CN105244911A - 高渗透率的新能源电力并网系统及稳定性控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于新能源电力系统领域的一种具有高渗透率的新能源电力并网系统及稳定性控制方法。在新能源具有高渗透率(50％到近100％)时，并网系统由原动机、电动机和同步发电机构成，或由电动机和同步发电机构成，这些机组的转子同轴连接，新能源电力经输送和变换后为电动机供电；本发明与传统的新能源直接并网方式不同，本发明保证了高渗透率的新能源电力系统具有足够的惯性，从而提高系统的频率稳定性；本发明保留了同步发电机因而可以有效地阻尼系统振荡，通过其电压和无功功率控制，提高系统功角和电压稳定性；本发明还保留了传统火电、水电等机组的调峰能力；并通过电动机和同步发电机、原动机的协调控制，改善系统的动态调节特性。
Description
技术领域
本发明属于新能源电力系统技术领域，特别涉及一种高渗透率的新能源电力并网系统及稳定性控制方法。
背景技术
由于传统化石能源带来的环境问题日益严重，以及传统化石能源面临的未来枯竭的问题，风能发电、太阳能发电等新能源电力以其独特优势已经成为当今能源电力领域发展方向。新能源电力接入电网的比例在这些年里有了很大的提高，在欧洲，德国计划在2020年风电电量将占总发电量的20％，到2050年将占到50％[1]；丹麦在2002年风电出力已达到全国出力的13％，计划2030年将这一指标达到50％；在美国，风能的并网比例已经在2014年占到10％，在未来几年要提高到30％，各州也相继提出100％新能源并网路线图计划；在日本，新能源发展计划提出到2030年新能源比重将上升到20％的目标[2]；2015年的七国峰会希望在2050年，新能源电力并网的比例要接近100％，越来越多的国家制定了100％的新能源电力目标[3]。
人们普遍把新能源电力在电网系统所占比例称为新能源电力的渗透率，在本发明中，高渗透率电网是指有高比例新能源电力接入的电网系统，低渗透率电网是指仅有低比例新能源电力接入的电网系统。人们已经通过实践认识到，低渗透率的电网系统和零渗透率的电网系统的表现比较接近，但是，人们也已经预见到，高渗透率的电网系统和零渗透率的电网系统会有本质的区别。
图1为零新能源接入的电网81的示意图，零新能源接入的电网81是由同步发电机5安装在电网的不同节电上组成的一个新能源渗透率为零的传统电网。图1中，火电厂或水电厂或核电厂的各同步发电机5接入电网81中，同步发电机5转子的转速与供电频率之间满足严格的同步关系，可同时输出有功功率和无功功率，是传统发电系统普遍采用的发电机。大量同步发电机5的接入为电力系统提供良好的稳定性和调度性，这是由于：
1)同步发电机5与其原动机自身带有相当的机械能量和电磁能量，这些能量被称为电网惯性，惯性响应增加了系统阻止频率突变的能力，减小有功突变后频率变化的速度和幅度，为电力系统的故障应急处理和重建功率平衡提供了一定的时间，即提高系统频率稳定性；
2)同步发电机5具有性能优异的励磁系统，通过在励磁系统中增加电力系统稳定控制算法实现阻尼控制，从而有效抑制系统振荡，即提高系统功角稳定性；
3)同步发电机5的励磁系统可通过调节其励磁电流控制向电网输送无功功率的大小，在系统发生扰动时可提供有效的电压支撑，即提高系统电压稳定性。
正是同步发电机5的上述三个主要特点，使得传统的电力系统能够稳定运行。同时使得传统的电力系统在暂态扰动发生后能可靠地过渡到新的稳定运行状态。传统电网发生大面积停电的事故是极少的。
图2为具有低渗透率新能源的电网82的示意图，具有低渗透率新能源的电网82是由大量的同步发电机5、少量的风电场6和少量的光伏电场7安装在不同线路上组成的一个具有低渗透率新能源的电网。在图2中，火电厂或水电厂或核电厂的各同步发电机5接入电网82中，新能源如风电场6和光伏电场7通过直接并网方式接入电网82中。在图2所示的新能源电网系统下，风电场6和光伏电场7由于其自身存在随机性、间歇性、波动性，给电力系统带来调峰、稳定运行等问题，由于此时新能源渗透率不高(0到20％或直至50％左右)，同步发电机5的发电量超过并入的新能源发电量，或与并入新能源发电量相当，运行和研究已经表明或预言，大量的同步发电机5的存在仍然可以维持电网的稳定运行。这时，同步发电机5的作用如下：
1)在较低的新能源渗透率下，同步发电机5仍然能够为电网提供较高的惯性，使系统在发电侧和需求侧的共同调控下有充足的时间重新建立功率平衡，确保系统的频率稳定性[4-5]；
2)大量的同步发电机5的存在，有利于新能源电力系统的功角稳定性；
3)同步发电机5的励磁系统能够在系统发生扰动时调节无功功率输出，提高系统电压稳定性；
4)同步发电机5又增加了如下额外的功能，即同步发电机可以通过调峰等运行方式，补偿接入的新能源电力的不稳定性，实现功率平衡。
为了进一步提高新能源电网的稳定性，这时需要将需求侧纳入电力系统主动调控之中，此被称为需求侧响应，需求侧响应已经逐步成为电网稳定运行的一个手段。
人们通过对风电机组直接并网运行的研究已经发现，由于风电机组替代了部分同步发电机组，直接导致了电网系统中的同步机械和电磁惯性的减少。风力发电机并网和同步发电机并网确实有很大的不同，同步发电机和风力发电机之间的物理差异在于同步发电机的转动部件给电网系统提供了同步机械-电磁惯性，尽管风力发电机也有机械-电磁惯性，但是在通过电力电子变流器并网时，电力电子变流器实现了电磁的同步并网但却失去了机械惯性。
同步的机械-电磁惯性对电网系统稳定性的贡献体现在两个方面：同步转矩量和阻尼转矩量。同步转矩量与发动机的转子角度偏差有关，同步转矩量的不足会引起电网的非振荡不稳定性。阻尼转矩量与发动机的转子的速度偏差有关，阻尼转矩量的不足会引起电网的振荡不稳定性。
研究明显表明，风电机组的接入增加了电网系统的不稳定性。尽管人们研究发现，可以通过调节控制部分风力发电机的无功功率输出从而提高端电压，使得电网系统的稳定性增加，进而提高风电机组的渗透率。但是这个方法对风电机组渗透率的提高是有一定限度的，这个限度估计在50％左右[6]。
综上所述，对新能源电力部分渗透率的电网系统的稳定运行来说，同步发电机5有如下的不可缺少的作用[7]：1)惯性；2)频率稳定性；3)功角稳定性；4)电压稳定性；5)调峰运行。
图3为具有高渗透率(或接近100％渗透率)新能源的电网83示意图，具有高渗透率新能源的电网83是由少量的同步发电机5、大量的风电场6和大量的光伏电场7安装在电网的不同节点上组成的一个具有高渗透率新能源的电网。在图3中，新能源并网的方式与图2中的方式相同，大量的新能源如风电场6和光伏电场7通过直接并网方式接入电网83中，新能源渗透率大大增加，仅有极少量火电厂或水电厂或核电厂的各同步发电机5接入电网83中。比较图2的具有低渗透率新能源的电网82和图3的具有高渗透率新能源的电网83，具有高渗透率新能源的电网83中新能源发电量远远大于同步发电机组的发电量，仅有的一些同步发电机组的发电量也由于调峰的用途，而工作在低发电量的水平。
近100％新能源接入的电网中出现了几个明显的特点：
1)同步发电机数量大大减少，同时随着大量变速风电机组的接入，变速风电机组的转速和电网频率之间不存在直接耦合关系，转子中的惯性能量完全被电力电子变流器“隐藏”起来；而通过电力电子变流器接入电网的太阳能等其他类型的新能源由于不存在旋转电机部件，惯性则更是无从谈起。这导致新能源电力系统的总惯性大大降低，或几乎为零，这就使得电网系统的频率响应变得完全不一样，虽然可采用合适的控制策略使新能源发电系统有类似于传统同步发电机的惯性响应，即“虚拟惯性”[8]，但该方法往往以降低了如最大风能捕获等风机性能为代价，在电力系统中尚未得到广泛应用，这个方法在近100％渗透率的电网中是否还能够保持电网稳定性是非常不确定的。这个“虚拟惯性”是不可能媲美同步发电机的惯性响应的；
2)随着同步发电机数量的大量减少或几乎为零，依靠其励磁系统实现的电力系统功角稳定性的控制能力将不再存在，这将给近100％新能源接入的电网的功角稳定性问题带来巨大挑战；
3)随着同步发电机数量的大量减少或几乎为零，依靠其励磁系统实现的电力系统电压稳定性的控制能力也将不再存在，同时由于基于感应发电机的风力发电机组在暂态扰动过程中消耗大量的无功功率，导致电压稳定性问题更加突出，虽然双馈式感应发电机(DFIG)以其无功功率和电压调节能力得到广泛应用，但由于自身换流器容量限制，其电压控制能力不能达到同步发电机组的效果。当电压控制需求超出DFIG控制能力后，电网电压稳定性仍会受到影响[6]；
4)由于同步发电机组的减少，其总调峰能能力大大减弱，或几乎为零，这就使得功率平衡成为一个难点问题。
那么图3的近100％新能源接入的电网系统还能够可靠运行吗？这是全世界的新能源系统都要面对和回答的问题。
尽管人们在讨论和研究大规模储能技术及其为高渗透率新能源电力系统带来的稳定运行的可能性，但是可以预见的是，大规模储能系统的成熟和安全运行还有很多尚未解决的技术难题。
因此，如图3所示的近100％新能源接入的电网，电网近似成为零惯性系统，导致电力系统保持频率稳定、功角稳定、电压稳定和调峰运行等能力都大大减弱，新能源电力系统运行可靠性大大降低。为了应对高渗透率的新能源并网难题，新能源电力系统急需探索一种新的、可靠的新能源接入解决方案。
参考文献：
[1]王锡凡,卫晓辉,宁联辉,等.海上风电并网与输送方案比较[J].中国电机工程学报，2014,(31).DOIj.0258-8013.pcsee.2014.31.001.
