電機串聯新能源并網系統的控制方法及其運行模式
2017-6-11 10:51:57??????點擊：
新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學) 的研究人員周瑩坤、衛思明、許國瑞、李松、黃永章，在2017年《電工技術學報》增刊2上撰文指出，隨著新能源并網滲透率的不斷提高，同步發電機被并網逆變器替換造成的系統慣性大幅減少，引發新能源電力系統的穩定性問題越來越嚴重。
為了提升新能源并網慣性，提出了基于電動機-發電機串聯(MGP)的并網系統。首先通過分析雙機機端電壓及勵磁電勢相位關系，確定MGP系統傳輸新能源發出的有功功率與電機參數之間的關系，建立了改變源網相位差的控制方法，以控制MGP系統的有功傳輸，實現對MGP系統的功率閉環控制。
接著對MGP系統的穩定運行模式進行了研究，提出一個可以利用源網相位控制方法來運行的模式。在該模式下，MGP系統可以穩定傳輸有功功率。最后通過仿真和實驗驗證了該控制方法的可行性。
能源在社會發展中起著重要的推動作用。電力作為清潔高效的能源形式，關乎國計民生。當前，包括光伏和風電在內的分布式能源將越來越多的被接入到電網中。降低化石能源占比，為能源的可持續及清潔化運行提供可能，是未來電力系統的發展趨勢[1]。
分布式發電系統是位于用戶附近的小型模塊化電力能源集成形式，它靠近用戶并可與配電網互聯。在改善電網運行的經濟性，構建環境友好型的電力系統等方面都有著重要意義[2-7]。然而分布式能源迅猛發展的同時，也帶來了諸多挑戰，由于分布式電源接入電網造成的故障增多，產生了大量的棄風、棄光現象。這在一定程度上制約了分布式發電的發展，甚至威脅電力系統的安全穩定運行[8]。
除了運行成本和管理上的問題，分布式發電一般采用電力電子逆變器并入電網，相比傳統并網方式（比如同步發電機），其具有控制靈活、響應迅速等特點，但是也存在非線性特征明顯、缺少慣性等不足。隨著新能源發電電源滲透率的不斷增加，電力系統中將出現大量并網的電力電子逆變器，相比之下，傳統同步發電機的裝機比例將降低，從而使得電力系統的旋轉備用容量和轉動慣性相對減少。
此外，分布式電源的并網控制策略各異，加之其輸出功率具有波動性和不確定性等特點，很難滿足電力系統所要求的調頻調壓運行特性，這給電網的安全穩定運行也帶來了嚴峻的挑戰[9]。由此可見，如何響應國家號召，通過供給側改革，從源頭改進，確保高比例的分布式電源友好地接入電網是目前有關電力系統穩定的一個關鍵問題。
為了應對分布式電源的大量接入對系統安全穩定運行帶來的影響和挑戰，很多科研工作者對于傳統的并網逆變器在性能和技術上均進行了相應的改進，對逆變器接口的控制方法進行了研究。其中大量學者通過有功-頻率控制方法的研究，使逆變器模擬同步發電機的調速特性，用以表征有功功率和系統頻率的下垂特性，并通過逆變器下垂控制實現。其結構簡單易行，可以實現多電源并聯運行時的有功功率按容量分配[10,11]。基于上述方法，在電網發生振蕩時的改進控制方法也有相關研究[12]。
但是上述改進對于電網由于慣性降低而降低的頻率穩定性的提升效果還是有限。為了模擬系統發生小干擾時，同步發電機維持電網穩定所提供的調頻支持能力，大量學者提出了虛擬慣性控制[13,14]。魯汶大學提出了虛擬同步發電機（VirtualSynchronous Generator， VSG）方案，在外特性上模擬了同步發電機的搖擺方程，克勞斯塔爾工業大學提出了虛擬同步電機（virtualsynchronous machine，VISMA）技術，可以利用電池儲能系統，更好地使逆變器體現同步電機的慣性特性，為系統提供頻率支撐[15,16]。
大阪大學的伊瀨敏史教授等提出的虛擬同步發電機控制基于同步發電機的機電暫態模型，在頻率控制上模擬同步發電子的轉子慣量與系統調頻特性，在電壓控制上，考慮無功-電壓關系，以控制電壓穩定輸出[17]。利物浦大學的鐘慶昌教授，從同步發電機的交流側動態模型入手，同時考慮了同步發電機的機電暫態和電磁暫態特性，提出的同步逆變器（synchronverter）實現了同步發電機和逆變器在物理和數學模型上的等效，在此基礎上還提出了虛擬同步發電機的自同步運行，以及基于整流器的虛擬同步系統[18,19]。
然而現有的改進控制方式，均從控制上著手，改進逆變器的并網特性，傳統逆變器并網所面臨的所有問題，均對這些改進方法造成影響，例如新能源源端動態過程對于逆變器控制的影響，大量分布式電源同時并網的同步運行問題等。
為解決上述問題，文獻[20]提出了一種全新的思路用以改善新能源并網慣性缺失的問題，即新能源采用電機串聯系統(Motor-GeneratorPair, MGP)并網。逆變器不直接并網，而是采用逆變器-電動機-同步發電機的形式并網，可以利用同步發電機的固有慣性，提升新能源并網慣性，而且同步發電機的控制可以完全遵循現有同步發電機的控制方法，大大提升新能源并網的安全性，減少新能源并網對于電網的沖擊。
本文從MGP并網系統的基本模型出發，提出了MGP系統的源網相位控制策略，用于控制MGP系統跟隨新能源有功功率波動。同時，本文討論了MGP系統在實際應用過程中的平穩運行模式，得出了一種可以利用現有火力發電廠同步發電機的控制方法的運行模式。最后通過仿真和實驗對于MGP系統的可行性進行了驗證分析，證明利用MGP系統可以安全有效地實現新能源并網。
圖1 MGP系統主方案結構圖
結論
本文提出了一種可以提升新能源并網慣性的并網結構——MGP并網系統。通過對MGP系統的基本模型進行分析，提出了MGP系統的源網相位控制方法，并通過仿真和實驗驗證了MGP系統的并網可行性。
進一步分析可知，采用源網相位控制，可以將逆變器-電動機的組合與傳統火力發電廠的原動機調速設備等效，進行有功控制；再利用同步發電機的勵磁控制，可以將傳統同步發電機的穩定控制方法全部應用到MGP系統中，這樣就可以用傳統發電廠的成熟的控制方法來控制MGP系統，這對于并網系統的發展有著重要作用。
在后續工作當中，應當進一步研究MGP系統對于系統慣性支撐的作用，以及多MGP系統并聯運行的協同控制問題。同時，還需要考慮同步電機勵磁系統對于電力系統的影響，研究適合MGP系統的PSS系統和有功功率控制方式。
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