【摘要】：新能源以越來越高的比例接入電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,新能源的接入離不開電力電子并網(wǎng)設備,電力電子設備在高比例的新能源電網(wǎng)發(fā)揮快速和靈活調(diào)節(jié)等優(yōu)勢的同時,也給電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來新的挑戰(zhàn),主要集中在:(1)新能源換流器缺乏可靠的慣性響應且頻率耐受能力較低,導致電網(wǎng)的頻率抗擾動能力下降。(2)新能源換流器的暫態(tài)電壓和電流支撐能力不足,導致新能源的故障穿越能力降低和脫網(wǎng)風險增大。與新能源換流器相比,傳統(tǒng)的同步發(fā)電機在應對上述挑戰(zhàn)時具有較大的優(yōu)勢,現(xiàn)有的大多數(shù)基于電力電子控制的應對方案也都希望換流器能夠具備同步機的一些優(yōu)良屬性,雖然取得了一定的成效,但不能發(fā)揮更好的效果的原因仍然多數(shù)歸結(jié)到電力電子本身。基于此,本文提出一種高比例新能源通過同步電動機-同步發(fā)電機(Motor-generator Pair,MGP)并網(wǎng)的新型并網(wǎng)方式,并將這種并網(wǎng)系統(tǒng)稱為新能源同步機(Renewable Energy Synchronous Generator,ReSG),嘗試利用同步電機的一些優(yōu)良屬性,如真實的轉(zhuǎn)動慣量和自發(fā)的慣性響應,過載和瞬時無功功率支撐能力,通過勵磁控制來阻尼振蕩等,作為電力電子換流器并網(wǎng)的補充,更好地服務于高比例新能源電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性成果如下:(1)提出了基于同步電機的高比例新能源的新型并網(wǎng)方式MGP,對其數(shù)學模型和功角特性開展了理論和實驗研究理論方面,詳細介紹了 MGP的結(jié)構(gòu)和工作原理,建立了 MGP的數(shù)學模型并研究功角特性,在此基礎(chǔ)上,提出了 MGP的仿真簡化模型;實驗方面,建立了 MGP樣機系統(tǒng),開展了負載實驗和功角特性實驗。帶負載實驗的結(jié)果表明MGP可以實現(xiàn)帶負載的基本功能,并驗證了 MGP數(shù)學模型的可靠性;MGP的仿真簡化模型的仿真結(jié)果表明,該模型可以有效提升MGP的仿真速度,為MGP的后續(xù)研究打下了基礎(chǔ);功角特性實驗的結(jié)果表明,MGP連接的兩個交流系統(tǒng)的頻率差,會引起其兩側(cè)的電壓相位差變化,進而引起其傳輸功率的變化,這樣的功角特性對MGP功率控制方法的研究具有重要意義。(2)基于MGP的功角特性,提出了適用于MGP并網(wǎng)的功率反饋控制方法控制方法方面,以MGP的功角特性為基礎(chǔ),提出了源網(wǎng)相位差控制方法,即在維持兩個交流系統(tǒng)頻率一致的條件下,調(diào)節(jié)MGP兩端交流系統(tǒng)的相位差來控制其功率傳輸?shù)目刂品椒?并在考慮電網(wǎng)頻率時時波動的情況下,提出了功率反饋控制方法,并對其控制系統(tǒng)穩(wěn)定性以及控制參數(shù)選取方法進行了分析;實驗方面,在2kW控制方法研究樣機上首先對源網(wǎng)相位差控制方法進行了實驗,并在實驗中發(fā)現(xiàn)該方法對電網(wǎng)的頻率波動過于敏感,因此提出了功率反饋控制方法,通過實驗,驗證了該方法的可行性。結(jié)果表明所提功率反饋控制方法可以實現(xiàn)MGP的并網(wǎng)控制,為新能源通過MGP并網(wǎng)打下了基礎(chǔ)。(3)提出了新能源通過MGP并網(wǎng)的直流電壓反饋控制方法,并分析了新能源通過MGP并網(wǎng)的自同步特性控制方法方面,基于新能源并網(wǎng)逆變器的直流電壓波動特性,光伏板穩(wěn)定運行區(qū)間的P-V運行特性,MGP的功角特性,提出了光伏板和直驅(qū)式風機+MGP的直流電壓反饋控制方法,分析了新能源采用MGP并網(wǎng)后無需采集電網(wǎng)頻率信號也能同步運行的自同步特性;實驗方面,在5kW-MGP并網(wǎng)樣機系統(tǒng)上開展了光伏模擬器+MGP的并網(wǎng)實驗,研究了在光伏模擬器光照強度和環(huán)境溫度變化的條件下,MGP系統(tǒng)的功率跟隨特性。結(jié)果表明MGP在使用直流電壓反饋控制方法的條件下,能夠有效跟隨新能源的功率波動,且新能源通過MGP并網(wǎng),會擁有自同步特性,無需依賴電網(wǎng)電壓做參考來運行,為新能源主動維持電網(wǎng)穩(wěn)定性提供了可能。(4)研究了 MGP的慣性提升作用慣性提升方面,通過實驗,對逆變器直接帶負載和MGP帶負載實驗進行了對比,比較負載突變時,兩種運行方式的頻率波動特性;阻尼特性方面,分析了MGP的兩臺同步機勵磁系統(tǒng)帶來的獨特的阻尼特性,通過實驗對比了 MGP和模擬火電機組的阻尼作用。結(jié)果表明MGP可以提升新能源并網(wǎng)的慣性,降低功率不平衡狀態(tài)下的頻率波動,并可以提供充足的阻尼抑制電網(wǎng)的頻率波動。(5)研究了 MGP的電壓隔離作用隔離作用方面,通過暫態(tài)仿真研究了 MGP對電網(wǎng)側(cè)的電壓突增和暫降的隔離作用;通過樣機實驗對比了光伏通過逆變器直接并網(wǎng)和MGP并網(wǎng)情況下,暫態(tài)過電壓和電壓暫降的時各個環(huán)節(jié)輸出的電壓電流波形。結(jié)果表明MGP可以隔離新能源電場和電網(wǎng)之間的不利影響,防止新能源受到電網(wǎng)電壓波動影響造成的脫網(wǎng)。
【圖文】：

ｔｉｍｅ邋（ｓ）逡逑圖１－２東北電網(wǎng)頻率問題逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋ｐｒｏｂｌｅｍ邋ｏｆ邋ｎｏｒｔｈｅａｓｔ邋ｃｈｉｎａ邋ｇｒｉｄ逡逑發(fā)電為例，由于風電功率本身的隨機性和波動性，，大規(guī)模風有功頻率的控制要求更高，主要體現(xiàn)在Ｈ前主流風電機組

本文的主要研究內(nèi)容
【學位授予單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM73;TK01

【參考文獻】

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