與恒功率因數(shù)目標值相差超過恒功率因數(shù)門檻時，啟動恒功率因數(shù)運行調(diào)整，控制功率因數(shù)在目標范圍內(nèi)。

水電機組離網(wǎng)運行時，微網(wǎng)孤島系統(tǒng)電壓、頻率由水電機組維持，水輪發(fā)電機作為VF 節(jié)點穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓、頻率，水電機組設(shè)置為恒壓恒頻運行，在發(fā)電機容量及池前水位下限范圍內(nèi)，增減發(fā)電機有功出力及勵磁電流，使得系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定在額定范圍內(nèi)。

水電機組與本地負荷組成的區(qū)域電網(wǎng)由并網(wǎng)模式進入孤島模式時，區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)功率易不平衡，區(qū)域電網(wǎng)電壓、頻率隨之波動，對供電的穩(wěn)定性的安全性均有較大影響，需要控制器能快速響應(yīng)，調(diào)節(jié)功率，穩(wěn)定頻率。因此當水電控制器檢測到電網(wǎng)電壓、頻率波動，應(yīng)快速自動切換為VF 節(jié)點，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、頻率。由孤島恢復(fù)為并網(wǎng)運行時，電壓和頻率趨于穩(wěn)定，無運行風(fēng)險。因此在控制器判斷系統(tǒng)電壓、頻率長期穩(wěn)定的情況下，可在確認并網(wǎng)后經(jīng)手動將水電機組切換為恒功率運行模式。

3 離網(wǎng)恒頻控制策略

由發(fā)電機的機械運動方程可知，當水輪機機械功率與發(fā)電機電磁功率平衡時，發(fā)電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，孤島系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。孤島系統(tǒng)中負荷波動時，要隨之調(diào)整原動機機械功率。其調(diào)速系統(tǒng)如圖4模型所示［13，14］。

圖4 調(diào)速系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of speed regulation system

由于小水電系統(tǒng)調(diào)速器直接由電動調(diào)速器（伺服電機）通斷控制轉(zhuǎn)角行程［15］，由齒輪帶動連桿直接控制水輪機導(dǎo)葉位置來控制水流大小，無其他中間環(huán)節(jié)，且不考慮永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bP，因此調(diào)速系統(tǒng)中PID控制方程簡化為：

與差分方程等效，上述傳遞函數(shù)各部分可寫為：

式中：T為采樣周期；Y(k)為當前時刻需要執(zhí)行的位移（電動機調(diào)速器通斷時間）；KP為比例增益系數(shù)；KI為積分增益系數(shù)；KD為微分增益系數(shù)；T1V為微分環(huán)節(jié)時間常數(shù)。

4 試運行研究

以乳源10 kV 東下山支線開展水電機組與試驗負荷組成的區(qū)域電網(wǎng)離網(wǎng)試運行研究。

具體參數(shù)如下：1 臺水電發(fā)電機組，額定容量125 kW；試驗負荷：20～125 kW。試驗中自動運行參數(shù)如表1所示。

表1 自動運行參數(shù) sTab.1 Automatic operation parameters

4.1 離網(wǎng)運行

離網(wǎng)運行時，調(diào)速器通過并離網(wǎng)狀態(tài)識別切換水電機組工作模式，水電機組運行于恒頻工作模式，調(diào)速器控制水電機組出力實時跟蹤負荷變化。水電機組輸出頻率波形如圖5所示，圖5中，頻率穩(wěn)定在50 Hz 上下，頻率幅值在49.5～50.4 Hz 之間波動。

圖5 離網(wǎng)運行頻率波形圖Fig.5 Off-grid operation frequency waveform

4.2 20 kW甩負荷

20 kW 甩負荷運行時，水電機組輸出頻率波形如圖6所示。由于突甩負荷，水電機組輸出功率大于負載功率，系統(tǒng)頻率升高，并離網(wǎng)檢測頻率越限，調(diào)速器動作，控制系統(tǒng)輸出功率與負載功率平衡以保持頻率穩(wěn)定。圖6中所示10 s 內(nèi)頻率上升至53.4 Hz，在調(diào)速器作用下頻率下降，20 s 時穩(wěn)定在50 Hz 附近，幅值在49.7～50.4 Hz之間波動。

圖6 20 kW甩負荷頻率波形圖Fig.6 20 kW load shedding frequency waveform

4.3 20 kW增負荷

20 kW 黑啟動運行時，水電機組輸出頻率波形如圖7所示。由于突增負荷，水電機組輸出功率小于負載功率，系統(tǒng)頻率下降，圖7中所示10 s內(nèi)頻率下降至44.5 Hz，在調(diào)速器作用下頻率上升，22 s時穩(wěn)定在50 Hz附近，幅值在49.5～50.5 Hz之間波動。

圖7 20 kW甩負荷頻率波形圖Fig.7 20 kW black start-up experiment frequency waveform

5 結(jié) 論

本文提出了一種考慮并離網(wǎng)模式切換的小水電微網(wǎng)調(diào)頻策略，從源頭治理改善小水電機組性能。以乳源10 kV 東下山支線開展單機離網(wǎng)試運行研究。結(jié)果表明：通過頻率判據(jù)可精準識別并離網(wǎng)運行狀態(tài)，當頻率差額越過閾值時，切換至離網(wǎng)恒頻工作模式。離網(wǎng)運行時在大擾動情況下，PID 調(diào)速器調(diào)節(jié)機組頻率穩(wěn)定在49.5～50.5 Hz 區(qū)間內(nèi)，保障孤島系統(tǒng)供電可靠性。