新能源采用同步電機(jī)對(duì)(MGP)并網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究

谷昱君，黃永章，楊鑫，付文啟，陳巨龍，趙海森

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；2. 貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，貴陽550002)

0 引言

大力發(fā)展新能源以解決環(huán)境污染和能源短缺問題已成為各國(guó)共識(shí)[1]。而隨著新能源發(fā)電占比逐步提高，其不同于傳統(tǒng)同步機(jī)組的運(yùn)行特性對(duì)同步機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的影響不斷增大，甚至給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性帶來了新的問題[2]。因此，研究新能源發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響具有重要的意義。

新能源并網(wǎng)會(huì)降低電力系統(tǒng)的頻率和電壓穩(wěn)定性。針對(duì)頻率穩(wěn)定性方面，由于風(fēng)電和光伏并網(wǎng)不具備慣性響應(yīng)能力[3]，使電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性下降。一方面，為使風(fēng)力機(jī)儲(chǔ)存的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能得到利用，文獻(xiàn)[4]提出了基于電網(wǎng)頻率變化率反饋的附加慣量控制，可以在電網(wǎng)頻率變化時(shí)釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能提供慣性響應(yīng)。但是，在轉(zhuǎn)速恢復(fù)的過程中會(huì)出現(xiàn)頻率二次跌落問題[5]。另一方面，可以通過新能源降功率運(yùn)行和附加儲(chǔ)能裝置的方式提供備用容量，在電網(wǎng)頻率變化時(shí)采用虛擬慣量控制策略提供所需的慣性響應(yīng)[6 - 7]。此外，由于不具備勵(lì)磁和阻尼裝置，新能源并網(wǎng)會(huì)使電力系統(tǒng)的阻尼水平下降，因此需要提供額外的能量用于附加阻尼控制[8 - 9]。針對(duì)電壓穩(wěn)定性方面，由于變流器耐壓、耐流能力較低，在電網(wǎng)故障情況下新能源電場(chǎng)易發(fā)生大規(guī)模脫網(wǎng)事故，而且新能源變流器無功控制能力較小，無法提供足夠的電壓支撐[10]。為解決上述問題，很多方法被用于減小過壓過流對(duì)變流器的影響，如滅磁控制[11]、正負(fù)序電壓定向控制[12]等改進(jìn)控制策略，附加Crowbar電路、直流chopper電路、儲(chǔ)能等硬件輔助設(shè)備[13]。STATCOM、SVC、SVG等無功補(bǔ)償設(shè)備也廣泛用于提升新能源場(chǎng)站的無功支撐能力[14]。

上述方法雖然在一定程度上有助于提升新能源并網(wǎng)的頻率和電壓穩(wěn)定性，但是卻增加變流器控制的復(fù)雜度和新能源電場(chǎng)的運(yùn)行成本，在技術(shù)上也不如傳統(tǒng)機(jī)組成熟。新能源通過同步電機(jī)對(duì)(motor-generator pair, MGP)并網(wǎng)不僅保留了同步電機(jī)良好的慣性響應(yīng)、阻尼特性和勵(lì)磁控制，還通過機(jī)械軸的隔離作用保護(hù)了新能源電場(chǎng)不受電網(wǎng)故障的影響[15 - 16]。文獻(xiàn)[17]建立了MGP系統(tǒng)的小信號(hào)模型，分析了不同下新能源并網(wǎng)場(chǎng)景下MGP對(duì)于提升新能源并網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的提升作用。文獻(xiàn)[18 - 19]對(duì)比MGP與傳統(tǒng)機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼比的大小，說明MGP可以為新能源提供足夠的慣量和阻尼。但是，上述研究并未針對(duì)MGP系統(tǒng)的慣性、阻尼等參數(shù)對(duì)于新能源頻率穩(wěn)定性的影響做具體分析。

