《电气自动化》2021年第43卷第2期____________________________________电力系统及其自动化
Power System&Automatio n
刘志勇1，李岩2
(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)
摘要：近年来，小水电快速发展形成多点并网、逐级汇集和大功率外送的格局o为保障外送通道受阻时小水电孤岛有功平衡和维持孤岛运行于期望频率，基于频化率的孤岛微网切机组网和分频控制策略"方法不需要作电网改造，成本低通信手段，能对微网孤岛运下多种情景的频率控制需求"方法的有效将进一步电富集电 关键词'小电；孤岛运行；切机；频率变化率；调频控制
DOI：10.3969/j.i,.1000-3886.2021.02.027
［中图分类号］TM715［文献标志码］A［文章编号］1000-3886(2021)02-0081-03
Gen erotot Tripping・gridding and Frequency Modulati on Control
for Island Micre・grids in Hydropower Abundant Areas
Liu Zhiyong1,Li Yan2
(1.Gua-gdo-g Power Grid Co.,Ltd.Shaogua-Power Supply Bureau,Shaogua-Gua-gdo-g512026,Chi-a；
2.Gua-gdo-g Yu-shu-Cogiprehe-sive E-ergy Tech-ology Co.,Ltd.,Shaogua-Gua-gdo-g512026,Chi-a) Abstract:In recent years#small hydropower has developed w quickly that a pattern oS multi-point gridding,step by step collection and high-powcs delivee has been formed.In order to ensure active power balance oS small hydropower islands and maintain island operation at
iheetpecied oaequencyon caseooboocked etieanaoiaansmo s oon channeo,aconiaoosiaaiegywaspaoposed on ihospapeaooageneaaioa iaoppongand gaoddongon osoand mocao-gaodsand hoeaaachocaooaequencymoduoaioon based on iheoaequencychangeaaie.Thepaoposed method,requiring low cost but no power grid upgrading and
relying on no communication means,could satisfy various frequenca
coniaooaequoaemenisoovaaoousscenaaoosundeamocao-gaod osoand opeaaioon.Thus,oicouod beseen ihaie o ecioveompoemeniaioon ooihe proposed method would furthee improve the reliabilita of power supply in hydropower abundant areas.
Keyword-:small hydropower;island operation;generator tripping;frequenca fluctuation rate;frequenca modulation control
0引言
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。20166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》，选取部分能资的国家级贫困县，开展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。在外送通道，水电 少量就地
网维持孤岛运行，孤网频率骤升造成机和用户设备损坏的问题时有发生「7。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的重要喻。
小水电多分布在偏僻的山区，多接入配电网10kV馈线末端，具有容量小、位分散和调节性能差的特点。
又由于小水电站建设一，没有统一的发展规划和管理，在各为政的同时还缺乏通信手段。，各级电网机构对小水电机管控制位，围绕小水电孤岛组网与调频控制的
文献较少。文献[4]了一网多轮切机策略，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。
定稿日期：202-07-30
基金项目：广东电网有限责任公司科技项？（GDKJXM20185764）文献[5]110中提出了一种基于频率变化率的切机方案，有效改善了频率的稳定性。文献[6]了无需中央控制器和通信系统即现微网的三次分层控制。在此基，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，方法不需要作电网改造，成本低通手段，，多景频率控制要求。
1孤岛切机组网
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，频率变化率加速特殊轮切除。由此得到切机加作策略，如图1所示。
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，系统频率保持不变。当故障使
ElecWical ALuomaion 81
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电力 及其自动化____________________________________
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图1孤岛切机组网策略
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 岛系统频 现骤升，随后孤岛频率剧烈 变
化。
岛频 化的快慢可被ROCOF 继电 ，用于
是
小水电机组。
ROCOF 继电器
对机端电压频 亍号
，计算频
:
化率，再
波后
整定值作〔输
出。考虑到同一位
置多台小水电机组
采用同一定值可能
图2 配备ROCOF 水电机组
并网的等效电路
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 号。
2孤岛调频控制
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， 投向 、成本经 济的对等控制方式。现有的小水电机 非均具备调频能力，水
电机 位置集中，其 存在经 差异，经典调频控制 中保证经 的三次调频优 。 本文设计的小水电 控制策略没有加入三次控制， 一次控制和二次控制，控制
策略框图如图3所示。
二次调频I
、世购
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 邻线性下
垂控制策略，由于下垂 的斜率为常数， 各小水电 【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 端频 ，直接加入一个反
馈环节将孤岛频率恢复至允许的范 ，可将稳态运 的频率
差控制得
小。图3控制策略的表
如下：
ft
a ，f i ) = (50 ) a (3)
式中也为发电机-勺频率；'(-)和i t -)分别为一次和二次
频率控制函数；d i 、a 和T ”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;Zmc 和/min 分别为频率最大值和最 小值；几为频
值。
下面分析该控制策略的静态特性和动态特性。
1) 特
控制策略的静态特性方程如下。
式中的1 /(1 + a )体现出了二次控制的作用。/ms 和d i 均为整定 值，当系统稳态运 各发电机 功率为定值时，a 的取值越 大，系统稳态时的频率偏差)越小。
2) 特