[2]李兴鹏.新能源并网的关键技术研究[D].浙江大学,2013.
[3]REN.Renewables2013:GlobalStatusReport[J].Ren21Secretariat&WashingtonDcWorldwatchInstitute,2013.
[4]DeJongheC,HobbsBF,BelmansR.OptimalGenerationMixwithShort-TermDemandResponseandWindPenetration[J].PowerSystemsIEEETransactionson,2012,27(2):830-839.
[5]ZhaoC,WangJ,WatsonJP,etal.Multi-StageRobustUnitCommitmentConsideringWindandDemandResponseUncertainties[J].PowerSystemsIEEETransactionson,2013,28(3):2708-2717.
[6]MeegahapolaL,FlynnD,LittlerT.Transientstabilityanalysisofapowersystemwithhighwindpenetration[C]//UniversitiesPowerEngineeringConference,3008.UPEC3008.43rdInternationalIEEE,3008:1-5.
[7]P.Kundur.PowerSystemStabilityandControl[M]//
[8]SunHS,JuL,WenJY,etal.Participationoflarge-scalewindpowergenerationinpowersystemfrequencyregulation[J].ChineseScienceBulletin,2013,36期(36):4557-4565.
发明内容
本发明的目的是提供一种高渗透率新能源电力并网系统及稳定性控制方法；
所述高渗透率的新能源电力并网系统包括第一种新能源电力并网系统100、第二种新能源电力并网系统200、第三种新能源电力并网系统300、第四种新能源电力并网系统400和具有高渗透率的新能源电网84；
所述第一种新能源电力并网系统100由第一原动机101、第一电动机102、第一同步发电机103，这些转动机组的转子同轴连接组成的发电系统和新能源发电设备4，并且新能源发电设备4与第一电动机102连接组成；其中新能源发电设备4向第一电动机102供电，第一同步发电机103与具有高渗透率的新能源电网84连接；
所述第二种新能源电力并网系统200由第二原动机201、第二电动机202和第二同步发电机203，且这些转动机组的转子同轴连接组成。具有高渗透率的新能源电网84与第二电动机202连接并向第二电动机202供电，第二同步发电机203与具有高渗透率的新能源电网84连接；
所述第三种新能源电力并网系统300由第三电动机302和第三同步发电机303，这些转动机组的转子同轴连接组成的发电系统和新能源发电设备4，并且新能源发电设备4与第三电动机302连接组成；其中新能源发电设备4向第三电动机302供电，第三同步发电机303与具有高渗透率的新能源电网84连接；
所述第四种新能源电力并网系统400由第四电动机402和第四同步发电机403，且这些转动机组的转子同轴连接组成。具有高渗透率的新能源电网84与第四电动机402连接并向第四电动机402供电，第四同步发电机403与具有高渗透率的新能源电网84连接；
所述具有高渗透率的新能源电网84是由第一种新能源电力并网系统100、第二种新能源电力并网系统200、第三种新能源电力并网系统300、第四种新能源电力并网系统400、风电场6、光伏电场7和可能的所剩无几的独立的同步发电机5安装在不同的电网节点上组成的一个具有近100％新能源渗透率的电网。
所述第一原动机101和第二原动机201为火力发电厂的汽轮机或水力发电厂的水轮机。
所述第一电动机102为容量与第一原动机101、第一同步发电机103相匹配，且具有调速性能的直流电动机、异步电动机或同步电动机。
所述第一同步发电机103具有与现在的传统火力发电厂或水力发电厂的同步电动机相同或类似的特征，其容量与第一电动机102、新能源发电设备4和第一原动机101相匹配。
所述新能源发电设备4为风电场6、光伏电场7或是风电场6与光伏电场7的组合；
所述第二电动机202为容量与第二原动机201、第二同步发电机203相匹配，且具有调速性能的直流电动机、异步电动机或同步电动机；
所述第二同步发电机203具有与现在的传统火力发电厂或水力发电厂的同步电动机相同或类似的特征，其容量与第二电动机202和第二原动机201相匹配；
所述第三电动机302为容量与新能源发电设备4相匹配，且具有调速性能的直流电动机、异步电动机或同步电动机；
所述第三同步发电机303为容量与新能源发电设备4和第三电动机302相匹配的同步发电机；
所述第四电动机402为容量与第四同步发电机403相匹配，且具有调速性能的直流电动机、异步电动机或同步电动机；
所述第四同步发电机403为容量与第四电动机402相匹配的同步发电机；
所述一种具有高渗透率的新能源电力并网系统稳定性控制方法中，新能源电力并网系统发出的电能经输电装置输送到具有高渗透率的电网84，所述输电装置包括但不限于升压变压器T3、第一开关K11、第二开关K12、第三开关K13、输电线路L和降压变压器T4等；
所述一种具有高渗透率的新能源电力并网系统稳定性控制方法包括一种高渗透率新能源电力并网系统启动并网控制方法、并网后的稳定性控制方法和各机组控制系统的协调控制方法。
所述启动并网控制方法，包括：
1)在新能源电力并网系统启动与并网之前，第一开关K11、第二开关K12、第三开关K13均断开，所有原动机、电动机和同步发电机的转速均为零，电动机以直流电动机为例说明；并网时，先闭合第二开关K12、第三开关K13，建立并网点系统电压Us；
2)以新能源电力并网系统为第一种新能源电力并网系统100为例说明：首先让第一原动机101逐渐从零功率运行至额定功率，这时第一同步发电机103建立机端电压UG，机端电压UG经升压变压器T3升至并网点电压UT，并网时，检测并网点电压UT和Us幅值、频率和相位的差值，当该差值为零时闭合开关K11，完成并网；这时，在第一电动机102励磁绕组中通入额定励磁电流，以建立主磁场，待主磁场建立之后再加入电枢电压，使第一电动机102的输出转矩增大，对第一电动机102来说，通入的励磁电流和电枢电压是新能源发电设备4发出的电能经过输送和变换后供给的；在第一电动机102为第一同步发电机103提供的转矩逐渐增大的同时，逐渐减小第一原动机101提供的转矩，最终使得第一原动机101工作在合适的功率输出状态，这个合适的状态应能够充分利用新能源发电设备4的发出的电能；
3)新能源电力并网系统为第二种新能源电力并网系统200时，启动并网控制方法与第一种新能源电力并网系统100相同；
4)以新能源电力并网系统为第四种新能源电力并网系统400为例说明，首先在第四电动机402的励磁绕组中通入额定励磁电流，以建立主磁场，待主磁场建立之后再加入电枢电压，使第四电动机402的转速逐渐上升至同步转速，对第四电动机402来说，通入的励磁电流和电枢电压是具有高渗透率的新能源电网84的电能经过输送和变换后供给的。第四同步发电机403在第四电动机402拖动下转速也上升至同步速后，通入第四同步发电机403的转子励磁电流，建立机端电压UG，机端电压UG经变压器升至并网点电压UT；并网时，检测并网点电压UT和Us幅值、频率和相位的差值，当该差值为零时闭合第一开关K11，完成并网。
5)新能源电力并网系统为第三种新能源电力并网系统300时，启动并网控制方法与第四种新能源电力并网系统400相同；
所述并网后的稳定性控制方法，包括：
1)在新能源电力并网系统并网稳定运行后，假设系统发生某种扰动，这种扰动可以是发生在输电线路L某处的接地故障或发生在具有高渗透率的新能源电网84的负荷波动或其他类型的扰动。
2)以新能源电力并网系统为第一种新能源电力并网系统100为例说明：扰动较小时，第一原动机101、第一电动机102和第一同步发电机103组成的系统能够依靠自身的转动惯量减小有功功率突变后频率变化的速率和幅度，第一原动机101的调速系统与第一电动机102的调速系统协调配合，调整输出力矩从而调整第一同步发电机103输出的电磁功率，从而使新能源发电系统有足够的时间重新建立功率平衡，保证系统频率稳定性；第一同步发电机103的励磁系统能够对扰动快速响应，通过调节第一同步发电机103的磁场提高小信号稳定性；扰动较大时，将可能导致所有机组的转轴加速旋转，功角也随之增大，此时第一原动机101、第一电动机102和第一同步发电机103组成的系统都能够依靠自身的转动惯量降低功角增加的速度，从而减少扰动期间转轴所获得的动能，为新能源发电系统尽快恢复原始稳定运行状态或过渡到新的稳定运行状态提供有利条件；同时，第一同步发电机103利用其励磁系统中的电力系统稳定控制算法实现阻尼控制，从而有效抑制系统振荡，提高新能源电力系统暂态稳定性；在新能源发电系统受到扰动期间，第一同步发电机103的励磁系统可通过调节其励磁电流控制向电网输送无功功率的大小，保证新能源电力系统无功功率平衡和电压稳定性。