本文首先介紹了新能源經(jīng)MGP并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制方法。然后，將新能源和MGP作為一個(gè)并網(wǎng)單元進(jìn)行建模，根據(jù)模型特點(diǎn)得到影響系統(tǒng)暫態(tài)特性的關(guān)鍵參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，分別分析了不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)過程的影響程度。在仿真中設(shè)置電壓故障，對(duì)比不同參數(shù)下系統(tǒng)的頻率和有功響應(yīng)，結(jié)果表明通過參數(shù)的優(yōu)選可以提升系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。最后，在新能源經(jīng)MGP的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中設(shè)置了不同的暫態(tài)擾動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MGP有利于提高新能源的暫態(tài)穩(wěn)定性。

1 新能源采用MGP并網(wǎng)系統(tǒng)建模

1.1 新能源采用MGP并網(wǎng)結(jié)構(gòu)及控制方法

考慮不同新能源并網(wǎng)方式的差異，目前光伏和直驅(qū)式風(fēng)機(jī)經(jīng)MGP并網(wǎng)在工程實(shí)際中的應(yīng)用較為可行。兩者具有相同的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，即直流母線電容和并網(wǎng)逆變器構(gòu)成的直-交變換單元，這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)特點(diǎn)是通過直-交變換的隔離，使得新能源側(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和光伏的頻率變化與電網(wǎng)頻率解耦，便于逆變器驅(qū)動(dòng)MGP并網(wǎng)進(jìn)行獨(dú)立控制，而前級(jí)變流器負(fù)責(zé)風(fēng)電和光伏的功率控制。因此，風(fēng)電和光伏通過MGP并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采用MGP系統(tǒng)的新能源并網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Renewable energy grid connection structure with MGP system

從控制結(jié)構(gòu)來看，不同于新能源直接并網(wǎng)以電網(wǎng)頻率為基準(zhǔn)，采用dq軸解耦的矢量控制方式，新能源采用MGP并網(wǎng)，由于同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率與電網(wǎng)相同，這就導(dǎo)致其無法以電網(wǎng)頻率為基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)控制，因此，通過控制直流母線電壓進(jìn)而控制逆變器的輸出電壓頻率實(shí)現(xiàn)MGP功率的穩(wěn)定傳輸。由同步電機(jī)的功角特性曲線可知，改變功角即可改變其輸出有功，所以同步電機(jī)的功角特性則是實(shí)現(xiàn)MGP控制的理論基礎(chǔ)。在同步電機(jī)頻率無法改變的情況下，可以通過改變變頻器輸出電壓頻率，使同步電機(jī)功角變化，最后改變MGP的輸出功率。針對(duì)圖1所示新能源經(jīng)MGP并網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，由于直流母線電容起到隔離新能源和MGP頻率的作用，可以采用直流電壓反饋控制方法實(shí)現(xiàn)MGP功率的穩(wěn)定傳輸，控制框圖如圖2所示。

圖2 MGP控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Control structure of MGP

圖2所示為逆變器功率外環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)則采用傳統(tǒng)的dq軸解耦的矢量控制方法，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩輸出。無論是光伏還是風(fēng)電機(jī)組，新能源側(cè)的控制仍然采用最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制算法，逆變器驅(qū)動(dòng)SM則采用直流電壓反饋控制方法與MPPT相配合的控制算法，由MPPT得到的最大有功功率Pmax進(jìn)而得到直流母線電壓參考值，再通過PI控制器得到逆變器輸出電壓頻率給定值。

1.2 系統(tǒng)建模

1.2.1 新能源側(cè)簡(jiǎn)化模型

為了適應(yīng)直流電壓反饋控制的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過函數(shù)擬合的方法得到新能源輸出有功功率和直流母線電壓的關(guān)系，在最大功率點(diǎn)附近可以通過線性化得到近似表達(dá)式為：

P新能源=f(Udc)≈kUdc+b

(1)

式中：P新能源為新能源輸出有功功率；Udc為直流母線電壓；k、b為線性化擬合系數(shù)。

由圖2可得逆變器輸出電壓頻率的表達(dá)式為：

(2)

式中：KP、KI分別為PI控制器的PI參數(shù)；Uref為參考電壓。

由上式可知，直流母線電壓變化決定了SM定子電壓頻率的大小，而其變化快慢則由積分參數(shù)決定。因此，合適的積分參數(shù)選取對(duì)于新能源經(jīng)MGP并網(wǎng)系統(tǒng)的頻率變化有較大的影響。