据式(1) ~式(3)可得到控制策略的动态特性方程。
c fmx ( 1+T i ) +fr ei a 1 +T 2i i 1 P / =、C = 1+a + T i ⑸
在快速暂态过程中，I T q l —般远大于1+a ，即(1 +%2 s)/ (1 +a + T i o )41。
，对(5) 化简后， 得 于
一次控制策略的曲线。可见系统的 特 要由一次控制策 略决定， 能 得到合理分配。若a 值过大，会影 系
统的 特性。
要合理选择a 和T 的大小，同时兼顾系统
的 特性和动态特性。
3算例分析
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
电装机数多达1 800 ，多分布在
小 , 分 接入附近的10 kV 电网。为验
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
的35 kV 红岭站及其下游线
作为 对象。红岭站通过一条35 kV 母
网相连,
10 kV 梅斜线中的小水电站有充足 的 ，其机 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
节能力有限，采用定功率控制；
红岭站下属的所有
等效为集
中 ；所提到的发电机
均
通过串接式结构接入电网。系统拓扑结构如图4所示。
图4系统拓扑结构
为避免 网 误 作， 网运 频 电网 定频
82 Electrical
Automation
电力及其自动化
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《电气自动化》2021年第43卷第2期
50Hz有所差别，因此设定孤岛微网频率保持在55Hz。将第一轮心4
切机的整定频率设置为比55Hz稍高的57Hz。又考虑到孤岛组553
网前频率为50Hz，改变参考频率为55Hz会导致系统波动，故第仝552
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。
549
表1切机组网方案一
次作号切除机延时/ms
一>57Hz1200
第二轮/>57Hz,d：d^>3Hz/t2200三
>57Hz，d Td t>5HzTM3200位定性和不平衡功小2个角度，通过4个场景验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1000kW。
场景2：红岭站电源侧故障，孤岛微网负荷1200kW。
景3：红岭站电，小电机组2处发生故障，机组3解列，孤岛微网负荷1300kW。
景4：红岭站电，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900kW。
4个场景采用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，在不同的位置和功表2场景机组切除情况
余，所提切机组网策略均景功T kW切除机编号能根据本地频集数110001、2、3
据，切机信号，212002)3
切除适量发电机后能迅313001、3恢复岛频稳定49001、2、3
运。
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1700kW,t=4s 切除300kW负荷,t=9s投入100kW负荷,t=15s投入200kW 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
0510152025
时间/s
(a)孤岛微网频率
1000
i
s
6
(c)功率平衡
2/发由功率
负荷功率
J_____
孤岛微网调频控制
投切的瞬间，随后均在3S内趋于稳定；动态过程频率与参考值55H z的差值均不超过0.2H z，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，了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。
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，其中调频机衡化，另外三台小水电机固定的有功功率，保证了孤岛微网内功衡。
综合分析，控制方案能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。
4结
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。所方法经，通手段，能对微网孤岛运：态下多种情景的频率控制需求，有助于电网。
参考文献：
:1&陈志峰，徐兴发，王娴.一种新型小水电安全自动解列装置的研究[J].电力系统保护与控制，2016,44(1)：152-156.
(下转第90页)
Electrical Automation
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《电气自动化》2021年第43卷第2期电力及其自动化
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表1配电网设备参数
序号设备数
1光伏1)2直电压600V，最大有功功率12kW，最大视在功15kVA
2蓄电池组直流侧电压48V，最大有功功率15kW，最大视在功率
20kVA
31最有功功25kW，最功30kVA
42最有功功6kW，最功8kVA
成智能楼宇的微网系统多时间尺度模型预测调度(文献[6]方
法)"与计及分布式能源的配电
表2配置的数据网多间尺优化控制方法
试验，对三种方法的控制效果°节点P/kW Q/kVA
1 241
43
20
62
2.2仿真结果与分析
根据以上试验准备，分别使
用三种控制方法控制节点如表2
所示的负荷，统计各个节点的电
压值及电流值，计算节点之间的
功率值。节点功率值越均衡，说
明对配电网的控制越电网整
体功率分层分衡的需求。节
点的功率值如表3所示。
表3节点功率值
节点
文献[5]方法控制后的节点功值ikW
文献[6]方法本文优化控制方法
1432638
2453441
3463241
4886784
5896382
6906783
7724366
8705864
9645460
由表3所示的功率试验结果，在相同试验环境下，文献[5]方法控制节点的功率数值过大，超过了节点功率值的极限，不符合分布式能源的发电实际。文献[6]方法一定 弥补了文献%5& 0400400400400400400400400400400400400400400400400400400400400400400400400 (上接第83页&
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[5&FREIDAS W,AFFONSO C M,SUVA LCPD,et al.PeWowlancc of 方法的不足，但是控制得到的功
率值过小，无法充分发挥分布式能源的能量"而本文优化控制方法使节点的功率值能够维持为平衡的状态，较符合分布式能电网稳定运行的需求"
3结
本文采用三级组织模式优化配电网多时间尺度区域的划分，构建优化辅助函数，增分布式能源的能源利用率"同间尺度下，控制分布式能发电过程中的功率，电网的，优化了传统控制方法的"虽然本文具有一定的技优势，但是旧存在一些问题，有一步°
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【作者简介】刘晓东(1981—)，男，江苏泰兴人，硕士，高级工程师，从事电网规划及新能源相关工作％肖晶！1981—)，男，江苏徐州人，硕士，高级工程师，从事电网规划及新能源相关工作％周恒俊(1984—)，男，江苏扬州人，博士，高级工程师，从事电网规划及新能源相关工作％徐锋(1979—)，女，山东济宁人，硕士，高级工程师，从事电网规划及新能源相关工作％
:
>o・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・oo・o ROCOF relays for embedded yeneration applications[J].IEE peceed-inys.Pat C,Generation,Transmission and Distribution,2005,152
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【作者简介】刘志勇(1989—)，男，湖南人，工程师，主要研究方向：电网规划与运行％
90Electrical Automaion
