張貽娜，高超峰，王文明，朱文江，胡 明

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

我國(guó)臨海海域廣闊且海島眾多，近岸海島可通過(guò)海島電纜從大陸電網(wǎng)引電，而較為偏遠(yuǎn)的海島則必須建立孤立海島微電網(wǎng)來(lái)滿足自身用電。這種孤立海島微電網(wǎng)多采用小功率分布式新能源作為電源，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，往往具有電源間歇不穩(wěn)定、低可靠、網(wǎng)架耦合性強(qiáng)等特點(diǎn)，其系統(tǒng)穩(wěn)定性本就難以保證，加之海島負(fù)載多為工業(yè)、旅游用電，季節(jié)性、時(shí)段性強(qiáng)，常常出現(xiàn)較大差別的不同等級(jí)負(fù)載情況，這對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性會(huì)有直接影響。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于孤立海島微電網(wǎng)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析及控制策略、分布式能源接入、能量管理系統(tǒng)等已有較多研究[1-9]，但關(guān)于負(fù)載率對(duì)海島孤立微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響研究仍然較少。

本文根據(jù)負(fù)載率由低到高，將某孤立海島微電網(wǎng)劃分為重度輕載、輕度輕載、水平適中、輕度重載、重度重載這5個(gè)負(fù)載水平等級(jí)，并對(duì)5個(gè)負(fù)載水平等級(jí)下的孤立海島微電網(wǎng)進(jìn)行一系列暫態(tài)穩(wěn)定性仿真分析，包括柴油機(jī)單臺(tái)機(jī)切機(jī)、大負(fù)荷突增、大負(fù)荷突減。以探究負(fù)載率對(duì)海島微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響，可為海島規(guī)劃設(shè)計(jì)、負(fù)荷運(yùn)行管理、穩(wěn)定性控制策略制定等提供重要參考依據(jù)，具有較為重要的研究意義與應(yīng)用價(jià)值。

1 孤立海島微電網(wǎng)設(shè)計(jì)及負(fù)載水平設(shè)置

以某孤立海島微電網(wǎng)設(shè)計(jì)[10]為例：8臺(tái)1 MW柴油機(jī)，8臺(tái)40 kW風(fēng)機(jī)，建設(shè)10 kV線路，形成多分段且環(huán)網(wǎng)的供電結(jié)構(gòu)，平時(shí)開(kāi)環(huán)運(yùn)行(H4和H5一閉一合)，各區(qū)域內(nèi)發(fā)電機(jī)組采用分區(qū)塊集中發(fā)電上網(wǎng)模式。其電源布置及電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 孤立海島微電網(wǎng)拓?fù)鋱DFig.1 Topology of isolated island microgrid

從調(diào)度仿真的數(shù)據(jù)中選取5種可能運(yùn)行情況，對(duì)應(yīng)5種負(fù)載水平。每種負(fù)載水平所運(yùn)行柴油發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)按照如下原則選?。?jiǎn)闻_(tái)柴油發(fā)電機(jī)最佳負(fù)荷率約為75%，包含一定功率裕量，又可保證經(jīng)濟(jì)性。最低負(fù)載要求30%左右，低于此值，柴油發(fā)電機(jī)單位功率耗油量較大，將影響其運(yùn)行壽命。除柴油機(jī)外其他分布式電源均投入運(yùn)行。負(fù)載水平配置如表1。

2 不同負(fù)載率下的暫態(tài)穩(wěn)定性分析

搭建海島微電網(wǎng)模型[11-15]，并針對(duì)5種負(fù)載水平分別進(jìn)行柴油機(jī)切機(jī)、大負(fù)荷突增、大負(fù)荷突減暫態(tài)穩(wěn)定性仿真，對(duì)比不同負(fù)載率情況下的暫態(tài)穩(wěn)定性。

表1 5種負(fù)載水平及柴油機(jī)配置Table 1 Five load levels and diesel engine configuration

2.1 柴油發(fā)電機(jī)切機(jī)

柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)配置如表2所示。

表2 柴油發(fā)電機(jī)保護(hù)配置Table 2 Diesel engine protection configuration

針對(duì)5種負(fù)載場(chǎng)景進(jìn)行單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)(T1-3)切機(jī)事件仿真，結(jié)果如圖2—11所示。

圖2 切機(jī)-重度輕載系統(tǒng)頻率Fig.2 Generator tripping-heavy light load system frequency

圖3 切機(jī)-重度輕載首末端電壓Fig.3 Generator tripping-heavy light load system voltage

圖4 切機(jī)-輕度輕載系統(tǒng)頻率Fig.4 Generator tripping-mild light load system frequency

圖5 切機(jī)-輕度輕載首末端電壓Fig.5 Generator tripping-mild light load system voltage

圖6 切機(jī)-水平適中系統(tǒng)頻率Fig.6 Generator tripping-moderate load system frequency

圖7 切機(jī)-水平適中首末端電壓Fig.7 Generator tripping-moderate load system system voltage

圖8 切機(jī)-輕度重載系統(tǒng)頻率Fig.8 Generator tripping-mild heavy load system frequency

圖9 切機(jī)-輕度重載首末端電壓Fig.9 Generator tripping-mild heavy load system voltage

圖10 切機(jī)-重度重載系統(tǒng)頻率Fig.10 Generator tripping-heavy heavy load system frequency

圖11 切機(jī)-重度重載首末端電壓Fig.11 Generator tripping-heavy heavy load system system voltage

