MGP系統(tǒng)為新能源電網(wǎng)提供慣性的實驗研究

周瑩坤，許國瑞，黃永章

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MGP系統(tǒng)為新能源電網(wǎng)提供慣性的實驗研究

周瑩坤，許國瑞，黃永章

（新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學），北京 102206）

隨著電網(wǎng)中新能源的滲透率不斷增加，電網(wǎng)的整體慣性不斷降低，這將威脅到電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性。同步電機對（Motor-Generator Pair, MGP）系統(tǒng)可以有效解決該問題。本文首先介紹了新能源電網(wǎng)的慣性特性，隨后介紹了MGP系統(tǒng)的基本概念，基于MGP系統(tǒng)的功率相位關系提出源網(wǎng)相位控制方法，最后通過實驗比較了光伏系統(tǒng)有無MGP系統(tǒng)時的頻率響應情況。實驗結果表明，MGP系統(tǒng)可以為新能源提供慣性支持，這將提高新能源電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。

高新能源滲透率；電網(wǎng)慣性；同步電機對系統(tǒng)；頻率穩(wěn)定性

0 前言

為了保護全球環(huán)境，降低化石能源比例，使用新能源發(fā)電替換傳統(tǒng)火力發(fā)電廠，提高新能源的比例是一個重要手段，高滲透率新能源電力系統(tǒng)是未來電力系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢[1]。然而，新能源的快速發(fā)展也帶來了一些新的挑戰(zhàn)。新能源發(fā)電一般通過電力電子變換器接入電網(wǎng)，與傳統(tǒng)的并網(wǎng)方式（如火電機組）相比，這種方法具有控制快速靈活的特點，但也存在著非線性和慣性不足的缺陷。隨著新能源發(fā)電的不斷滲透，電網(wǎng)中將出現(xiàn)大量并網(wǎng)型電力電子逆變器。相反，傳統(tǒng)同步發(fā)電機的比例會降低，從而降低電網(wǎng)的旋轉備用容量和轉動慣量，進而危及電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性[2]。

為了應對新能源發(fā)電帶來的沖擊和挑戰(zhàn)，大批學者對并網(wǎng)逆變器的改進控制開展了研究[3]。文獻[4]對風場的等效慣性時間常數(shù)進行了分析。文獻[5]為了使逆變器模擬同步發(fā)電機頻率調節(jié)能力，支撐電網(wǎng)穩(wěn)定性，提出了虛擬慣性控制策略。文獻[6]提出了虛擬同步發(fā)電機（VSG）方案，在外特性上模擬了同步發(fā)電機搖擺方程。文獻[7]提出的虛擬同步電機（VISMA），可以使逆變器體現(xiàn)同步發(fā)電機的慣性特性，更好地為系統(tǒng)提供頻率支撐。文獻[8]和[9]，基于同步發(fā)電機的機電暫態(tài)模型，在頻率控制上模擬同步發(fā)電機的轉子慣量與系統(tǒng)調頻特性，在電壓控制上，考慮無功-電壓關系，以控制電壓穩(wěn)定輸出。文獻[10]綜合考慮到同步發(fā)電機的機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)特性，提出了基于同步發(fā)電機交流側動態(tài)模型的同步逆變器，實現(xiàn)了同步發(fā)電機和逆變器在物理與數(shù)學模型上的等效及VSG的自同步運行。文獻[11]提出采用雙饋發(fā)電機的抽水蓄能電站的虛擬慣性控制，利用雙饋機組轉速可調的特性調節(jié)瞬時功率，但是在水源不足的新能源電場，該方法并不適用。

現(xiàn)有的改進都著眼于逆變器的控制策略上，但是上述控制改進方法并不能從根本上改變電力電子逆變器的缺陷。對于光伏發(fā)電，要進行虛擬慣性控制必須額外配置儲能環(huán)節(jié)，其成本分析尚未見報道。

