一种用于新能源同步电机对并网的起动控制方法与流程

本发明属于新能源电力系统运行与稳定性领域，尤其涉及一种用于新能源同步电机对并网的起动控制方法。

背景技术：

能源在社会发展中起着重要的推动作用。电力作为清洁高效的能源形式，关乎国计民生。电力生产的过程主要是将各种类型的一次能源转换为容易输送和方便转换的电能并输送分配的过程。由于传统化石能源带来的环境问题日益严重，以及传统化石能源面临的未来枯竭的问题，风能发电、太阳能发电等新能源电力以其独特优势和近些年的发展，已经成为经济上逐步可行的替代能源，已经成为目前公认的能源电力领域的发展方向。2016年，我国风电全年新增装机容量1930万千瓦，累计并网装机容量达到1.49亿千瓦，占全部发电装机容量的9％，风电发电量2410亿千瓦时，占全部发电量的4％，全国风电平均利用小时数1742小时，同比增加14小时，全年弃风电量497亿千瓦时。2017年，新增并网风电装机1503万千瓦，累计并网装机容量达到1.64亿千瓦，占全部发电装机容量的9.2％。风电年发电量3057亿千瓦时，占全部发电量的4.8％，比重比2016年提高0.7个百分点。

“电网友好型”新能源要求其发电效率高，能够抵御一定的故障，还要积极参与电网有功-频率调节，提高系统的稳定性。当风机渗透率达到10％上时，系统的转动惯量会有明显的降低。而惯量体现新能源对频率变化的缓冲能力，保证在负荷扰动量比较大时，新能源机组有充裕时间实现有功功率的调整。对于以光伏发电为代表的不含旋转电机部件的新能源发电设备，采用电力电子换流器与电网相连，在目前的认知水平下，几乎不存在惯性响应。如图1所示某电网频率响应图，可知，随着新能源渗透率的提高，电网频率的波动范围会增加，这会对电网中频率敏感型负载造成威胁，也会使得很多并网新能源出发频率保护，而后脱网，造成更严重的后果。

为了解决上述问题，国内外学者提出了很多改进措施。变速风电机组有功备用控制指风电场放弃最大功率追踪，稳态运行时风电场预留一部分可调节的功率以便在频率变化时参与频率调节。备用功率控制策略包括直接桨距角备用控制和修改最大功率跟踪曲线控制。变速风电机组有功输出大小由当前风速决定，通过计算最大功率跟踪曲线上对应的功率值，作为变流器控制的参考指令，采用有功、无功功率解耦控制策略，这会使得风机转动惯量被＂隐藏＂起来，当大量风机接入电网后，随着渗透率提升，电网有效惯量将会减小。研究风机的频率控制方法，转速信号反馈到风机控制系统中，并且通过计算得到相应的有功功率指令。该指令与原有功功率指令相加获得变流器功率参考指令，从而实现了风电机组对系统频率变化的惯性支持能力。新能源惯性缺失对系统频率造成的负面影响是毋庸置疑的。近年来有学者提出“虚拟惯性”控制技术，或称为虚拟同步发电机技术、同步换流器技术，该方法基于同步发电机的机电暂态模型，在频率控制上模拟同步发电子的转子惯量与系统调频特性。

以上方法也不是完美的，在以下主要方面存在疑问：(1)是否具备足够的能量来源。虚拟惯性控制旨在释放风机转子或换流器直流侧电容中的能量以提供惯性，所能释放的能量和调频效果对扰动发生前风机的转速或电容储能依赖度较高，是否具备足够的能量来源是该方法需要解决的问题；(2)频率调节的可靠性。为保证扰动恢复后转子能够重新恢复最优转速，还需要将临时“借用”的动能“归还”给转子，因此需要从电网吸收有功功率，这一方面导致系统频率恢复过程变长，另一方面可能加剧电网的功率缺额，存在频率进一步下降的潜在风险。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种用于新能源同步电机对并网的起动控制方法，以解决现有技术高比例新能源电网惯性降低导致电网稳定性降低等技术问题。

本发明的技术方案是：

一种用于新能源同步电机对并网的起动控制方法，所述起动控制方法基于变频起动技术，采用独立的励磁系统作为励磁供电电源，利用逆变器作为同步机电机对驱动变频器，控制变频器的输出频率从0hz按恒压或频比方式在半分钟内到达50hz。

所述并网起动控制方法应用于新能源经同步电机对并网系统中，并网系统包括电网、同步电机对、励磁电源、新能源、电压源型逆变器、电气测量仪器和起动开关；同步电机对由一台同步电动机和一台同步发电机的转子同轴相连。

同步电机对起动过程为：电压源型逆变器发出起动信号将起动开关切换至k0，s，电压源型逆变器发出开通信号给励磁电源使其自动开启，励磁电源向同步电动机提供空载励磁电流，电压源型逆变器检测到励磁电源稳定持续供电的情况下，电压源型逆变器输出频率给定值从零开始持续增加，同步电动机带动同步发电机开始起动旋转，然后电压源型逆变器在保持输出电压和频率比不变的情况下使同步电动机加速至同步速3000r/min，当电压源型逆变器检测到同步电动机以同步速稳定运行时，发出信号将起动开关切换至k1，s，起动完成。