1.2.2 MGP的數(shù)學(xué)模型

由上節(jié)新能源的簡(jiǎn)化模型可知，逆變器輸出變量為電壓頻率，其決定了SM定子電壓頻率，進(jìn)一步?jīng)Q定了SM功角大小和變化速率。根據(jù)隱極式同步電機(jī)功角特性和運(yùn)動(dòng)方程，建立MGP的數(shù)學(xué)模型如式(3)—(4)所示。

(3)

(4)

式中：XMd、XGd分別為d、q軸電抗；EM、EG分別為SM、SG的反電動(dòng)勢(shì)；m為同步電機(jī)定子繞組相數(shù)；EM、EG分別為SM、SG的反電動(dòng)勢(shì)幅值；UM、UG分別為SM、SG的定子電壓幅值；δM0、δG0分別為SM、SG的功角初始值；ωi、ωr、ωg分別為逆變器輸出電壓角頻率、MGP轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)電壓角頻率；Δωr為同步電機(jī)電角速度與機(jī)械角速度之差；HMGP、KMGP分別為MGP系統(tǒng)的慣性常數(shù)和阻尼系數(shù)；PM、PG分別為SM和SG的電磁轉(zhuǎn)矩；TM、TG分別為SM和SG的電磁轉(zhuǎn)矩。

與傳統(tǒng)同步電機(jī)不同，MGP數(shù)學(xué)模型更多的考慮了功率傳輸與頻率之間的關(guān)系，這主要因?yàn)閮膳_(tái)電機(jī)同軸相連，其功率傳輸由兩臺(tái)同步電機(jī)軸間的電磁-機(jī)械耦合特性所決定。由于傳統(tǒng)同步電機(jī)的電壓、電流建模和暫態(tài)特性規(guī)律已有大量研究，在本文中直接引用而不多做贅述，此處建模重點(diǎn)分析新能源經(jīng)MGP作為一個(gè)并網(wǎng)單元的特性。

2 MGP系統(tǒng)提升新能源暫態(tài)穩(wěn)定性的分析

目前絕大部分新能源都是采用變流器直接并網(wǎng)方式，其耐壓、耐流能力受到電力電子器件本身的限制，往往需要增加輔助手段以提升其暫態(tài)特性。而新能源經(jīng)MGP并網(wǎng)的設(shè)備是同步發(fā)電機(jī)組，其過電流能力和耐壓水平可接近常規(guī)機(jī)組。

一方面，由于MGP機(jī)械軸的隔離作用，電網(wǎng)側(cè)的負(fù)荷突變、故障等擾動(dòng)在SG中的暫態(tài)過程引起的過壓過流對(duì)新能源側(cè)電壓、電流的影響很小，從而保護(hù)了新能源的穩(wěn)定運(yùn)行。另一方面，兩臺(tái)電機(jī)的電磁-機(jī)械耦合特性使得新能源側(cè)的暫態(tài)機(jī)理的分析發(fā)生了變化。由式(3)—(4)可得：

(5)

式中δM、δG分別為SM、SG的功角。結(jié)合式(2)和式(5)可知，新能源經(jīng)MGP并網(wǎng)的暫態(tài)特性主要由新能源逆變器的控制參數(shù)、同步電機(jī)參數(shù)和同步電機(jī)的功率特性三者共同決定。通過優(yōu)選控制參數(shù)可以提高逆變器的調(diào)速特性，提高頻率穩(wěn)定性。鑒于新能源機(jī)組由于自身控制的原因不具備慣性和阻尼，MGP的慣性和阻尼正是解決這一問題的一種很好的方法，相比控制系統(tǒng)參數(shù)方便可調(diào)的特點(diǎn)，慣性常數(shù)和阻尼系數(shù)在MGP系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要結(jié)合新能源的運(yùn)行特性加以考慮，在實(shí)際運(yùn)行中很難去修改。至于MGP的功率特性，由于其源側(cè)為新能源，有功調(diào)節(jié)受到新能源側(cè)功率的波動(dòng)性、隨機(jī)性影響，不再具備常規(guī)火電機(jī)組的靈活性、可調(diào)性，而無功功率主要由同步電機(jī)獨(dú)立的勵(lì)磁系統(tǒng)決定，在暫態(tài)過程中可以達(dá)到傳統(tǒng)機(jī)組相近的水平，因此可將新能源驅(qū)動(dòng)MGP等效為電壓大小可調(diào)的電流源。由于新能源經(jīng)MGP并網(wǎng)的暫態(tài)特性受到多種因素的共同影響，相互間的作用關(guān)系較為復(fù)雜，很難用解析的方法去分析其暫態(tài)特性，所以本文主要通過仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分析不同參數(shù)和場(chǎng)景下新能源經(jīng)MGP并網(wǎng)的暫態(tài)特性。