文獻[12]~[14]提出了一種新的思路，通過同步電動機-同步發(fā)電機對（MGP）系統(tǒng)并網(wǎng)來改善新能源并網(wǎng)時的慣性。逆變器不直接連接到電網(wǎng)，而是通過逆變器-同步電動機-同步發(fā)電機的方式并網(wǎng)。這種方法可以利用同步發(fā)電機固有的慣性來提高新能源并網(wǎng)的慣性。而且，同步發(fā)電機的控制系統(tǒng)可以完全遵循現(xiàn)有的火電機組的同步發(fā)電機控制，這將極大地提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，減少了新能源對電網(wǎng)的沖擊。

本文首先介紹了MGP系統(tǒng)的工作原理和它能提供的慣性大小。然后，分析了MGP系統(tǒng)有功功率和源網(wǎng)相位差的對應關系，提出了源網(wǎng)相位控制方法的理論基礎?；谏鲜龇治?，以一個2kW的并網(wǎng)系統(tǒng)為例，通過實驗，比較了光伏系統(tǒng)有/無MGP系統(tǒng)時的頻率響應情況。實驗結果表明，MGP系統(tǒng)可以為新能源提供慣性支持，增強新能源電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。

1 同步電機與逆變器的慣性分析

同步發(fā)電機的慣性可以用轉動慣量或慣性時間常數(shù)表示。由于逆變器不包含直接轉動慣量，所以描述新能源的慣性時，用慣性時間常數(shù)來表示。

對于同步電機，其轉子動能M可以表示為:

其中，M是轉子轉動慣量，n是電機轉速。這里默認電機為一對極。

同步電機的慣性大小可以用慣性時間常數(shù)進行表示，其表達式為：

其中，Ng是同步發(fā)電機的額定容量。

新能源包括風電和光伏等，現(xiàn)在都使用逆變器并網(wǎng)。逆變器的慣性來自逆變器直流側電容儲存的能量。逆變器的慣性時間常數(shù)C為：

其中，為逆變器直流側電容，C為逆變器直流側電壓，一般在450~800V范圍內。Nij為新能源額定容量。對于由個單元并聯(lián)組成的新能源電場，它的慣性時間常數(shù)C'為：

這里假設同一新能源電場內，所有機組都有相同的慣性時間常數(shù)，則C'=C。

假定一臺900MW的同步發(fā)電機慣性時間常數(shù)M為6.5s[15]。對于一個包含450臺2MW風力發(fā)電機的900MW風電場，取C的平均值為625V，=0.1F，該900MW風力發(fā)電場的慣性時間常數(shù)為0.016s，M/C'=406.25。由此可知，新能源機組大規(guī)模接入電網(wǎng)將大大降低電網(wǎng)的慣性。

2 MGP系統(tǒng)基本特性

MGP系統(tǒng)的原理如圖1所示。在新能源電場的末端，增加了一組由同步電動機和同步發(fā)電機組成的電機對，然后并到電網(wǎng)中?？紤]到新能源電場的總容量通常達到兆瓦級，普通直流電機和感應電機很難做到這一點，而同步發(fā)電機的現(xiàn)有容量可以達到幾百兆瓦，所以發(fā)電機和電動機都設計為同步電機。

圖1 MGP原理圖

對于MGP系統(tǒng)，其轉子慣性是由轉子質量和轉子轉速決定的。當MGP系統(tǒng)運行時，其慣性可以近似為一個常數(shù)，通過計算可知，其慣性的大小約為同容量火電機組慣性的65%[15]。

因為MGP的兩臺同步機同軸連接，可以假定兩臺電機的轉速和轉速變化均相同，而且兩臺電機轉子的穩(wěn)態(tài)機械轉矩也相同。所以可以假定兩臺電機使用各自的電磁方程和電磁轉矩，使用同一機械系統(tǒng)。假定兩臺電機的慣性時間常數(shù)為G，M，電磁轉矩為eG，eM，轉子角為G，M，阻尼系數(shù)是DG，DM，得到：

