黄维峰

广东粤电石碑山风能开发有限公司 广东揭阳 515223

现阶段，虽说水电在某些方面存有一定的局限性，对我国水电站的开发建设及规模的扩大不会造成太多影响，但也不可能忽视，如果不加以控制，可能会存在安全隐患。在某些水电占比较高的电网中，主要是通过水轮机来疏导过大的电负荷，其作用机理是通过扩大导水叶开度，来改善电能有功功率的输出效率[1]。但是在输出功率提高之前，由于水锤效应的存在，会使功率有一个短暂的下跌过程，然后才能逐步提升功率的输出率，这一过程导致系统的有功功率出现不平衡的状况，使电网频率超出正常范围，如果发电机大面积解列，电网无法承受这样的负荷时就会导致安全事故的发生。风电相较于其他发电方式来说具有明显的技术优势，国家政策的扶持力度较大，具有较好的市场前景，风电的可开发性较大[2]。

1 风电补偿水电系统水锤效应的控制策略

1.1 风电补偿水锤效应的控制流程

实现水锤效应的控制，主要通过双馈风力发电机来完成，结合原有惯性控制策略，增加新的控制环节可以有效平衡整风机的输出有功功率，其作用机理是借助双馈风力发电机的特性，合理控制水轮机导水叶开度，以此实现电网频率中电台变化的实时响应，再由水锤效应产生的功率缺额进行控制，基本的控制流程如下：

（1）实时对电网频率进行监测；

（2）有效输出功率的补偿参考数据通过风机的虚拟惯性控制得到，其主要优势表现为，能够对电网频率的动态变化进行实时响应，故第一时间就可以获取到有效参数的值，此处为Pf；

（3）监测水轮机导水叶开度的数据是否恒定。水锤效应产生是因为导水叶开度发生了变化，一般情况下，只要电网频率在水轮机调速器的有效可控范围内，就可以避免水轮机调速器产生作用导致的水锤效应，而且虚拟惯性控制完全可以应对正常情况下的电网频率动态监控[3]。

（4）如果情况与步骤3刚好相反，即电网频率超出了水轮机调速器的有效可控范围，引发水轮机调速器，导致水轮机导水叶开度发生变化，从而产生水锤效应。此时就需要增加新的控制环节进行调整，辅助风机配合水轮机导水叶开度产生的变化，以此获取补偿参考数值，称为功率补偿参考值Pμ；

（5）获取总的风机补偿功率参考值PTe_ref。

1.2 控制风电补偿水锤效应的举措

图1所示为控制方法的基本流程以及所涉及到的主要控制器。Δf与dΔf/dt是功率控制环节的两个主要回路。在第一回路中，风机的功率由Δf的比例进行控制，Pf1为最终输出功率的结果，故实测及参考频率所产生的绝对误差值可用公式（1）计算：

式中，-Kpf为比例系数，Δf实测与参考频率产生的偏差。

在第二回路中，主要进行惯性控制操作，dΔf/dt进行比例控制来实现，具体公式如下：

式中，Kdf依然是一个比例系数，不错在此处它的含义是增加的等效惯性值。在惯性控制环节，得到的第一参考数据计算公式为：

图1 利用风电补偿控制水锤效应的原理图

图1中，新附加控制中的回路1由Δμ经过比例环节组成。导水叶开始工作时，可利用此控制环节对风机输出的电磁功率进行调节，其数学表达式为（5）：

回路2中，dΔμ/dt主要由滤波器和比例环节构成，该回路中的输出功率可用公式（6）表示：

其中，对新附加控制所产生的功率可用公式（7）进行计算：

为了避免风机转速过低，应对风机最低转速进行设置，通常取值0．7pu。由此得出，计算虚拟惯性控制环节和新附加控制环节所产生的功率公式为式（8）：

则风机输出的参考功率为

2 考虑水锤效应的电网频率动态解析方法

在一部分电网中，水轮机的占比会比较高，因此水锤效应的发生概率以及其带来的不利影响也会比较大。由于水锤效应的存在，当电网系统受到较大的负荷干扰时，无法进行及时的调整，而且水锤效应还会使电网的有功功率缺额持续扩大，对整个系统的频率造成严重的不利影响，破坏电网的安全运行，故需要充分重视。可以通过全状态时域法对大型互联电网进行分析，其特点是对电网频率动态进行仿真解析，耗时相对较长，也正是因为这一点，该法不能及时监测到水锤效应的产生，全时域分析法无法实现快速分析水锤效应所产生的影响[4]。而通过简化水轮机-调速器系统，就可以实现快速分析的目的，且仿真准确度高，具体分析流程如图2所示

图2 频率动态分析流程图

3 结语

综上所述，由于水锤效应的存在可能会给电网频率造成严重的不利影响，在此基础上，本文分析了目前采用风电补偿水轮机水锤效应的方法，借助风电本身的特性以及结合实际运行过程中新的控制环节，使得变速风机可以实时的、有效的配合电网频率的动态变化，平衡器有效输出功率，最大程度的减弱水锤效应对电网的影响。并简要阐述了通过简化水轮机-调速器系统达到快速、仿真分析水锤效应的目的，希望能够借此建立起响应电网频率的解析模型，并能够提供有效的参考价值。