CN117293855A - 一种惯量可调的构网型新能源场站及并网方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种惯量可调的构网型新能源场站及并网方法，本发明的新能源场站包括新能源发电站和惯量可调型并网装置，惯量可调型并网装置包括双馈电机和与双馈电机通过机械轴同轴连接的同步电动机，双馈电机为无刷双馈电机或有刷双馈电机，双馈电机的控制绕组通过DC/AC变流器连接接入新能源发电站的直流网，双馈电机的功率绕组的输出端串联连接电网；同步电动机与双馈电机的转子同轴连接，且同步电动机的输入端串联连接有用于将新能源发电站的直流网输出的直流电转换为交流电的DC/AC变流器。本发明旨在实现新能源场站的惯量调整，让新能源场站对外等效为成为“有惯量”能源，可实现惯量可调，提高系统稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及新能源电站的电网并网技术领域，具体涉及一种惯量可调的构网型新能源场站及并网方法。
背景技术
目前采用新能源发电的微电网接入电网主要依靠电力电子变换器，电力电子变换器用于将采用新能源发电的微电网所发出的电能通过逆变为交流电后并入电网中。但是，随着新能源渗透率的不断提高，导致电力系统的全网惯量相对不足、全网的频率与电压特性也随之恶化的问题。目前，虚拟同步发电机技术(Virtual Synchronous Generator,VSG)，飞轮储能系统(Flywheel Energy Storage System)，同步调相机(SynchronousCompensator, SC)，以及同步电机对(Motor-Generator Pair, MPG)并网技术被提出去提高新能源高渗透率下的电网安全稳定。VSG技术本质上是通过对电力电子变流器的控制模拟出同步电机的构网特性，受电力电子过载能力和控制方法的限制，VSG控制技术无法达到真实同步电机的效果。飞轮储能通过变流器并网，可为电网提供有功和无功的快速调节，其本质上与VSG的构网特点相似，且大容量功率型飞轮储能转速和成本高。同步调相机作为旋转电机式并联无功补偿设备，实质上是空载运行的同步电机，其能够提升电网短路电流水平，提高电力系统电压支撑强度。但同步调相机主要提供对电网的无功支撑，只能提供短时的频率支撑能力，构网能力有限。同步电机对并网技术将新能源发电产生的电能驱动电动机带动同轴的同步发电机并网，该方案可以提供真实的构网能力，但由于同步电机并网后转速调节受到电网频率制约，对惯量的调整困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种惯量可调的构网型新能源场站及并网方法，本发明旨在实现新能源场站的惯量调整，让新能源场站对外等效为成为“有惯量”能源，并且可实现惯量可调，提高系统稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种惯量可调的构网型新能源场站，包括新能源发电站和惯量可调型并网装置，所述新能源发电站的输出的功率经整流后与储能输出功率在直流网中升压汇集并通过一个或多个惯量可调型并网装置连接到电网，所述惯量可调型并网装置包括双馈电机和与双馈电机通过机械轴同轴连接的同步电动机，所述双馈电机为无刷双馈电机或有刷双馈电机，所述双馈电机的控制绕组通过DC/AC变流器连接接入新能源发电站的直流网，所述双馈电机的功率绕组的输出端串联连接电网；所述同步电动机与双馈电机的转子同轴连接，且所述同步电动机的输入端串联连接有用于将新能源发电站的直流网输出的直流电转换为交流电的DC/AC变流器。
可选地，所述新能源发电站包括基于二极管整流的双馈直流风机、永磁直流风机、光伏电站、水电站以及储能站中的部分或者全部。
可选地，所述双馈电机的功率绕组的输出端串联布置有断路器。
本发明还提供一种前述惯量可调的构网型新能源场站的并网方法，包括通过控制双馈电机的控制绕组的功率与机械轴的功率之间的配比实现被并网的新能源场站、电网之间的功率传递，其中双馈电机工作在亚同步发电状态，双馈电机的控制绕组的功率为通过双馈电机的控制绕组通过DC/AC变流器实现，机械轴的功率为通过同步电动机的DC/AC变流器实现。
