MGP提高光伏發(fā)電系統(tǒng)高電壓穿越能力的研究

陳巨龍，張 裕，薛 毅，趙慶明，王 健

（貴州電網有限責任公司電網規(guī)劃研究中心，貴陽550002）

0 前言

風電、光伏等新能源發(fā)展迅速，截止到2018年底，我國風電的裝機容量達到1.84億千瓦，增長12.4%；光伏裝機容量1.74億千瓦，增長33.9%，風電和光伏的裝機容量占總裝機容量的19%［1］。隨著新能源大規(guī)模并網以及特高壓交直流輸電及聯(lián)網技術快速發(fā)展，新能源電場面臨的穩(wěn)定性問題越來越嚴重。光伏等新能源發(fā)電具有較強的波動性和隨機性，其普遍不具備暫態(tài)電壓耐受能力，無論是暫態(tài)過電壓還是暫態(tài)低電壓問題均會對新能源機組的運行造成較嚴重影響［2－5］。

電網由于故障、新能源的孤島運行、直流換相失敗、閉鎖等擾動過程會出現(xiàn)暫態(tài)過電壓現(xiàn)象［2］。對于光伏電站，電網電壓驟升容易引起能量由網側向機側倒灌，逆變器脫離線性工作區(qū)進入過調制工作區(qū)運行，使得系統(tǒng)的控制裕度下降，易觸發(fā)系統(tǒng)的過壓和過流保護，從而致使逆變器脫網［6］。目前對于光伏高電壓穿越技術的研究尚處于起步階段，實現(xiàn)光伏發(fā)電設備高電壓穿越的措施主要有增加額外輔助設備和改進控制策略。在額外輔助設備方面，可以通過增加無功補償設備、超級電容器和儲能系統(tǒng)等；在控制策略方面，對于光伏孤島運行產生的過電壓可以采用附加數(shù)字功率計來吸收新能源發(fā)出的過多功率［7］，或者通過適當提高直流側電壓參考值來減小直流側的電壓波動等。

上述措施雖然在一定程度上能緩解暫態(tài)電壓現(xiàn)象對新能源運行造成的影響，但是其局限性很大，并且與新能源電場的運行難以實現(xiàn)較好的匹配?？刂撇呗苑矫?，依靠光伏自身一定的無功調節(jié)能力存在固有局限性，無法達到故障電壓穿越的更高要求，較復雜的控制策略在實際運行中不易實現(xiàn)，且受變換器容量的限制。尤其對于暫態(tài)過電壓現(xiàn)象，由于新能源換流器多使用IGBT等全控型器件，其固有耐壓能力的限制給暫態(tài)過電壓問題的有效解決帶來了瓶頸［8－10］。

綜上，依靠新能源自身的調控作用無法從根本上解決暫態(tài)過電壓問題，需要尋求新的解決方式。本文研究的同步電機對系統(tǒng) （motor-generator pair，MGP），最初的提出是用于提升高比例新能源電網的慣性［11－14］。MGP系統(tǒng)是由兩臺同軸連接的同步電機構成，新能源發(fā)電設備通過MGP系統(tǒng)并入電網運行［15－17］。由于新能源和電網之間串入MGP系統(tǒng)，電機軸系會起到機械隔離的作用，這種方式有別于現(xiàn)有新能源高電壓穿越方法，具有獨特的技術優(yōu)勢。

本文首先分析了MGP的數(shù)學模型和功角特性，并從MGP系統(tǒng)提供機械隔離作用的角度出發(fā)，分析了其為新能源提供電壓隔離保護作用的機理，并通過光伏驅動MGP并網的實驗證實了MGP可以有效增強新能源機組的高電壓穿越能力，且均高于國家標準［18］，保證光伏發(fā)電設備在電網暫態(tài)電壓故障期間功率的正常送出。

1 MGP功角特性與電壓隔離作用的機理

1.1 MGP系統(tǒng)的功角特性

同步電機對系統(tǒng)由兩臺同步電機組成，其中兩臺電機分別作為同步電動機和同步發(fā)電機狀態(tài)運行，兩臺電機之間通過轉子的機械轉軸連接，因此兩臺電機的轉子以相同的方向和速度旋轉。其運行模式為：新能源驅動同步電動機旋轉，同步電動機拖動同步發(fā)電機并入電網，MGP系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 MGP系統(tǒng)結構

MGP系統(tǒng)由兩臺同步電機組成，而同步電動機和同步發(fā)電機除具體電氣量的正方向不同外，兩者的電氣模型基本相同。

同步電動機和同步發(fā)電機的運動方程可以描述為式 （1）和 （2）。其中，HM和HG分別為電動機和發(fā)電機的慣性時間常數(shù)；TeM和TeG分別為電動機和發(fā)電機的電磁轉矩；Tm為電機公共轉軸的機械轉矩；KDM和KDG是電動機和發(fā)電機的阻尼系數(shù)；ΔωM和ΔωG分別為電動機和發(fā)電機的角速度變化量；δM和δG為兩電機的轉子角［12，19］。