3)新能源电力并网系统为第二种新能源电力并网系统200时，并网后的稳定性控制方法与第一种新能源电力并网系统100相同；
4)以新能源电力并网系统为第四种新能源电力并网系统400为例说明，扰动较小时，第四电动机402和第四同步发电机403组成的系统能够依靠自身的转动惯量减小有功功率突变后频率变化的速率和幅度，第四电动机402的调速系统迅速调整输出力矩从而调整第四同步发电机403输出的电磁功率，从而使新能源发电系统有足够的时间重新建立功率平衡，保证系统频率稳定性；第四同步发电机403的励磁系统能够对扰动快速响应，通过调节第四同步发电机403的磁场提高小信号稳定性；扰动较大时，将可能导致所有机组的转轴加速旋转，功角也随之增大，此时第四电动机402和第四同步发电机403组成的系统能够依靠自身的转动惯量降低功角增加的速度，从而减少扰动期间转轴所获得的动能，为新能源电力系统尽快恢复原始稳定运行状态或过渡到新的稳定运行状态提供有利条件；同时，第四同步发电机403利用其励磁系统中的电力系统稳定控制算法实现阻尼控制，从而有效抑制系统振荡，有效提高新能源电力系统暂态稳定性；在新能源电力系统受到扰动期间，第四同步发电机403的励磁系统可通过分别调节其励磁电流控制向电网输送无功功率的大小，保证新能源电力系统无功功率平衡和电压稳定性。
5)新能源电力并网系统为第三种新能源电力并网系统300时，并网后的稳定性控制方法与第四种新能源电力并网系统400相同；
所述各机组控制系统的协调控制方法中，各机组控制系统包括原动机调速系统703、电动机调速系统704、励磁系统705、控制单元706和协调控制系统707；
所述原动机调速系统703通过控制闸门或阀门702的开度调节原动机的转速；
所述电动机调速系统704通过控制励磁电压、励磁电流调节电动机的转速；
所述励磁系统705通过控制励磁电压、励磁电流为同步发电机提供阻尼控制和无功功率、电压支撑；
所述控制单元706对供给电动机的电能进行控制和调节，这个电能可以来自新能源发电设备4，也可以来自具有高渗透率的新能源电网84；
所述协调控制系统707接收转速信号708、功率信号709、压力信号710、电压信号711、频率信号712和相位信号713，并经过运算处理，使之与各机组的动态特性和负荷变化能力相适应，然后分别向原动机调速系统703、电动机调速系统704、励磁系统705和控制单元706发出协调控制指令，保证系统的最优调节性能。
所述各机组控制系统的协调控制方法，包括：
1)以新能源电力并网系统为第一种新能源电力并网系统100为例说明，在第一种新能源电力并网系统100中，第一原动机101和第一电动机102共同作为第一同步发电机103的动力来源，新能源发电设备4作为第一电动机102的电能来源；
当系统受到某种扰动时，首先可依靠第一原动机101、第一电动机102和第一同步发电机103组成的系统的转动惯量减小频率和功角变化的速率和幅度，为新能源发电系统尽快恢复原始稳定运行状态或过渡到新的稳定运行状态提供有利条件，然后可利用电动机调速系统704的快速响应能力迅速维持系统频率稳定，再利用原动机调速系统703作进一步调节，两者相互配合提高整个系统的频率稳定性；励磁系统705通过控制磁场电压并随之控制磁场电流实现控制保护功能，有效阻尼系统振荡，提高系统小信号稳定性和暂态稳定性，同时可有效控制系统电压和无功功率潮流，提高系统电压稳定性；
由于新能源具有间歇性、波动性等特点，导致新能源发电设备4供给第一电动机102的电能出现波动，协调控制系统707根据波动情况向原动机调速系统703和控制单元706发出相应的控制指令，使原动机调速系统703控制闸门或阀门702的开度以维持系统负荷平衡，使控制单元706控制和调节向第一电动机102输入的电能，两者协调以共同维持功率平衡。
2)以新能源电力并网系统为第四种新能源电力并网系统400为例说明，在第四种新能源电力并网系统400中，第四电动机402作为第四同步发电机403的动力来源，具有高渗透率的新能源电网84作为第四电动机402的电能来源；
当系统受到某种扰动时，首先可依靠第四电动机402、第四同步发电机403组成的系统的转动惯量减小频率和功角变化的速率和幅度，为新能源电力系统尽快恢复原始稳定运行状态或过渡到新的稳定运行状态提供有利条件；然后可利用协调控制系统707向电动机调速系统704、励磁系统705和控制单元716发出控制信号，使电动机调速系统704迅速进行调节以维持系统频率稳定；使励磁系统705控制磁场电压并随之控制磁场电流提高系统小信号稳定性和暂态稳定性，同时有效控制系统电压和无功功率潮流，提高系统电压稳定性；控制单元716通过控制和调节向第四电动机402输入的电能以保证稳定运行，从而使第四电动机402和第四同步发电机403组成的系统有效维持电网稳定性；
3)新能源电力并网系统为第二种新能源电力并网系统200和第三种新能源电力并网系统300时，各机组控制系统的协调控制方法与第一种新能源电力并网系统100、第四种新能源电力并网系统400相同。
本发明的有益效果是与现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明提出的高渗透率的新能源电力并网系统及稳定性控制方法，保留了同步发电机并加入了电动机，在具有高渗透率的新能源电力系统下，保持或提高了系统转动惯量，提高系统应对负荷、频率的波动的能力即提高频率稳定性；
(2)保留了同步发电机及其励磁系统，励磁系统通过控制磁场电压并随之控制磁场电流实现控制保护功能，有效阻尼系统振荡，提高系统功角稳定性；
(3)利用同步发电机励磁系统控制电压和无功功率潮流，提高系统电压稳定性；
(4)利用电动机的快速调速性能及其与同步发电机和汽轮机、水轮机等原动机的协调控制，有效改善系统动态调节特性；
(5)保留了传统火电、水电等机组的调峰运行能力。
附图说明
图1为新能源渗透率为零的电网的示意图。
图2为具有低渗透率新能源的电网的示意图。
图3为具有高渗透率新能源的电网的示意图。
图4为本发明提供的具有高渗透率的新能源电力并网示意图。
图5为第一种新能源电力并网系统100的结构示意图。
图6为第二种新能源电力并网系统200的结构示意图。
图7为第三种新能源电力并网系统300的结构示意图。
图8为第四种新能源电力并网系统400的结构示意图。
图9为本发明提供的新能源电力并网系统组合使用的示意图，其中图9(a)是第一种新能源电力并网系统100和第二种新能源电力并网系统200组合使用示意图，图9(b)是第三种新能源电力并网系统300和第四种新能源电力并网系统400组合使用示意图。
图10为新能源发电设备发出的电能经输送和变换后驱动电动机示意图。
图11为具有高渗透率的新能源电力并网系统并网与稳定性控制方法示意图。
图12为具有高渗透率的新能源电力并网系统各机组控制系统的协调控制方法结构图，其中图12(a)为第一种新能源电力并网系统100的协调控制方法结构图，图12(b)为第四种新能源电力并网系统400的协调控制方法结构图。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种高渗透率的新能源电力并网系统及稳定性控制方法，下面结合附图，对本发明的技术内容作进一步详细说明。
图4是本发明提供的具有高新能源渗透率的电网84，具有高新能源渗透率的新能源电网84是由第一种新能源电力并网系统100、第二种新能源电力并网系统200、第三种新能源电力并网系统300、第四种新能源电力并网系统400、少量的同步发电机5、大量的风电场6和光伏电场7安装在电网的不同节点上组成的一个具有近100％新能源渗透率的电网。其中，新能源如风电场6和光伏电场7通过直接并网方式接入电网84中，火电厂或水电厂或核电厂的同步发电机5直接接入电网84中；需要说明的是，图4只是示意图，实际接入电网84的风电场6和光伏电场7的比例和图4所示的接入比例可能会有所不同。
