成展強(qiáng)，李 巖，陳志峰

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，廣東 韶關(guān) 512026；2.廣東云舜綜合能源科技有限公司，廣東 韶關(guān) 512026）

優(yōu)質(zhì)的電能是支撐農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、建設(shè)美麗鄉(xiāng)村的重要保障[1]，隨著農(nóng)村電氣化水平的提高，人們對(duì)供電可靠性和電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。由于偏遠(yuǎn)山區(qū)居民分布不均勻，山區(qū)用電負(fù)荷不高，施工條件惡劣等特點(diǎn)，大部分地區(qū)的10 kV線路為節(jié)省電網(wǎng)投資均采用單輻射方式供電，導(dǎo)致其供電可靠性低，在線路檢修時(shí)，單饋線地區(qū)停電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)[2]。若電網(wǎng)采用雙回線供電則經(jīng)濟(jì)性較差[3-5]，本文在合理控制電網(wǎng)投資的前提下，提出一種運(yùn)行靈活、可靠的智能水電微網(wǎng)控制技術(shù)，提高山區(qū)電網(wǎng)的供電可靠性。

1 微網(wǎng)組網(wǎng)方式

微電網(wǎng)是指將一定區(qū)域內(nèi)的分布式電源、儲(chǔ)能裝置、控制裝置以及當(dāng)?shù)刎?fù)荷組織起來(lái)形成的配用電系統(tǒng)，可在主網(wǎng)停電時(shí)繼續(xù)為用戶提供電力供應(yīng)。建設(shè)微電網(wǎng)的必備條件是要有獨(dú)立的分布式電源，山區(qū)有豐富的水電資源，微電網(wǎng)可采用水電作為主電源[6]，根據(jù)水電的裝機(jī)容量與用電負(fù)荷的情況設(shè)計(jì)組網(wǎng)范圍，確保微網(wǎng)系統(tǒng)離網(wǎng)后仍能安全穩(wěn)定運(yùn)行，微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，微電網(wǎng)內(nèi)主要設(shè)備須考慮以下因素。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 水電站的選擇

水電站應(yīng)有一定的庫(kù)容，至少具備日調(diào)節(jié)能力；調(diào)速器應(yīng)增加電操作機(jī)構(gòu)，可精確控制水輪機(jī)進(jìn)水量；水輪機(jī)須開(kāi)展智能化改造，采用自動(dòng)控制的勵(lì)磁系統(tǒng)，在水電控制器具有自動(dòng)調(diào)頻功能。

1.2 并網(wǎng)開(kāi)關(guān)功能

根據(jù)微網(wǎng)組網(wǎng)范圍，選擇相應(yīng)的配網(wǎng)支線或主線開(kāi)關(guān)作為微電網(wǎng)分界點(diǎn)。開(kāi)關(guān)具有3種離網(wǎng)模式，包括調(diào)度遙控分閘、微網(wǎng)控制器下發(fā)指令分閘、滿足就地離網(wǎng)判據(jù)自動(dòng)分閘。開(kāi)關(guān)具有3種并網(wǎng)模式，包括調(diào)度遙控同期合閘、微網(wǎng)控制器下發(fā)指令同期合閘、滿足就地并網(wǎng)判據(jù)自動(dòng)同期合閘。根據(jù)微網(wǎng)運(yùn)行需要，選擇相應(yīng)的并、離網(wǎng)控制模式。

1.3 水庫(kù)容量管理

在水電微網(wǎng)中，水庫(kù)的作用相當(dāng)于儲(chǔ)能系統(tǒng)，須對(duì)水位狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)水電機(jī)組的出力與實(shí)時(shí)水耗，計(jì)算剩余發(fā)電時(shí)間，便于調(diào)度管理。

2 小水電自動(dòng)調(diào)頻

常規(guī)的小水電機(jī)組均不具備自動(dòng)調(diào)頻功能，由于小型水輪機(jī)慣性小，且微網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)頻率變化較大，因此水電微網(wǎng)的頻率控制難度較大。在微網(wǎng)頻率越限時(shí)如果不能快速、精確的調(diào)整水輪機(jī)出力，將導(dǎo)致機(jī)組跳閘，造成微網(wǎng)停電，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒毀電器設(shè)備。

為了保持微網(wǎng)頻率穩(wěn)定，須要根據(jù)頻率變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)電機(jī)組的輸出功率，使微網(wǎng)的頻率控制在目標(biāo)范圍。小水電機(jī)組的調(diào)頻響應(yīng)較慢，須經(jīng)過(guò)多個(gè)傳動(dòng)環(huán)節(jié)。圖2為水電機(jī)組調(diào)頻示意圖，小水電控制器配置高精度頻率測(cè)量算法，對(duì)電網(wǎng)的頻率、頻率變化率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)水電控制器檢測(cè)到頻率出現(xiàn)偏差時(shí)，對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行PID控制，PID控制器輸出信號(hào)經(jīng)交流接觸器驅(qū)動(dòng)調(diào)速器電機(jī)，改變水輪機(jī)進(jìn)水量，從而調(diào)整水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到頻率調(diào)整的目標(biāo)。

