光伏电站用同步电机对并网装置的制作方法

本实用新型涉及一种并网装置，尤其是涉及一种光伏电站用同步电机对并网装置。

背景技术：

为了保护全球环境，降低化石能源比例，使用新能源发电替换传统火力发电厂，提高新能源的比例是一个重要手段，高渗透率新能源电力系统是未来电力系统发展的大趋势。然而，新能源的快速发展也带来了一些新的挑战。新能源发电一般通过电力电子变换器接入电网，与传统的并网方式(如火电机组)相比，这种方法具有控制快速灵活的特点，但也存在着非线性和惯性不足的缺陷。随着新能源发电的不断渗透，电网中将出现大量并网型电力电子逆变器。相反，传统同步发电机的比例会降低，从而降低电网的旋转备用容量和转动惯量，进而危及电网的频率稳定性。现有的改进都着眼于逆变器的控制策略上，但是上述控制改进方法并不能从根本上改变电力电子逆变器的缺陷。对于光伏发电，要进行虚拟惯性控制必须额外配置储能环节，其成本将大大增加，不利于产业的发展。

现有技术，如中国专利申请(申请号：201810134504.0)公开了一种研究高渗透率新能源电力系统的实验装置和方法，所述实验装置由驱动电源和mgp系统组成，驱动电源分别与mgp系统和本地负荷相连，mgp系统连接电网和负载；其中mgp系统的同步电动机通过机械连接与同步发电机相连，组成同步电机对通过并网端并入电网，mgp系统还包括测量装置，联接到同步电机对测量点；所述方法包括：研究高渗透率新能源电力系统中多换流器的并联运行；研究系统的惯性和频率稳定性、电压稳定性、小干扰稳定和阻尼、暂态功角稳定、mgp系统并网和离网特性、新能源的谐波。然而，该现有技术仅仅停留在实验阶段，并且仅仅给出一个设计思路，没有详细阐述实现其发明所要解决的技术问题并达到其技术效果所采取的控制方法没有阐述。再如中国专利申请(申请号：201910670167.1)公开一种适用于多变流器驱动的多绕组同步电机对系统，以及另外一篇中国专利申请(申请号：201910774237.8)公开了一种基于新能源同步机的新能源并网控制系统和方法，这两篇专利申请都是通过采用复杂的机构算法，对新能源、逆变器以及发电机输出端采样后进行一定的控制算法以实现其各自的目的，这种技术手段的实施必然会在实际应用中造成维修困难，增加社会成本，不利于广泛推广和应用。

此外，中国专利(申请号：cn2012205047941)公开了一种模拟同步发电机的三相并网同步逆变器，该同步逆变器包括直流电源、三相逆变器、滤波器、隔离变压器、控制器、交流电流检测电路、交流电压检测电路、直流侧电压检测电路、上位机，其特征在于，所述三相逆变器包括三组并联的igbt模块；所述直流电源、三相逆变器、滤波器、隔离变压器依次连接，所述交流电流检测电路、交流电压检测电路、直流侧电压检测电路均与所述控制器连接，所述控制器通过驱动保护模块驱动所述igbt模块；所述直流侧电压检测电路与所述三相逆变器输入端连接，所述交流电流检测电路与所述三相逆变器输出端连接，所述交流电压检测电路与所述滤波器连接；所述控制器通过锁相环电路并接入所述滤波器与所述隔离变压器之间；所述控制器与所述上位机双向连接。然而，该逆变器供给电源并不是新能源，并且在实际应用中输出噪声大，没有采取适合的滤波器，此外，该现有技术并不是采用同步机并网系统实现并网的，并不能达到光伏电能平滑并入电网中的目的。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的不足，本实用新型的目的是提供一种光伏电站用同步电机对并网装置，以达到结构简单，设计合理，适用于广泛应用和推广。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

光伏电站用同步电机对并网装置，包括光伏电场、光伏逆变器、同步机并网系统、传感器模块、控制模块、电网；光伏电场产生的电能经过光伏逆变器逆变后与同步机并网系统连接并入电网；所述同步机并网系统输出信号经过第一传感器模块采集数据后反馈给控制模块；第二传感器模块采集所述电网的电压角频率、电压相位信号反馈给控制模块；所述控制模块根据第一传感器、第二传感器采集的电参数输出spwm波控制光伏逆变器中开关管的导通关断；其特征为：所述光伏逆变器输出端接陷波器电路，所述陷波器电路包括陷波滤波器和低通滤波器；所述陷波滤波器与低通滤波器一端连接，所述陷波滤波器阻抗为z(s)＝(s/ct)/(s²+1/ltct)；陷波滤波器的转折频率为：其中fct应当与逆变器开关频率一致，c,l为并联电容、电感值；所述低通滤波器的另一端与同步机并网系统同步电动机连接；所述同步机并网系统由一台同步电动机和一台同步发电机的转子同轴相连组成；所述同步电动机和光伏逆变器连接，光伏电场与光伏逆变器连接；同步发电机与电网连接。

