新能源同步機提升電網(wǎng)穩(wěn)定性的運行特性分析

武倩羽，黃永章，楊鑫，管飛，李渝，付文啟

（1.華北電力大學新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830002）

截至2019 年6 月，我國可再生能源發(fā)電裝機達7.5 億kW，其中，風電裝機1.93 億kW，光伏發(fā)電裝機1.86 億kW[1]。高比例新能源發(fā)電已經(jīng)成為熱點關注的未來電力系統(tǒng)場景。

大規(guī)模新能源并網(wǎng)后，新能源的隨機波動性和高度電力電子化特性致使電網(wǎng)的不確定性和脆弱性日益突出[2]。首先，同步交流電網(wǎng)的轉動慣量變小，削弱了電力系統(tǒng)的動態(tài)調節(jié)能力[3]；其次，新能源換流器的電壓穿越能力不足，面對交直流混聯(lián)大電網(wǎng)中常見的電壓跌落及暫態(tài)過電壓問題[4]，易造成新能源大量脫網(wǎng)；另外，電力電子設備的頻帶大幅拓寬，新能源側和電網(wǎng)側的諧波和諧振交互問題變得日益復雜[5]，特定的運行工況下電力電子設備在很寬的頻段呈現(xiàn)的負阻尼特性加劇了系統(tǒng)振蕩。

為改善新能源發(fā)電的慣性響應，文獻[6]借鑒同步機的運動方程原理提出虛擬同步機（virtual synchronous generator，VSG）技術。文獻[7-8]基于頻率微分慣性控制、下垂控制，利用轉子動能來實現(xiàn)雙饋風機的慣性響應。然而虛擬慣量控制方法在風機轉速恢復到最優(yōu)值的過程中可能會導致電網(wǎng)頻率的二次擾動[9]。文獻[10]提出了一種基于變減載控制的光伏發(fā)電參與電網(wǎng)頻率調節(jié)的控制方法，然而減載運行降低了新能源的利用率。

針對風機低壓穿越方案主要包括改進硬件電路[11]、改進控制策略[12]以及附加儲能裝置[13]等。新能源機組高壓穿越的主要措施包括增加靜止同步補償器、動態(tài)電壓恢復器以及超級電容器等額外輔助設備[14]和改進控制策略[15]等，但電力電子器件固有耐壓能力的限制給電壓穿越技術帶來了瓶頸。新一代調相機具備更優(yōu)異的暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性和更強的無功調節(jié)能力，近年來受到了廣泛的關注[16]。

在抑制大量新能源電力電子并網(wǎng)換流器引發(fā)的新振蕩問題方面，文獻[17]剖析了大規(guī)模風電在不同的場景下產(chǎn)生次同步振蕩的機理和新特點；文獻[18]通過風電機組的有功、無功調制來提供阻尼從而抑制區(qū)間振蕩；文獻[19]通過在風機并網(wǎng)換流器中引入附加阻尼控制器來提高阻尼，類似于同步電機勵磁系統(tǒng)加裝電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定器（power system stabilizer，PSS）的原理。

綜上，在提高高比例新能源電網(wǎng)穩(wěn)定性方面，現(xiàn)有的研究一定程度上借鑒了同步機的運動方程、慣性響應、勵磁控制PSS等理論。調相機本質上是空載運行的同步電動機，可以有效提高系統(tǒng)的短路容量和旋轉慣量，但調相機以并聯(lián)的方式接入直流送受兩端，由新能源側和電網(wǎng)側交互影響而引發(fā)的不穩(wěn)定問題仍然是潛在的。另外，大多數(shù)電流源型換流器的控制前提是需要一個穩(wěn)定的電網(wǎng)為其提供頻率、電壓基準和支撐，隨著新能源滲透率的提高，替換的同步機越來越多，電網(wǎng)穩(wěn)定性問題將愈發(fā)嚴重。

同步電動機-同步發(fā)電機對（motor-generator pair，MGP）新型并網(wǎng)方式為高比例新能源電網(wǎng)架構提供了一種新的思路[20]。文獻[21]基于MGP 功角特性提出了源網(wǎng)相位差的控制方法，通過仿真和實驗有效控制了新能源經(jīng)MGP 并網(wǎng)的傳輸功率。本文通過闡述MGP的結構和功角特性，分析了MGP 的慣性水平及阻尼特性；研究了MGP 的功率反饋控制及電壓反饋控制方法，并在實驗系統(tǒng)中進行了驗證；最后，對MGP 在未來高比例新能源電力系統(tǒng)中的應用進行了展望。

