一种利用调相机在新能源系统中实现调频和调压的方法与流程

1.本发明属于新能源调频调压技术领域，具体涉及一种利用调相机在新能源系统中实现调频和调压的方法。


背景技术：

2.风能、电能等新能源是可再生资源，在现今这种煤炭石油等化石能源日益消耗趋于紧缺的情况下，利用风能、电能产生清洁持续的电能已经成为一种低成本，具有巨大发展前景的项目，随着能源问题和环境问题的日益凸现，新能源发电在世界各国受到普遍重视，风能、电能等新能源是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，且相应的发电技术比较成熟，可形成规模开发，近年来得到迅速发展；虽然现在的数据显示大多数国家并没有把新能源发电视为主要的供电来源，但新能源发电在总供电量中所占的比重正在逐年增加这是一个不争的事实，随着新能源发电场规模的不断扩大，其不稳定性造成的不良效应会严重影响输出的电压稳定性、电能的质量，发电机组的脱网会对电网系统造成严重冲击，为降低新能源发电基地对电网安全稳定运行的影响，不得不压低新能源发电基地出力，影响了新能源发电基地的收益，也提高了电网的发电运行成本；调相机应用于电力系统时，能根据系统的需要，自动地在电网电压下降时增加无功输出，在电网电压上升时，调相机吸收无功功率，以维持电压，提高电力系统的稳定性，改善系统供电质量；利用调相机在新能源系统中对并网点电压、频率进行实时监测，实现对于有功与无功之间的调频、调压控制，实现电站控制点之间的电压动态连续控制以及无功功率之间的动态平衡，能够在最大程度上降低光伏电站无功功率补偿装置的投入与实际使用，降低无功补偿装置带来的消耗与磨损，降低用电产生的成本，提升新能源电站整体发电效率以及经济水平，因此，提供一种利用调相机在新能源系统中实现调频和调压的方法是很有必要的。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种可实现电站控制点之间的电压动态连续控制以及无功功率之间的动态平衡，能够在最大程度上降低光伏电站无功功率补偿装置的投入与实际使用，降低无功补偿装置带来的消耗与磨损，降低用电产生的成本，提升新能源电站整体发电效率以及经济水平的利用调相机在新能源系统中实现调频和调压的方法。
4.本发明的目的是这样实现的：一种利用调相机在新能源系统中实现调频和调压的方法，它包括以下步骤：
5.步骤1、确定大规模新能源直流外送系统暂态过电压的影响因素；
6.步骤2、对调相机接入大规模新能源直流外送系统的无功补偿过程进行分析；
7.步骤3、确定新能源发电系统的无功功率控制策略、机组类型和新能源汇集方式；
8.步骤4、确定调相机接入大规模新能源直流外送系统的动态特性；
9.步骤5、确定调相机高电压等级接入大规模新能源直流外送系统的数学模型；
10.所述步骤1确定大规模新能源直流外送系统暂态过电压的影响因素包括：
11.直流系统常见的故障类型有直流重启动、直流闭锁、换相失败，均会导致送端系统暂态过电压；直流换相失败故障发生后，送端交流系统电压先降后升，对影响直流控制系统特性的主要控制环节进行灵敏度分析，包括换相失败预测控制环节、电流控制cca环节、低压限流vdcol环节以及正斜率控制环节，cca环节的比例系统、积分时间常数以及vdcol环节的最小限制电流、直流电压下降时间常数对送端交流系统的暂态过电压特性影响较大，是控制系统优化的关键参数。
12.所述步骤2对调相机接入大规模新能源直流外送系统的无功补偿过程进行分析包括：
13.调相机在几十毫秒内将定转子储存电磁场能提供至电网，其无功功率与调相机主参数相关，机端电压突变时，次暂态过程中定子输出电流如下：
