一种采用同步电机接口的分布式多源发电系统及方法

本发明属于新能源电网的并网，具体涉及一种采用同步电机接口的分布式多源发电系统及方法。

背景技术：

1、新能源发电是战略性新兴产业，近年来，大规模发展新能源发电已成为抢占新一轮全球能源变革和经济科技竞争的制高点。与传统火力发电相比，新能源发电具有清洁、可再生等显著优势，但由于以光伏及风电为主的新能源接入电网主要依靠电力电子变换器，如今已形成了“高比例可再生能源”与“高比例电力电子设备”的“双高”趋势。电力系统的高度电力电子化暴露了新能源发电存在的一些“不足”。随着新能源并网渗透率的不断提高，必须解决同步机被替换，新能源大规模并网所导致的系统运行稳定性降低等问题。为了克服这些缺点并提高新能源并网稳定性，拟采用新能源发电交流汇集并采用电机对接口并网的方案，同时在系统中配置一定比例的分布式储能。多源新能源发电系统经变流后在交流微网汇集，电能汇集后通过背靠背变流器驱动电动机，带动同轴的发电机发出电能传输到外部电网，其中电机接口由多组对拖的电机对并联组成，电动机和发电机均具有独立的励磁系统，可以独立调节输出的无功功率。在提出的系统中，电机对提供机械惯量，储能系统提供有功功率响应，并网的频率稳定性得到提升。同时，通过协调新能源电站的有功/无功功率输出和储能系统的出力，系统关键节点（发电场节点和并网点）电压能够得到有效控制。目前有多种电力系统功率控制策略，如比例分配控制、比例积分控制和模糊控制等，其中，比例分配策略因其实施简单而被现代风电场广泛采用，但对距离集电线较远的机组控制效果较差。大量研究中提出了基于最优潮流(opf)的控制策略，通过离线最优潮流计算来确定先导母线的电压基准，并且使用pi控制器来获得总无功功率基准，然后将其分配给每个风力发电机组，以获得最优的控制效果，但不能考虑馈线上每个机组的端电压，导致某些风机因电压失控而停机。近年来，模型预测控制成为工业界受欢迎的控制方式，广泛应用于电力系统功率优化分配。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种采用同步电机接口的分布式多源发电系统及方法，本发明能够增强电力系统新能源消纳能力，提高各种高新能源占比的电力系统运行稳定性和安全性，对于新能源发电并网领域的技术发展和电网的安全运行产生重要的科学意义和应用价值。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种采用同步电机接口的分布式多源发电系统，包括同步电机接口、变流器、微电网和分布式风光水储发电场，所述分布式风光水储发电场分别与微电网相连，且所述微电网通过同步电机接口并入电网，所述同步电机接口包括并联布置的多台电机对拖组，所述电机对拖组包括转子同轴连接的电动机和发电机，所述电动机的电源端作为同步电机接口的输入端、所述发电机的输出端作为同步电机接口的输出端。

4、可选地，所述电机对拖组还包括用于控制该电机对拖组工作状态的第一断路器。

5、可选地，所述同步电机接口还连接有用于控制并网状态的第二断路器，所述同步电机接口通过第二断路器并入电网。

6、可选地，所述变流器为双pwm背靠背变流器。

7、可选地，所述微电网为交流微电网，所述分布式风光水储发电场包括光伏发电单元、风电单元、水电单元、抽水蓄能单元以及电化学储能单元，所述光伏发电单元和电化学储能单元分别通过dc/ac变换器与微电网相连，所述风电单元、水电单元、抽水蓄能单元分别通过变流器与微电网相连。

8、本发明还提供一种前述采用同步电机接口的分布式多源发电系统的设计方法，包括：

9、s101，分别确定光伏发电单元、风电单元、水电单元三者的发电量；

10、s102，根据光伏发电单元、风电单元、水电单元三者的发电量，确定抽水蓄能单元以及电化学储能单元两者所构成的混合储能系统的功率和，并对抽水蓄能单元以及电化学储能单元进行选型；