1 MGP運行原理

1.1 MGP結構

如圖1 所示，MGP 并網(wǎng)系統(tǒng)由轉子連接在同一根機械軸上的同步電動機和同步發(fā)電機構成。風電、光伏等新能源機組經(jīng)過匯聚后驅動變頻器帶動同步電動機旋轉，機械軸的旋轉將帶動同步發(fā)電機發(fā)電。MGP 兩臺電機的轉子由聯(lián)軸器連接，不考慮軸系扭轉剛度時穩(wěn)態(tài)條件下這兩個轉子將同速旋轉。通過勵磁控制系統(tǒng)來調節(jié)MGP的功率傳輸。

圖1 MGP結構示意圖Fig.1 Structure diagram of MGP

1.2 MGP功角特性

MGP 系統(tǒng)的功角特性如圖2 所示，和為MGP 兩臺電機的內電勢，帶負載后，同步電動機和同步發(fā)電機將會產(chǎn)生兩個功角δM和δG，參考量分別是MGP兩側的母線電壓UBM和UBG。

圖2 MGP系統(tǒng)的功角特性Fig.2 Power angle characteristics of MGP

若δMG為UBM和UBG的相位差，則有：

同步電動機和同步發(fā)電機的有功功率PM，PG分別可表示為

式中：Xc為電機同步電抗。

由式（2）、式（3）可知，在穩(wěn)定運行范圍之內，同步電機傳輸?shù)挠泄β逝cδM和δG有相同的變化趨勢。兩臺同步電機的轉子角速度相同，電氣量上表現(xiàn)為和同速旋轉。如圖2所示，當MGP傳輸?shù)挠泄β试龃?減小時，δM和δG會同時增大/減小，從而導致δMG的增大/減小。由此可知，MGP傳輸?shù)挠泄β逝cMGP 兩側電壓相位差δMG有關，可以通過控制δMG來實現(xiàn)有功功率的調節(jié)。

2 MGP慣性水平和阻尼特性

2.1 MGP的慣性水平

新能源通過MGP 并網(wǎng)后可以為電網(wǎng)增加真實的轉動慣量。轉動慣量J是表征剛體轉動慣性大小的物理量，可以用質量塊來進行估算。以火電機組的真實軸系參數(shù)為參考依據(jù)[22]，對比分析同容量MGP 的轉動慣量大小?；痣姍C組的機械軸系由勵磁機、發(fā)電機、低壓缸和高壓缸4個質量塊組成，MGP 系統(tǒng)由2 臺同步電機和2 套勵磁系統(tǒng)組成，由此可估算出MGP的轉動慣量約為同容量火電機組的66%[23]。

轉動慣量J可用慣性時間常數(shù)H來規(guī)范：

式中：ω0為額定角速度；SB為額定容量。600 MW 火電機組的H為6.636 s[22]，因此同容量的MGP的H能夠達到4.38 s。

風機、光伏等新能源的并網(wǎng)慣性完全來源于逆變器直流側電容的儲能，慣性時間常數(shù)HC如下式：

式中：C為逆變器直流側電容；UC為電容電壓；SN為新能源額定裝機容量。

式（5）中，取UC為625 V，C為0.1 F，可求出600 MW 風場慣性時間常數(shù)HC為0.016 59 s。因此，MGP 慣性大約是同容量新能源機組的400 倍，可為高比例新能源電網(wǎng)提供足夠量級的轉動慣量來維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.2 MGP的阻尼特性

同步電機氣隙電磁轉矩中與轉速偏差Δωr同相位的分量為阻尼轉矩分量。在MGP 系統(tǒng)中轉速的變化將會導致δM和δG同時變化，從而導致兩臺同步電機各自磁通的變化引起阻尼分量的疊加。本節(jié)在MGP 數(shù)學模型的基礎上推導了MGP經(jīng)典小干擾模型，具體分析阻尼疊加特性。