3 仿真分析

在電力系統(tǒng)仿真軟件PLECS中搭建了如圖3所示的仿真模型。由于仿真過程中未考慮新能源側(cè)波動(dòng)的影響，仿真中新能源只是采用封裝的光伏模塊，控制系統(tǒng)采用直流電壓反饋控制。電機(jī)參數(shù)如表1所示。

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

表1 同步電機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of synchronous motor

為了測(cè)試慣性時(shí)間常數(shù)、阻尼系數(shù)和PI參數(shù)對(duì)新能源經(jīng)MGP并網(wǎng)的暫態(tài)特性影響，在仿真中設(shè)置電網(wǎng)相電壓有效值從220 V跌落至150 V，持續(xù)2 s后恢復(fù)。

3.1 慣性時(shí)間常數(shù)的影響

第一組仿真分別設(shè)置慣性時(shí)間常數(shù)H為2 s、3 s、4 s、5 s，PI參數(shù)均為(0.01, 15)，阻尼系數(shù)KD為0.01。4次仿真的對(duì)比結(jié)果如圖4所示。如圖4(a)所示，H越大，電壓跌落后頻率的第一個(gè)振幅越低。但故障恢復(fù)后，穩(wěn)定恢復(fù)時(shí)間和振蕩的幅度隨著H的增加也有所增加。綜合考慮4個(gè)仿真結(jié)果的波形，為抑制振蕩幅度和實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定恢復(fù)，當(dāng)H=3 s時(shí)，仿真效果較好，說明在一定范圍內(nèi)適當(dāng)增加慣性時(shí)間常數(shù)有利于提高新能源經(jīng)MGP并網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

圖4 不同慣性時(shí)間常數(shù)的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of different inertia time constants

3.2 阻尼系數(shù)的影響

第二組仿真分別設(shè)置阻尼系數(shù)KD為0.000 1、0.001 0、0.005 0、0.010 0，PI參數(shù)均為(0.01, 1)，慣性時(shí)間常數(shù)均為3 s。4次仿真的對(duì)比結(jié)果如圖5所示。如圖5所示，隨著KD的增加，頻率和有功的振蕩幅值隨之減小，有功恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間也相應(yīng)縮短。在參數(shù)設(shè)置的范圍內(nèi)，增加MGP阻尼系數(shù)有利于提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。而受到仿真模型的限制，阻尼系數(shù)不能無限制增加，在實(shí)際運(yùn)行中阻尼系數(shù)也不是越大越好。因此，阻尼系數(shù)的選取應(yīng)當(dāng)在合理的范圍內(nèi)適當(dāng)增加。

圖5 不同阻尼系數(shù)的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of different damping coefficient

3.3 PI控制參數(shù)的影響

由于PI參數(shù)中的比例系數(shù)對(duì)頻率和有功的暫態(tài)振蕩過程影響較小，所以只在第3組仿真中分別設(shè)置積分參數(shù)KI為1、5、10、15，KD均為0.01，慣性時(shí)間常數(shù)均為3 s。4次仿真的對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同PI控制參數(shù)的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of different PI control parameters

