一种提升新能源并网稳定性的控制、实验和仿真方法
【专利摘要】本发明属于新能源并网发电技术领域，尤其涉及一种用于提升新能源并网稳定性的控制、实验和仿真方法。用新能源通过电动机驱动发电机，分析电动机和发电机的电压相位关系、有功功率与电机参数关系，计算功角，通过源网相位差方法控制有功功率传输。用变频器和四象限可编程电源模拟新能源和电网；并网稳定运行后，调节变频器输出电压的相位，测量有功功率传输量直到额定值为止，观察电机传输功率变化。新能源侧采用相位可调逆变电源仿真，电网侧为无限大电源，采用自动励磁，在系统稳定运行时，改变逆变电源有功传输指令，观察有功传输、转速、源网相位差的变化。本方法可有效提升高渗透新能源电网的旋转惯性，增强电网稳定性。
【专利说明】
一种提升新能源并网稳定性的控制、实验和仿真方法
技术领域
[0001]本发明属于新能源并网发电技术领域，尤其涉及一种提升新能源并网稳定性的控制、实验和仿真方法。
【背景技术】
[0002]面对能源危机和环境污染的双重压力，开发利用可再生能源优化调整能源结构，将成为推动全球能源-经济-环境可持续发展的方向。近年来风力发电一直保持着世界增长最快能源的地位，目前我国风电总装机容量为世界第一，风电将成为中国的五大电源之一。然而，随着风电装机容量持续增加，风电产业发展不均衡问题逐渐显现。大规模风电集中开发已造成风电产能过剩，而电网建设滞后，跨区域输电能力不足，以及能源结构单一，缺乏调峰能力等问题成为目前制约风电并网和消纳的关键因素。风电的并网瓶颈和市场消纳问题开始凸显，“弃风”现象普遍存在。现在不仅是中国，上述问题制约着全世界风电行业的发展。尽管风电行业发展经历了阵痛，但通过电网的合理规划、配置，在大规模基地开发与分散式开发结合的发展模式下，风电并网消纳问题将会得到逐步解决，因此风电仍是未来最具发展潜力的新能源。
[0003]人们普遍把新能源电力在电网系统所占比例称为新能源电力的渗透率，在本发明中，高渗透率电网是指有高比例新能源电力接入的电网系统，低渗透率电网是指仅有低比例新能源电力接入的电网系统。人们已经通过实践认识到，低渗透率的电网系统和零渗透率的电网系统的表现比较接近，但是，人们也已经预见到，高渗透率的电网系统和零渗透率的电网系统会有本质的区别。
[0004]解决风电并网消纳问题之后，电网中风电渗透率会进一步提高，大规模风电场集中接入后电网安全运行又将面临新的挑战。风功率固有的间歇性和波动性，以及风电机组缺乏对系统有效的支持能力，均会对含风电的区域电网的暂态稳定性产生潜在的威胁。因此，储备风电并网技术来应对未来电网安全运行需求是避免风电再次出现发展瓶颈的必要措施。随着风电机组故障穿越问题逐步解决以后，在高风电渗透率区域电网内，系统的调峰调频以及功率振荡等问题成为影响电网对风电接纳能力的主要因素。而电力系统的惯性及阻尼则是系统调频和振荡过程中暂态稳定计算的重要参数，惯性可减小有功突变后频率变化的速率和幅度，系统阻尼可有效抑制电网扰动后的低频振荡。对于常规同步发电机组，惯性是其自身固有的特性且无需增加额外控制环节，而阻尼控制是通过在励磁调节器中增加电力系统稳定器(power system stabilizer，PSS)实现。但是目前，基于电力电子变流器并网的变速风电机组并不具备惯性和阻尼系统功率振荡的能力，大规模渗透电网后，又会降低系统的惯性和阻尼，更加剧了电力系统运行的稳定性问题。
【发明内容】
[0005]为了增加新能源并网惯性来提升新能源并网稳定性，本发明提出了一种提升新能源并网稳定性的控制、实验和仿真方法。
[0006]—种用于提升新能源并网稳定性的控制方法，包括:
[0007]步骤1、用新能源为同步电动机提供电能，同步电动机作为同步发电机的原动机来驱动同步发电机发电并入电网，构成电机串联系统；
[0008]步骤2、分析同步电动机和同步发电机的电压相位关系，分析电机串联系统传输新能源所发出的有功功率与电机参数之间的关系，计算同步电动机和同步发电机的功角，通过改变源网相位差的方法控制电机串联系统的有功功率传输；
[0009 ]步骤3、建立闭环源网相位控制方法，实现对电机串联系统的功率闭环控制。
[0010]—种用于提升新能源并网稳定性的实验方法，包括:
[0011]步骤1、将变频器、同步电动机、同步发电机、四象限可编程电源依次相连来构成电机串联系统，启动用辅机与同步电动机相连，用变频器和四象限可编程电源分别模拟新能源和电网；
[0012]步骤2、采用启动辅机DM将同步电动机M拖至同步速，并与变频器并网，然后撤启动辅机去DM，由变频器驱动电机串联系统运行;调节同步发电机G的励磁，实现同步发电机G和可编程电源的并网；
