谷昱君，黃永章，楊鑫，付文啟，陳巨龍，趙海森

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京102206；2. 貴州電網有限責任公司電網規(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共識[1]。而隨著新能源發(fā)電占比逐步提高，其不同于傳統(tǒng)同步機組的運行特性對同步機組穩(wěn)定運行的影響不斷增大，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。

新能源并網會降低電力系統(tǒng)的頻率和電壓穩(wěn)定性。針對頻率穩(wěn)定性方面，由于風電和光伏并網不具備慣性響應能力[3]，使電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性下降。一方面，為使風力機儲存的旋轉動能得到利用，文獻[4]提出了基于電網頻率變化率反饋的附加慣量控制，可以在電網頻率變化時釋放轉子動能提供慣性響應。但是，在轉速恢復的過程中會出現(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行和附加儲能裝置的方式提供備用容量，在電網頻率變化時采用虛擬慣量控制策略提供所需的慣性響應[6 - 7]。此外，由于不具備勵磁和阻尼裝置，新能源并網會使電力系統(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]。針對電壓穩(wěn)定性方面，由于變流器耐壓、耐流能力較低，在電網故障情況下新能源電場易發(fā)生大規(guī)模脫網事故，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變流器的影響，如滅磁控制[11]、正負序電壓定向控制[12]等改進控制策略，附加Crowbar電路、直流chopper電路、儲能等硬件輔助設備[13]。STATCOM、SVC、SVG等無功補償設備也廣泛用于提升新能源場站的無功支撐能力[14]。

上述方法雖然在一定程度上有助于提升新能源并網的頻率和電壓穩(wěn)定性，但是卻增加變流器控制的復雜度和新能源電場的運行成本，在技術上也不如傳統(tǒng)機組成熟。新能源通過同步電機對(motor-generator pair, MGP)并網不僅保留了同步電機良好的慣性響應、阻尼特性和勵磁控制，還通過機械軸的隔離作用保護了新能源電場不受電網故障的影響[15 - 16]。文獻[17]建立了MGP系統(tǒng)的小信號模型，分析了不同下新能源并網場景下MGP對于提升新能源并網頻率穩(wěn)定性的提升作用。文獻[18 - 19]對比MGP與傳統(tǒng)機組的轉動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MGP系統(tǒng)的慣性、阻尼等參數(shù)對于新能源頻率穩(wěn)定性的影響做具體分析。

本文首先介紹了新能源經MGP并網系統(tǒng)的結構及控制方法。然后，將新能源和MGP作為一個并網單元進行建模，根據(jù)模型特點得到影響系統(tǒng)暫態(tài)特性的關鍵參數(shù)。在此基礎上，分別分析了不同參數(shù)對系統(tǒng)暫態(tài)過程的影響程度。在仿真中設置電壓故障，對比不同參數(shù)下系統(tǒng)的頻率和有功響應，結果表明通過參數(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MGP的實驗平臺中設置了不同的暫態(tài)擾動，實驗結果表明MGP有利于提高新能源的暫態(tài)穩(wěn)定性。

1 新能源采用MGP并網系統(tǒng)建模

1.1 新能源采用MGP并網結構及控制方法

考慮不同新能源并網方式的差異，目前光伏和直驅式風機經MGP并網在工程實際中的應用較為可行。兩者具有相同的并網結構，即直流母線電容和并網逆變器構成的直-交變換單元，這種結構的一個特點是通過直-交變換的隔離，使得新能源側風機轉速和光伏的頻率變化與電網頻率解耦，便于逆變器驅動MGP并網進行獨立控制，而前級變流器負責風電和光伏的功率控制。因此，風電和光伏通過MGP并網結構如圖1所示。

圖1 采用MGP系統(tǒng)的新能源并網結構Fig.1 Renewable energy grid connection structure with MGP system

