一種提升新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性的控制、實驗和仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于提升新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性的控制、實驗和仿真方法。用新能源通過電動機驅(qū)動發(fā)電機，分析電動機和發(fā)電機的電壓相位關(guān)系、有功功率與電機參數(shù)關(guān)系，計算功角，通過源網(wǎng)相位差方法控制有功功率傳輸。用變頻器和四象限可編程電源模擬新能源和電網(wǎng)；并網(wǎng)穩(wěn)定運行后，調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的相位，測量有功功率傳輸量直到額定值為止，觀察電機傳輸功率變化。新能源側(cè)采用相位可調(diào)逆變電源仿真，電網(wǎng)側(cè)為無限大電源，采用自動勵磁，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，改變逆變電源有功傳輸指令，觀察有功傳輸、轉(zhuǎn)速、源網(wǎng)相位差的變化。本方法可有效提升高滲透新能源電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)慣性，增強電網(wǎng)穩(wěn)定性。
【專利說明】
一種提升新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性的控制、實驗和仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于新能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種提升新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性的控制、實驗和仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002]面對能源危機和環(huán)境污染的雙重壓力，開發(fā)利用可再生能源優(yōu)化調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，將成為推動全球能源-經(jīng)濟-環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的方向。近年來風(fēng)力發(fā)電一直保持著世界增長最快能源的地位，目前我國風(fēng)電總裝機容量為世界第一，風(fēng)電將成為中國的五大電源之一。然而，隨著風(fēng)電裝機容量持續(xù)增加，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展不均衡問題逐漸顯現(xiàn)。大規(guī)模風(fēng)電集中開發(fā)已造成風(fēng)電產(chǎn)能過剩，而電網(wǎng)建設(shè)滯后，跨區(qū)域輸電能力不足，以及能源結(jié)構(gòu)單一，缺乏調(diào)峰能力等問題成為目前制約風(fēng)電并網(wǎng)和消納的關(guān)鍵因素。風(fēng)電的并網(wǎng)瓶頸和市場消納問題開始凸顯，“棄風(fēng)”現(xiàn)象普遍存在?，F(xiàn)在不僅是中國，上述問題制約著全世界風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展。盡管風(fēng)電行業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了陣痛，但通過電網(wǎng)的合理規(guī)劃、配置，在大規(guī)?；亻_發(fā)與分散式開發(fā)結(jié)合的發(fā)展模式下，風(fēng)電并網(wǎng)消納問題將會得到逐步解決，因此風(fēng)電仍是未來最具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉础?br>[0003]人們普遍把新能源電力在電網(wǎng)系統(tǒng)所占比例稱為新能源電力的滲透率，在本發(fā)明中，高滲透率電網(wǎng)是指有高比例新能源電力接入的電網(wǎng)系統(tǒng)，低滲透率電網(wǎng)是指僅有低比例新能源電力接入的電網(wǎng)系統(tǒng)。人們已經(jīng)通過實踐認(rèn)識到，低滲透率的電網(wǎng)系統(tǒng)和零滲透率的電網(wǎng)系統(tǒng)的表現(xiàn)比較接近，但是，人們也已經(jīng)預(yù)見到，高滲透率的電網(wǎng)系統(tǒng)和零滲透率的電網(wǎng)系統(tǒng)會有本質(zhì)的區(qū)別。