對于MGP，由于兩臺電機的轉速相同，轉速變化率也相等，因此聯(lián)立 （1）、（2）兩式可得：

通常，催化劑選擇性和和副產品的生成呈反比關系。如圖2所示，在一個雙反應器隔熱測試單元中分別使用新型苯乙烯單體催化劑和市場對標催化劑時，副產物的典型生成量。

可以看到，當電動機的電磁轉矩大于發(fā)電機的電磁轉矩時，電磁轉矩的不平衡會造成MGP系統(tǒng)轉速的波動，這也是MGP功率波動的體現(xiàn)。進一步地，要實現(xiàn)MGP傳輸功率的可控以達到新能源通過MGP并網的目的，就必須分析MGP系統(tǒng)的功角特性。MGP系統(tǒng)中有兩臺同步電機，其功角特性與單機系統(tǒng)不同。

對于并網機組，同步電動機的有功功率方程可簡化為：

同理，對于同步發(fā)電機有：

由公式 （4）和 （5）可以看出，同步電機的有功功率與功角的變化成正比關系，因此通過控制電機的功角可以控制有功功率的傳輸?；趥鹘y(tǒng)同步電機的功角特性，可分析MGP的功角特性［20］。

如圖2所示 （假定兩臺電機的初始轉子角度差為0），電動機和發(fā)電機機端電壓的相位改變時，同步電機的功角δM和δG也相應發(fā)生變化，此時電機傳輸功率的變化也與MGP系統(tǒng)傳輸功率的變化一致。定義δMG為MGP系統(tǒng)的功角，δMG的變化就反映了MGP系統(tǒng)傳輸有功功率的變化。

圖2 MGP的功角關系

文獻 ［16］和 ［20］通過MGP的并網實驗驗證了調節(jié)電動機和發(fā)電機之間的電壓相位差可以改變MGP系統(tǒng)的有功功率傳輸。并提出了基于源網相位差的控制方法，這體現(xiàn)在必須主動控制新能源側的電壓相位，才能使MGP系統(tǒng)向電網可控地傳輸有功功率。同樣，光伏通過MGP并網同樣需要基于MGP的功角控制理論，實現(xiàn)光伏功率通過MGP系統(tǒng)的穩(wěn)定傳輸。

1.2 MGP提供電壓隔離保護作用的機理

通過對MGP系統(tǒng)的結構和原理的分析可知，其中兩臺同步電機經機械轉軸的連接后，可視作一個單質量塊，則MGP系統(tǒng)可以看作由同一個機械系統(tǒng)連接的兩套同步電機電氣系統(tǒng)。

2 光伏驅動MGP的控制方法

針對光伏發(fā)電系統(tǒng)驅動MGP，同樣也是基于源網相位差控制的思想，由于光伏發(fā)電設備直接產生的是直流電，光伏發(fā)電設備系統(tǒng)需要通過逆變器驅動MGP。逆變環(huán)節(jié)的有功功率傳輸體現(xiàn)在直流側電容的充放電過程，其中若直流側電容放電，則逆變器可以向MGP系統(tǒng)傳輸有功功率；反之，則功率流動方向相反?？梢酝ㄟ^在光伏和逆變器之間附加電壓反饋環(huán)節(jié)得到頻率給定值的方式實現(xiàn)光伏側 （電動機側）電壓相位的控制，從而達到調節(jié)光伏電源和發(fā)電機之間相位差的效果。

光伏驅動MGP的實驗系統(tǒng)的整體結構和控制環(huán)節(jié)如圖3所示。

圖3 光伏驅動MGP并網的結構及控制環(huán)

其中，UDC為光伏發(fā)電設備發(fā)出的直流電壓；Uref為指定的直流電壓參考值；fref為同步電動機電壓頻率參考值?？刂葡到y(tǒng)計算實際測量的逆變器直流母線電壓與設定的直流電壓參考值的偏差經過PI調節(jié)，計算得到逆變器的頻率給定值，逆變器通過通訊實時響應該頻率指令。因此，逆變器可以根據(jù)光伏的運行需要調整自身的輸出電壓頻率，MGP系統(tǒng)的功角也得到控制，通過該控制環(huán)節(jié)可以控制光伏發(fā)電設備驅動MGP的功率傳輸過程。

3 光伏驅動MGP的高電壓穿越仿真分析

為了驗證MGP系統(tǒng)對新能源發(fā)電系統(tǒng)的隔離保護作用，在PLECS仿真軟件中搭建了新能源通過MGP系統(tǒng)并網的時域仿真模型。其中，以容量為5kW的光伏發(fā)電系統(tǒng)模型模擬新能源發(fā)電系統(tǒng)；2臺額定電壓380V、額定容量為5kVA的同步電機同軸相連模擬MGP系統(tǒng)，兩臺電機均采用定勵磁；仿真模型的參數(shù)見表1和表2（電機參數(shù)均為標幺值）。