圖2 MGP系統(tǒng)機械模型框圖

在上述分析的基礎上可得MGP系統(tǒng)模型圖如圖3所示，其中source和grid是電動機和發(fā)電機的端電壓；source，grid是電動機和發(fā)電機定子電流；Δm，ΔG是電動機和發(fā)電機的轉子角度的變化；Δ是轉子轉速變化。發(fā)電機和電動機各自有一套電磁系統(tǒng)，可以計算機械系統(tǒng)輸入的電磁轉矩。進而可以計算MGP系統(tǒng)轉子轉速和轉子位置。兩臺電機的轉速和轉子位置相同。同時，轉子的位置和轉速是兩機電氣部分的輸入，參與電磁轉矩的計算。

圖3 MGP系統(tǒng)建模結構

3 MGP系統(tǒng)功角特性與控制方法

（1）MGP轉子角與功率變化對應關系

對于同步電動機，通過它傳輸?shù)挠泄β士梢院喕癁椋?）式：

其中，G是發(fā)電機機端電壓，Gd是發(fā)電機定子d軸電抗，G是發(fā)電機轉子角。

MGP系統(tǒng)的功率變化和轉子角之間的對應關系如圖4所示（假設物理位置上兩個轉子之間的角度差為0，因為兩臺電機的轉子軸是耦合的）。如圖5所示，通過實驗可以得到MGP系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β屎推鋬啥穗妷翰畹膶P系。

圖4 MGP轉子角關系

圖5 調節(jié)新能源和電網(wǎng)相位角時有功功率曲線

（1）控制方法

根據(jù)上文分析所得MGP系統(tǒng)兩臺同步電機的功角特性，可以采用如圖6（a）所示，通過采集電網(wǎng)頻率作為變頻器的輸出電壓頻率的參考值，然后直接改變相位差來控制功率傳輸。反饋系統(tǒng)的算法如圖6（b）所示，測量電網(wǎng)電壓（發(fā)電機側）的頻率與相位電壓，傳輸功率可以通過調節(jié)發(fā)電機端電壓和電動機端電壓相位差來控制。

圖6 MGP系統(tǒng)頻率反饋控制框圖

圖中：

g：電機機端電壓

g：發(fā)電機輸出電流

g：輸電線路等效電抗

：MGP系統(tǒng)輸出有功功率

G：頻率調整模塊（使用PI控制）

Δ：頻率調節(jié)量

ref：MGP系統(tǒng)輸出有功功率參考值

g：電網(wǎng)電壓的角頻率

g：電網(wǎng)電壓相位

grid：電網(wǎng)電壓頻率

ref：變頻器輸出電壓的頻率參考值

Δ：相位調整量

直接采集頻率反饋調節(jié)相位控制有功的方法，對于設備的測量精度要求非常高。在仿真中可以輕易實現(xiàn)的控制方法，在實驗中由于設備精度的限制，并不容易實現(xiàn)。但是通過調節(jié)變頻器輸出電壓的頻率，也可以改變MGP系統(tǒng)兩端電壓的相位差。由此可以考慮將相位從直接調節(jié)量改為間接調節(jié)量，以避免控制系統(tǒng)對于頻率敏感度過大的問題。

基于上述分析，本文提出如圖7所示的功率反饋控制系統(tǒng)。測量計算系統(tǒng)檢測發(fā)電機向電網(wǎng)發(fā)出的實際有功與有功給定值之間的差，通過PI調節(jié)計算出頻率調節(jié)量并以此作為反饋，在控制系統(tǒng)中計算變頻器頻率參考值，對變頻器頻率進行微調，通過調頻來調節(jié)相位差，進而控制功率輸出。

圖7 基于功率反饋的改進控制方式

4 MGP系統(tǒng)慣性支撐能力實驗分析

為了證實MGP系統(tǒng)的慣性支持能力，此處開展了如下對比實驗。在設定源端功率波動時，分析光伏系統(tǒng)帶有/不帶有MGP系統(tǒng)時，新能源輸出端口電壓的頻率響應情況。實驗系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 實驗系統(tǒng)