MGP 的輸入轉矩是同步電動機的電磁轉矩TeM，標幺值下可表示為

輸出轉矩為同步發(fā)電機的電磁轉矩TeG，標幺值下可表示為

兩臺同步電機的阻尼轉矩疊加產(chǎn)生MGP 的阻尼轉矩分量。

將式（1）線性化后用ΔδMG來替換ΔδG，可得以Δωr和ΔδMG為狀態(tài)變量的MGP 小干擾狀態(tài)方程如下式：

式中：D 為微分符號；ΔδMG為轉子角偏差；KDM，KDG分別為電動機和發(fā)電機的阻尼系數(shù)；KsM，KsG為兩臺電機的同步轉矩系數(shù)。

根據(jù)式（8）的特征值可求得MGP 阻尼比ζMGP為

在相同的狀態(tài)方程形式下，同步發(fā)電機的阻尼比ζ為

MGP 采用型號相同的兩臺同步機，聯(lián)立式（9）、式（10）可推導得ζMGP和ζ的關系：

3 MGP的并網(wǎng)控制

3.1 基于源網(wǎng)相位差的功率反饋控制

由MGP 的功角特性可知，可以通過控制MGP 的功角δMG，即MGP 兩側電壓相位差來實現(xiàn)傳輸有功功率的控制，控制框圖如圖3所示。

圖3 MGP源網(wǎng)相位差控制框圖Fig.3 Block diagram of source network phase difference control of MGP

以MGP并網(wǎng)側的電壓為參考，采集發(fā)電機側電壓UG、電流IG計算有功功率PG，若實際傳輸?shù)腜G大于目標功率Pref，增加變頻器輸出電壓UM的頻率fM來增大UM和UG相位差δMG，從而增加MGP傳輸?shù)挠泄β剩蝗鬚G小于目標功率Pref，減小變頻器輸出電壓頻率fM來減小δMG，從而降低MGP有功功率。通過PI 控制器來實現(xiàn)有功功率的反饋控制，將MGP 實際傳輸?shù)腜G和目標功率Pref的差值作為PI控制器的輸入，反饋計算出變頻器輸出電壓的頻率調節(jié)量Δf，進而改變變頻器輸出電壓的相位，實現(xiàn)MGP有功功率的閉環(huán)控制。

為驗證控制算法的可行性，搭建了5 kW 的MGP 實驗系統(tǒng)，如圖4 所示。由變頻器驅動5 kW的交流同步電動機M 帶動5 kW 的同步發(fā)電機G發(fā)電，兩臺電機的勵磁繞組分別接24 V 的直流電源，電量變送器用于測量同步發(fā)電機G 向電網(wǎng)傳輸?shù)挠泄β蔖，PLC 中的控制算法加入了功率反饋調節(jié)，用于反饋計算和通信。

圖4 MGP實驗系統(tǒng)Fig.4 Experimental system of MGP

啟動變頻器帶動MGP系統(tǒng)發(fā)電，檢測到發(fā)電機電壓UG和電網(wǎng)電壓Ug相位重合時，將MGP 并網(wǎng)運行，設定PLC 控制板的Pref為300 W，穩(wěn)定后測量MGP 輸出的有功功率，同時測量MGP 兩側電壓的相位差；改變PLC 控制板的Pref為800 W，穩(wěn)定后再次測量MGP 傳輸?shù)挠泄β屎蛢蓚入妷合辔徊?。實驗結果如圖5 所示，當Pref從300 W增大到800 W 后，通過反饋控制MGP 兩側相位差δMG增大，MGP傳輸?shù)挠泄β室矎?00 W 增大到800 W，證明了源網(wǎng)相位差反饋控制方法可以實現(xiàn)MGP有功功率傳輸?shù)挠行Э刂啤?/p>

圖5 功率反饋控制實驗結果Fig.5 Experimental results of power feedback control

3.2 直流電壓反饋控制

風機、光伏等新能源經(jīng)過MGP 并網(wǎng)時，需結合新能源的運行特性研究MGP 傳輸有功功率的控制方法。本節(jié)以光伏為例，對新能源驅動MGP的控制方法進行說明。

光伏板發(fā)出的直流電經(jīng)過逆變器并網(wǎng)時，光伏輸出有功功率與并網(wǎng)逆變器的直流側穩(wěn)壓電容的電壓大小呈負相關，因此可以通過控制光伏板直流側電壓對輸出功率進行控制。結合MGP的有功功率傳輸特性，光伏通過MGP并網(wǎng)的電壓反饋控制如圖6 所示。光伏輸出有功功率Ppv變化時，直流側電容電壓Udc隨之變化，此時以直流電壓目標值Uref為參考計算出變頻器的頻率調節(jié)量Δf，控制并網(wǎng)逆變器輸出的電壓UM的頻率fM從而改變MGP 的功角δMG，進而調節(jié)MGP 的輸出功率PG。