11、s103，根据光伏发电单元、风电单元、水电单元三者的发电量，以及抽水蓄能单元以及电化学储能单元的容量，确定微电网向同步电机接口输出的功率；

12、s104，根据确定的信息对同步电机接口进行选型并构建采用同步电机接口的分布式多源发电系统。

13、可选地，步骤s102中确定抽水蓄能单元以及电化学储能单元的容量的函数表达式为：

14、，

15、其中，为抽水蓄能单元以及电化学储能单元两者在 t时刻的充放电功率和，充电功率为正数，放电功率为负数；为电化学储能单元在 t时刻的充放电功率，充电功率则为正数，放电功率为负数；是微电网向抽水蓄能单元在 t时刻的输入输出功率，输入功率则为负数，输出功率则为负数；步骤s103中确定同步电机接口的容量包括确定微电网向同步电机接口输出的功率的函数表达式为：

16、，

17、，

18、，

19、上式中，为微电网向同步电机接口输出的功率，为光伏发电单元、风电单元、水电单元三者的发电量；为抽水蓄能单元以及电化学储能单元两者所构成的混合储能系统的功率和，充电功率为正数，放电功率为负数；为光伏发电单元的输出功率；为风电单元的输出功率；是水电单元的输出功率；步骤s104中根据确定的信息对同步电机接口进行选型时，同步电机接口的容量满足：

20、，

21、上式中，是风电单元的额定容量，是光伏发电单元的额定容量，是水电单元的额定容量，是抽水蓄能单元以及电化学储能单元两者所构成的混合储能系统的额定容量，且有，其中是电化学储能单元的最大放电容量，是抽水蓄能单元的最大放电容量。

22、本发明还提供一种前述采用同步电机接口的分布式多源发电系统的控制方法，包括：

23、s201，接收调度部门给出各个分布式发电场的参考功率输出，并分别计算当前的有功功率损失以及系统灵敏度；

24、s202，将参考功率输出、当前的有功功率损失以及系统灵敏度输入集中式中央控制器mpc，通过集中式中央控制器mpc计算得到分布式风光水储发电场所需输出的参考有功功率和参考无功功率及同步电机接口的参考电压。

25、可选地，步骤s201中功率损失的计算函数表达式为：

26、，

27、上式中，是松弛母线节点集合，松弛母线节点为同步电机接口处的节点，是分布式电源的节点集合，是节点输出的功率，是节点的电压，是节点之间的线路电阻；步骤s201中计算系统灵敏度时包括建立下式所示的系统灵敏度模型：

28、，

29、上式中，和分别为点和点注入的有功功率损失，为点电压，是节点之间的导纳；为点电压，，;通过求解所述系统灵敏度模型，得到任意点有功功率注入对于点电压变化的灵敏度，以及任意点无功功率注入对于点电压变化的灵敏度。

30、可选地，步骤s202中集中式中央控制器mpc计算得到分布式风光水储发电场所需输出的参考有功功率和参考无功功率及同步电机接口的参考电压包括：

31、s301，将分布式风光水储发电场的有功/无功功率出力和抽水蓄能单元以及电化学储能单元两者所构成的混合储能系统的出力作为控制变量，将时间尺度、节点电压限制、发电功率、新能源非减载控制作为约束条件，将关键节点电压偏差最小、网络损耗最小化和经济性运行作为优化目标，建立分布式多源发电系统的多目标多参数耦合的优化问题；

32、s302，根据当前的工作模式下的代价函数及其约束条件，对分布式多源发电系统的多目标多参数耦合的优化问题进行求解，得到分布式风光水储发电场所需输出的参考有功功率和参考无功功率及同步电机接口的参考电压构成的最优控制序列。

33、和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明采用同步电机接口的分布式多源发电系统不仅保留了发电机良好的惯性响应、阻尼特性和励磁控制，还通过机械轴的隔离作用保护新能源电场不受电网故障的影响，提升了新能源并网的频率和电压稳定性，能够有效实现电网稳定运行，通过协调新能源电站的功率输出和储能系统的出力，系统网损被降低且并网点电压得到有效控制，能够增强电力系统新能源消纳能力，提高各种高新能源占比的电力系统运行稳定性和安全性，对于新能源发电并网领域的技术发展和电网的安全运行产生重要的科学意义和应用价值。