[發明專利]一種提高新能源同步電機對并網系統運行穩定性的方法

有效

• 申請號: 202011296820.1
• 申請日: 2020-11-18
• 公開（公告）號: CN112271757B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 管飛;李渝;王衡;黃永章;武倩羽;孫誼媊;印欣;楊桂興;亢朋朋;宋朋飛;張鋒;樊國偉
• 申請（專利權）人: 華北電力大學;國網新疆電力有限公司
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38;H02J3/24
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 史雙元

本發明公開了屬于新能源電力系統運行與穩定性領域的一種提高新能源同步電機對并網系統運行穩定性的方法。在分析了勵磁系統的工作原理后，搭建了基于調節勵磁電壓方法的新能源同步電機對并網系統。然后設計了系統在帶負載運行工況和并網運行工況下的運行步驟。由實驗數據可知，通過調節勵磁電壓來改善MGP運行穩定性是一種有效的解決途徑，有利于MGP在新能源電網中的實際應用與推廣。

技術領域

本發明涉及新能源電力系統運行與穩定性領域，尤其涉及一種提高新能源同步電機對并網系統運行穩定性的方法。

背景技術

化石能源數百年的開采使得環境污染與氣候問題日益嚴重，未來也將面臨枯竭。而新能源在近年來發展迅速，截止2019年底，我國可再生能源發電裝機容量達7.94億千瓦，其中光伏發電裝機容量2.02億千瓦，風電累計裝機2.1億千瓦^[1-2]。可再生能源的清潔能源替代作用日益突顯，因此大規模開發利用風能、太陽能等新能源成為電力系統未來的重要發展方向。

當新能源大規模接入電網后，電網穩定性問題逐漸突顯。光伏和風電具有隨機性與間歇性的特點。這使得新能源機組的出力具有不確定性，也加劇了系統有功功率的不平衡^[3]。正常情況下，光伏電源與風機處于最大功率跟蹤模式，不提供有功備用，無法參與系統輔助調頻^[4]。另外，新能源機組如風機和光伏受其運行方式的影響與系統頻率基本解耦^[5]。光伏電源無旋轉部件，幾乎不存在慣性響應，而風機通過AC-DC-AC電力電子變換器與電網相連，導致風機轉速和電網頻率解耦，慣性降低^[6]。因此，當電網中同步發電機被大量替代后，將導致阻尼轉矩的缺失，使得依靠其勵磁系統實現的功角穩定性和頻率穩定性都將大大減弱。英國“8.9”大停電事故與南澳“9.28”大停電事故便是新能源占比過高導致電網穩定性下降帶來的嚴重后果。

針對大規模新能源并網導致電網穩定性下降的問題，文獻[7-8]提出了采用新能源同步電機對(motor-generator pair，MGP)并網的新型并網方式，即新能源以變頻器、同步電動機、同步發電機的形式連接至電網。同步電機具有優良的旋轉特性以及慣性響應，并且電機的控制及仿真模型相對完善，因此MGP系統可以穩定地進行并網操作，且在電氣隔離、低電壓穿越和慣性提升等方面都發揮了重要作用^[9-10]。但當電網側發生頻率瞬時跌落、負荷功率突變等擾動時，MGP系統頻率會發生振蕩，若振蕩的幅度太大，將會對MGP的各個元件帶來較大的沖擊，甚至造成元件脫網，威脅到電網的安全穩定。

目前，在減小MGP振蕩幅度，提高MGP并網穩定性方面的研究較少。而MGP本質上是兩臺同步電機，其運行的穩定性可由勵磁控制系統調節。根據勵磁系統的工作原理，假定發電機勵磁電壓為u_f，勵磁繞組磁鏈為ψ_L，總勵磁電流為i_L，則勵磁電壓u_f與勵磁繞組磁鏈ψ_L的關系可表示為^[11]：

式中，α為勵磁繞組磁鏈ψ_L與總勵磁電流i_L的關系系數，β為勵磁電壓u_f與總勵磁電流i_L的關系系數，α和β均為常數，因此可認為勵磁電壓u_f與勵磁繞組磁鏈ψ_L成正比關系。

當勵磁系電壓發生變化時，會引起勵磁磁鏈發生改變，進而影響電機阻尼的大小，阻尼的存在保證了電機在受到擾動時，頻率不會發生較大振蕩。此外，勵磁系統也可以通過調節勵磁電壓維持發電機機端電壓不變，從而改善MGP并網運行的穩定性。因此通過調節勵磁電壓來改善MGP運行穩定性是一種有效的解決途徑，這有利于MGP在新能源電網中的實際應用與推廣。

參考文獻：

[1]2019年光伏發電并網運行情況[R].北京:國家能源局,2020.