[0004]解決風(fēng)電并網(wǎng)消納問題之后，電網(wǎng)中風(fēng)電滲透率會進一步提高，大規(guī)模風(fēng)電場集中接入后電網(wǎng)安全運行又將面臨新的挑戰(zhàn)。風(fēng)功率固有的間歇性和波動性，以及風(fēng)電機組缺乏對系統(tǒng)有效的支持能力，均會對含風(fēng)電的區(qū)域電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生潛在的威脅。因此，儲備風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)來應(yīng)對未來電網(wǎng)安全運行需求是避免風(fēng)電再次出現(xiàn)發(fā)展瓶頸的必要措施。隨著風(fēng)電機組故障穿越問題逐步解決以后，在高風(fēng)電滲透率區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)，系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻以及功率振蕩等問題成為影響電網(wǎng)對風(fēng)電接納能力的主要因素。而電力系統(tǒng)的慣性及阻尼則是系統(tǒng)調(diào)頻和振蕩過程中暫態(tài)穩(wěn)定計算的重要參數(shù)，慣性可減小有功突變后頻率變化的速率和幅度，系統(tǒng)阻尼可有效抑制電網(wǎng)擾動后的低頻振蕩。對于常規(guī)同步發(fā)電機組，慣性是其自身固有的特性且無需增加額外控制環(huán)節(jié)，而阻尼控制是通過在勵磁調(diào)節(jié)器中增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stabilizer，PSS)實現(xiàn)。但是目前，基于電力電子變流器并網(wǎng)的變速風(fēng)電機組并不具備慣性和阻尼系統(tǒng)功率振蕩的能力，大規(guī)模滲透電網(wǎng)后，又會降低系統(tǒng)的慣性和阻尼，更加劇了電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]為了增加新能源并網(wǎng)慣性來提升新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性，本發(fā)明提出了一種提升新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性的控制、實驗和仿真方法。
[0006]—種用于提升新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性的控制方法，包括:
[0007]步驟1、用新能源為同步電動機提供電能，同步電動機作為同步發(fā)電機的原動機來驅(qū)動同步發(fā)電機發(fā)電并入電網(wǎng)，構(gòu)成電機串聯(lián)系統(tǒng)；
[0008]步驟2、分析同步電動機和同步發(fā)電機的電壓相位關(guān)系，分析電機串聯(lián)系統(tǒng)傳輸新能源所發(fā)出的有功功率與電機參數(shù)之間的關(guān)系，計算同步電動機和同步發(fā)電機的功角，通過改變源網(wǎng)相位差的方法控制電機串聯(lián)系統(tǒng)的有功功率傳輸；
[0009 ]步驟3、建立閉環(huán)源網(wǎng)相位控制方法，實現(xiàn)對電機串聯(lián)系統(tǒng)的功率閉環(huán)控制。
[0010]—種用于提升新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性的實驗方法，包括:
[0011]步驟1、將變頻器、同步電動機、同步發(fā)電機、四象限可編程電源依次相連來構(gòu)成電機串聯(lián)系統(tǒng)，啟動用輔機與同步電動機相連，用變頻器和四象限可編程電源分別模擬新能源和電網(wǎng)；
[0012]步驟2、采用啟動輔機DM將同步電動機M拖至同步速，并與變頻器并網(wǎng)，然后撤啟動輔機去DM，由變頻器驅(qū)動電機串聯(lián)系統(tǒng)運行;調(diào)節(jié)同步發(fā)電機G的勵磁，實現(xiàn)同步發(fā)電機G和可編程電源的并網(wǎng)；
[0013]步驟3、并網(wǎng)穩(wěn)定運行后，勻速調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓U1的相位，使源網(wǎng)相位差逐漸增大，測量此過程中電機串聯(lián)系統(tǒng)的單相有功功率傳輸量，一直到同步電動機有功功率達到其額定值為止;觀察電機傳輸功率隨源網(wǎng)相位差變化。
[0014]—種用于提升新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性的仿真方法，包括:
[0015]步驟1、用新能源為同步電動機提供電能，同步電動機作為同步發(fā)電機的原動機來驅(qū)動同步發(fā)電機發(fā)電并入電網(wǎng)，建立電機串聯(lián)系統(tǒng)仿真模型；
[0016]步驟2、新能源側(cè)采用相位可調(diào)逆變電源仿真，電網(wǎng)側(cè)為無限大電源，同步電動機與同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)采用自動勵磁，以維持電機穩(wěn)定運行和減少無功交換為控制目標(biāo)；
[0017]步驟3、以同步發(fā)電機有功傳輸指令控制電源側(cè)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，改變逆變電源有功傳輸指令，觀察同步發(fā)電機、同步電動機有功傳輸變化，電機串聯(lián)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化，源網(wǎng)相位差變化。
[0018]本發(fā)明的電機串聯(lián)系統(tǒng)控制方法，為利用電機串聯(lián)系統(tǒng)提升電網(wǎng)穩(wěn)定性提供了可行性支持，可以有效提升高滲透新能源電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)慣性，增強電網(wǎng)穩(wěn)定性;用變頻器和四象限可編程電源分別模擬新能源和電網(wǎng)來實現(xiàn)控制方法的有效性驗證，證明通過相位控制算法可以實現(xiàn)電機串聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定功率傳輸。
【附圖說明】
[0019]圖1為電機串聯(lián)系統(tǒng)主方案結(jié)構(gòu)圖
[0020]圖2為電機串聯(lián)系統(tǒng)空載實驗內(nèi)電勢相量圖
[0021 ]圖3為電機串聯(lián)系統(tǒng)增加有功時的相位控制相量圖
[0022]圖4為電機串聯(lián)系統(tǒng)源網(wǎng)相位控制結(jié)構(gòu)圖
[0023]圖5為電機串聯(lián)系統(tǒng)并網(wǎng)實驗結(jié)構(gòu)圖
[0024]圖6為源網(wǎng)相位差與電機有功傳輸?shù)年P(guān)系圖
[0025]圖7為電機串聯(lián)系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行仿真原理圖
[0026]圖8為大型電機串聯(lián)系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行仿真時電機有功傳輸變化圖
[0027]圖9為大型電機串聯(lián)系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行仿真時電機轉(zhuǎn)速變化圖
[0028]圖10為大型電機串聯(lián)系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行仿真時源網(wǎng)相位差變化圖
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說明實施方案。
[0030]本發(fā)明的目的是提供一種提升高新能源滲透率電網(wǎng)穩(wěn)定性的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)控制方法，下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容作進一步詳細(xì)說明。
[0031 ]針對高滲透率新能電網(wǎng)的慣性缺失問題，圍繞如何提升慣性這一核心問題，本發(fā)明提出基于電機串聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性解決方案。電機串聯(lián)系統(tǒng)中采用電動機和同步發(fā)電機同軸連接的發(fā)電系統(tǒng)，其中新能源為電動機提供電能，電動機作為同步發(fā)電機的原動機，驅(qū)動同步發(fā)電機發(fā)電并入電網(wǎng)，由于直流電機和異步電機均無法滿足電力系統(tǒng)傳輸容量的要求，本發(fā)明采用同步電動機-同步發(fā)電機系統(tǒng)。
[0032]電動機-同步發(fā)電機系統(tǒng)可以為新能源電網(wǎng)提供足夠的慣性支持，電動機和同步發(fā)電機的控制系統(tǒng)(如調(diào)速器、勵磁控制器、穩(wěn)定控制器、自動電壓調(diào)節(jié)器等)為電網(wǎng)各類穩(wěn)定性提供保障。圖1為主方案的示意圖。