所述第一种新能源电力并网系统100由第一原动机101、第一电动机102、第一同步发电机103的转子同轴连接组成的发电系统、新能源发电设备4为风电场6、光伏电场7或是风电场6与光伏电场7的组合，并且新能源发电设备4与第一电动机102连接组成(如图5所示)；第一种新能源电力并网系统100的第一同步发电机103与具有高渗透率的新能源电网84连接；其中新能源发电设备4向第一电动机102供电，第一同步发电机103发出的电能并入电网84中。即新能源发电设备4发出的电能转化为第一电动机102的机械能，第一电动机102拖动第一同步发电机103，将该机械能转化为电能输送到具有高渗透率的新能源电网84，此时相当于有两个原动机为第一同步发电机103提供旋转力矩；第一原动机101可采用火力发电厂的汽轮机或水力发电厂的水轮机；第一电动机102可根据新能源发电设备4输出电力的特点采用合适的具有调速性能的直流电动机、异步电动机和同步电动机；新能源发电设备4可以是风电场6、光伏电场7，或者是风电场6和光伏电场7的组合，或者是其他新能源发电设备的组合；新能源发电设备4发出的电能经输送和变换后为第一电动机102供电。
所述第二种新能源电力并网系统200由第二原动机201、第二电动机202和第二同步发电机203的转子同轴连接组成的发电系统，并且具有高渗透率的新能源电网84与第二电动机202连接组成(如图6所示)。具有高渗透率的新能源电网84为第二电动机202提供电能，第二种新能源电力并网系统200的第二同步发电机203与具有高渗透率的新能源电网84连接；
所述第三种新能源电力并网系统300由第三电动机302和第三同步发电机303的转子同轴连接组成的发电系统、新能源发电设备4为风电场6、光伏电场7或是风电场6与光伏电场7的组合，并且新能源发电设备4与第三电动机302连接组成(如图7所示)；第三种新能源电力并网系统300的第三同步发电机303与电网84连接；第三同步发电机303发出的电能并入电网84中。即新能源发电设备4发出的电能转化为第三电动机302的机械能，第三电动机302拖动第三同步发电机303，将该机械能转化为电能输送到具有高渗透率的新能源电网84，此时相当于第三电动机302作为第三同步发电机303的原动机，为第三同步发电机303提供旋转力矩；新能源发电设备4发出的电能经输送和变换后为第三电动机302供电。
所述第四种新能源电力并网系统400由第四电动机402和第四同步发电机403的转子同轴连接组成的发电系统，并且具有高渗透率的新能源电网84与第四电动机402连接组成(如图8所示)。具有高渗透率的新能源电网84为第四电动机402提供电能，第四种新能源电力并网系统400的第四同步发电机403与电网84连接；
图4所示的系统，在新能源以近100％渗透率并入电网的环境下，保存了在传统电力系统中发挥重要作用的第一同步发电机103、第二同步发电机203、第三同步发电机303和第四同步发电机403，同时第一电动机102、第二电动机202、第三电动机302和第四电动机402的存在增加了系统的惯性，使得此时的新能源电力系统能够在高渗透率新能源并网下保持或者提高了电力系统机械-电磁惯性，保持或提高了系统应对负荷、频率的突变的能力，保证系统频率稳定性；
利用第一同步发电机103、第二同步发电机203、第三同步发电机303和第四同步发电机403的励磁系统，控制励磁电压并随之控制励磁电流实现控制保护功能，有效阻尼系统振荡，提高系统功角稳定性；
利用第一同步发电机103、第二同步发电机203、第三同步发电机303和第四同步发电机403的励磁系统控制系统电压和无功功率潮流，提高系统电压稳定性；
在第一种新能源电力并网系统100和第二种新能源电力并网系统200中，利用第一电动机102、第二电动机202的快速调速性能及其与汽轮机、水轮机等原动机的调速系统和同步电动机的协调控制提高新能源电力系统的频率响应；
在第三种新能源电力并网系统300和第四种新能源电力并网系统400中依靠第三电动机302、第四电动机402快速、可靠的调速性能，提高新能源电力系统的频率响应；
在第一种新能源电力并网系统100和第二种新能源电力并网系统200中保留了第一原动机101、第二原动机201，使得这两种新能源电力并网系统具有调峰运行能力；在第三种新能源电力并网系统300和第四种新能源电力并网系统400中，可通过控制单元控制和调节新能源发电设备4或具有高渗透率的新能源电网84向电动机提供的电能，进而控制和调节同步发电机的输出功率。
图5所示的第一种新能源电力并网系统100具有如下特点：
1)所述第一种新能源电力并网系统100用于高渗透率新能源接入电网的场合，在第一原动机101和第一同步发电机103并网系统中，加入第一电动机102，即构成同轴连接的第一原动机101、第一电动机102、第一同步发电机103并网系统，稳定运行时，由新能源发电设备4为第一电动机102提供电能，第一原动机101和第一电动机102共同为第一同步发电机103提供旋转力矩，第一同步发电机103发出的电能并入电网84。所述第一种新能源电力并网系统100由第一原动机101、第一电动机102和第一同步发电机103共同为该系统提供转动惯量，与新能源直接并网的电力系统的转动惯量相比，第一种新能源电力并网系统100的惯性显著增加，这样，一定数量的第一种新能源电力并网系统100就可以提供新能源电力系统稳定所需要的惯性。从而使得系统在受到较小的或者较大的扰动时，第一原动机101、第一电动机102和第一同步发电机103组成的系统都能够依靠自身的转动惯量减小有功功率突变后频率变化的速率和幅度，降低功角增加的速度，从而减少扰动期间转轴所获得的动能，为新能源发电系统尽快恢复原始稳定运行状态或过渡到新的稳定运行状态提供有利条件，保证了传统意义上的功角稳定性；
2)所述第一种新能源电力并网系统100保留了第一同步发电机103及其励磁系统，励磁系统的控制保护功能得以保持，控制功能通过励磁系统供给和自动调节第一同步发电机103的磁场电流，使得第一同步发电机103的输出在连续容量之内变化时，能维持电压，即实现电压和无功功率潮流控制，同时有效阻尼系统振荡，提高系统小信号稳定性、暂态稳定性和电压稳定性；保护功能保证第一同步发电机103、励磁系统和其他设备不超过容量极限；
3)所述第一种新能源电力并网系统100采用调速性能优异的第一电动机102，并通过与汽轮机、水轮机等第一原动机101的调速系统和第一同步电动机103的协调控制，提高整个系统的频率调节能力，进一步改善机组调节特性，增强负荷适应性；例如当系统受到某种扰动时，先利用电动机调速系统704的快速响应能力迅速维持系统频率稳定，再利用原动机调速系统703作进一步调节，两者相互配合提高整个系统的频率稳定性；励磁系统705通过控制磁场电压并随之控制磁场电流实现控制保护功能，有效阻尼系统振荡，提高系统功角稳定性和电压稳定性；
4)所述第一种新能源电力并网系统100保留了第一原动机101，第一原动机101可以担当电网系统84的调峰功能。当新能源发电设备4由于间歇性、波动性等特点而导致出力变化时，协调控制系统707根据波动情况向原动机调速系统703和控制单元706发出相应的控制指令，使原动机调速系统703控制闸门或阀门702的开度以维持系统负荷平衡，使控制单元706控制和调节向第一电动机102输入的电能，两者协调以共同维持系统功率平衡；这样第一原动机101仍可以通过自身的调节实现调峰运行，从而保证第一同步发电机103的输出功率保持稳定。
在深度调峰的情况下，第一原动机101可以只运行在10％左右的输出功率水平，而第一电动机102提供90％以上的动力。就全电网系统而言，第一原动机101提供的动力只占很小的比例，全电网系统就是近100％新能源电力系统。
所述第一种新能源电力并网系统100的上述优良特性使得渗透率接近100％的新能源电力系统的稳定运行成为可能。
图6所示的第二种新能源电力并网系统200具有如下特点：
1)所述第二种新能源电力并网系统200是由同轴连接的第二原动机201、第二电动机202、第二同步发电机203组成的并网系统，稳定运行时，由具有高渗透率新能源的电网84为第二电动机202提供电能，第二原动机201和第二电动机202共同为第二同步发电机203提供旋转力矩，第二同步发电机203发出的电能并入电网84。
2)使用第二种新能源电力并网系统200的特点是，新能源发电设备4如风电场6和光伏电场7仍然按照传统方式直接接入电网，在高渗透率时，电网的惯性非常低，因此需要给系统增加惯性，而且增加的系统惯性需要具有同步发电机的惯性的特征，因此第二种新能源电力并网系统200就满足了这一要求。第二种新能源电力并网系统200内部的第二原动机201、第二电动机202、第二同步发电机203为系统提供足够的惯性，新能源电力系统的惯性得以维持，因此仍然能够保证系统的频率稳定性、功角稳定性和电压稳定性。
