新能源采用同步電機對(MGP)并網暫態穩定性研究

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劃研究中心，貴陽550002)

0 引言

大力發展新能源以解決環境污染和能源短缺問題已成為各國共識[1]。而隨著新能源發電占比逐步提高，其不同于傳統同步機組的運行特性對同步機組穩定運行的影響不斷增大，甚至給電力系統安全穩定性帶來了新的問題[2]。因此，研究新能源發電對電力系統暫態穩定的影響具有重要的意義。

新能源并網會降低電力系統的頻率和電壓穩定性。針對頻率穩定性方面，由于風電和光伏并網不具備慣性響應能力[3]，使電力系統的頻率穩定性下降。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生大規模脫網事故，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定性的提升作用。文獻[18 - 19]對比MGP與傳統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系統的慣性、阻尼等參數對于新能源頻率穩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，根據模型特點得到影響系統暫態特性的關鍵參數。在此基礎上，分別分析了不同參數對系統暫態過程的影響程度。在仿真中設置電壓故障，對比不同參數下系統的頻率和有功響應，結果表明通過參數的優選可以提升系統的暫態穩定性。最后，在新能源經MGP的實驗平臺中設置了不同的暫態擾動，實驗結果表明MGP有利于提高新能源的暫態穩定性。

1 新能源采用MGP并網系統建模

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MGP功率的穩定傳輸。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MGP功率的穩定傳輸，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的控制結構，內環則采用傳統的dq軸解耦的矢量控制方法，可以實現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。

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；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決定。因此，合適的積分參數選取對于新能源經MGP并網系統的頻率變化有較大的影響。

1.2.2 MGP的數學模型

由上節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。根據隱極式同步電機功角特性和運動方程，建立MGP的數學模型如式(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；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系統的慣性常數和阻尼系數；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。

與傳統同步電機不同，MGP數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。由于傳統同步電機的電壓、電流建模和暫態特性規律已有大量研究，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系統提升新能源暫態穩定性的分析

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特性。而新能源經MGP并網的設備是同步發電機組，其過電流能力和耐壓水平可接近常規機組。

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機理的分析發生了變化。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并網的暫態特性主要由新能源逆變器的控制參數、同步電機參數和同步電機的功率特性三者共同決定。通過優選控制參數可以提高逆變器的調速特性，提高頻率穩定性。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，相比控制系統參數方便可調的特點，慣性常數和阻尼系數在MGP系統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，有功調節受到新能源側功率的波動性、隨機性影響，不再具備常規火電機組的靈活性、可調性，而無功功率主要由同步電機獨立的勵磁系統決定，在暫態過程中可以達到傳統機組相近的水平，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特性，所以本文主要通過仿真和實驗對比，分析不同參數和場景下新能源經MGP并網的暫態特性。

3 仿真分析

在電力系統仿真軟件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，控制系統采用直流電壓反饋控制。電機參數如表1所示。

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

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

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

3.1 慣性時間常數的影響

第一組仿真分別設置慣性時間常數H為2 s、3 s、4 s、5 s，PI參數均為(0.01, 15)，阻尼系數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快速穩定恢復，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有利于提高新能源經MGP并網的暫態穩定性。

圖4 不同慣性時間常數的仿真結果Fig.4 Simulation results of different inertia time constants

3.2 阻尼系數的影響

第二組仿真分別設置阻尼系數KD為0.000 1、0.001 0、0.005 0、0.010 0，PI參數均為(0.01, 1)，慣性時間常數均為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，有功恢復到穩態值的時間也相應縮短。在參數設置的范圍內，增加MGP阻尼系數有利于提高系統的頻率穩定性。而受到仿真模型的限制，阻尼系數不能無限制增加，在實際運行中阻尼系數也不是越大越好。因此，阻尼系數的選取應當在合理的范圍內適當增加。

圖5 不同阻尼系數的仿真結果Fig.5 Simulation results of different damping coefficient

3.3 PI控制參數的影響

由于PI參數中的比例系數對頻率和有功的暫態振蕩過程影響較小，所以只在第3組仿真中分別設置積分參數KI為1、5、10、15，KD均為0.01，慣性時間常數均為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，變頻器采用某公司DF900型矢量控制變頻器，通過MODBUS485協議實現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如表2所示。

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

為分析光伏通過MGP系統并網的暫態特性，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，且暫態恢復時間相近，說明MGP系統的慣性和阻尼在暫態過程中發揮了重要的作用。同時控制系統在暫態過程中保持著系統出力的相對穩定，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穩定性問題，重點研究了新能源經MGP并網的暫態穩定性，通過對新能源采用MGP并網系統建模和分析可知，控制系統的積分參數、MGP的慣性和阻尼是決定系統暫態穩定性的關鍵參數。在仿真中設置相同故障，對比不同參數下系統的功率和頻率響應，結果表明在合理的范圍對參數的優選可以減小暫態過程中的頻率和有功功率的振蕩幅值和穩態恢復時間。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系統的慣性和阻尼均有利于提升MGP系統的暫態穩定性。