電機(jī)串聯(lián)新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的控制方法及其運行模式
2017-6-11 10:51:57??????點擊：
新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué)) 的研究人員周瑩坤、衛(wèi)思明、許國瑞、李松、黃永章，在2017年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊2上撰文指出，隨著新能源并網(wǎng)滲透率的不斷提高，同步發(fā)電機(jī)被并網(wǎng)逆變器替換造成的系統(tǒng)慣性大幅減少，引發(fā)新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題越來越嚴(yán)重。
為了提升新能源并網(wǎng)慣性，提出了基于電動機(jī)-發(fā)電機(jī)串聯(lián)(MGP)的并網(wǎng)系統(tǒng)。首先通過分析雙機(jī)機(jī)端電壓及勵磁電勢相位關(guān)系，確定MGP系統(tǒng)傳輸新能源發(fā)出的有功功率與電機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系，建立了改變源網(wǎng)相位差的控制方法，以控制MGP系統(tǒng)的有功傳輸，實現(xiàn)對MGP系統(tǒng)的功率閉環(huán)控制。
接著對MGP系統(tǒng)的穩(wěn)定運行模式進(jìn)行了研究，提出一個可以利用源網(wǎng)相位控制方法來運行的模式。在該模式下，MGP系統(tǒng)可以穩(wěn)定傳輸有功功率。最后通過仿真和實驗驗證了該控制方法的可行性。
能源在社會發(fā)展中起著重要的推動作用。電力作為清潔高效的能源形式，關(guān)乎國計民生。當(dāng)前，包括光伏和風(fēng)電在內(nèi)的分布式能源將越來越多的被接入到電網(wǎng)中。降低化石能源占比，為能源的可持續(xù)及清潔化運行提供可能，是未來電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[1]。
分布式發(fā)電系統(tǒng)是位于用戶附近的小型模塊化電力能源集成形式，它靠近用戶并可與配電網(wǎng)互聯(lián)。在改善電網(wǎng)運行的經(jīng)濟(jì)性，構(gòu)建環(huán)境友好型的電力系統(tǒng)等方面都有著重要意義[2-7]。然而分布式能源迅猛發(fā)展的同時，也帶來了諸多挑戰(zhàn)，由于分布式電源接入電網(wǎng)造成的故障增多，產(chǎn)生了大量的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。這在一定程度上制約了分布式發(fā)電的發(fā)展，甚至威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[8]。
除了運行成本和管理上的問題，分布式發(fā)電一般采用電力電子逆變器并入電網(wǎng)，相比傳統(tǒng)并網(wǎng)方式（比如同步發(fā)電機(jī)），其具有控制靈活、響應(yīng)迅速等特點，但是也存在非線性特征明顯、缺少慣性等不足。隨著新能源發(fā)電電源滲透率的不斷增加，電力系統(tǒng)中將出現(xiàn)大量并網(wǎng)的電力電子逆變器，相比之下，傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的裝機(jī)比例將降低，從而使得電力系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量和轉(zhuǎn)動慣性相對減少。
此外，分布式電源的并網(wǎng)控制策略各異，加之其輸出功率具有波動性和不確定性等特點，很難滿足電力系統(tǒng)所要求的調(diào)頻調(diào)壓運行特性，這給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行也帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[9]。由此可見，如何響應(yīng)國家號召，通過供給側(cè)改革，從源頭改進(jìn)，確保高比例的分布式電源友好地接入電網(wǎng)是目前有關(guān)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的一個關(guān)鍵問題。
為了應(yīng)對分布式電源的大量接入對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來的影響和挑戰(zhàn)，很多科研工作者對于傳統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器在性能和技術(shù)上均進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，對逆變器接口的控制方法進(jìn)行了研究。其中大量學(xué)者通過有功-頻率控制方法的研究，使逆變器模擬同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速特性，用以表征有功功率和系統(tǒng)頻率的下垂特性，并通過逆變器下垂控制實現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)簡單易行，可以實現(xiàn)多電源并聯(lián)運行時的有功功率按容量分配[10,11]?；谏鲜龇椒?，在電網(wǎng)發(fā)生振蕩時的改進(jìn)控制方法也有相關(guān)研究[12]。
