新能源同步机并网系统惯性特性的理论和实验研究

针对高比例新能源电网存在的惯性降低问题,提出了新能源通过驱动同步电动机-同步发电机(motor-generator pair, MGP)后并网的新方式;详细描述了MGP系统的结构及工作原理,推导了MGP并网系统和同容量的真实火电机组转动惯量的定量关系,得出了在同容量下MGP的转动惯量约为火电机组的66%的结论;建立了5kW的MGP实验系统,并设计了MGP、单个发电机组和同容量的火电机组三种工作模式,在可编程负载中设置相同的负荷扰动,分别测量三种工作模式的频率响应曲线,对比结果说明了相比相同质量块的单个发电机组和相同容量的火电机组,MGP能更好的抑制系统的频率波动,可以为系统提供足够的真实惯性响应,为提高高比例新能源电网的稳定性提供了全新的解决方案。     

风电采用MGP并网的小干扰建模和阻尼特性

针对高比例新能源给电网带来的低惯量和弱阻尼问题,提出新能源同步机的并网方式,即新能源驱动同步电动机—同步发电机(MGP)后并网。详细阐述了MGP的小干扰建模方法。首先,分析MGP的功角关系并考虑励磁系统动态,建立包含自动电压调节器和电力系统稳定器的小干扰模型,指出MGP存在阻尼转矩叠加效应。然后,考虑双馈风机状态变量,建立其与MGP对接的完整的小干扰状态方程。在此基础上,推导了基于K系数的动态特性和转矩分量表示法,揭示MGP的阻尼转矩叠加效应的本质是双励磁耦合特性。最后,基于模型建立单机无穷大算例,对比了MGP和传统机组的小干扰稳定特性;在双馈风机采用传统和MGP两种并网方式下,研究了双励磁耦合特性对风机主导的振荡模态的影响。结果表明,提出的小干扰建模方法可以准确反映MGP系统的双励磁耦合特性,该特性能够有效提升阻尼转矩分量和改善系统振荡模态。     

新能源同步机提升电网稳定性的运行特性分析

高比例新能源的接入使得电力系统的惯性降低,抗扰动能力变弱.鉴于同步电机在维持电网稳定中发挥的作用,提出了新能源通过驱动同步电动机-同步发电机对(MGP)后并网的新方式.通过介绍MGP的结构和运行原理,分析了MGP的惯性水平和阻尼特性.阐述了MGP功率反馈控制和电压反馈控制方法,并在5 kW实验系统中进行了验证.最后对M...     

新能源经MGP并网时励磁调节对频率振荡的影响

新能源大量采用电力电子逆变器并网使得电网稳定性有所降低,采用MGP的并网方式成为一种新的解决方案,但系统负荷变化会使MGP系统频率发生振荡,威胁到电网频率稳定性。通过励磁调节可以影响MGP系统的电气阻尼,从而有效抑制频率振荡。但如何准确确定励磁调节程度成为其面临的一个难点。针对这一问题,本文推导了励磁电压与频率变化的关系式,揭示了励磁调节对阻尼提升效果存在临界点。搭建了新能源经MGP并网的仿真模型,分析了发电机侧在不同励磁调节程度下MGP系统频率振荡的改善效果,并利用5kW实验平台开展了负荷变化及网侧频率波动两种工况的实验研究。仿真和实验结果表明在励磁电压临界值以内,增加发电机励磁电压可有效减小电网扰动时MGP系统频率振荡幅度,缩短稳态恢复的时间,提高频率稳定性。     

基于随机森林算法的电力系统小干扰稳定评估校正

区域电网的互联互通使电网结构日趋复杂，弱阻尼模式引发的低频振荡会影响系统安全稳定运行，对电力系统小干扰稳定带来了严峻挑战。针对常规小干扰稳定评估方法计算复杂度高、不能满足实时分析需求的问题，提出基于随机森林算法的小干扰稳定评估校正方法。首先，利用随机森林算法建立发电机有功、无功出力，负荷的有功、无功功率和支路功率等数据与最小阻尼比之间的映射模型，得到基于随机森林算法的小干扰稳定评估模型；然后，对发电机参数进行微小摄动，放入随机森林模型中算出最小阻尼比的变化，用数值分析法得到发电机阻尼比灵敏度；接着，建立系统弱阻尼状态下发电机阻尼比的优化模型，优化调整发电机有功出力；最后，在IEEE-9节点系统和某区域615节点系统中进行仿真验证。仿真结果表明，所提模型能够准确估算出系统运行的最小阻尼比和近似阻尼比灵敏度，将系统的最小阻尼比校正到0.03以上，消除弱阻尼状态，使系统恢复稳定运行。     