由圖6可知，KI>1時(shí)，頻率和有功的波形相差不大。在故障初期，KI=1時(shí)，頻率的振蕩幅度稍大，但隨著誤差累計(jì)，較大的KI不利于暫態(tài)過程的頻率恢復(fù)。由有功功率波形可知，KI增加對(duì)其振蕩幅值和恢復(fù)速度影響不大，因?yàn)殡妷汗收现饕獙?duì)系統(tǒng)的電壓和無功功率影響較大，所以調(diào)整KI只會(huì)改善頻率的波形。綜上所述，積分參數(shù)值在適當(dāng)范圍內(nèi)應(yīng)選取的較小。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證新能源經(jīng)MGP并網(wǎng)的暫態(tài)特性，在實(shí)驗(yàn)室搭建光伏驅(qū)動(dòng)MGP并網(wǎng)平臺(tái)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 MGP電壓穿越實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Voltage ride-through experiment platform of MGP

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中光伏采用一臺(tái)10 kW Chroma光伏模擬器，MGP采用兩臺(tái)STC-5.5型同步電機(jī)對(duì)拖系統(tǒng)，變頻器采用某公司DF900型矢量控制變頻器，通過MODBUS485協(xié)議實(shí)現(xiàn)與附加直流母線電壓控制PLC模塊的通信。另外，采用一臺(tái)12 kW SUN 2000-12KTL型逆變器模擬光伏并網(wǎng)逆變器。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的部分電氣參數(shù)如表2所示。

表2 低電壓穿越實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of low voltage ride-through experiment platform

為分析光伏通過MGP系統(tǒng)并網(wǎng)的暫態(tài)特性，設(shè)置網(wǎng)側(cè)相電壓有效值從220 V分別升至230 V、250 V、286 V，持續(xù)一段時(shí)間后恢復(fù)，MGP輸出的有功功率和無功功率從上至下如圖8所示。

圖8 不同電壓故障的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results of different voltage faults

由圖8可知，有功功率的振蕩幅度隨電壓變化幅度的增加而增加，但振蕩幅值并未隨之線性增加，且暫態(tài)恢復(fù)時(shí)間相近，說明MGP系統(tǒng)的慣性和阻尼在暫態(tài)過程中發(fā)揮了重要的作用。同時(shí)控制系統(tǒng)在暫態(tài)過程中保持著系統(tǒng)出力的相對(duì)穩(wěn)定，有利于故障的快速恢復(fù)。

為了對(duì)比光伏直接并網(wǎng)和經(jīng)過MGP并網(wǎng)系統(tǒng)在負(fù)荷變化情況下的慣性響應(yīng)和阻尼情況，分別在圖7的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中做了兩組相同的變負(fù)載實(shí)驗(yàn)。兩組實(shí)驗(yàn)的負(fù)載三相有功功率均增加300W，且光伏模擬器輸出的有功功率相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

由圖9中并網(wǎng)點(diǎn)頻率波形對(duì)比圖可知，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，光伏經(jīng)MGP并網(wǎng)的頻率最大偏移量?jī)H為光伏直接并網(wǎng)時(shí)的一半，而且前者頻率的下降速度更小，可以向電網(wǎng)輸出一定的有功功率，說明PV經(jīng)MGP并網(wǎng)可以有效提高光伏并網(wǎng)的慣性響應(yīng)和阻尼水平，從而增加新能源電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。

圖9 負(fù)荷變化下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experimental results of load change

5 結(jié)語

本文針對(duì)新能源并網(wǎng)引起的暫態(tài)穩(wěn)定性問題，重點(diǎn)研究了新能源經(jīng)MGP并網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，通過對(duì)新能源采用MGP并網(wǎng)系統(tǒng)建模和分析可知，控制系統(tǒng)的積分參數(shù)、MGP的慣性和阻尼是決定系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。在仿真中設(shè)置相同故障，對(duì)比不同參數(shù)下系統(tǒng)的功率和頻率響應(yīng)，結(jié)果表明在合理的范圍對(duì)參數(shù)的優(yōu)選可以減小暫態(tài)過程中的頻率和有功功率的振蕩幅值和穩(wěn)態(tài)恢復(fù)時(shí)間。最后在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別對(duì)比了不同電壓故障下新能源經(jīng)MGP并網(wǎng)的功率響應(yīng)，以及相同負(fù)荷變化下光伏是否經(jīng)MGP并網(wǎng)的有功頻率響應(yīng)，結(jié)果表明MGP系統(tǒng)的慣性和阻尼均有利于提升MGP系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。