3)第二种新能源电力并网系统200的能量来自于两个方面，一部分来源于原动机，一部分来源于近100％新能源电网84。这两部分的能量可以分别调节，以达到系统的调峰作用。第二原动机201担当电网系统84的调峰功能，由于新能源的间歇性、波动性而导致电网84出现功率不平衡时，第二原动机201可以改变输出功率，从而改变第二同步发电机203的输出功率，帮助电网84达到功率平衡。在深度调峰的情况下，第二原动机201可以只运行在10％左右的输出功率水平，而第二电动机202提供90％以上的动力。就全电网系统而言，第二原动机201提供的动力只占很小的比例，全电网系统就是近100％新能源电力系统。
所述第二种新能源电力并网系统200的上述特点使得渗透率接近100％的新能源电力系统的稳定运行成为可能。
图7所示的第三种新能源电力并网系统300具有如下特点：
1)所述第三种新能源电力并网系统300用于高渗透率新能源接入电网的场合，稳定运行时，由新能源发电设备4为第三电动机302提供电能，第三电动机302为第三同步发电机303提供旋转力矩，第三同步发电机303发出的电能并入电网84。此时的发电系统不再需要水轮机、汽轮机等原动机，与新能源直接并网的电力系统的转动惯量相比，所述第三种新能源电力并网系统300仍然可以为系统提供较高的转动惯量，系统的惯性响应得以保持。这不仅增加了系统阻止频率突变的能力，减小有功突变后频率变化的速度和幅度，为电力系统的故障应急处理和重建功率平衡提供了一定的时间，提高系统频率稳定性，同时使得新能源电力系统发生扰动后功角增加的速度减慢，从而减少故障期间转子所获得的动能，提高系统功角稳定性；
2)所述第三种新能源电力并网系统300利用第三同步发电机303及其励磁系统来提高系统功角稳定性和电压稳定性；励磁系统通过调节第三同步发电机303的磁场电流，使第三同步发电机303的输出在连续容量之内变化时，能维持电压，即实现电压和无功功率潮流控制，同时有效阻尼系统振荡，提高系统小信号稳定性和暂态稳定性；保护功能保证第三同步发电机303、励磁系统和其他设备不超过容量极限；
3)所述第三种新能源电力并网系统300由第三电动机302拖动第三同步发电机303旋转，第三电动机302具有快速的频率响应能力和转速调节能力，从而使整个系统的调节性能大大提升，负荷适应性也显著增强。
所述第三种新能源电力并网系统300的上述优良特性使得渗透率接近100％的新能源电力系统的稳定运行成为可能。
图8所示的第四种新能源电力并网系统400具有如下特点：
1)所述第四种新能源电力并网系统400用于高渗透率新能源按传统方式直接接入电网的场合，第四种新能源电力并网系统400是由同轴连接的第四电动机402、第四同步发电机403组成的并网系统，稳定运行时，由具有高渗透率新能源的电网84为第四电动机402提供电能，第四电动机402为第四同步发电机403提供旋转力矩，第四同步发电机403发出的电能并入电网84；
2)第四种新能源电力并网系统400的特点是，新能源发电设备4如风电场6和光伏电场7仍然按照传统方式直接接入电网，在高渗透率时，电网的惯性非常低，因此需要给系统增加惯性，而且增加的系统惯性需要具有同步发电机的惯性的特征，因此第四种新能源电力并网系统400就满足了这一要求。第四种新能源电力并网系统400内部的第四电动机402、第四同步发电机403为系统提供足够的惯性，新能源电力系统的惯性得以维持，因此仍然能够保证系统的频率稳定性、功角稳定性和电压稳定性；
3)当系统受到某种扰动，这种扰动可以是发生在输电线路某处的接地故障或负荷波动或其他类型的扰动，一方面，第四电动机402、第四同步发电机403组成的系统能够依靠自身的转动惯量减小有功功率突变后频率变化的速率和幅度，降低功角增加的速度，从而减少扰动期间转轴所获得的动能，为新能源电力系统尽快恢复原始稳定运行状态或过渡到新的稳定运行状态提供有利条件；另一方面，协调控制系统707向电动机调速系统704、励磁系统705和控制单元716发出控制信号，使电动机调速系统704利用其快速响应能力迅速进行调节以维持系统频率稳定；使励磁系统705控制磁场电压并随之控制磁场电流实现控制保护功能，有效阻尼系统振荡，提高系统小信号稳定性和暂态稳定性，同时有效控制系统电压和无功功率潮流，提高系统电压稳定性；控制单元716通过控制和调节具有高渗透率的新能源电网84向第四电动机402输入的电能以保证稳定运行，从而使第四电动机402和第四同步发电机403组成的系统有效维持电网稳定性；
4)第四种新能源电力并网系统400的能量完全由近100％的新能源电网84提供，因此系统400不改变电网84的新能源渗透率。
所述第四种新能源电力并网系统400的上述特点使得渗透率接近100％的新能源电力系统的稳定运行成为可能。
以上四种新能源电力并网系统，从能量转换的角度说，或是把新能源发电场的电能转换成电动机的机械能、再转换成同步发电机的电能；或是把电网的部分电能先转换成电动机的机械能、再转换成同步发电机的电能；这个能量转换过程会产生一定的能量损失，但却提高了电网系统的稳定性。
目前，这个能量转换的效率是90％左右。未来，为了这个特定能量转换而设计的电动机和同步机的效率会进一步提高，把这个能量转换效率提高到95％或者更高是能够实现的。
图9为本发明提供的新能源电力并网系统组合使用的示意图。
图9(a)是第一种新能源电力并网系统100和第二种新能源电力并网系统200组合使用示意图。图9(a)中的新能源电力并网系统由第五原动机501、第五电动机502、第五同步发电机503，这些转动机组的转子同轴连接组成的发电系统和新能源发电设备4组成，第五同步发电机503与具有高渗透率的新能源电网84连接。其中，具有高渗透率的新能源电网84通过开关S1与第五电动机502连接，新能源发电设备4通过开关S2与第五电动机502连接。即第五种新能源电力并网系统500在开关S1和开关S2都闭合时，由具有高渗透率的新能源电网84和新能源发电设备4共同为第五电动机502提供电能，此时相当于第一种新能源电力并网系统100和第二种新能源电力并网系统200组合使用；在开关S1闭合、开关S2断开时，由具有高渗透率的新能源电网84为第五电动机502提供电能,此时相当于第二种新能源电力并网系统200；在开关S1断开、开关S2闭合时，由新能源发电设备4为第五电动机502提供电能,此时相当于第一种新能源电力并网系统100。
图9(b)是第三种新能源电力并网系统300和第四种新能源电力并网系统400组合使用示意图。图9(b)中的新能源电力并网系统由第六电动机602、第六同步发电机603，这些转动机组的转子同轴连接组成的发电系统和新能源发电设备4组成，第六同步发电机603与具有高渗透率的新能源电网84连接。其中，具有高渗透率的新能源电网84通过开关S1与第六电动机602连接，新能源发电设备4通过开关S2与第六电动机602连接。即第六种新能源电力并网系统600在开关S1和开关S2都闭合时，由具有高渗透率的新能源电网84和新能源发电设备4共同为第六电动机602提供电能，此时相当于第三种新能源电力并网系统300和第四种新能源电力并网系统400组合使用；在开关S1闭合、开关S2断开时，由具有高渗透率的新能源电网84为第六电动机602提供电能,此时相当于第四种新能源电力并网系统400；在开关S1断开、开关S2闭合时，由新能源发电设备4为第六电动机602提供电能,此时相当于第三种新能源电力并网系统300。
图9中的新能源电力并网系统组合使用时，可根据实际需要灵活控制和调节电动机的电能来源，使整个系统工作在合适的状态，这个状态应有利于新能源发电设备4发出的电能得到充分的利用，最大限度地减少弃风和弃光，同时保证系统的频率稳定性、功角稳定性和电压稳定性。
图10为第一种新能源电力并网系统100和第三种新能源电力并网系统300中，新能源发电设备4发出的电能经输送和变换后驱动电动机示意图。图10中新能源发电设备4发出的电能，经过电能变换装置后汇入母线B1，经输送过程后汇入母线B2并输入至电机驱动装置，电机驱动装置驱动并控制电动机。其中新能源发电设备4可以是风电场6、光伏电场7或风电场6和光伏电场7的组合。图10中，电能变换装置将新能源发电设备4发出的电能变换为不同形态(直流或交流)和不同的电压等级，然后进行输送；电机驱动装置将输送来的电能变换为与所驱动的电动机类型(直流电动机、同步电动机、异步电动机)相匹配的形态(直流或交流)和相匹配的电压等级，并通过控制环节驱动电动机；电能输送方式可采用直流输送或交流输送，取决于新能源发电设备4发出的电能经过电能变换装置变换后的形态(直流或交流)。
需要说明的是，上述图10中新能源电力输送和变换方式可以根据新能源发电设备4与第一电动机102或第三电动机302的地理位置、实际输电方式、新能源组合方式、电动机类型、电动机调速方式、经济性等因素灵活组合。