光伏驱动新能源同步机并网的调频能力研究

大规模新能源机组并网降低了电力系统的惯性,新能源同步机（MGP）能为新能源电网提供真实的、无延时的惯性响应。从MGP并网系统结构出发,建立了MGP的电气-机械模型,对比了MGP与虚拟惯量控制的惯性响应原理。通过类比传统机组与新能源同步机在频率响应上的异同点,提出了基于光伏减载运行和下垂控制相结合的有功控制策略。在3机9节点仿真系统中验证了MGP的惯性响应能力和改进控制策略的有效性,进而通过与虚拟惯量和下垂控制策略的对比,验证了所提出策略对于光伏调频能力的提升作用。实验结果表明,改进控制策略能增强光伏经MGP并网的频率响应能力。     

提升电力系统稳定性的新能源发电场同步电机对并网技术

环境问题是一个全球性问题。解决环境问题的根本途径是大力发展清洁能源。构建全球能源互联网有利于平抑可再生能源波动，促进清洁能源发展。在高渗透率新能源的电网中还存在各种电力系统的稳定性问题。为解决这些稳定性问题，提出了同步电机对（motor-generatorpair，MGP）的设想和技术，并对其进行了理论和实验研究。先进行MGP的小干扰稳定性和暂态稳定性理论研究，发现MGP的阻尼二倍于单个同步机系统。再对MGP系统进行了实验研究，实验结果表明，MGP系统可以稳定运行。进一步实验结果还表明，MGP系统可以对电力电子逆变器产生的谐波起到滤除效果。最后总结MGP的技术优势和可能的应用场景。     

参数协调模糊自适应VSG控制策略

常规虚拟同步发电机(Virtual synchronous generator VSG)虽能解决新能源并网缺少惯性的问题,能够有效支撑系统频率,但同时带来扰动下的有功频率振荡现象。为进一步抑制功率振荡,全面改善系统动态响应性能,首先建立VSG有功环的小信号模型,根据闭环传递函数极点分布图分析虚拟参数选取对系统性能的影响。其次借鉴同步发电机功角、角频率曲线,设计精细化的虚拟惯量模糊调节规律,同时考虑有功超调量、频率变化率、调节时间和上升时间这4个性能指标选取适宜的阻尼比,虚拟阻尼根据所选阻尼比随虚拟惯量的变化协调自适应调节。最后通过Matlab/Simulink对比几种不同的VSG控制策略,验证所提控制策略的可行性和有效性。     

考虑二阶系统最优阻尼的虚拟同步发电机的改进设计

随着分布式新能源渗透率的不断提高,传统同步发电机比例不断下降,导致电网系统总的等效惯性和阻尼降低,稳定性下降。虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)通过模拟同步发电机的运行特性,使传统并网逆变器具有一定的惯性和阻尼特性,有效缓解电网系统面临的稳定性下降的问题。本文将工频小信号模型法和二阶系统最优阻尼法相结合,提出一种VSG的改进设计方法,设计了控制参数及软、硬件电路并搭建了一台额定功率为6kW的VSG样机验证了设计方法的有效性。     

计及储能动态的VSG惯量阻尼自适应控制研究

随着风力发电、光伏发电等新能源发电渗透率增加,电力系统的等效惯量和等效阻尼逐渐减小,其稳定性问题变得越来越严峻。虚拟同步发电机（virtual synchronous generator, VSG）技术的提出能有效地解决这一问题。然而,传统的VSG并网逆变器采用恒惯量和阻尼控制,在系统受到扰动时,其鲁棒性较差。因此,为增强系统的鲁棒性,优化其频率响应曲线,本文提出了一种计及储能装置动态特性的并网VSG惯量阻尼自适应控制策略。首先,阐述了VSG的基本工作原理,然后通过建立其数学模型分析不同旋转惯量和阻尼系数对系统输出特性的影响。在此基础上,结合同步发电机（synchronous generator, SG）功角特性曲线和频率振荡曲线设计出旋转惯量和阻尼系数的自适应控制策略,该控制策略通过引入惯性环节以较好地匹配储能装置的动态特性。最后,通过MATLAB/Simulink仿真软件对比分析了所提控制策略和传统的VSG恒惯量和阻尼控制,结果验证了所提控制策略的正确性。     

MGP系统参与新能源电网调频的实验研究

新能源并网易受电网扰动的影响而发生脱网,同时会导致电网惯性和频率调节能力降低,给电力系统的稳定性带来了严峻的挑战。同步电机对(Motor-Generator Pair,MGP)系统是一种有效的解决方案。本文建立了MGP系统数学模型,分析新能源通过MGP并网的功率传输特性和变流器控制原理。在此基础上,研究了MGP系统参与新能源电网调频的作用机理,并在容量为5kW的MGP实验平台进行了实验验证。实验结果表明,MGP系统在电网频率变化时可以向电力系统提供有效的有功功率支撑,有利于提高电网的稳定性。     

新能源同步机与调相机在高比例新能源电网中应用的比较

针对高比例新能源电网的电压稳定问题和新能源脱网风险,新能源同步机(Motor Generator Pair,MGP)系统和调相机均能发挥重要作用。为对比二者的动态特性,本文介绍了MGP结构和控制策略,分析了MGP的无功调节原理和机械隔离作用。推导了调相机的动态调节特性及无功调节能力的影响参数。在PSCAD中分别搭建了MGP和调相机接入新能源并网系统的仿真模型,对比了不同故障情况下MGP和参数优化前、后调相机的动态特性,结果表明MGP和调相机都具备抑制电压跌落的能力,而MGP的机械隔离作用可以隔离故障对逆变器和新能源机组的大部分影响,防止新能源大量脱网。     