圖2 水電機(jī)組調(diào)頻示意圖

小水電系統(tǒng)的調(diào)速器是通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉調(diào)速器電機(jī)（伺服電機(jī)）來(lái)控制角行程，通過(guò)齒輪帶動(dòng)連桿直接控制水輪機(jī)導(dǎo)葉的位置和大小[7]?？刂扑牧鲃?dòng)，其中沒(méi)有其他中間環(huán)節(jié)，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)，所以轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的PID控制方程簡(jiǎn)化為：

與差分方程等效，上述傳遞函數(shù)各部分可寫(xiě)為：

式中：Y(k)為當(dāng)前時(shí)刻須要執(zhí)行的位移（電動(dòng)機(jī)調(diào)速器通斷時(shí)間）；T為采樣周期；K P為比例增益系數(shù)；K t為積分增益系數(shù)；K D為微分增益系數(shù)；T1V為微分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。

3 微網(wǎng)控制策略

3.1 微網(wǎng)控制系統(tǒng)

微網(wǎng)控制系統(tǒng)主要由調(diào)度主站，水電控制器，微網(wǎng)分界開(kāi)關(guān)控制器、微網(wǎng)控制器組成，微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

水電智能控制器。是實(shí)現(xiàn)水電智能化的關(guān)鍵設(shè)備，可控制水輪機(jī)的調(diào)速器、機(jī)組并網(wǎng)開(kāi)關(guān)、勵(lì)磁系統(tǒng)，對(duì)水電機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)開(kāi)停機(jī)操作，通過(guò)調(diào)節(jié)水輪機(jī)的出力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)微網(wǎng)頻率。

分界開(kāi)關(guān)控制器。具有配網(wǎng)自動(dòng)化開(kāi)關(guān)的基本功能，能實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)的遙信、遙測(cè)、遙控，配置線路保護(hù)。具有微網(wǎng)自動(dòng)離網(wǎng)與并網(wǎng)功能：在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，可自動(dòng)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，使微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行；在電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)，可通過(guò)自動(dòng)同期把微網(wǎng)并入主網(wǎng)。

水電微網(wǎng)控制器。與水電控制器、并網(wǎng)開(kāi)關(guān)、調(diào)度EMS系統(tǒng)建立通信，可采集水電機(jī)組、分界開(kāi)關(guān)的功率等運(yùn)行數(shù)據(jù)，可接收調(diào)度EMS系統(tǒng)的指令，對(duì)機(jī)組下發(fā)開(kāi)、停機(jī)與調(diào)整出力命令，對(duì)分界開(kāi)關(guān)下發(fā)分、合閘命令。具有對(duì)微電網(wǎng)的綜合控制功能，可根據(jù)調(diào)度主站下發(fā)的操作命令，結(jié)合水電機(jī)組、分界開(kāi)關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行微網(wǎng)并離網(wǎng)切換的程序化操作。

3.2 微網(wǎng)控制模式

微電網(wǎng)主要控制模式包括主從控制、對(duì)等控制、分層控制，水電微網(wǎng)根據(jù)網(wǎng)內(nèi)電源的數(shù)量、特點(diǎn)，選擇不同的模式。

3.2.1 主從控制模式

主從控制模式是指在微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式時(shí)，其中一個(gè)分布式電源采取恒電壓和恒頻率控制，用于向微電網(wǎng)中其他分布式電源提供電壓和頻率參考，而其他的分布式電源則可采用定功率控制。采用恒電壓和恒頻率控制的分布式電源控制器稱為主控制器，而其他的分布式電源控制器稱為從控制器。由于水電豐富多建于山區(qū)偏遠(yuǎn)地帶，地區(qū)用電負(fù)荷較少，通常一個(gè)水電站可供應(yīng)微網(wǎng)所有負(fù)荷，可采用單主機(jī)控制模式，水輪機(jī)運(yùn)行在恒電壓與恒頻率模式。若有其他小型水電機(jī)組或光伏等分布式電源采用固定功率發(fā)電模式。

3.2.2 對(duì)等控制模式

對(duì)等控制模式是指微電網(wǎng)中所有的分布式電源在控制上都具有同等的地位，各控制器之間不存在主和從的控制關(guān)系，每個(gè)分布式電源都根據(jù)接入系統(tǒng)點(diǎn)電壓和頻率的就地信息進(jìn)行控制。對(duì)于這種控制模式，分布式電源控制器的策略選擇十分關(guān)鍵，目前常用的方法是下垂控制。當(dāng)微網(wǎng)規(guī)模較大，由多個(gè)水電站共同支撐，宜采用對(duì)等控制模式，各機(jī)組執(zhí)行下垂控制策略。

3.2.3 分層控制模式

分層控制模式一般都設(shè)有中央控制器，用于向微網(wǎng)中的分布式電源發(fā)出控制信息。中心控制器首先對(duì)分布式電源發(fā)電功率和負(fù)荷需求量進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后制定相應(yīng)的計(jì)劃，并根據(jù)實(shí)時(shí)采集的電壓、電流、功率等信息，對(duì)運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于變電站級(jí)微網(wǎng)，可采用分層控制模式，由中央控制器向各水電站進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