[0013]步骤3、并网稳定运行后，匀速调节变频器输出电压U1的相位，使源网相位差逐渐增大，测量此过程中电机串联系统的单相有功功率传输量，一直到同步电动机有功功率达到其额定值为止;观察电机传输功率随源网相位差变化。
[0014]—种用于提升新能源并网稳定性的仿真方法，包括:
[0015]步骤1、用新能源为同步电动机提供电能，同步电动机作为同步发电机的原动机来驱动同步发电机发电并入电网，建立电机串联系统仿真模型；
[0016]步骤2、新能源侧采用相位可调逆变电源仿真，电网侧为无限大电源，同步电动机与同步发电机励磁系统采用自动励磁，以维持电机稳定运行和减少无功交换为控制目标；
[0017]步骤3、以同步发电机有功传输指令控制电源侧，在系统稳定运行时，改变逆变电源有功传输指令，观察同步发电机、同步电动机有功传输变化，电机串联系统转速变化，源网相位差变化。
[0018]本发明的电机串联系统控制方法，为利用电机串联系统提升电网稳定性提供了可行性支持，可以有效提升高渗透新能源电网的旋转惯性，增强电网稳定性;用变频器和四象限可编程电源分别模拟新能源和电网来实现控制方法的有效性验证，证明通过相位控制算法可以实现电机串联系统的稳定功率传输。
【附图说明】
[0019]图1为电机串联系统主方案结构图
[0020]图2为电机串联系统空载实验内电势相量图
[0021 ]图3为电机串联系统增加有功时的相位控制相量图
[0022]图4为电机串联系统源网相位控制结构图
[0023]图5为电机串联系统并网实验结构图
[0024]图6为源网相位差与电机有功传输的关系图
[0025]图7为电机串联系统并网稳态运行仿真原理图
[0026]图8为大型电机串联系统并网稳态运行仿真时电机有功传输变化图
[0027]图9为大型电机串联系统并网稳态运行仿真时电机转速变化图
[0028]图10为大型电机串联系统并网稳态运行仿真时源网相位差变化图
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图，详细说明实施方案。
[0030]本发明的目的是提供一种提升高新能源渗透率电网稳定性的并网结构控制方法，下面结合附图，对本发明的技术内容作进一步详细说明。
[0031 ]针对高渗透率新能电网的惯性缺失问题，围绕如何提升惯性这一核心问题，本发明提出基于电机串联系统的稳定性解决方案。电机串联系统中采用电动机和同步发电机同轴连接的发电系统，其中新能源为电动机提供电能，电动机作为同步发电机的原动机，驱动同步发电机发电并入电网，由于直流电机和异步电机均无法满足电力系统传输容量的要求，本发明采用同步电动机-同步发电机系统。
[0032]电动机-同步发电机系统可以为新能源电网提供足够的惯性支持，电动机和同步发电机的控制系统(如调速器、励磁控制器、稳定控制器、自动电压调节器等)为电网各类稳定性提供保障。图1为主方案的示意图。
[0033]新能源是有波动的，在输入功率波动的情况下，需要证明电机串联系统的有功输出是否能够可控并跟随。功角特性是同步发电机运行的基础问题。理论分析表明，由于两机转子同轴连接，稳态运行时，电机的内电#E1、E2将同时、同速、同向旋转。由空载实验测得的相位关系如图2所示，改变U1相位，U2将随之同向旋转，U2旋转的角度即为山改变的相位，与理论分析一致。功角&和如是围绕U^U2呈现一个扇形分布。
[0034]此时，若要改变输出功率，两机的功角S1J2会发生变比，变化瞬态过程将呈现&组成的扇形向两边扩张或收缩。为实现有功功率的可靠传输和控制，必须对~和&分别控制。因此，本发明提出基于同步电动机端电压相位控制的电机串联系统有功功率控制方法，即通过新能源侧的的换流器控制U1的相位，从而有效控制同步电动机的功角S1，通过UjPU2的解耦控制，进而控制同步发电机的功角&，如图3所示。
[0035]由于两台电机转子轴刚性连接，两台同步电机的内电势相对位置固定，因此要同时调整两个电机功角，若假设电网相位不变，则必须控制新能源出口的并网逆变器输出电压的相角，来改变Um和Ugrid之间的相位差，由此本发明提出如图4所示的控制系统。通过采集装置测得三相电压电流，计算电机功率，进而计算2台电机的功角，通过相位控制算法来调节调制波幅值和相位，最终通过空间矢量调制控制电动机电机传输的有功。
[0036]为验证本控制算法的可行性，分别对电机串联并网系统进行了实验和仿真验证。
[0037]I)实验验证:为了验证通过控制电机串联系统两侧交流电压相位可以调节电机串联系统的有功传输，设计电机串联系统并网实验。实验系统结构如图5所示，为实现相位模拟控制，采用变频器、四象限可编程电源分别模拟新能源和电网，电机串联系统的两台电机均为额定170W的同步电机。
