刘志勇,李岩
(1.广东电网有限责任公司韶关供电局,广东 韶关 512026;2.广东云舜综合能源科技有限公司,广东 韶关 512026)
小水电可以提高农村电气化水平,改善生活质量,在当地创造工业化条件和增加就业岗位。2016年6月,国家发改委、水利部联合印发《农村小水电扶贫工程试点实施方案》,拟选取部分水能资源丰富的国家级贫困县,开展农村小水电扶贫工程试点。近年来小水电快速发展,水电机组形成多点并网、逐级汇集和大功率外送的格局。在外送通道受阻时,水电群与少量就地负荷组网维持孤岛运行,孤网内频率骤升造成机组自身和用户设备损坏的问题时有发生[1-2]。保障小水电孤岛有功平衡、维持孤岛运行于期望频率对提高农村电网可靠性的重要性不言而喻。
小水电多分布在偏僻的山区,多接入配电网10 kV馈线末端,具有容量小、位置分散和调节性能差的特点[3]。又由于小水电站建设历史时期不一,没有统一的发展规划和管理,在各自为政的同时还缺乏通信手段。长期以来,各级电网调度机构对小水电机组监管控制不到位,围绕小水电孤岛组网与调频控制的研究文献较少。文献[4]提出了一种孤网多轮切机策略,即通过多轮切机和在每轮切机环节加设不同时长的延时防止发电机过切。文献[5]110中提出了一种基于频率变化率的切机方案,有效改善了频率的动态响应稳定性。文献[6]提出了无需中央控制器和通信系统即可实现微网的三次分层控制。在此基础上,本文提出基于频率变化率的孤岛微网切机组网和分层调频控制策略。算例验证表明,所提方法不需要作电网改造,成本低且不依赖通信手段,鲁棒性好,满足多场景频率控制要求。
为减少因外送通道受阻频率骤升对用户设备及水电机组造成的影响,采用高频切机保护快速切除部分富余发电机和切换可调机组控制方式,以保持孤网的频率稳定和功角稳定。然而,高频切机常因系统容量原因造成切机不足或者切机过多,系统难以维持在额定频率附近运行。在文献[5]110的基础上,结合频率变化率ROCOF判据加速切机动作,即当系统频率超过高周切机首轮定值和持续时间达到设定延时时,根据机组本地的测量值,判断此时频率变化率加速特殊轮切除。由此得到切机加速动作策略,如图1所示。
图1 孤岛切机组网策略
安装ROCOF继电器的水电发电机与配电网并联运行的等效电路如图2所示。同步发电机(SG)与负载(L),发电机出力与负载消耗的差值通过主网平衡,因此系统频率保持不变。当故障使外送通道受阻,断路器(CB)打开,小水电机组和负载组成的系统变成孤岛,孤岛有功功率不平衡。由于小水电大功率外送,有功功率过剩导致孤岛系统频率出现骤升,随后孤岛频率剧烈动态变化。这种孤岛频率变化的快慢可被ROCOF继电器检测到,用于判断是否跳开小水电机组。
图2 配备ROCOF水电机组并网的等效电路
ROCOF继电器对机端电压频率信号采样,计算频率变化率,再进行滤波后与整定值作比较输出。考虑到同一位置多台小水电机组采用同一定值可能导致的过切需进一步设置延时。即高于整定值经一定延时后,发跳闸信号给断路器CB,使小水电机组SG解列。为避免发电机启动阶段和发生短路故障时误动作,ROCOF继电器通常有低电压闭锁功能,即机端电压低于某个设定值则继电器闭锁,不发跳闸信号。
水电富集地区多位于山区,缺乏有效的通信条件,通过微网调度中心作集中控制的条件不成熟,继而投向简单灵活、成本经济的对等控制方式。现有的小水电机组并非均具备调频能力,水电机组地域位置集中,其库容不存在经济性差异,经典调频控制中保证经济性的三次调频优势不显著。因此本文设计的小水电控制策略没有加入三次控制,仅考虑一次控制和二次控制,控制策略框图如图3所示。
图3 小水电机组的分层控制
从图3可知,该控制策略的一次控制采用传统的F-P线性下垂控制策略,由于下垂曲线的斜率为常数,因此各小水电按照额定功率分配负荷,使小水电孤岛微网具有良好的动态特性,为有差调节。二次控制借助机组的输出端频率信息,直接加入一个反馈环节将孤岛频率恢复至允许的范围内,可将稳态运行时的频率偏差控制得足够小。图3控制策略的表达式如下:
(1)
(2)
fsec(αi,fi)=(50-fi)αi
(3)
式中:fi为发电机i的频率;fpri(·)和fsec(·)分别为一次和二次频率控制函数;di、αi和T2i分别为发电机i的一次调频下垂系数、二次调频比例系数和时间常数;fmax和fmin分别为频率最大值和最小值;fref为频率参考值。