如圖8所示，兩臺2kW的同步電機分別作為同步電動機和同步發(fā)電機。使用調壓器加整流器作為同步電機的勵磁系統(tǒng)，30kW的變頻器用來驅動電動機。使用錄波儀（橫河DL850）用來測量發(fā)電機傳送到電網(wǎng)的功率以及并網(wǎng)點電壓頻率，PLC用于計算和通信。光伏發(fā)電系統(tǒng)（PV）由一個直流電源（IT6726V）和一臺逆變器模擬。詳細實驗參數(shù)見表1和表2。

表1 實驗中電機的部分參數(shù)

表2 光伏系統(tǒng)和MGP的實驗參數(shù)

（1）帶負載實驗

實驗步驟：

1）打開K4，通過變頻器啟動電動機直到MGP達到同步速。然后，閉合K1，K3，將MGP系統(tǒng)和負載連接。

2）設定負載值為1200W。

3）將負載值從1200W變?yōu)?W，觀察MGP系統(tǒng)輸出電壓（母線電壓）的頻率變化。

4）將負載值從0W變?yōu)?200W，觀察MGP系統(tǒng)輸出電壓（母線電壓）的頻率變化。

5）將MGP系統(tǒng)并網(wǎng)變?yōu)镻V系統(tǒng)，重復上述實驗。

在實驗進行到大約3.2s時，設定負載突變，MGP系統(tǒng)和PV系統(tǒng)的有功功率也會隨之變化，此處測量母線電壓的頻率變化過程，實驗結果如圖9所示。從實驗結果可以看出，母線電壓的頻率隨著負荷的減小/增加而增加/降低。通過對比可以看出，在負荷突減，頻率突增的過程中，MGP系統(tǒng)可以將PV系統(tǒng)的輸出電壓的頻率波動最大值減少一倍以上，MGP系統(tǒng)的頻率波動明顯低于光伏系統(tǒng)。同時從對比結果還可以看出，MGP系統(tǒng)的動態(tài)恢復過程更快。這些結果表明MGP系統(tǒng)能為新能源提供慣性支持，增強新能源電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。

圖9 帶負載實驗母線電壓頻率

（2）并網(wǎng)實驗

實驗步驟：

1）打開K3，通過變頻器啟動電動機直到MGP達到同步速。啟動圖6（b）所示控制系統(tǒng)控制功率傳輸，利用暗燈法，閉合K2，K4將發(fā)電機并網(wǎng)。

2）設置發(fā)電機的功率參考值為1200W，調節(jié)比例系數(shù)直到系統(tǒng)穩(wěn)定。

3）將有功參考值從1200W降低到0W，觀察MGP系統(tǒng)向電網(wǎng)傳輸功率和母線電壓頻率的變化。

4）將MGP系統(tǒng)變?yōu)镻V系統(tǒng)并網(wǎng)，重復上述實驗。其中輸出功率可以通過直流電源輸出電壓控制。

實驗結果如圖10所示。由于g的存在，可以看出，有功功率降低的同時，母線電壓頻率也隨之降低。從比較結果來看，MGP系統(tǒng)可以將PV系統(tǒng)的輸出電壓的頻率波動最大值減少接近一倍，可見MGP系統(tǒng)的頻率波動明顯小于光伏系統(tǒng)，MGP系統(tǒng)的動態(tài)恢復過程也更快。這些實驗現(xiàn)象與帶載實驗的結果相似。這些結果同樣表明MGP系統(tǒng)能為新能源提供慣性支持，增強新能源電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。

圖10 并網(wǎng)實驗母線電壓頻率

5 結論

本文分析了當前能源和環(huán)境現(xiàn)狀，闡述了建設高滲透可再生能源電網(wǎng)的必要性。然后分析了新能源高滲透率下給電網(wǎng)帶來的潛在問題。討論了這些問題的解決方案—MGP系統(tǒng)，并用實驗分析了其慣性，得出結論如下：

（1）提出了MGP系統(tǒng)的數(shù)學模型。根據(jù)該數(shù)學模型，建立了源電網(wǎng)相位差和MGP系統(tǒng)的有功功率的對應關系；

（2）對比實驗結果表明MGP系統(tǒng)能夠為新能源提供慣性支持，增強新能源電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。

[1] Lasseter, R. H. Microgrids and distributed generation[J].Journal of Energy Engineering,2007, 133(3): 144-149.