优选为：所述第一传感器采集的电参数包括同步电机并网系统输出有功功率，该有功功率与基准参考有功功率比较后，经过pi控制器后输出相位调整量。

优选为：所述第一传感器采集的电参数包括同步发电机输出电压、电流信号。

优选为：第二传感器采集电网电压频率f，将电压频率f与频率参考值fref的偏差δf经下垂控制得到δp，将δp与参考功率pref相加得到机械功率pm。

优选为：所述光伏逆变器为电压源型光伏逆变器。

有益效果：

本实用新型在光伏逆变器输出端接陷波器电路，大大降低了逆变器输出噪音，同时采用了同步机并网系统，从而达到光伏电源平滑并入电网实现了无过大冲击电网的目的；该并网装置结构简单，实现真正的并网接入，提高了新能源灵活并网、接受调度的能力，显著降低弃风、弃光容量，从而降低了新能源投资成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型光伏电站用同步电机对并网装置结构示意图。

图2是本实用新型光伏电站用同步电机对并网装置逆变器-同步电动机系统与陷波器电路结构图。

图3是本实用新型光伏电站用同步电机对并网装置中同步机并网系统建模结构；

图4是本实用新型光伏电站用同步电机对并网装置中的系统机械模型框图。

其中，附图中参数含义如下：

δθ：相位调整量；ωg：电网电压的角频率；

θg：电网电压相位；pref：同步发电机输出有功功率参考值；δf：频率调节量；jm是转子转动惯量，ωn是电机转速；wm转子动能；同步电机的惯性大小可以用惯性时间常数h；sng是同步发电机的额定容量；逆变器的惯性时间常数hc。

具体实施方式

光伏电站用同步电机对并网装置，包括光伏电场、光伏逆变器、同步机并网系统、传感器模块、控制模块、电网；其特征为：光伏电场产生的电能经过光伏逆变器逆变后与同步机并网系统连接并入电网；所述同步机并网系统输出信号经过第一传感器模块采集数据后反馈给控制模块；第二传感器模块采集所述电网的电压角频率、电压相位信号反馈给控制模块；所述控制模块根据第一传感器、第二传感器采集的电参数输出具有一定占空比的spwm波控制光伏逆变器中开关管的导通关断。所述第一传感器采集的电参数为同步机并网系统输出有功功率，该有功功率与基准参考有功功率比较后，经过pi控制后输出相位调整量。

光伏电站用同步电机对并网装置逆变器-同步电动机系统与陷波器电路结构图，请参考附图2所示。

电力电子器件高频化频率改善了三相逆变器的许多特性，但是高频化同时带来了一系列其它的问题，比如过高的dv/dt容易使感性负载的分布电容的作用不容忽视，从而导致整个系统的电磁兼容性变差。

本实用新型设计了一种陷波滤波器与低通rlc滤波器串联，从而形成了一种新的输出滤波器拓扑，该拓扑不仅可以减少开关谐波分量，而且还可以降低对低通滤波器的要求。滤波器拓扑由传统的三相逆变器输出低通rflfcf滤波器和陷波滤波器rtct串联构成。

基于本实用新型逆变器-同步电机系统，其中一相绕组的阻抗为：

rflfcf滤波器的传递函数为

h(s)＝(rfcfs+1)/(s²lfcf+srfcf+1)，则rflfcf拓扑中rfcf分支的阻抗为：

滤波器的转折频率、阻尼因子、电机绕组与滤波器电容的谐振频率等，对于输出滤波器来说阻尼因子w＝(r/2).(c/l)^1/2为0时，系统失去稳定，因此感性负载(同步电机)线圈和低通滤波器rflfcf电容谐振频率为输出滤波器必须避开它们的谐振点，以免造成外环不稳定，因此cf的选取范围为：其中fm为低通滤波器与电机绕组的谐振频率，rflfcf滤波器的转折频率fc为：

陷波滤波rtct主要作用是防止开关频率附近的谐波进入电机，从而造成转矩的脉动和控制系统不稳定.陷波滤波器的转折与载波频率有密切的关系，陷波滤波器阻抗为z(s)＝(s/c)/(s²+1/ltct)；陷波滤波器的转折频率为：其中fct应当与逆变器开关频率一致，lt和ct的选取没有严格的限制，如果把陷波滤波器rtct与rflfcf低通滤波器串联，就会得到非常好的滤波效果，首先，陷波滤波器消除了开关频率处谐波，接着rflfcf滤波器进一步滤除其它高次谐波.这样一种滤波拓扑，同时可以降低对rflfcf转折频率过低要求和相应地提高阻尼电阻。