同步机电机对数学模型和机械模型满足以下关系：

式中：ua、ub、uc分别为三相定子电压，uf为励磁电压，ia、ib、ic分别为三相定子电流，ifd为励磁电流，ikd为d阻尼绕组电流，ikq为q阻尼绕组电流，ψa,ψb,ψc为定子绕组磁通，ψf为励磁绕组磁通，θ为转子位置，δ为同步电机的功角，h、kd分别为同步电机对的惯性常数，ωm、δωm分别为同步电机对的机械角速度和机械角速度与电角速度之差，ω0是同步电机对的电角速度，tm、te分别为同步电机的机械转矩和电磁转矩。

本发明有益效果是：

本发明不仅能满足同步电机对的起动要求，同时可以提高起动的平稳性，减少对两台同步电机和共用转轴的损伤，为同步电机对系统在实际电网工程落地和实践提供重要技术支持。同时，本发明顺应同步电机对的物理结构特点，利用同步电动机侧逆变器作为起动控制装置，无需额外增加起动辅助设备，可以根据用户要求调节起动速度的快慢；解决了现有技术高比例新能源电网惯性降低导致电网稳定性降低等技术问题。

附图说明

图1为不同新能源渗透率下某电网频率响应示意图；

图2为本发明所述新能源经同步电机对并网主体结构示意图；

图3为本发明所述同步电机对起动流程示意图。

具体实施方式

本发明所提出的用于新能源经同步电机对并网结构的同步机电机对起动方法，不同于目前主流的副机拖动的起动方式利用变频起动的方法。采用这种方式的主要原因是由同步电机对的机械结构决定的，同步电机对的电动机侧连接逆变器，而发电机侧定子侧与电网相连，因此无法增加副机拖动电机起动，但是其起动过程又类似副机拖动的起动方式，首先逆变器的输出频率从0开始增加，半分钟后达到50hz，而同步电动机在变频器的驱动下转速从0升至1500r/min，由于同步电动机和同步发电机同轴相连，同步发电机的转速亦会从0升至1500r/min。不同于现有自励磁同步发电机，同步电动机采用他励磁方式，便于调节其两侧无功功率，在同步发电机起动过程中两台同步电机的励磁电压保持恒定，有利于电机平稳起动。

所述的一种用于新能源经同步电机对并网结构的同步机电机对，同步机电机对数学模型和机械模型满足以下关系：

其中ua、ub、uc分别为三相定子电压，uf为励磁电压，ia、ib、ic分别为三相定子电流，ifd为励磁电流，ikd为d阻尼绕组电流，ikq为q阻尼绕组电流，ψa,ψb,ψc为定子绕组磁通，ψf为励磁绕组磁通，θ为转子位置，δ为同步电机的功角，h、kd分别为同步电机对的惯性常数，ωm、δωm分别为同步电机对的机械角速度和机械角速度与电角速度之差，ω0是同步电机对的电角速度，tm、te分别为同步电机的机械转矩和电磁转矩。

由公式(1)、(2)可知，两台电机的数学模型是一致的，定转子绕组存在很强的电气耦合关系，励磁绕组起到激磁作用，当两台电机的电气和机械参数相同时，两台电机的电磁变化过程相同，这为同步电动机拖动同步发电机平稳达到同步速提供了有利保障。

由公式(3)、(4)可知，同步电机的功角变化率与转速差δωm成正比，当逆变器的输出频率缓慢按照一定的比例稳定增加时，转速差δωm按照等比例增加，由公式(3)可知，同步电机的功角变化率基本保持不变，这样同步电机的转矩变化也会比较平缓，使得同步电机对可以平稳起动。

所述并网起动控制方法应用于新能源经同步电机对并网系统中，如附图2示，该并网系统由电网10、同步电机对11、励磁电源141、新能源(20)、电压源型逆变器211、电气测量仪器216、起动开关118组成，同步电机对11由一台同步电动机120和一台同步发电机130的转子同轴相连，该起动控制方法适用于新能源

同步电机对11起动过程为：电压源型逆变器211发出起动信号将起动开关118切换至k0，s，电压源型逆变器211发出开通信号给励磁电源141使其自动开启，励磁电源141向同步电动机120提供空载励磁电流，电压源型逆变器211检测到励磁电源141稳定持续供电的情况下，电压源型逆变器211输出频率给定值从零开始缓慢持续增加，同步电动机120带动同步发电机130开始起动旋转，然后电压源型逆变器211在保持输出电压和频率比不变的情况下使同步电动机120加速至同步速3000r/min，当电压源型逆变器211检测到同步电动机120以同步速稳定运行时，发出信号将起动开关118切换至k1，s，起动完成。