[2] Heydt, Gerald Thomas. The next generation of power distribution systems[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2010, 1(3): 225-235.

[3] Soni, Nimish, Suryanarayana Doolla, and Mukul C. Chandorkar. Improvement of transient response in microgrids using virtual inertia[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2013, 28(3): 1830-1838.

[4] 李世春, 鄧長虹, 龍志君, 周沁, 鄭峰. 風電場等效虛擬慣性時間常數(shù)計算[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2016, 40(07):22-29.

[5] Xiang-Zhen, Yang. Control strategy for virtual synchronous generator in microgrid[C].Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT), 2011 4th International Conference on. IEEE, 2011.

[6] Visscher, K., and S. W. H. De Haan. Virtual synchronous machines (VSG’s) for frequency stabilisation in future grids with a significant share of decentralized generation[C].CIRED Seminar 2008: SmartGrids for Distribution. 2008.

[7] Beck, Hans-Peter, and Ralf Hesse. Virtual synchronous machine[C].2007 9th International Conference on Electrical Power Quality and Utilisation. IEEE, 2007.

[8] Shintai, Toshinobu, Yushi Miura, and Toshifumi Ise. Oscillation damping of a distributed generator using a virtual synchronous generator[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2014, 29(2): 668-676.

[9] Alipoor, Jaber, Yushi Miura, and Toshifumi Ise. Power system stabilization using virtual synchronous generator with alternating moment of inertia[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics 2015,3(2): 451-458.

[10] Zhong, Qing-Chang, and George Weiss. Synchronverters: Inverters that mimic synchronous generators[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(4): 1259-1267.

[11] 李輝, 劉海濤, 宋二兵, 肖洪偉, 駱林, 黃智欣. 雙饋抽水蓄能機組參與電網(wǎng)調頻的改進虛擬慣性控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2017,41(10):58-65.

[12] Wei S., Zhou Y., Xu G., & Huang, Y. Motor-generator pair: a novel solution to provide inertia and damping for power system with high penetration of renewable energy[J]. Iet Generation Transmission& Distribution. 2017, 11(7): 1839-1847.

[13] Wei, S. Zhou,Y. Li,S. and Huang ,Y. A possible configuration with motor-generator pair for renewable energy integration[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems, 2017, 3(1): 93-100.

[14] 衛(wèi)思明, 黃永章. 風電采用MGP并網(wǎng)的小干擾建模和阻尼特性[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2017, 41(22): 16-25.

[15] Kundur, Prabha.Power system stability and control. Eds. Neal J. Balu, and Mark G. Lauby. Vol. 7. New York: McGraw-hill, 1994.

Experiment Analysis on Motor-Generator Pair System for Providing Inertia for Power System with Renewable Energy

ZHOU Yingkun, XU Guorui, HUANG Yongzhang

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

With the increasing of penetration of renewable energy, the whole inertia of the power system is declining, which will endanger the frequency stability. Motor-Generator Pair (MGP) system can deal with these problems efficiently. In this paper, the basic working principle of MGP system is introduced firstly, then the theoretical basis of source-grid phase control method is proposed. The frequency response of PV system with/without MGP system is compared by experiment. The results show that the MGP system can provide inertia support for renewable energy, which can increase frequency stability for renewable energy power grid.

high renewable energy penetration; inertia of power grid; Motor-Generator Pair system; frequency stability

TM341

A

1000-3983(2018)06-0012-06

國家電網(wǎng)公司科技項目(5201011600TS)國家電網(wǎng)公司科技項目(XT71-18-041)

2017-12-16

周瑩坤（1990-），華北電力大學。電氣與電子工程學院，電氣與通信工程專業(yè)，博士研究生在讀，主要研究方向為高滲透率新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。