從控制結構來看，不同于新能源直接并網以電網頻率為基準，采用dq軸解耦的矢量控制方式，新能源采用MGP并網，由于同步電機的旋轉頻率與電網相同，這就導致其無法以電網頻率為基準實現(xiàn)控制，因此，通過控制直流母線電壓進而控制逆變器的輸出電壓頻率實現(xiàn)MGP功率的穩(wěn)定傳輸。由同步電機的功角特性曲線可知，改變功角即可改變其輸出有功，所以同步電機的功角特性則是實現(xiàn)MGP控制的理論基礎。在同步電機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，使同步電機功角變化，最后改變MGP的輸出功率。針對圖1所示新能源經MGP并網的結構，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控制結構Fig.2 Control structure of MGP

圖2所示為逆變器功率外環(huán)的控制結構，內環(huán)則采用傳統(tǒng)的dq軸解耦的矢量控制方法，可以實現(xiàn)電動機最大轉矩輸出。無論是光伏還是風電機組，新能源側的控制仍然采用最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制算法，逆變器驅動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 新能源側簡化模型

為了適應直流電壓反饋控制的結構特點，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系，在最大功率點附近可以通過線性化得到近似表達式為：

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)選取對于新能源經MGP并網系統(tǒng)的頻率變化有較大的影響。

1.2.2 MGP的數(shù)學模型

由上節(jié)新能源的簡化模型可知，逆變器輸出變量為電壓頻率，其決定了SM定子電壓頻率，進一步決定了SM功角大小和變化速率。根據(jù)隱極式同步電機功角特性和運動方程，建立MGP的數(shù)學模型如式(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的反電動勢；m為同步電機定子繞組相數(shù)；EM、EG分別為SM、SG的反電動勢幅值；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轉子轉速和電網電壓角頻率；Δωr為同步電機電角速度與機械角速度之差；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的電磁轉矩；TM、TG分別為SM和SG的電磁轉矩。

與傳統(tǒng)同步電機不同，MGP數(shù)學模型更多的考慮了功率傳輸與頻率之間的關系，這主要因為兩臺電機同軸相連，其功率傳輸由兩臺同步電機軸間的電磁-機械耦合特性所決定。由于傳統(tǒng)同步電機的電壓、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，此處建模重點分析新能源經MGP作為一個并網單元的特性。

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MGP并網的設備是同步發(fā)電機組，其過電流能力和耐壓水平可接近常規(guī)機組。

一方面，由于MGP機械軸的隔離作用，電網側的負荷突變、故障等擾動在SG中的暫態(tài)過程引起的過壓過流對新能源側電壓、電流的影響很小，從而保護了新能源的穩(wěn)定運行。另一方面，兩臺電機的電磁-機械耦合特性使得新能源側的暫態(tài)機理的分析發(fā)生了變化。由式(3)—(4)可得：

(5)

式中δM、δG分別為SM、SG的功角。結合式(2)和式(5)可知，新能源經MGP并網的暫態(tài)特性主要由新能源逆變器的控制參數(shù)、同步電機參數(shù)和同步電機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速特性，提高頻率穩(wěn)定性。鑒于新能源機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)方便可調的特點，慣性常數(shù)和阻尼系數(shù)在MGP系統(tǒng)設計中需要結合新能源的運行特性加以考慮，在實際運行中很難去修改。至于MGP的功率特性，由于其源側為新能源，有功調節(jié)受到新能源側功率的波動性、隨機性影響，不再具備常規(guī)火電機組的靈活性、可調性，而無功功率主要由同步電機獨立的勵磁系統(tǒng)決定，在暫態(tài)過程中可以達到傳統(tǒng)機組相近的水平，因此可將新能源驅動MGP等效為電壓大小可調的電流源。由于新能源經MGP并網的暫態(tài)特性受到多種因素的共同影響，相互間的作用關系較為復雜，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驗對比，分析不同參數(shù)和場景下新能源經MGP并網的暫態(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波動的影響，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。電機參數(shù)如表1所示。

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

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

為了測試慣性時間常數(shù)、阻尼系數(shù)和PI參數(shù)對新能源經MGP并網的暫態(tài)特性影響，在仿真中設置電網相電壓有效值從220 V跌落至150 V，持續(xù)2 s后恢復。