新能源采用同步电机对(MGP)并网暂态稳定性研究

新能源并网给电力系统稳定性带来了新的挑战,新能源采用同步电机对(motor-generator pair,MGP)并网成为一种可行的方案.本文首先给出了新能源采用MGP并网的结构及控制方法.然后建立该系统的数学模型,通过分析其功率传输模型和电磁机械耦合特性,揭示了控制参数、MGP的惯性和阻尼系数对频率和功率响应的影响规...     

采用同步电机对系统提升新能源电网低电压穿越能力的仿真与试验

由于新能源并网变流器耐流能力不足,在电网发生故障时容易出现大规模脱网,造成新能源电力系统低电压穿越(LVRT)能力下降,进而危及电力系统的稳定运行。提出一种新能源同步电机对(MGP)系统用于提升新能源发电系统LVRT能力。首先给出了MGP系统的数学模型和控制方法,然后从机械运动方程入手分析MGP系统的故障隔离机理,并对直流电压反馈控制在电压跌落过程中的调控机理进行了详细阐述。进一步以光伏(PV)发电系统为例,通过仿真分析了采用MGP系统对低电压穿越能力的提升及无功支撑作用。最后对所提并网方案的低电压穿越效果进行试验研究,验证了光伏逆变器采用直流电压反馈控制后MGP系统可以有效提高光伏低电压穿越能力。     

基于超级电容的新能源惯量-阻尼-电抗综合模拟控制方案

光伏、风电等新能源发电大规模接入电网逐步替代传统同步机,导致电网惯量和阻尼水平不断下降,威胁电网安全稳定运行。针对上述问题,提出了一种基于超级电容的新能源惯量阻尼电抗综合模拟控制(composite inertia-damping-impedance emulation control, IDIE)方案。通过联立同步机转子运动方程和超级电容功率动态方程,并结合同步机功率传输方程,设计了通过控制超级电容有功功率以综合模拟同步机旋转质量、阻尼绕组和绕组电抗三者物理特性的核心算法。并利用小信号稳定性分析对方案关键参数进行优化。最后,基于控制器硬件在环试验在各种暂态工况下对IDIE方案进行了评估。结果表明,IDIE方案在灵活模拟同步机惯量的同时,可通过配置优化模拟阻尼和模拟电抗,保障频率稳定性,支撑电网动态运行。     

弱电网下电压源型变换器静态稳定性分析

电压源型变换器(Voltage Source Converter, VSC)作为新能源发电的并网接口广泛地应用于电力系统。以单台VSC经线路阻抗并入无穷大电网为例,推导弱电网下VSC功率输出特性。基于VSC系统阻尼转矩模型得出阻尼系数直接决定系统静态稳定,同步系数通过影响阻尼功率相位间接影响系统稳定。根据阻尼功率与同步功率之间的相位关系解释了VSC系统静态失稳机理,并且利用Bode图研究了系统参数与运行工况对系统稳定性影响。结果表明,电流环比例增益越低、锁相环带宽越窄或无功功率运行不合理,VSC系统将面临静态失稳风险。同时在Matlab/Simulink中搭建VSC并入弱电网模型,验证了理论分析的正确性。     

逆变器的虚拟同步发电机控制技术建模与仿真

越来越多的可再生能源,通过逆变器并联接入电网运行,带来了逆变器并网控制研究这一新课题。常用的分布式能源控制策略为下垂控制,当逆变器电源采用下垂控制策略时,可以通过下垂特性来分配各自承担负荷的大小,但是却很难在扰动情况下,为系统提供惯性与阻尼支撑,电力系统易失去稳定。针对此问题,提出了一种虚拟同步发电机(VSG)技术。通过研究分析同步发电机的数学模型和外特性,从而建立虚拟同步发电机的数学模型,来模拟同步发电机的转子惯性,并通过仿真验证其正确性以及虚拟同发电机技术能实现微电网并网与孤岛模式的自由切换。     

提高电力系统稳定器增益的相位幅值协调优化方法

特高压互联电网的建设造成了系统低频振荡和阻尼的降低,增加了电网动态失稳的风险。电力系统稳定器(PSS)可以有效地提高系统的阻尼。由于常规的参数设置方法可能造成PSS运行增益偏小的问题,文中提出了一种新的参数设置思路和方法。通过相位和幅值协调优化,提升PSS增益的稳定裕度,从而大幅提高PSS正常运行时的交流增益,明显地增强PSS的阻尼效果。仿真及实际现场PSS投运试验验证了新的参数设置办法在基本不影响角度补偿的情况下,大幅提高PSS运行增益,提升抑制低频振荡的能力,提高小干扰稳定性和电网故障后的恢复能力。