14.id＝(e
q-u
t
)/xd15.其中，eq为调相机q轴次暂态电动势，在故障发生时不能发生突变；u
t
为机端电压(电网电压)；xd为d轴次暂态电抗；id为次暂态过程中定子输出电流；xd越小，调相机提供的次暂态无功功率越大，越有利于系统暂态特性改善；在系统电压发生突变时，调相机根据系统电压的情况发出或吸收无功功率，不呈现电压反调特性。
16.所述步骤3确定新能源发电系统的无功功率控制策略、机组类型和新能源汇集方式包括：
17.送端交流系统的暂态过电压水平和新能源发电系统并网逆变器的无功功率控制策略有关，当采用定电压控制时，逆变器根据系统电压的变化发出或吸收无功功率；当直流发生双极闭锁故障时，逆变器响应系统电压的变化迅速吸收无功功率，阻止系统电压升高；当直流发生换相失败时，送端系统电压先降后升；
18.送端交流系统的暂态过电压水平和新能源发电单元类型有关，不同于直驱机组与系统完全解耦，定子与电网直接相连，转子通过三相背靠背换流器实现交流励磁；当系统电压突然变化时，电机定子磁链不能突变，感应出直流分量，反应在并网点会发出或吸收部分无功功率；
19.送端交流系统的暂态过电压水平与新能源汇集方式有关，搭建仿真算例，对于同一运行方式，在采用相同新能源机组类型和控制方式的情况下，新能源分散汇集时的暂态过电压约为1.35p.u.，新能源集中汇集时的暂态过电压约为1.4p.u.，在进行大规模新能源直流外送系统规划时，需进一步考虑新能源汇集方式对送端系统暂态过电压的影响。
20.所述步骤4确定调相机接入大规模新能源直流外送系统的动态特性包括：
21.调相机接入于大电网时，向电网输送的功率为
[0022][0023]
式中，u、i分别为调相机机端电压和定子电流；ud、uq、id、iq分别为u、i在d轴和q轴上的分量；调相机在正常运行时只吸收少量的功，因此有p≈0，δ≈0，由此ud＝u sinδ≈0，uq＝u cosδ≈u，则上式可简化为：
[0024]
q＝u
qid-udiq≈uid[0025]
调相机的次暂态特性不计励磁系统的作用，三相短路时定子故障电流表示为：
[0026][0027]
式中，x
″d、x
′d、xd分别为直轴次暂态电抗、直轴暂态电抗和直轴稳态电抗；t
″d、t
′d、ta分别为直轴次暂态短路时间常数、直轴暂态短路时间常数和定子绕组暂态时间常数；ω为调相机角速度；u、δ分别为短路前的机端电压和发电机功角；
[0028]
调相机机端电压突变了δu时，调相机的无功电流响应为：
[0029][0030]
调相机的无功增量为：
[0031]
δq≈(u+δu)(id+δid)-uid[0032]
＝(u+δu)δid+δuid[0033]
式中，u、id分别为故障前调相机的机端电压和电流；δid为故障时调相机的无功电流响应。
[0034]
所述步骤5确定调相机高电压等级接入大规模新能源直流外送系统的数学模型包括：
[0035]
单台调相机接入大规模新能源直流外送系统对应的数学模型如下所示：
[0036][0037]
其中，δ为调相机功角；xd为调相机d轴同步电抗；id为机端电流d轴分量；iq为机端电流q轴分量；tj为调相机转动惯量；t
d0
为纵轴暂态开路时间常数；ω为调相机同步转速；x
′d为调相机纵轴暂态电抗；调相机正常运行时，功角δ近似等于0，小干扰分析时sin(δ0)＝0，δ0为选定的调相机运行点对应的功角；
[0038]
在调相机线性化模型的主要参数k1～k6中，k2是sin(δ0)的函数，k2＝0，k4＝0；调相机模型分解为两个联系较为松散的子闭环模型，同步发电机设计阻尼控制策略时，将发电机的功角、转速、有功作为输入；将远方控制信号或本地的电流或汇集站有功作为调相机控制输入。