[0038]实验过程如下:如附图5所示，首先采用启动辅机DM将同步电动机M拖至同步速，并与变频器并网，然后撤去DM，由变频器驱动电机串联系统M-G运行；调节同步发电机G的励磁，实现G和可编程电源的并网。电机串联系统M-G与可编程电源并网瞬间，源网相位差(U1和U4的相位差)为16.01°，并网稳定运行后，匀速调节变频器输出电压U1的相位，使源网相位差逐渐增大，测量此过程中电机串联系统M-G的单相有功传输量。实验一直进行到电动机有功达到其额定值为止，实验数据结果如图6所示。
[0039 ]如图6所示，在电机串联系统并网前，发电机端口无有功交换，电动机吸收约24W有功，主要用于电机串联系统本身转动。并网后，通过调节源网相位差，随着电源电压相位超前电网电压的增大，电动机与发电机的有功传递均增大。比较可知，电动机吸收有功与发电机发送有功的增加量相等。上述实验表明，通过调节新能源输出电压相位，可以实现电机串联系统与电网有功功率的传输和调节。
[0040]2)仿真验证:根据前文所述控制算法，建立600MW电机串联仿真模型，基本原理图如图7所示，其中新能源侧采用相位可调电源表示，电网侧为无限大电源，电动机与发电机励磁系统采用自动励磁，以维持电机稳定运行和减少无功交换为控制目标。以发电机有功传输指令控制电源侧，在系统稳定运行时，改变逆变电源有功传输指令，观察发电机，电动机有功传输变化，电机串联系统转速变化，源网相位差变化。相位可调逆变电源采用的控制方式为源网相位控制方法。
[0041 ] 仿真结果如图8?10所示。仿真中，在10s时将有功传输指令由600MW变为400MW，通过调整源网相位差可以调整有功传输，经过渡阶段后进入稳态运行。由图8可知，发电机传输有功可精确跟随有功传输指令，电动机由于系统损耗存在，其传输有功略高于指令值，但仍处于稳定状态。由图9可知，在有功突变状态下，电机串联系统可保持转速稳定，可以有效为系统提供惯性支持。由图10可知，当有功传输减少时，源网相位差减小，这主要是通过相位控制算法减小了电机功角，因此两端电压相位差也减小了。综上可以看出，在有功指令变化时，通过相位控制算法可以实现电机串联系统的稳定功率传输。
[0042]此实施例仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种用于提升新能源并网稳定性的控制方法，其特征在于，包括: 步骤1、用新能源为同步电动机提供电能，同步电动机作为同步发电机的原动机来驱动同步发电机发电并入电网，构成电机串联系统； 步骤2、分析同步电动机和同步发电机的电压相位关系，分析电机串联系统传输新能源所发出的有功功率与电机参数之间的关系，计算同步电动机和同步发电机的功角，通过改变源网相位差的方法控制电机串联系统的有功功率传输； 步骤3、建立闭环源网相位控制方法，实现对电机串联系统的功率闭环控制。2.—种用于提升新能源并网稳定性的实验方法，其特征在于，包括: 步骤1、将变频器、同步电动机、同步发电机、四象限可编程电源依次相连来构成电机串联系统，启动用辅机与同步电动机相连，用变频器和四象限可编程电源分别模拟新能源和电网； 步骤2、采用启动辅机DM将同步电动机M拖至同步速，并与变频器并网，然后撤启动辅机去DM，由变频器驱动电机串联系统运行;调节同步发电机G的励磁，实现同步发电机G和可编程电源的并网； 步骤3、并网稳定运行后，匀速调节变频器输出电压U1的相位，使源网相位差逐渐增大，测量此过程中电机串联系统的单相有功功率传输量，一直到同步电动机有功功率达到其额定值为止;观察电机传输功率随源网相位差变化。3.—种用于提升新能源并网稳定性的仿真方法，其特征在于，包括: 步骤1、用新能源为同步电动机提供电能，同步电动机作为同步发电机的原动机来驱动同步发电机发电并入电网，建立电机串联系统仿真模型； 步骤2、新能源侧采用相位可调逆变电源仿真，电网侧为无限大电源，同步电动机与同步发电机励磁系统采用自动励磁，以维持电机稳定运行和减少无功交换为控制目标； 步骤3、以同步发电机有功传输指令控制电源侧，在系统稳定运行时，改变逆变电源有功传输指令，观察同步发电机、同步电动机有功传输变化，电机串联系统转速变化，源网相位差变化。
【文档编号】H02J3/48GK105958543SQ201610430481
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】周莹坤, 黄永章, 卫思明, 李松
【申请人】华北电力大学