圖6 MGP電壓反饋控制框圖Fig.6 Voltage feedback control block diagram of MGP

在圖4所示的實驗平臺中，用一臺10 kW光伏模擬器模擬光伏板，由PLC 直流電壓反饋控制板來實現(xiàn)有功功率控制。給定光伏模擬器的光照曲線，將PLC 電壓參考值Uref從550 V 降到520 V，直流側電壓Udc和MGP傳輸有功功率PG的變化如圖7所示。

圖7 電壓反饋控制實驗結果Fig.7 Experimental results of voltage feedback control

圖7中實驗結果證明了通過控制光伏并網(wǎng)直流側電壓可以控制MGP 的功率傳輸，為MGP 系統(tǒng)的后續(xù)研究提供了基礎。

4 MGP應用展望

基于同步電機理論，MGP 從改變新能源并網(wǎng)方式的角度，為解決高比例新能源電網(wǎng)穩(wěn)定問題提供了一種新的方案。根據(jù)以上對MGP 特性的分析，本文總結出了MGP在高比例新能源電網(wǎng)中的應用場景：

1）我國能源和負荷逆向分布的特點促使大容量、遠距離特高壓直流輸電技術快速發(fā)展。在高占比新能源的送端電網(wǎng)中，由于新能源換流器短路容量和轉動慣量不足，導致送端電網(wǎng)網(wǎng)架結構薄弱，“強直弱交”矛盾突出。MGP 可以有效增加系統(tǒng)的轉動慣量和短路容量，為送端交流電網(wǎng)提供電壓支撐從而提高電網(wǎng)強度，進而提高新能源并網(wǎng)和輸送的可靠性。

2）在未來超高占比新能源電網(wǎng)中，可以考慮將部分比例的新能源通過MGP并網(wǎng)，為電力電子換流器提供基準和支撐，發(fā)揮電力電子器件和同步電機各自的優(yōu)良屬性來更好地保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

MGP 在解決高比例新能源電網(wǎng)面臨的穩(wěn)定問題中的思路如下：

1）針對高比例新能源系統(tǒng)大量慣性缺失而導致的頻率抗擾動能力下降的問題，MGP 真實可靠的轉動慣量和慣性響應能夠在擾動初期限制頻率變化的速率，為電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定提供可靠的支撐。另外，為了實現(xiàn)MGP對新能源設備的友好接入以及進一步發(fā)揮其對頻率穩(wěn)定的提升作用，可以利用MGP配合化學儲能參與系統(tǒng)調頻，同時降低新能源波動對電網(wǎng)帶來的不穩(wěn)定因素。

2）針對并網(wǎng)點暫態(tài)過電壓和多次電壓跌落問題，MGP較強的電壓耐受和過載能力能有效提升新能源的故障穿越能力，減少新能源脫網(wǎng)的風險。此外，在特高壓直流輸電系統(tǒng)的送端，通過控制MGP 的勵磁系統(tǒng)可以為電網(wǎng)提供無功功率和電壓支撐，提高交直流混聯(lián)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

3）針對新能源換流器和電網(wǎng)交互影響產(chǎn)生新的振蕩問題，MGP 的高阻尼特性可以有效衰減非工頻諧波，其機械環(huán)節(jié)隔離了MGP兩側新能源電場和大電網(wǎng)的電氣連接，有效阻止了一側的不利擾動向另一側傳播，從而避免了雙方交互影響導致的振蕩擴大。

5 結論

針對高比例新能源電網(wǎng)所面臨的各種挑戰(zhàn)，本文提出了新能源采用MGP 并網(wǎng)的新方式，在5 kW 的實驗平臺中初步論證了MGP并網(wǎng)控制方法的可行性，并對MGP未來可能的優(yōu)勢及應用場景進行了展望。相關工作還在起步階段，未來將針對大規(guī)模新能源逆變器如何匯聚啟動MGP、大電網(wǎng)中仿真分析MGP的穩(wěn)定性提升作用、基于經(jīng)濟最優(yōu)如何配置MGP，協(xié)調MGP 和傳統(tǒng)并網(wǎng)方式的比例進行深入探究。