[0039]
本发明的有益效果：本发明的一种利用调相机在新能源系统中实现调频和调压的方法，通过步骤步骤1、确定大规模新能源直流外送系统暂态过电压的影响因素；步骤2、对调相机接入大规模新能源直流外送系统的无功补偿过程进行分析；步骤3、确定新能源发电系统的无功功率控制策略、机组类型和新能源汇集方式；步骤4、确定调相机接入大规模新
能源直流外送系统的动态特性；步骤5、确定调相机高电压等级接入大规模新能源直流外送系统的数学模型；可实现电站控制点之间的电压动态连续控制以及无功功率之间的动态平衡，能够在最大程度上降低光伏电站无功功率补偿装置的投入与实际使用，降低无功补偿装置带来的消耗与磨损，降低用电产生的成本，提升新能源电站整体发电效率以及经济水平。
附图说明
[0040]
图1为本发明一种利用调相机在新能源系统中实现调频和调压的方法的流程示意图。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
[0042]
如附图1所示，一种利用调相机在新能源系统中实现调频和调压的方法，它包括以下步骤：
[0043]
步骤1、确定大规模新能源直流外送系统暂态过电压的影响因素；
[0044]
步骤2、对调相机接入大规模新能源直流外送系统的无功补偿过程进行分析；
[0045]
步骤3、确定新能源发电系统的无功功率控制策略、机组类型和新能源汇集方式；
[0046]
步骤4、确定调相机接入大规模新能源直流外送系统的动态特性；
[0047]
步骤5、确定调相机高电压等级接入大规模新能源直流外送系统的数学模型；
[0048]
所述步骤1确定大规模新能源直流外送系统暂态过电压的影响因素包括：
[0049]
直流系统常见的故障类型有直流重启动、直流闭锁、换相失败，均会导致送端系统暂态过电压；直流换相失败故障发生后，送端交流系统电压先降后升，对影响直流控制系统特性的主要控制环节进行灵敏度分析，包括换相失败预测控制环节、电流控制cca环节、低压限流vdcol环节以及正斜率控制环节，cca环节的比例系统、积分时间常数以及vdcol环节的最小限制电流、直流电压下降时间常数对送端交流系统的暂态过电压特性影响较大，是控制系统优化的关键参数。例如，vdcol环节中的最小限制电流将影响送端系统暂态过电压的持续时间，而直流电压下降时间常数将影响暂态过电压的幅值。
[0050]
所述步骤2对调相机接入大规模新能源直流外送系统的无功补偿过程进行分析包括：
[0051]
调相机在几十毫秒内将定转子储存电磁场能提供至电网，其无功功率与调相机主参数相关，机端电压突变时，次暂态过程中定子输出电流如下：
[0052]
id＝(e
q-u
t
)/xd[0053]
其中，eq为调相机q轴次暂态电动势，在故障发生时不能发生突变；u
t
为机端电压(电网电压)；xd为d轴次暂态电抗；id为次暂态过程中定子输出电流；xd越小，调相机提供的次暂态无功功率越大，越有利于系统暂态特性改善；在系统电压发生突变时，调相机根据系统电压的情况发出或吸收无功功率，不呈现电压反调特性。
[0054]
所述步骤3确定新能源发电系统的无功功率控制策略、机组类型和新能源汇集方式包括：
[0055]
送端交流系统的暂态过电压水平和新能源发电系统并网逆变器的无功功率控制
策略有关，当采用定电压控制时，逆变器根据系统电压的变化发出或吸收无功功率；当直流发生双极闭锁故障时，逆变器响应系统电压的变化迅速吸收无功功率，阻止系统电压升高；当直流发生换相失败时，送端系统电压先降后升；
[0056]
