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)等多種能源互補運行，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行效率［3-4］。2021年3月中共中央總書記習(xí)近平強調(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。

我國南方偏遠山區(qū)，由于遠離主要供電網(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?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?shù)鼐用竦挠秒娍煽啃?，而且可以減少偏遠地區(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)運行安全、可靠的兩個考核重要指標［12］。頻率穩(wěn)定是電力網(wǎng)絡(luò)安全可靠運行的基本反映，文獻［13］搭建了風(fēng)光儲微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模型，相對于獨立的風(fēng)電與光伏系統(tǒng)，風(fēng)光互補系統(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)電多運行在缺少儲能的狀態(tài)下。針對這一情況，文獻［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)光互補運行具有較好的頻率穩(wěn)定性。文獻［15］對風(fēng)水不同源比下孤網(wǎng)初期的穩(wěn)定性進行研究，結(jié)果表明對比風(fēng)力發(fā)電機組，水力發(fā)電機組具有較大的慣量水平。

目前水輪機組與光伏發(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荷端，當光伏發(fā)電與水力發(fā)電的發(fā)電源端功率大于負載時，富余電力通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)送入電網(wǎng)；當光伏發(fā)電與水力發(fā)電的發(fā)電源端功率小于負荷端功率時，不足的功率電網(wǎng)將通過聯(lián)結(jié)開關(guān)送入負荷［16］。當電網(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)電與負荷離網(wǎng)后孤島運行，保障重要負荷的正常供電。

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組，再由水輪機調(diào)速器與勵磁系統(tǒng)控制器調(diào)節(jié)水輪機組發(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)榻涣麟娔埽?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)域負荷供電。仿真初始時，水電光伏并網(wǎng)運行，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荷相等的前提下，通過調(diào)整光伏和小水電的接入距離進行仿真，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)，當水輪機側(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)電運行的實際情況，本文仿真含水光配電網(wǎng)的運行情況，重點對孤島初期頻率特性進行研究。以場景一作為對照組，與場景二至場景五進行對比，研究發(fā)現(xiàn)：

1）光伏供電距離的遠近對系統(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。由于水輪機對頻率的支撐作用，系統(tǒng)孤島運行時具有較好的穩(wěn)定性。