但是上述改進(jìn)對于電網(wǎng)由于慣性降低而降低的頻率穩(wěn)定性的提升效果還是有限。為了模擬系統(tǒng)發(fā)生小干擾時，同步發(fā)電機(jī)維持電網(wǎng)穩(wěn)定所提供的調(diào)頻支持能力，大量學(xué)者提出了虛擬慣性控制[13,14]。魯汶大學(xué)提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)（VirtualSynchronous Generator， VSG）方案，在外特性上模擬了同步發(fā)電機(jī)的搖擺方程，克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)提出了虛擬同步電機(jī)（virtualsynchronous machine，VISMA）技術(shù)，可以利用電池儲能系統(tǒng)，更好地使逆變器體現(xiàn)同步電機(jī)的慣性特性，為系統(tǒng)提供頻率支撐[15,16]。
大阪大學(xué)的伊瀨敏史教授等提出的虛擬同步發(fā)電機(jī)控制基于同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電暫態(tài)模型，在頻率控制上模擬同步發(fā)電子的轉(zhuǎn)子慣量與系統(tǒng)調(diào)頻特性，在電壓控制上，考慮無功-電壓關(guān)系，以控制電壓穩(wěn)定輸出[17]。利物浦大學(xué)的鐘慶昌教授，從同步發(fā)電機(jī)的交流側(cè)動態(tài)模型入手，同時考慮了同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)特性，提出的同步逆變器（synchronverter）實現(xiàn)了同步發(fā)電機(jī)和逆變器在物理和數(shù)學(xué)模型上的等效，在此基礎(chǔ)上還提出了虛擬同步發(fā)電機(jī)的自同步運行，以及基于整流器的虛擬同步系統(tǒng)[18,19]。
然而現(xiàn)有的改進(jìn)控制方式，均從控制上著手，改進(jìn)逆變器的并網(wǎng)特性，傳統(tǒng)逆變器并網(wǎng)所面臨的所有問題，均對這些改進(jìn)方法造成影響，例如新能源源端動態(tài)過程對于逆變器控制的影響，大量分布式電源同時并網(wǎng)的同步運行問題等。
為解決上述問題，文獻(xiàn)[20]提出了一種全新的思路用以改善新能源并網(wǎng)慣性缺失的問題，即新能源采用電機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)(Motor-GeneratorPair, MGP)并網(wǎng)。逆變器不直接并網(wǎng)，而是采用逆變器-電動機(jī)-同步發(fā)電機(jī)的形式并網(wǎng)，可以利用同步發(fā)電機(jī)的固有慣性，提升新能源并網(wǎng)慣性，而且同步發(fā)電機(jī)的控制可以完全遵循現(xiàn)有同步發(fā)電機(jī)的控制方法，大大提升新能源并網(wǎng)的安全性，減少新能源并網(wǎng)對于電網(wǎng)的沖擊。
本文從MGP并網(wǎng)系統(tǒng)的基本模型出發(fā)，提出了MGP系統(tǒng)的源網(wǎng)相位控制策略，用于控制MGP系統(tǒng)跟隨新能源有功功率波動。同時，本文討論了MGP系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中的平穩(wěn)運行模式，得出了一種可以利用現(xiàn)有火力發(fā)電廠同步發(fā)電機(jī)的控制方法的運行模式。最后通過仿真和實驗對于MGP系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了驗證分析，證明利用MGP系統(tǒng)可以安全有效地實現(xiàn)新能源并網(wǎng)。
圖1 MGP系統(tǒng)主方案結(jié)構(gòu)圖
結(jié)論
本文提出了一種可以提升新能源并網(wǎng)慣性的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)——MGP并網(wǎng)系統(tǒng)。通過對MGP系統(tǒng)的基本模型進(jìn)行分析，提出了MGP系統(tǒng)的源網(wǎng)相位控制方法，并通過仿真和實驗驗證了MGP系統(tǒng)的并網(wǎng)可行性。
進(jìn)一步分析可知，采用源網(wǎng)相位控制，可以將逆變器-電動機(jī)的組合與傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的原動機(jī)調(diào)速設(shè)備等效，進(jìn)行有功控制；再利用同步發(fā)電機(jī)的勵磁控制，可以將傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定控制方法全部應(yīng)用到MGP系統(tǒng)中，這樣就可以用傳統(tǒng)發(fā)電廠的成熟的控制方法來控制MGP系統(tǒng)，這對于并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展有著重要作用。
在后續(xù)工作當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究MGP系統(tǒng)對于系統(tǒng)慣性支撐的作用，以及多MGP系統(tǒng)并聯(lián)運行的協(xié)同控制問題。同時，還需要考慮同步電機(jī)勵磁系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)的影響，研究適合MGP系統(tǒng)的PSS系統(tǒng)和有功功率控制方式。
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