送端交流系统的暂态过电压水平和新能源发电单元类型有关，不同于直驱机组与系统完全解耦，定子与电网直接相连，转子通过三相背靠背换流器实现交流励磁；当系统电压突然变化时，电机定子磁链不能突变，感应出直流分量，反应在并网点会发出或吸收部分无功功率；
[0057]
送端交流系统的暂态过电压水平与新能源汇集方式有关，搭建仿真算例，对于同一运行方式，在采用相同新能源机组类型和控制方式的情况下，新能源分散汇集时的暂态过电压约为1.35p.u.，新能源集中汇集时的暂态过电压约为1.4p.u.，在进行大规模新能源直流外送系统规划时，需进一步考虑新能源汇集方式对送端系统暂态过电压的影响。
[0058]
所述步骤4确定调相机接入大规模新能源直流外送系统的动态特性包括：
[0059]
调相机接入于大电网时，向电网输送的功率为
[0060][0061]
式中，u、i分别为调相机机端电压和定子电流；ud、uq、id、iq分别为u、i在d轴和q轴上的分量；调相机在正常运行时只吸收少量的功，因此有p≈0，δ≈0，由此ud＝u sinδ≈0，uq＝u cosδ≈u，则上式可简化为：
[0062]
q＝u
qid-udiq≈uid[0063]
调相机的次暂态特性不计励磁系统的作用，三相短路时定子故障电流表示为：
[0064][0065]
式中，x
″d、xd′
、xd分别为直轴次暂态电抗、直轴暂态电抗和直轴稳态电抗；t
″d、td′
、ta分别为直轴次暂态短路时间常数、直轴暂态短路时间常数和定子绕组暂态时间常数；ω为调相机角速度；u、δ分别为短路前的机端电压和发电机功角；
[0066]
调相机机端电压突变了δu时，调相机的无功电流响应为：
[0067][0068]
调相机的无功增量为：
[0069]
δq≈(u+δu)(id+δid)-uid[0070]
＝(u+δu)δid+δuid[0071]
式中，u、id分别为故障前调相机的机端电压和电流；δid为故障时调相机的无功电流响应。
[0072]
所述步骤5确定调相机高电压等级接入大规模新能源直流外送系统的数学模型包括：
[0073]
单台调相机接入大规模新能源直流外送系统对应的数学模型如下所示：
[0074][0075]
其中，δ为调相机功角；xd为调相机d轴同步电抗；id为机端电流d轴分量；iq为机端电流q轴分量；tj为调相机转动惯量；t
d0
为纵轴暂态开路时间常数；ω为调相机同步转速；x
′d为调相机纵轴暂态电抗；调相机正常运行时，功角δ近似等于0，小干扰分析时sin(δ0)＝0，δ0为选定的调相机运行点对应的功角；
[0076]
在调相机线性化模型的主要参数k1～k6中，k2是sin(δ0)的函数，k2＝0，k4＝0；调相机模型分解为两个联系较为松散的子闭环模型，同步发电机设计阻尼控制策略时，将发电机的功角、转速、有功作为输入；将远方控制信号或本地的电流或汇集站有功作为调相机控制输入。
[0077]
本发明的一种利用调相机在新能源系统中实现调频和调压的方法，通过步骤步骤1、确定大规模新能源直流外送系统暂态过电压的影响因素；步骤2、对调相机接入大规模新能源直流外送系统的无功补偿过程进行分析；步骤3、确定新能源发电系统的无功功率控制策略、机组类型和新能源汇集方式；步骤4、确定调相机接入大规模新能源直流外送系统的动态特性；步骤5、确定调相机高电压等级接入大规模新能源直流外送系统的数学模型；可实现电站控制点之间的电压动态连续控制以及无功功率之间的动态平衡，能够在最大程度上降低光伏电站无功功率补偿装置的投入与实际使用，降低无功补偿装置带来的消耗与磨损，降低用电产生的成本，提升新能源电站整体发电效率以及经济水平。