[0033]新能源是有波動的，在輸入功率波動的情況下，需要證明電機串聯(lián)系統(tǒng)的有功輸出是否能夠可控并跟隨。功角特性是同步發(fā)電機運行的基礎(chǔ)問題。理論分析表明，由于兩機轉(zhuǎn)子同軸連接，穩(wěn)態(tài)運行時，電機的內(nèi)電#E1、E2將同時、同速、同向旋轉(zhuǎn)。由空載實驗測得的相位關(guān)系如圖2所示，改變U1相位，U2將隨之同向旋轉(zhuǎn)，U2旋轉(zhuǎn)的角度即為山改變的相位，與理論分析一致。功角&和如是圍繞U^U2呈現(xiàn)一個扇形分布。
[0034]此時，若要改變輸出功率，兩機的功角S1J2會發(fā)生變比，變化瞬態(tài)過程將呈現(xiàn)&組成的扇形向兩邊擴張或收縮。為實現(xiàn)有功功率的可靠傳輸和控制，必須對~和&分別控制。因此，本發(fā)明提出基于同步電動機端電壓相位控制的電機串聯(lián)系統(tǒng)有功功率控制方法，即通過新能源側(cè)的的換流器控制U1的相位，從而有效控制同步電動機的功角S1，通過UjPU2的解耦控制，進而控制同步發(fā)電機的功角&，如圖3所示。
[0035]由于兩臺電機轉(zhuǎn)子軸剛性連接，兩臺同步電機的內(nèi)電勢相對位置固定，因此要同時調(diào)整兩個電機功角，若假設(shè)電網(wǎng)相位不變，則必須控制新能源出口的并網(wǎng)逆變器輸出電壓的相角，來改變Um和Ugrid之間的相位差，由此本發(fā)明提出如圖4所示的控制系統(tǒng)。通過采集裝置測得三相電壓電流，計算電機功率，進而計算2臺電機的功角，通過相位控制算法來調(diào)節(jié)調(diào)制波幅值和相位，最終通過空間矢量調(diào)制控制電動機電機傳輸?shù)挠泄Α?br>[0036]為驗證本控制算法的可行性，分別對電機串聯(lián)并網(wǎng)系統(tǒng)進行了實驗和仿真驗證。
[0037]I)實驗驗證:為了驗證通過控制電機串聯(lián)系統(tǒng)兩側(cè)交流電壓相位可以調(diào)節(jié)電機串聯(lián)系統(tǒng)的有功傳輸，設(shè)計電機串聯(lián)系統(tǒng)并網(wǎng)實驗。實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，為實現(xiàn)相位模擬控制，采用變頻器、四象限可編程電源分別模擬新能源和電網(wǎng)，電機串聯(lián)系統(tǒng)的兩臺電機均為額定170W的同步電機。
[0038]實驗過程如下:如附圖5所示，首先采用啟動輔機DM將同步電動機M拖至同步速，并與變頻器并網(wǎng)，然后撤去DM，由變頻器驅(qū)動電機串聯(lián)系統(tǒng)M-G運行；調(diào)節(jié)同步發(fā)電機G的勵磁，實現(xiàn)G和可編程電源的并網(wǎng)。電機串聯(lián)系統(tǒng)M-G與可編程電源并網(wǎng)瞬間，源網(wǎng)相位差(U1和U4的相位差)為16.01°，并網(wǎng)穩(wěn)定運行后，勻速調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓U1的相位，使源網(wǎng)相位差逐漸增大，測量此過程中電機串聯(lián)系統(tǒng)M-G的單相有功傳輸量。實驗一直進行到電動機有功達到其額定值為止，實驗數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。
[0039 ]如圖6所示，在電機串聯(lián)系統(tǒng)并網(wǎng)前，發(fā)電機端口無有功交換，電動機吸收約24W有功，主要用于電機串聯(lián)系統(tǒng)本身轉(zhuǎn)動。并網(wǎng)后，通過調(diào)節(jié)源網(wǎng)相位差，隨著電源電壓相位超前電網(wǎng)電壓的增大，電動機與發(fā)電機的有功傳遞均增大。比較可知，電動機吸收有功與發(fā)電機發(fā)送有功的增加量相等。上述實驗表明，通過調(diào)節(jié)新能源輸出電壓相位，可以實現(xiàn)電機串聯(lián)系統(tǒng)與電網(wǎng)有功功率的傳輸和調(diào)節(jié)。
[0040]2)仿真驗證:根據(jù)前文所述控制算法，建立600MW電機串聯(lián)仿真模型，基本原理圖如圖7所示，其中新能源側(cè)采用相位可調(diào)電源表示，電網(wǎng)側(cè)為無限大電源，電動機與發(fā)電機勵磁系統(tǒng)采用自動勵磁，以維持電機穩(wěn)定運行和減少無功交換為控制目標(biāo)。以發(fā)電機有功傳輸指令控制電源側(cè)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，改變逆變電源有功傳輸指令，觀察發(fā)電機，電動機有功傳輸變化，電機串聯(lián)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化，源網(wǎng)相位差變化。相位可調(diào)逆變電源采用的控制方式為源網(wǎng)相位控制方法。