3.1 慣性時間常數(shù)的影響

第一組仿真分別設置慣性時間常數(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次仿真的對比結果如圖4所示。如圖4(a)所示，H越大，電壓跌落后頻率的第一個振幅越低。但故障恢復后，穩(wěn)定恢復時間和振蕩的幅度隨著H的增加也有所增加。綜合考慮4個仿真結果的波形，為抑制振蕩幅度和實現(xiàn)快速穩(wěn)定恢復，當H=3 s時，仿真效果較好，說明在一定范圍內適當增加慣性時間常數(shù)有利于提高新能源經MGP并網的暫態(tài)穩(wěn)定性。

圖4 不同慣性時間常數(shù)的仿真結果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)，慣性時間常數(shù)均為3 s。4次仿真的對比結果如圖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，有功恢復到穩(wěn)態(tài)值的時間也相應縮短。在參數(shù)設置的范圍內，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，在實際運行中阻尼系數(shù)也不是越大越好。因此，阻尼系數(shù)的選取應當在合理的范圍內適當增加。

圖5 不同阻尼系數(shù)的仿真結果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組仿真中分別設置積分參數(shù)KI為1、5、10、15，KD均為0.01，慣性時間常數(shù)均為3 s。4次仿真的對比結果如圖6所示。

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

由圖6可知，KI>1時，頻率和有功的波形相差不大。在故障初期，KI=1時，頻率的振蕩幅度稍大，但隨著誤差累計，較大的KI不利于暫態(tài)過程的頻率恢復。由有功功率波形可知，KI增加對其振蕩幅值和恢復速度影響不大，因為電壓故障主要對系統(tǒng)的電壓和無功功率影響較大，所以調整KI只會改善頻率的波形。綜上所述，積分參數(shù)值在適當范圍內應選取的較小。

4 實驗驗證

為進一步驗證新能源經MGP并網的暫態(tài)特性，在實驗室搭建光伏驅動MGP并網平臺，結構如圖7所示。

圖7 MGP電壓穿越實驗平臺Fig.7 Voltage ride-through experiment platform of MGP

實驗平臺中光伏采用一臺10 kW Chroma光伏模擬器，MGP采用兩臺STC-5.5型同步電機對拖系統(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12 kW SUN 2000-12KTL型逆變器模擬光伏并網逆變器。實驗平臺的部分電氣參數(shù)如表2所示。

表2 低電壓穿越實驗平臺主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of low voltage ride-through experiment platform

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

圖8 不同電壓故障的實驗結果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)恢復時間相近，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。同時控制系統(tǒng)在暫態(tài)過程中保持著系統(tǒng)出力的相對穩(wěn)定，有利于故障的快速恢復。

為了對比光伏直接并網和經過MGP并網系統(tǒng)在負荷變化情況下的慣性響應和阻尼情況，分別在圖7的實驗平臺中做了兩組相同的變負載實驗。兩組實驗的負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，實驗結果如圖9所示。

由圖9中并網點頻率波形對比圖可知，當負載增加時，光伏經MGP并網的頻率最大偏移量僅為光伏直接并網時的一半，而且前者頻率的下降速度更小，可以向電網輸出一定的有功功率，說明PV經MGP并網可以有效提高光伏并網的慣性響應和阻尼水平，從而增加新能源電網的頻率穩(wěn)定性。

圖9 負荷變化下的實驗結果Fig.9 Experimental results of load change

5 結語

本文針對新能源并網引起的暫態(tài)穩(wěn)定性問題，重點研究了新能源經MGP并網的暫態(tài)穩(wěn)定性，通過對新能源采用MGP并網系統(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)定性的關鍵參數(shù)。在仿真中設置相同故障，對比不同參數(shù)下系統(tǒng)的功率和頻率響應，結果表明在合理的范圍對參數(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)恢復時間。最后在實驗平臺分別對比了不同電壓故障下新能源經MGP并網的功率響應，以及相同負荷變化下光伏是否經MGP并網的有功頻率響應，結果表明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。