图11为新能源电力并网系统100或200或300或400并网与稳定性控制方法示意图。图11中，新能源电力并网系统中的同步发电机103或203或303或403发出的电能经升压变压器T3、第一开关K11、输电线路L和降压变压器T4输送到具有高渗透率的电网84，输电线路L两端的第二开关K12和第三开关K13模拟实际线路中的开关设备。所述具有高渗透率的电网84的容量远远大于新能源电力并网系统的容量，且电压和频率均保持恒定。
1)图11中的新能源电力并网系统是第一种新能源电力并网系统100时，系统启动并网之前，第一开关K11、第二开关K12、第三开关K13均断开，第一电动机102的励磁电流和电枢电压均为零，第一原动机101、第一电动机102和第一同步发电机103转速均为零，第一电动机102采用直流电动机为例进行说明。并网时，先闭合第二开关K12、第三开关K13，建立并网点系统电压Us。首先让第一原动机101逐渐从零功率运行至额定功率，这时第一同步发电机103建立机端电压UG，机端电压UG经升压变压器T3升至并网点电压UT，并网时，检测并网点电压UT和Us幅值、频率和相位的差值，当该差值为零时闭合开关K11，完成并网；然后，在第一电动机102的励磁绕组中通入额定励磁电流，以建立主磁场，待主磁场建立之后再加入电枢电压，使第一电动机102的输出转矩增大，对第一电动机102来说，通入的励磁电流和电枢电压是新能源发电设备4发出的电能经过合适的输送和变换后供给的；在第一电动机102为第一同步发电机103提供的转矩逐渐增大的同时，逐渐减小第一原动机101提供的转矩，最终使得第一原动机101工作在合适的功率输出状态，这个合适的状态应能够充分利用新能源发电设备4的发出的电能；第一原动机101还可以发挥调峰的作用：1)在新能源发电设备4出力变化时，第一原动机101可以改变输出功率以维持第一同步发电机103的稳定输出；2)根据具有高渗透率的新能源电网84的需求，第一原动机101可以改变输出功率，以达到电网84功率平衡的要求。
2)图11中的新能源电力并网系统为第二种新能源电力并网系统200时，第二种新能源电力并网系统200和第一种新能源电力并网系统100的区别在于，对第二电动机202来说，通入的励磁电流和电枢电压是具有高渗透率的新能源电网84发出的电能经过输送和变换后供给的，启动并网控制方法与第一种新能源电力并网系统100相同，最终使得第二原动机201和第二电动机202工作在合适的功率输出状态，这个合适的状态有利于维持系统稳定运行；第二种新能源电力并网系统200可通过控制单元调节和控制具有高渗透率的新能源电网84向第二电动机202输入的电能，从而调节第二同步发电机的输出功率，以达到具有高渗透率的新能源电网84功率平衡的要求。
3)图11中的新能源电力并网系统是第四种新能源电力并网系统400时，系统启动并网之前，第一开关K11、第二开关K12、第三开关K13均断开，第四电动机402的励磁电流和电枢电压均为零，第四电动机402和第四同步发电机403转速均为零，第四电动机402采用直流电动机为例进行说明。并网时，先闭合第二开关K12、第三开关K13，建立并网点系统电压Us。首先在第四电动机402的励磁绕组中通入额定励磁电流，以建立主磁场，待主磁场建立之后再加入电枢电压，使第四电动机402的转速逐渐上升至同步转速，对第四电动机402来说，通入的励磁电流和电枢电压是具有高渗透率的新能源电网84的电能经过输送和变换后供给的。第四同步发电机403在第四电动机402拖动下转速也上升至同步速后，通入第四同步发电机403的转子励磁电流，建立机端电压UG，机端电压UG经变压器升至并网点电压UT；并网时，检测并网点电压UT和Us幅值、频率和相位的差值，当该差值为零时闭合第一开关K11，完成并网。
在第四种新能源电力并网系统400中，可通过控制第四电动机402调节第四同步发电机403发出的电能的大小。例如当需要增加第四同步发电机403发出的电能时，通过控制单元716(如图12(b)所示)调节和控制具有高渗透率的新能源电网84向第四电动机402提供的电能，使第四电动机402为第四同步发电机403提供的机械转矩增大，从而使第四同步发电机403输出的电能增加；同时可根据具有高渗透率的新能源电网84的稳定性要求，通过控制单元716调节系统400的惯性，维持系统的频率稳定性和功角稳定性；控制单元716还可以根据电网84的电压需求控制新能源电力并网系统中的同步发电机的励磁系统，维持系统无功功率平衡和电压稳定性。
4)图11中的新能源电力并网系统为第三种新能源电力并网系统300时，第三种新能源电力并网系统300和第四种新能源电力并网系统400的区别在于，对第三电动机302来说，通入的励磁电流和电枢电压是新能源发电设备4发出的电能经过输送和变换后供给的，启动并网控制方法与第四种新能源电力并网系统400相同；
在新能源发电系统并网稳定运行后，假设系统发生某种扰动，这种扰动可以是发生在输电线路L某处的接地故障或发生在具有高渗透率的新能源电网84的负荷波动或其他类型的扰动。
1)图11中的新能源电力并网系统为第一种新能源电力并网系统100时，扰动较小时，第一原动机101、第一电动机102、第一同步发电机103组成的系统能够依靠自身的转动惯量减小有功功率突变后频率变化的速率和幅度，第一原动机101的调速系统与第一电动机102的调速系统协调配合，调整输出力矩从而调整第一同步发电机103输出的电磁功率，从而使新能源发电系统有足够的时间重新建立功率平衡，保证系统频率稳定性；第一同步发电机103的励磁系统能够对扰动快速响应，通过调节第一同步发电机103的磁场提高小信号稳定性；扰动较大时，将可能导致所有机组的转轴加速旋转，功角也随之增大，此时第一原动机101、第一电动机102、第一同步发电机103组成的系统能够依靠自身的转动惯量降低功角增加的速度，从而减少扰动期间转轴所获得的动能，为新能源发电系统尽快恢复原始稳定运行状态或过渡到新的稳定运行状态提供有利条件；同时，第一同步发电机103利用其励磁系统中的电力系统稳定控制算法实现阻尼控制，从而有效抑制系统振荡，提高新能源电力系统暂态稳定性；在新能源发电系统受到扰动期间，第一同步发电机103的励磁系统可通过调节其励磁电流控制向电网输送无功功率的大小，保证新能源电力系统无功功率平衡和电压稳定性；
2)图11中的新能源电力并网系统为第二种新能源电力并网系统200时，第二种新能源电力并网系统200和第一种新能源电力并网系统100的区别在于，对第二电动机202来说，通入的励磁电流和电枢电压是具有高渗透率的新能源电网84发出的电能经过输送和变换后供给的，并网后的稳定性控制方法与第一种新能源电力并网系统100相同；
3)图11中的新能源电力并网系统为第四种新能源电力并网系统400时，扰动较小时，第四电动机402、第四同步发电机403组成的系统能够依靠自身的转动惯量减小有功功率突变后频率变化的速率和幅度，第四电动机402的调速系统迅速调整输出力矩从而调整第四同步发电机403输出的电磁功率，从而使新能源发电系统有足够的时间重新建立功率平衡，保证系统频率稳定性；第四同步发电机403的励磁系统能够对扰动快速响应，通过调节第四同步发电机403的磁场提高小信号稳定性；扰动较大时，将可能导致所有机组的转轴加速旋转，功角也随之增大，此时第四电动机402、第四同步发电机403能够依靠自身的转动惯量降低功角增加的速度，从而减少扰动期间转轴所获得的动能，为新能源电力系统尽快恢复原始稳定运行状态或过渡到新的稳定运行状态提供有利条件；同时，第四同步发电机403利用其励磁系统中的电力系统稳定控制算法实现阻尼控制，从而有效抑制系统振荡，提高新能源电力系统暂态稳定性；在新能源电力系统受到扰动期间，第四同步发电机403的励磁系统可通过分别调节其励磁电流控制向电网输送无功功率的大小，保证新能源电力系统无功功率平衡和电压稳定性。
4)图11中的新能源电力并网系统为第三种新能源电力并网系统300时，第三种新能源电力并网系统300和第四种新能源电力并网系统400的区别在于，对第三电动机302来说，通入的励磁电流和电枢电压是新能源发电设备4发出的电能经过输送和变换后供给的，并网后的稳定性控制方法与第四种新能源电力并网系统400相同；
图12为本发明提供的具有高渗透率的新能源电力并网系统各机组控制系统的协调控制方法结构图，其中图12(a)为第一种新能源电力并网系统100的协调控制方法结构图，图12(b)为第四种新能源电力并网系统400的协调控制方法结构图。
图12中的控制系统由原动机调速系统703、电动机调速系统704、励磁系统705、控制单元706和协调控制系统707组成；