[0041 ] 仿真結(jié)果如圖8?10所示。仿真中，在10s時將有功傳輸指令由600MW變?yōu)?00MW，通過調(diào)整源網(wǎng)相位差可以調(diào)整有功傳輸，經(jīng)過渡階段后進入穩(wěn)態(tài)運行。由圖8可知，發(fā)電機傳輸有功可精確跟隨有功傳輸指令，電動機由于系統(tǒng)損耗存在，其傳輸有功略高于指令值，但仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。由圖9可知，在有功突變狀態(tài)下，電機串聯(lián)系統(tǒng)可保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，可以有效為系統(tǒng)提供慣性支持。由圖10可知，當(dāng)有功傳輸減少時，源網(wǎng)相位差減小，這主要是通過相位控制算法減小了電機功角，因此兩端電壓相位差也減小了。綜上可以看出，在有功指令變化時，通過相位控制算法可以實現(xiàn)電機串聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定功率傳輸。
[0042]此實施例僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1.一種用于提升新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性的控制方法，其特征在于，包括: 步驟1、用新能源為同步電動機提供電能，同步電動機作為同步發(fā)電機的原動機來驅(qū)動同步發(fā)電機發(fā)電并入電網(wǎng)，構(gòu)成電機串聯(lián)系統(tǒng)； 步驟2、分析同步電動機和同步發(fā)電機的電壓相位關(guān)系，分析電機串聯(lián)系統(tǒng)傳輸新能源所發(fā)出的有功功率與電機參數(shù)之間的關(guān)系，計算同步電動機和同步發(fā)電機的功角，通過改變源網(wǎng)相位差的方法控制電機串聯(lián)系統(tǒng)的有功功率傳輸； 步驟3、建立閉環(huán)源網(wǎng)相位控制方法，實現(xiàn)對電機串聯(lián)系統(tǒng)的功率閉環(huán)控制。2.—種用于提升新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性的實驗方法，其特征在于，包括: 步驟1、將變頻器、同步電動機、同步發(fā)電機、四象限可編程電源依次相連來構(gòu)成電機串聯(lián)系統(tǒng)，啟動用輔機與同步電動機相連，用變頻器和四象限可編程電源分別模擬新能源和電網(wǎng)； 步驟2、采用啟動輔機DM將同步電動機M拖至同步速，并與變頻器并網(wǎng)，然后撤啟動輔機去DM，由變頻器驅(qū)動電機串聯(lián)系統(tǒng)運行;調(diào)節(jié)同步發(fā)電機G的勵磁，實現(xiàn)同步發(fā)電機G和可編程電源的并網(wǎng)； 步驟3、并網(wǎng)穩(wěn)定運行后，勻速調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓U1的相位，使源網(wǎng)相位差逐漸增大，測量此過程中電機串聯(lián)系統(tǒng)的單相有功功率傳輸量，一直到同步電動機有功功率達到其額定值為止;觀察電機傳輸功率隨源網(wǎng)相位差變化。3.—種用于提升新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性的仿真方法，其特征在于，包括: 步驟1、用新能源為同步電動機提供電能，同步電動機作為同步發(fā)電機的原動機來驅(qū)動同步發(fā)電機發(fā)電并入電網(wǎng)，建立電機串聯(lián)系統(tǒng)仿真模型； 步驟2、新能源側(cè)采用相位可調(diào)逆變電源仿真，電網(wǎng)側(cè)為無限大電源，同步電動機與同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)采用自動勵磁，以維持電機穩(wěn)定運行和減少無功交換為控制目標(biāo)； 步驟3、以同步發(fā)電機有功傳輸指令控制電源側(cè)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，改變逆變電源有功傳輸指令，觀察同步發(fā)電機、同步電動機有功傳輸變化，電機串聯(lián)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化，源網(wǎng)相位差變化。
【文檔編號】H02J3/48GK105958543SQ201610430481
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】周瑩坤, 黃永章, 衛(wèi)思明, 李松
【申請人】華北電力大學(xué)