在新能源电场的末端，增加了一组由同步电动机和同步发电机组成的电机对，然后并到电网中。考虑到新能源电场的总容量通常达到兆瓦级，普通直流电机和感应电机很难做到这一点，而同步发电机的现有容量可以达到几百兆瓦，所以发电机和电动机都设计为同步电机。

对于同步机并网系统中采用的同步发电机、同步电动机，其转子惯性是由转子质量和转子转速决定的。当同步机并网系统中的同步电机、发电机运行时，其惯性可以近似为一个常数，其惯性的大小约为同容量火电机组惯性的65％。因为同步机并网系统中的两台同步机同轴连接，可以假定两台电机的转速和转速变化均相同，而且两台电机转子的稳态机械转矩也相同。所以可以假定两台电机使用各自的电磁方程和电磁转矩，使用同一机械系统。假定两台电机的惯性时间常数为hg，hm，电磁转矩为teg，tem，转子角为δg，δm，阻尼系数是kdg，kdm，得到：

考虑到同步机并网系统加速时，发电机的电磁转矩小于电动机的电磁转矩，因此此处设定发电机的电磁转矩teg为正，电动机的电磁转矩t^*em为负。然后可以得到如图4所示的系统机械模型框图：

基于上述机械模型的传输函数，我们可得同步机并网系统模型图如图3所示，其中usource和ugrid是电动机和发电机的端电压；isource，igrid是电动机和发电机定子电流；δδm，δδg是电动机和发电机的转子角度的变化；δω是转子转速变化。发电机和电动机各自有一套电磁系统，可以计算机械系统输入的电磁转矩。进而可以计算同步机并网系统转子转速和转子位置。两台电机的转速和转子位置相同。同时，转子的位置和转速是两机电气部分的输入，参与电磁转矩的计算。

基于上述同步机并网系统的理论机械模型及其控制模型，本实用新型采用简单的电机控制领域常规的技术手段，诸如锁相环以及pi控制来实现本实用新型的控制过程，具体工作原理如下：

同步机并网系统中同步发电机输出端通过第一传感器模块采集输出电压和电流信号后，经控制模块中功率计算模块得到同步发电机输出有功功率po和无功功率qo；本实用新型采用pll锁相环检测电网电压频率f，将电压频率f与频率参考值fref的偏差δf经下垂控制得到δp，将δp与参考功率pref相加得到机械功率pm，将机械功率pm与有功功率p经过求差运算后除额定角速度ω0即得转矩差δt，同时采集同步发电机输出轴角速度变化率dω/dt和偏差值δω再采用自适应控制得转动惯量j，经转子运动方程得到同步发电机输出角速度ω，将同步发电机输出角速度ω经过积分运算后得到同步发电机的励磁电动势相角θ。由采集的无功功率q、参考功率qref和参考电压uref经下垂控制后经过pi调节器得到发电机的参考电势e。将励磁电动势相角θ和参考电动势e输入到定子电压方程后得出spwm三角函数方程，通过该三角函数方程输出spwm波给变频器用于控制变频器上开关管的导通和关断状态。光伏逆变器根据spwm波并经过输出波滤波器后，将逆变后的电信号传输给同步电动机。

上述工作原理中，采用的诸如“下垂控制”属于现有技术，可以参考诸如现有技术，诸如中国专利申请，公开号：cn110336319a，发明名称基于功率下垂的光伏并网发电系统的控制方法、或公开号：cn110890768a，公开一种低压交流微电网孤岛模式下的功率分配方法等都详细的采用该技术。

本实用新型光伏电站同步电机对并网装置，赋予了光伏新能源传统火电机组新属性，从技术上提高了稳定运行能力，实现真正的友好接入，提高新能源灵活并网、接受调度的能力，显著降低弃风、弃光容量，显著降低新能源电场投资成本。本实用新型适用于风电、光伏等大规模新能源并网的场合。本实用新型中光伏逆变器及其控制系统采用了江苏大全凯帆电器股份有限公司生产，该装置在新疆、张家口等光伏场地经过试运行，其运行平稳，大大的提高了生产效率和社会效率。目前所采用的50mw光伏电场同步电机对并网装置技术指标如下表所示。

以50mw光伏电场为例，具体指标如下：

此外，还有类似现有技术，诸如：

cn102709943a；cn102946112a；cn105790307a；cn108134402a；cn107591834a；cn107104458a；cn10641083a；cn108092309a等，虽然上述公开的技术方案都是光伏新能源通过逆变器并网，但是其所采取的技术方案与本实用新型采取的技术方案不同，同时本领域技术人员也无法根据上述现有技术毫无疑义的确定得出本实用新型技术方案。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本实用新型要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。