其中，原动机调速系统703接收协调控制系统707发出的原动机调速指令，然后向闸门或阀门702发出开度调节指令，从而调节原动机的转速；电动机调速系统704接收协调控制系统707发出的电动机调速指令，然后通过控制电动机的励磁电压和励磁电流调节电动机的转速；励磁系统705接收协调控制系统707发出的励磁控制指令，通过控制同步发电机的励磁电压和励磁电流为同步发电机提供阻尼控制和无功功率、电压支撑；控制单元706接收协调控制系统707发出的控制信号，对供给电动机的电能进行控制和调节，这个电能可以来自新能源发电设备4，也可以来自具有高渗透率的新能源电网84；协调控制系统707检测转速信号708、功率信号709、压力信号710、电压信号711、频率信号712和相位信号713，并经过运算处理，使之与各机组的动态特性和负荷变化能力相适应，然后分别向原动机调速系统703、电动机调速系统704、励磁系统705和控制单元706发出协调控制指令，保证系统的最优调节性能。再由原动机调速系统703向闸门或阀门702发出开度调节指令，控制进水量或进气量，实现转速调节或调峰运行，由电动机调速系统704调节电动机的励磁电压和励磁电流实现转速调节，由励磁系统705为同步发电机提供阻尼控制并发出无功功率，维持同步发电机端电压稳定。
图12(a)为第一种新能源电力并网系统100的协调控制方法：
在第一种新能源电力并网系统100中，稳定运行时，由新能源发电设备4为第一电动机102提供电能，第一原动机101和第一电动机102共同为第一同步发电机103提供旋转力矩，第一同步发电机103发出的电能并入电网84。与新能源直接并网的电力系统的转动惯量相比，第一种新能源电力并网系统100的惯性显著增加，这样就可以提供新能源电力系统稳定所需要的惯性。
当系统受到某种扰动，这种扰动可以是发生在输电线路某处的接地故障或负荷波动或其他类型的扰动，首先可依靠第一原动机101、第一电动机102和第一同步发电机103组成的系统的转动惯量减小有功功率突变后频率变化的速率和幅度，降低功角增加的速度，从而减少扰动期间转轴所获得的动能，为新能源发电系统尽快恢复原始稳定运行状态或过渡到新的稳定运行状态提供有利条件，然后可利用电动机调速系统704的快速响应能力迅速维持系统频率稳定，再利用原动机调速系统703作进一步调节，两者相互配合提高整个系统的频率稳定性，进一步改善机组调节特性，增强负荷适应性；励磁系统705通过控制磁场电压并随之控制磁场电流实现控制保护功能，有效阻尼系统振荡，提高系统小信号稳定性和暂态稳定性，同时可有效控制系统电压和无功功率潮流，提高系统电压稳定性；
第一种新能源电力并网系统100可实现系统调峰运行。由于新能源具有间歇性、波动性等特点，导致新能源发电设备4供给第一电动机102的电能出现波动，当新能源发电设备4发出的电能逐渐增多时，协调控制系统707向原动机调速系统703和控制单元706发出控制指令，使原动机调速系统703发出控制信号减小闸门或阀门702的开度以维持系统负荷平衡，使控制单元706根据新能源发电设备4的波动特性控制和调节向第一电动机102输入的电能。当新能源发电设备4提供动力的比例占较高水平，如90％时，可使能量供给系统701工作在深度调峰状态来维持负荷平衡；反之，当新能源发电设备4发出的电能逐渐减小时，协调控制系统707向原动机调速系统703发出控制指令，使原动机调速系统703发出控制信号增大闸门或阀门702的开度以维持系统负荷平衡，当新能源发电设备4提供动力的比例很低或接近于零时，能量供给系统701和第一原动机101可工作在满功率状态以维持功率平衡。在深度调峰的情况下，第一原动机101可以只运行在10％左右的输出功率水平，而第一电动机102提供90％以上的动力。就全电网系统而言，第一原动机101提供的动力只占很小的比例，全电网系统就是近100％新能源电力系统。
在上述维持负荷平衡的过程中，协调控制系统707应能够根据能量供给系统701和新能源发电设备4的可利用容量调节限度发出合理的调节指令，保证调节过程中整个设备的可靠与经济运行。
图12(b)为第四种新能源电力并网系统400的协调控制方法：
在第四种新能源电力并网系统400中，稳定运行时，由具有高渗透率新能源的电网84为第四电动机402提供电能，第四电动机402为第四同步发电机403提供旋转力矩，第四同步发电机403发出的电能并入电网84。
在高渗透率时，电网的惯性非常低，第四种新能源电力并网系统400可以为系统提供足够的惯性。当系统受到某种扰动，这种扰动可以是发生在输电线路某处的接地故障或负荷波动或其他类型的扰动，首先可依靠第四电动机402、第四同步发电机403组成的系统的转动惯量减小有功功率突变后频率变化的速率和幅度，降低功角增加的速度，从而减少扰动期间转轴所获得的动能，为新能源电力系统尽快恢复原始稳定运行状态或过渡到新的稳定运行状态提供有利条件；然后可利用协调控制系统707向电动机调速系统704、励磁系统705和控制单元716发出控制信号，使电动机调速系统704利用其快速响应能力迅速进行调节以维持系统频率稳定；使励磁系统705控制磁场电压并随之控制磁场电流实现控制保护功能，有效阻尼系统振荡，提高系统小信号稳定性和暂态稳定性，同时有效控制系统电压和无功功率潮流，提高系统电压稳定性；控制单元716通过控制和调节具有高渗透率的新能源电网84向第四电动机402输入的电能以保证稳定运行，从而使第四电动机402和第四同步发电机403组成的系统有效维持电网稳定性；
当新能源电力并网系统为第二种新能源电力并网系统200和第三种新能源电力并网系统300时，各机组控制系统的协调控制方法与第一种新能源电力并网系统100、第四种新能源电力并网系统400相同。
需要说明的是，本专利讨论的高渗透率新能源电力并网系统与稳定性控制方法不仅适用于没有大规模储能系统的新能源电网系统，也适用于含大规模储能系统的电网系统。
Claims (11)
1.一种具有高渗透率的新能源电力并网系统，其特征在于，包括第一种新能源电力并网系统(100)、第二种新能源电力并网系统(200)、第三种新能源电力并网系统(300)、第四种新能源电力并网系统(400)和具有高渗透率的新能源电网(84)。
2.根据权利要求1所述具有高渗透率的新能源电力并网系统，其特征在于，所述第一种新能源电力并网系统(100)由第一原动机(101)、第一电动机(102)、第一同步发电机(103)，这些转动机组的转子同轴连接组成发电系统和新能源发电设备(4)连接，新能源发电设备(4)与第一电动机(102)连接组成；其中新能源发电设备(4)向第一电动机(102)供电，第一同步发电机(103)与具有高渗透率的新能源电网(84)连接；
所述第一原动机(101)为火力发电厂的汽轮机或水力发电厂的水轮机；
所述第一电动机(102)为容量与第一原动机(101)、第一同步发电机(103)相匹配，且具有调速性能的直流电动机、异步电动机或同步电动机；
所述第一同步发电机(103)具有与现在的传统火力发电厂或水力发电厂的同步电动机相同或类似的特征，且容量与第一电动机(102)、新能源发电设备(4)和第一原动机(101)相匹配；
所述新能源发电设备(4)为风电场(6)、光伏电场(7)或是风电场(6)与光伏电场(7)的组合。
3.根据权利要求1所述具有高渗透率的新能源电力并网系统，其特征在于，所述第二种新能源电力并网系统(200)由第二原动机(201)、第二电动机(202)和第二同步发电机(203)，且这些转动机组的转子同轴连接组成，具有高渗透率的新能源电网(84)与第二电动机(202)连接并向第二电动机(202)供电，第二同步发电机(203)与具有高渗透率的新能源电网(84)连接；
所述第二原动机(201)为火力发电厂的汽轮机或水力发电厂的水轮机；
所述第二电动机(202)的容量与第二原动机(201)、第二同步发电机(203)相匹配，且为具有调速性能的直流电动机、异步电动机或同步电动机；
所述第二同步发电机(203)具有与现在的传统火力发电厂或水力发电厂的同步电动机相同或类似的特征，其容量与第二电动机(202)和第二原动机(201)相匹配。
4.根据权利要求1所述具有高渗透率的新能源电力并网系统，其特征在于，所述第三种新能源电力并网系统(300)由第三电动机(302)和第三同步发电机(303)，这些转动机组的转子同轴连接组成的发电系统和新能源发电设备(4)，并且新能源发电设备(4)与第三电动机(302)连接组成；其中新能源发电设备(4)向第三电动机(302)供电，第三同步发电机(303)与具有高渗透率的新能源电网(84)连接；
所述第三电动机(302)为容量与新能源发电设备(4)相匹配，且具有调速性能的直流电动机、异步电动机或同步电动机；
所述第三同步发电机(303)为容量与新能源发电设备(4)和第三电动机(302)相匹配的同步发电机。