3.3 并離網(wǎng)控制流程

并離網(wǎng)轉(zhuǎn)換可分為停電轉(zhuǎn)換與不停電無(wú)縫切換，由于水輪機(jī)黑啟動(dòng)時(shí)帶負(fù)荷能力不強(qiáng)，微網(wǎng)離網(wǎng)操作更適合采用無(wú)縫切換，須對(duì)機(jī)組、分界開(kāi)關(guān)按一定的邏輯自動(dòng)完成[8]，微網(wǎng)控制器可自動(dòng)完成并離網(wǎng)切換操作。

并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)控制流程為：①微網(wǎng)控制器檢測(cè)分界開(kāi)關(guān)潮流→②微網(wǎng)控制器對(duì)水電控制器下發(fā)功率調(diào)整指令，調(diào)整至分界開(kāi)關(guān)零功率交換→③水電控制器將水輪機(jī)出力調(diào)整至目標(biāo)值→④微網(wǎng)控制器對(duì)分界開(kāi)關(guān)下發(fā)分閘指令→⑤分界開(kāi)關(guān)執(zhí)行分閘操作→⑥微網(wǎng)控制器對(duì)水電控制器下發(fā)指令，調(diào)整為恒壓、恒頻控制模式，自動(dòng)調(diào)節(jié)微網(wǎng)電壓和頻率。

離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)控制流程為：①微網(wǎng)控制器檢測(cè)微網(wǎng)電壓、頻率→②微網(wǎng)控制器下發(fā)調(diào)壓、調(diào)頻命令給水電控制器，令其自動(dòng)調(diào)整電壓和頻率→③水電控制器調(diào)整勵(lì)磁與出力，使微網(wǎng)電壓、頻率在允許并網(wǎng)范圍→④微網(wǎng)控制器對(duì)分界開(kāi)關(guān)下發(fā)同期并網(wǎng)指令→⑤分界開(kāi)關(guān)執(zhí)行同期并網(wǎng)操作→⑥微網(wǎng)控制器對(duì)水電控制器下發(fā)指令，將其轉(zhuǎn)換為恒功率運(yùn)行模式。

4 試運(yùn)行分析

根據(jù)以上技術(shù)方案開(kāi)發(fā)的水電微網(wǎng)成套控制設(shè)備，已在韶關(guān)乳源智能電網(wǎng)示范區(qū)多個(gè)微網(wǎng)應(yīng)用，并多次在主網(wǎng)停電時(shí)完成水電自組網(wǎng)保供電任務(wù)，現(xiàn)選擇其中一次組網(wǎng)范圍大、離網(wǎng)時(shí)間長(zhǎng)的案例進(jìn)行分析。35 kV銀溪變電站因計(jì)劃?rùn)z修全站停電，以馬勁泉電站為主電源，組建饋線級(jí)水電微網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)22個(gè)公用臺(tái)區(qū)和4個(gè)專用臺(tái)區(qū)不間斷供電，離網(wǎng)運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)36 h。僅由水電機(jī)組進(jìn)行頻率控制，離網(wǎng)運(yùn)行期間在負(fù)荷頻繁變化的情況下，頻率、電壓長(zhǎng)期控制在設(shè)置范圍。其離網(wǎng)運(yùn)行頻率波形圖如圖4所示。運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，水電微網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行有以下特征：頻率波動(dòng)較大，因水電機(jī)組調(diào)節(jié)出力有一定延時(shí)，不具備電池儲(chǔ)能的功率快速控制能力；頻率調(diào)整比較頻率，發(fā)生一次負(fù)荷波動(dòng)造成的微網(wǎng)頻率變化，機(jī)組須對(duì)調(diào)速器發(fā)出多次控制指令，這是由于PID控制時(shí)須對(duì)頻率進(jìn)行反向超調(diào)引起的振蕩，須多次調(diào)節(jié)頻率才能趨向穩(wěn)定。

圖4 離網(wǎng)運(yùn)行頻率波形圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種智能水電微網(wǎng)組網(wǎng)及控制方法，通過(guò)對(duì)水電機(jī)組智能化改造，建立適用于小水電的PID控制模型，解決了小水電機(jī)組精確調(diào)頻的難題。開(kāi)發(fā)了適用于水電的微網(wǎng)控制器，實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)并離網(wǎng)無(wú)縫切換。以上微網(wǎng)控制策略已實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，其有效性在帶負(fù)荷離網(wǎng)運(yùn)行中得到驗(yàn)證。在小水電豐富地區(qū)，因地制宜開(kāi)展水電微網(wǎng)建設(shè)，可大幅降低建設(shè)備用電源的電網(wǎng)投資，在較少的建設(shè)成本下，同樣能為山區(qū)提供可靠的電力供應(yīng)。尤其在新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，水電與光伏互補(bǔ)，可進(jìn)一步提高微網(wǎng)的適用性與離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間，有較好的推廣前景。