表1 仿真參數(shù)

表2 同步電機參數(shù)

當仿真運行至第15s時，設置電網側相電壓有效值從220V驟升為286V（對應國標光伏高電壓穿越標準的1.3 p.u.），持續(xù)5s后恢復至220V，分別測量電動機和發(fā)電機的機端相電壓和相電流、直流母線電壓和電機輸出頻率。仿真結果如圖4所示。

如圖4所示，電壓突增后，發(fā)電機電流瞬間增加，從圖4（b）可知，此時MGP向電網發(fā)出的有功基本不變，無功從0附近，變成負值，這個主要是由于電網電壓突增，同步發(fā)電機勵磁電流無法提供足夠的氣隙磁場導致，電壓差造成同步發(fā)電機吸收無功，在過電壓過程中，發(fā)電機勵磁系統(tǒng)會逐漸增加勵磁以減少無功吸收。電動機側由于電機轉速的波動，也有電壓電流的波動，但是非常小，新能源電場可以保持穩(wěn)定運行。電壓恢復后，經過一個動態(tài)過程（該過程類似于低電壓過程），MGP系統(tǒng)的運行可以逐漸恢復到原來的狀態(tài)。

圖4 高電壓工況仿真結果

4 實驗驗證

根據(jù)以上分析，為了驗證MGP系統(tǒng)能提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的高電壓穿越能力，搭建5kW的MGP高電壓穿越實驗平臺。系統(tǒng)結構如圖5所示。其中兩臺同步電機均選用STC-5型號電機，使用可調直流電源分別控制兩臺電機的勵磁電流，DF900型變頻器用于驅動MGP，使用62100H-600S型光伏模擬器用于模擬光伏發(fā)電設備，61845型電網模擬器用于模擬電網的過電壓工況，顯示屏和PLC設備組成光伏電壓反饋系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)參數(shù)分別見表3。

表3 MGP實驗系統(tǒng)參數(shù)

圖5 MGP電壓穿越實驗平臺

針對高電壓穿越實驗，通過電網模擬器模擬電網的高電壓工況，根據(jù)真實的光伏運行數(shù)據(jù)，實驗中采用的光伏運行曲線如圖6所示，設置控制系統(tǒng)直流側電壓參考值為570V。

圖6 實驗的光伏特性曲線

實驗開始時，系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)，電網電壓為額定值220V，設置電網過電壓故障，電網三相電壓在19～24s時間內瞬間升至1.3 p.u.。用錄波儀分別測量電動機和發(fā)電機側的有功功率和無功功率，電機的轉速和光伏系統(tǒng)的直流母線電壓變化。兩種工況的實驗結果如圖7所示。其中，UG、IG、PG、QG分別為發(fā)電機的電壓、電流、有功和無功；UM、IM、PM、QM分別為電動機的電壓、電流、有功和無功；f為變頻器輸出電壓頻率，UDC為實際運行中的光伏模擬器輸出的直流母線電壓值。

圖7 高電壓工況實驗結果

由圖7可知，在電壓升高時，發(fā)電機側電流突增，在定子側出現(xiàn)暫態(tài)過程，但是由于MGP軸系隔離作用，電動機側電流波動較小，由于控制系統(tǒng)的反饋調節(jié)作用，電容在暫態(tài)過程中雖然一直在充放電，但是直流母線電壓出現(xiàn)波動幅度很小，光伏運行點逐步回到正常運行位置，直流母線電壓基本維持恒定，新能源可以保持穩(wěn)態(tài)運行。故障期間發(fā)電機有功功率經過幾個周波的振蕩衰減恢復穩(wěn)定輸出，電動機有功功率變化不大。反觀無功功率從接近0的狀態(tài)變成負值，這是由于原有恒定的勵磁電流無法提供足夠的氣隙磁場，發(fā)電機機端電壓的升高造成電機從電網吸收部分無功功率，電壓恢復正常后發(fā)電機無功變?yōu)榱悖瑥亩诠收掀陂g可以對電網電壓提供有力支撐。

由高電壓工況的實驗結果和分析可知，在國家標準1.3 p.u.的情況下，MGP均能保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運行，其中MGP固有的機械隔離作用使得電網側的電壓故障無法蔓延至電動機側，較大的慣性也有利于抑制故障的暫態(tài)過程，MGP具備的這些優(yōu)點均能保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運行。

5 結論

本文闡述了在高比例新能源接入電網的背景下，暫態(tài)電壓問題的嚴重性和電壓穿越技術對于新能源發(fā)電設備的重要性。然后分析MGP系統(tǒng)的結構、控制原理和MGP為新能源提供的電壓隔離保護作用的機理，最后通過實驗驗證了MGP可以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓穿越能力。主要結論如下：

（1）在暫態(tài)過電壓情況下，MGP能為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供有效的無功支撐和良好的故障電壓隔離保護作用；

（2）MGP可以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的高電壓穿越能力，且高于國家標準，MGP并網方式可以提高光伏發(fā)電并網的可靠性。