5.根据权利要求1所述具有高渗透率的新能源电力并网系统，其特征在于，所述第四种新能源电力并网系统(400)由第四电动机(402)和第四同步发电机(403)，且这些转动机组的转子同轴连接组成，具有高渗透率的新能源电网(84)与第四电动机(402)连接并向第四电动机(402)供电，第四同步发电机(403)与具有高渗透率的新能源电网(84)连接；
所述第四电动机(402)为容量与第四同步发电机(403)相匹配，且具有调速性能的直流电动机、异步电动机或同步电动机；
所述第四同步发电机(403)为容量与第四电动机(402)相匹配的同步发电机。
6.根据权利要求1所述具有高渗透率的新能源电力并网系统，其特征在于，所述具有高渗透率的新能源电网(84)是由第一种新能源电力并网系统(100)、第二种新能源电力并网系统(200)、第三种新能源电力并网系统(300)、第四种新能源电力并网系统(400)、风电场(6)、光伏电场(7)和可能的独立的同步发电机(5)安装在电网的不同的节点上组成的一个具有50％-100％渗透率的新能源渗透率的电网。
7.根据权利要求1所述具有高渗透率的新能源电力并网系统，其特征在于，所述新能源电力并网系统的第一同步发电机(103)、第二同步发电机(203)、第三同步发电机(303)、第四同步发电机(403)与升压变压器(T3)、第一开关(K11)、第二开关(K12)、第三开关(K13)和降压变压器(T4)通过输电线路(L)与具有高渗透率的新能源电网(84)连接。
8.根据权利要求1所述具有高渗透率的新能源电力并网系统，其特征在于，控制系统由原动机调速系统(703)、电动机调速系统(704)、励磁系统(705)、控制单元(706)和协调控制系统(707)构成；
所述原动机调速系统(703)通过控制闸门或阀门(702)的开度调节原动机的转速和转矩，控制系统输出功率频率；
所述电动机调速系统(704)通过控制励磁电压、励磁电流调节电动机的转速，控制系统输出功率和频率；
所述同步发电机的励磁系统(705)通过控制励磁电压、励磁电流为同步发电机提供阻尼控制和无功功率支撑，控制系统的功角和电压；
所述控制单元(706)对供给电动机的电能进行控制和调节，这个电能来自新能源发电设备(4)或来自具有高渗透率的新能源电网(84)，控制电动机输出的机械能，进而控制和调节同步发电机输出的电能；
所述协调控制系统(707)检测转速信号(708)、功率信号(709)、压力信号(710)、电压信号(711)、频率信号(712)和相位信号(713)，并经过运算处理，使之与各机组的动态特性和负荷变化能力相适应，然后分别向原动机调速系统(703)、电动机调速系统(704)、励磁系统(705)和控制单元(706)发出协调控制指令，保证系统的最优调节性能。
9.一种具有高渗透率的新能源电力并网系统的稳定性控制方法，其特征在于，所述启动并网控制方法，包括：
1)在新能源电力并网系统启动与并网之前，第一开关(K11)、第二开关(K12)、第三开关(K13)均断开，所有原动机、电动机和同步发电机的转速均为零，电动机以直流电动机为例说明；并网时，先闭合第二开关(K12)、第三开关(K13)，建立并网点系统电压Us；
2)第一种新能源电力并网系统(100)的启动并网控制方法：首先启动第一原动机(101)进而建立第一同步发电机(103)的机端电压UG和并网点电压UT，并网时，检测并网点电压UT和Us幅值、频率和相位的差值，当该差值为零时闭合开关(K11)，完成并网；然后逐渐增大第一电动机(102)的输出转矩，并逐渐减小第一原动机(101)的输出转矩，最终使得第一电动机(102)和第一原动机(101)工作在合适的功率输出状态，这个合适的状态应能够充分利用新能源发电设备(4)的发出的电能；该方法同样适用于第二种新能源电力并网系统(200)；
3)第四种新能源电力并网系统(400)的启动并网控制方法：首先使第四电动机(402)的转速逐渐上升至同步转速；第四同步发电机(403)在第四电动机(402)拖动下转速也上升至同步速后建立机端电压UG和并网点电压UT；并网时，检测并网点电压UT和Us幅值、频率和相位的差值，当该差值为零时闭合第一开关(K11)，完成并网；该方法同样适用于第三种新能源电力并网系统(300)。
10.一种具有高渗透率的新能源电力并网系统的稳定性控制方法，其特征在于，所述并网后的稳定性控制方法，包括：
1)在新能源电力并网系统并网稳定运行后，假设系统发生某种扰动，这种扰动可以是发生在输电线路(L)某处的接地故障或发生在具有高渗透率的新能源电网(84)的负荷波动或其他类型的扰动；
2)以新能源电力并网系统为第一种新能源电力并网系统(100)为例说明，该方法同样适用于第二种新能源电力并网系统(200)，扰动发生后，第一原动机(101)、第一电动机(102)和第一同步发电机(103)组成的系统能够依靠自身的转动惯量减小频率变化的速率和幅度，降低功角增加的速度，从而减少扰动期间转轴所获得的动能，为新能源发电系统尽快恢复原始稳定运行状态或过渡到新的稳定运行状态提供有利条件；同时利用第一原动机(101)和第一电动机(102)的调速系统协调配合，调整输出力矩从而调整第一同步发电机(103)输出的电磁功率，保证系统频率稳定性；利用第一同步发电机(103)的励磁系统对扰动快速响，提高新能源电力系统功角稳定性和电压稳定性；
第一原动机(101)还可以担当电网系统(84)的调峰功能，由于新能源的间歇性、波动性而导致电网(84)出现功率不平衡时，原动机(101)可以改变输出功率，帮助电网(84)达到功率平衡，在深度调峰的情况下，第一原动机(101)可以只运行在10％左右的输出功率水平，而第一电动机(102)提供90％以上的动力，就全电网系统而言，第一原动机(101)提供的动力只占很小的比例，全电网系统就是近100％新能源电力系统；
3)第四种新能源电力并网系统(400)的稳定性控制方法，扰动发生后，第四电动机(402)和第四同步发电机(403)组成的系统能够依靠自身的转动惯量减小频率变化的速率和幅度，降低功角增加的速度，从而减少扰动期间转轴所获得的动能，为新能源发电系统尽快恢复原始稳定运行状态或过渡到新的稳定运行状态提供有利条件；同时利用第四电动机(402)的调速系统协调配合迅速调整输出力矩从而保证系统频率稳定性；利用第四同步发电机(403)的励磁系统对扰动快速响，提高新能源电力系统功角稳定性和电压稳定性；在第四种新能源电力并网系统(400)中，可通过控制第四电动机(402)调节第四同步发电机(403)发出的电能的大小；当需要增加第四同步发电机(403)发出的电能时，通过调节和控制具有高渗透率的新能源电网(84)向第四电动机(402)提供的电能，使第四电动机(402)为第四同步发电机(403)提供的机械转矩增大，从而使第四同步发电机(403)输出的电能增加，维持系统功率平衡；该方法同样适用于第三种新能源电力并网系统(300)。
11.一种具有高渗透率的新能源电力并网系统的稳定性控制方法，其特征在于，所述各机组控制系统的协调控制方法，包括：
1)第一种新能源电力并网系统(100)的协调控制方法，当系统受到某种扰动后，在系统惯性起作用的同时，可利用电动机调速系统(704)的快速响应能力迅速维持系统频率稳定，再利用原动机调速系统(703)作进一步调节，两者相互配合提高整个系统的频率稳定性；励磁系统(705)通过控制磁场电压并随之控制磁场电流实现控制保护功能，有效阻尼系统振荡，提高系统功角稳定性和电压稳定性；由于新能源具有间歇性、波动性等特点，导致新能源发电设备(4)供给第一电动机(102)的电能出现波动，协调控制系统(707)根据波动情况向原动机调速系统(703)和控制单元(706)发出相应的控制指令，使原动机调速系统(703)控制闸门或阀门(702)的开度以维持系统负荷平衡，使控制单元(706)控制和调节向第一电动机(102)输入的电能，两者协调以保证系统功率平衡；该方法同样适用于第二种新能源电力并网系统(200)；
2)第四种新能源电力并网系统(400)的协调控制方法，当系统受到某种扰动后，在系统惯性起作用的同时，协调控制系统(707)向电动机调速系统(704)、励磁系统(705)和控制单元(716)发出控制信号，使电动机调速系统(704)迅速进行调节以维持系统频率稳定；使励磁系统(705)控制磁场电压并随之控制磁场电流提高系统小信号稳定性和暂态稳定性，同时有效控制系统电压和无功功率潮流，提高系统电压稳定性；控制单元(716)通过控制和调节具有高渗透率的新能源电网(84)向第四电动机(402)输入的电能以保证系统功率平衡，该方法同样适用于第三种新能源电力并网系统(300)。
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