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新能源同步机提升高比例新能源电网稳定性的研究

周莹坤  
【摘要】:新能源以越来越高的比例接入电网是电力系统的发展趋势,新能源的接入离不开电力电子并网设备,电力电子设备在高比例的新能源电网发挥快速和灵活调节等优势的同时,也给电网的稳定运行带来新的挑战,主要集中在:(1)新能源换流器缺乏可靠的惯性响应且频率耐受能力较低,导致电网的频率抗扰动能力下降。(2)新能源换流器的暂态电压和电流支撑能力不足,导致新能源的故障穿越能力降低和脱网风险增大。与新能源换流器相比,传统的同步发电机在应对上述挑战时具有较大的优势,现有的大多数基于电力电子控制的应对方案也都希望换流器能够具备同步机的一些优良属性,虽然取得了一定的成效,但不能发挥更好的效果的原因仍然多数归结到电力电子本身。基于此,本文提出一种高比例新能源通过同步电动机-同步发电机(Motor-generator Pair,MGP)并网的新型并网方式,并将这种并网系统称为新能源同步机(Renewable Energy Synchronous Generator,ReSG),尝试利用同步电机的一些优良属性,如真实的转动惯量和自发的惯性响应,过载和瞬时无功功率支撑能力,通过励磁控制来阻尼振荡等,作为电力电子换流器并网的补充,更好地服务于高比例新能源电网的稳定运行。本文的主要研究内容和创新性成果如下:(1)提出了基于同步电机的高比例新能源的新型并网方式MGP,对其数学模型和功角特性开展了理论和实验研究理论方面,详细介绍了 MGP的结构和工作原理,建立了 MGP的数学模型并研究功角特性,在此基础上,提出了 MGP的仿真简化模型;实验方面,建立了 MGP样机系统,开展了负载实验和功角特性实验。带负载实验的结果表明MGP可以实现带负载的基本功能,并验证了 MGP数学模型的可靠性;MGP的仿真简化模型的仿真结果表明,该模型可以有效提升MGP的仿真速度,为MGP的后续研究打下了基础;功角特性实验的结果表明,MGP连接的两个交流系统的频率差,会引起其两侧的电压相位差变化,进而引起其传输功率的变化,这样的功角特性对MGP功率控制方法的研究具有重要意义。(2)基于MGP的功角特性,提出了适用于MGP并网的功率反馈控制方法控制方法方面,以MGP的功角特性为基础,提出了源网相位差控制方法,即在维持两个交流系统频率一致的条件下,调节MGP两端交流系统的相位差来控制其功率传输的控制方法,并在考虑电网频率时时波动的情况下,提出了功率反馈控制方法,并对其控制系统稳定性以及控制参数选取方法进行了分析;实验方面,在2kW控制方法研究样机上首先对源网相位差控制方法进行了实验,并在实验中发现该方法对电网的频率波动过于敏感,因此提出了功率反馈控制方法,通过实验,验证了该方法的可行性。结果表明所提功率反馈控制方法可以实现MGP的并网控制,为新能源通过MGP并网打下了基础。(3)提出了新能源通过MGP并网的直流电压反馈控制方法,并分析了新能源通过MGP并网的自同步特性控制方法方面,基于新能源并网逆变器的直流电压波动特性,光伏板稳定运行区间的P-V运行特性,MGP的功角特性,提出了光伏板和直驱式风机+MGP的直流电压反馈控制方法,分析了新能源采用MGP并网后无需采集电网频率信号也能同步运行的自同步特性;实验方面,在5kW-MGP并网样机系统上开展了光伏模拟器+MGP的并网实验,研究了在光伏模拟器光照强度和环境温度变化的条件下,MGP系统的功率跟随特性。结果表明MGP在使用直流电压反馈控制方法的条件下,能够有效跟随新能源的功率波动,且新能源通过MGP并网,会拥有自同步特性,无需依赖电网电压做参考来运行,为新能源主动维持电网稳定性提供了可能。(4)研究了 MGP的惯性提升作用惯性提升方面,通过实验,对逆变器直接带负载和MGP带负载实验进行了对比,比较负载突变时,两种运行方式的频率波动特性;阻尼特性方面,分析了MGP的两台同步机励磁系统带来的独特的阻尼特性,通过实验对比了 MGP和模拟火电机组的阻尼作用。结果表明MGP可以提升新能源并网的惯性,降低功率不平衡状态下的频率波动,并可以提供充足的阻尼抑制电网的频率波动。(5)研究了 MGP的电压隔离作用隔离作用方面,通过暂态仿真研究了 MGP对电网侧的电压突增和暂降的隔离作用;通过样机实验对比了光伏通过逆变器直接并网和MGP并网情况下,暂态过电压和电压暂降的时各个环节输出的电压电流波形。结果表明MGP可以隔离新能源电场和电网之间的不利影响,防止新能源受到电网电压波动影响造成的脱网。


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