下面分析该控制策略的静态特性和动态特性。
1)静态特性
控制策略的静态特性方程如下。
(4)
式中的1/(1+αi)体现出了二次控制的作用。fmax和di均为整定值,当系统稳态运行时各发电机输出功率为定值时,αi的取值越大,系统稳态时的频率偏差Δfi越小。
2)动态特性
根据式(1)~式(3)可得到控制策略的动态特性方程。
(5)
在快速暂态过程中,|T2is|一般远大于1+αi,即(1+T2is)/(1+αi+T2is)≈1。因此,对式(5)进行化简后,可以得出近似于一次控制策略的曲线。可见系统的动态特性主要由一次控制策略决定,暂态负荷能够得到合理分配。若αi值过大,会影响到系统的暂态特性。因此要合理选择αi和T2i的大小,同时兼顾系统的静态特性和动态特性。
韶关地区小水电分布繁密,河流上下游落差大,水量和水力资源十分丰富。韶关地区水电装机数多达1 800座,大多分布在大小河流沿线,大部分就近接入附近的10 kV及以上电网。为验证提出的孤岛微网切机组网和频率控制方案在实际工程中的可用性和有效性,选取了韶关翁源地区的35 kV红岭站及其下游线路作为研究对象。红岭站通过一条35 kV母线与主网相连,10 kV梅斜线中的小水电站有充足的库容,其机组可作为调频机组1 000 kW,可负责孤岛微电网的调频任务;其他发电机均为250 kW调节能力有限,采用定功率控制;红岭站下属的所有负荷等效为集中负荷;所提到的发电机与负荷均通过串接式结构接入电网。系统拓扑结构如图4所示。
为避免并网断路器误动作,孤网运行频率应与电网额定频率50 Hz有所差别,因此设定孤岛微网频率保持在55 Hz。将第一轮切机的整定频率设置为比55 Hz稍高的57 Hz。又考虑到孤岛组网前频率为50 Hz,改变参考频率为55 Hz会导致系统波动,故第二、第三轮次的整定值应取一个稍高的值防止发电机过切。综合考虑以上因素后,本文提出的切机组网方案整定值如表1所示。
表1 切机组网方案
从故障位置不确定性和不平衡功率大小2个角度,通过4个场景验证所提切机组网方案的有效性。
场景1:红岭站电源侧故障,孤岛微网负荷1 000 kW。
场景2:红岭站电源侧故障,孤岛微网负荷1 200 kW。
场景3:红岭站电源侧断开检修,小水电机组2出线处发生故障,机组3解列,孤岛微网负荷1 300 kW。
场景4:红岭站电源侧断开检修,小水电机组3出线处发生故障,机组2和3解列,孤岛微网负荷900 kW。
4个场景采用所提孤岛切机组网作时域仿真,各发电机频率波形如图5所示。
图5 各发电机组频率的本地测量值
从图5和表2可见,切机方案在外送通道受阻情况下,在不同的故障位置和功率富余,所提切机组网策略均能根据本地频率采集数据,迅速输出切机信号,切除适量发电机后能迅速恢复孤岛频率并稳定运行。
表2 各场景机组切除情况
为验证所提调频策略的有效性,在水电孤岛微网形成后,观察负荷波动变化对系统稳定性的影响。孤岛负荷为1 700 kW,t=4 s切除300 kW负荷,t=9 s投入100 kW负荷,t=15 s投入200 kW负荷。微网频率、发电机功率和功率平衡情况如图6所示。
从图6(a)可以看出:各发电机频率波动最大值发生在负荷投切的瞬间,随后均在3 s内趋于稳定;动态过程频率与参考值55 Hz的差值均不超过0.2 Hz,体现了调频策略一次调频的特性;稳态下频率几乎不发生波动,满足了正常工况下电网对频率稳定的要求,体现了调频策略二次调频的特性。
图6 孤岛微网调频控制
从图6(b)和图6(c)可见,在负荷投切瞬间发电机输出功率波动,其中调频机组平衡负荷变化,另外三台小水电机组输出固定的有功功率,保证了孤岛微网内功率平衡。
综合分析,所提出控制方案能够满足小水电孤岛微网的调频目标:①保持系统频率稳定;②保持发电功率和负荷功率平衡;③负荷波动时各发电机频率和发电功率能迅速恢复稳定。
针对水电富集地区送出通道受阻频率骤升问题,提出基于频率变化率的孤岛微网切机组网和小水电分层调频控制策略。所提方法经济性好,且不依赖通信手段,能应对微网孤岛运行状态下多种情景的频率控制需求,有助于提高地区电网可靠性。