通過(guò)以上對(duì)比分析可知，當(dāng)發(fā)生切機(jī)故障時(shí)，不同負(fù)載率的暫態(tài)穩(wěn)定性波動(dòng)不同，其波動(dòng)程度由大到小依次是：重度輕載、輕度輕載、水平適中、輕度重載、重度重載?？梢?jiàn)在剩余電源容量足夠保證系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定的前提下，負(fù)載率越大，單臺(tái)機(jī)切機(jī)故障電壓、頻率波動(dòng)越小。這是因?yàn)槎鄶?shù)負(fù)載為感性負(fù)載且并聯(lián)于系統(tǒng)中，負(fù)載率越大其電抗總體值越小，與電抗值成反比的功率極限就越大，故穩(wěn)定性越好。

2.2 大負(fù)荷突增

針對(duì)5種負(fù)載水平進(jìn)行大負(fù)荷突增仿真：對(duì)重度輕載、輕度輕載、水平適中、輕度重載和重度重載分別進(jìn)行70%、70%、70%、50%和20%的負(fù)荷階躍分析，結(jié)果如圖12—21所示。

負(fù)荷階躍百分比說(shuō)明：針對(duì)“重度輕載”、“輕度輕載”和“水平適中”可進(jìn)行70%負(fù)荷階躍仿真分析，以校驗(yàn)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力；但針對(duì)“輕度重載”、“重度重載”，因其對(duì)應(yīng)的負(fù)荷率較高，進(jìn)行70%負(fù)荷突增仿真不合理，故分別做50%、20%負(fù)荷階躍分析。

圖12 負(fù)荷突增-重度輕載系統(tǒng)頻率Fig.12 Sudden increase of load-heavy light load system frequency

圖13 負(fù)荷突增-重度輕載首末端電壓Fig.13 Sudden increase of load-heavy light load system voltage

圖14 負(fù)荷突增-輕度輕載系統(tǒng)頻率Fig.14 Sudden increase of load-mild light load system frequency

圖15 負(fù)荷突增-輕度輕載首末端電壓Fig.15 Sudden increase of load-mild light load system voltage

圖16 負(fù)荷突增-水平適中系統(tǒng)頻率Fig.16 Sudden increase of load-moderate load system frequency

圖17 負(fù)荷突增-水平適中首末端電壓Fig.17 Sudden increase of load-moderate load system voltage

圖18 負(fù)荷突增-輕度重載系統(tǒng)頻率Fig.18 Sudden increase of load-mild heavy load system frequency

圖19 負(fù)荷突增-輕度重載首末端電壓Fig.19 Sudden increase of load-mild heavy load system voltage

圖20 負(fù)荷突增-重度重載系統(tǒng)頻率Fig.20 Sudden increase of load-heavy heavy load system frequency

圖21 負(fù)荷突增-重度重載首末端電壓Fig.21 Sudden increase of load-heavy heavy load system voltage

通過(guò)以上對(duì)比分析，當(dāng)發(fā)生大負(fù)荷突增時(shí)，不同負(fù)載率下的電壓、頻率波動(dòng)大小不同，其波動(dòng)程度由大到小依次是：水平適中、輕度輕載、輕度重載、重度輕載、重度重載?？梢?jiàn)負(fù)荷階躍百分比不同時(shí)，孤立海島微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性由負(fù)載率和階躍百分比共同決定。

2.3 大負(fù)荷突減

針對(duì)5種負(fù)載水平均進(jìn)行70%大負(fù)荷突減仿真：5 s時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷突減，30 s時(shí)仿真結(jié)束，結(jié)果如圖22—31。

圖22 負(fù)荷突減-重度輕載系統(tǒng)頻率Fig.22 Sudden decrease of load-heavy light load system frequency

圖23 負(fù)荷突減-重度輕載首末端電壓Fig.23 Sudden decrease of load-heavy light load system voltage

通過(guò)以上對(duì)比分析，當(dāng)大負(fù)荷突減時(shí)，不同負(fù)載率的暫態(tài)穩(wěn)定性波動(dòng)不同，其波動(dòng)程度由大到小依次是：重度重載、輕度重載、水平適中、輕度輕載、重度輕載。可見(jiàn)負(fù)荷階躍百分比相同時(shí)，負(fù)載率越大孤立海島微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性越差。

圖24 負(fù)荷突減-輕度輕載系統(tǒng)頻率Fig.24 Sudden decrease of load-mild light load system system frequency

圖25 負(fù)荷突減-輕度輕載首末端電壓Fig.25 Sudden decrease of load-mild light load system system voltage

圖26 負(fù)荷突減-水平適中系統(tǒng)頻率Fig.26 Sudden decrease of load-moderate load system frequency

圖27 負(fù)荷突減-水平適中首末端電壓Fig.27 Sudden decrease of load-moderate load system voltage

圖28 負(fù)荷突減-輕度重載系統(tǒng)頻率Fig.28 Sudden decrease of load-mild heavy load system frequency

圖29 負(fù)荷突減-輕度重載首末端電壓Fig.29 Sudden decrease of load-mild heavy load system voltage

圖30 負(fù)荷突減-重度重載系統(tǒng)頻率Fig.30 Sudden decrease of load-heavy heavy load system frequency

圖31 負(fù)荷突減-重度重載首末端電壓Fig.31 Sudden decrease of load-heavy heavy load system voltage

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比分析5種負(fù)載率下海島微電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性，可得出以下結(jié)論：發(fā)生單臺(tái)機(jī)切機(jī)故障時(shí)，在剩余容量足夠使系統(tǒng)最終恢復(fù)穩(wěn)定的前提下，負(fù)載率越大，暫態(tài)穩(wěn)定性越好；負(fù)荷階躍百分比相同時(shí)，負(fù)荷率越大其暫態(tài)穩(wěn)定性越差；當(dāng)負(fù)荷階躍百分比不同時(shí)，其暫態(tài)穩(wěn)定性由負(fù)荷率及負(fù)荷階躍百分比共同決定。