可选地，所述控制双馈电机的控制绕组的功率与机械轴的功率之间的配比为，其中s是双馈电机的转差率，且通过双馈电机的转差率实现系统惯量的调整。
可选地，所述通过控制双馈电机的控制绕组的功率与机械轴的功率之间的配比实现被并网的新能源场站、电网之间的功率传递时，对双馈电机的控制绕组的DC/AC变流器的控制包括：
S101，利用无差拍预测控制器预测dq轴参考电压指令，所述无差拍预测控制器预测dq轴参考电压指令/>的函数表达式为：
，
，
上式中，和/>分别为k时刻的d、q轴参考电压指令，/>和分别为k+1时刻的d、q轴参考电流，且q轴参考电流为0，/>和/>分别为双馈电机的控制绕组的d、q轴电流，/>和/>分别为系统输入的dq轴系数，/>为控制周期，和/>分别为由扰动观测器获得的d、q轴扰动项；
S102，将dq轴参考电压指令转换坐标后进行空间矢量脉宽调制生成控制信号以控制双馈电机的控制绕组的DC/AC变流器。
可选地，步骤S101中d轴参考电流的计算包括：获取电网侧频率f g，计算电网侧频率f g和工频之间的频差并放大倍，再与转子电角速度参考值/>求和后减去转子电角速度/>得到转子电角速度误差，再将转子电角速度误差通过PI控制器得到d轴参考电流。
可选地，所述扰动观测器获得d、q轴扰动项的函数表达式为：
，
上式中，和/>分别为/>和/>时刻滑模观测器观测的控制绕组dq轴电流，/>为控制周期，/>和/>分别为/>和/>时刻的dq轴扰动项，/>为k时刻的dq轴电压，/>为dq轴滑模控制函数，A和B为系数矩阵，且有：
，
，
，
上式中，和/>分别为系统输入的dq轴系数，/>和/>分别滑模观测器的dq轴系数，/>、/>以及/>为扰动观测器设计的正的常数，sgn为符号函数，/>为误差项，且有：
，
上式中，和/>分别为控制绕组dq轴电流，/>和/>分别为滑模观测器观测的控制绕组dq轴电流。
可选地，所述通过控制双馈电机的控制绕组的功率与机械轴的功率之间的配比实现被并网的新能源场站、电网之间的功率传递时，对同步电动机的DC/AC变流器的控制包括：计算直流网的直流电压Udc和直流电压参考值Udc_ref之间的电压误差，将电压误差通过PI控制器得到q轴参考定子电流i Mq_ref，基于q轴参考定子电流i Mq_ref采用基于磁链定向的矢量控制实现对同步电动机的DC/AC变流器的同步控制。
可选地，所述采用基于磁链定向的矢量控制实现对同步电动机的同步控制包括：首先根据下式生成d、q轴的参考电压指令：
，
，
上式中，和/>分别为d、q轴的参考电压指令，/>和/>为PI控制器的参数，和/>分别为d、q轴的参考定子电流，/>和/>分别为d、q轴的定子电流，t为时间；然后根据dq轴的参考电压/>和/>进行空间矢量脉宽调制生成控制信号以控制同步电动机所连接的DC/AC变流器
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：新能源场站的惯量调整具有重要的意义，其可改善频率稳定、功角稳定以及利用惯性调节增强系统阻尼等动态特性。比如对于有功振荡而言，系统的惯性时间常数增大反而不利于有功振荡的快速恢复。可控惯量对于抑制有功振荡幅度、减小振荡时间、提高系统暂态稳定性具有重要意义。本发明能够实现新能源场站的惯量可调整，让新能源场站对外等效为成为“有惯量”能源，并且可实现惯量可调，提高系统稳定性。本发明具有良好的惯性响应和阻尼特性，且能实现惯量可调，同时减少了电流谐波，且能隔离保护新能源电场不受电网故障的影响，提升新能源并网的频率和电压稳定性，实现电网稳定运行。
附图说明
图1为本发明实施例中新能源场站的结构示意图。
图2为本发明实施例中双馈电机的控制绕组的DC/AC变流器的控制原理示意图。
图3为本发明实施例中同步电动机的DC/AC变流器的控制原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例惯量可调的构网型新能源场站包括新能源发电站和惯量可调型并网装置，所述新能源发电站的输出的功率经整流后与储能输出功率在直流网中升压汇集并通过一个或多个惯量可调型并网装置连接到电网，所述惯量可调型并网装置包括双馈电机和与双馈电机通过机械轴同轴连接的同步电动机，所述双馈电机为无刷双馈电机或有刷双馈电机，所述双馈电机的控制绕组通过DC/AC变流器连接接入新能源发电站的直流网，所述双馈电机的功率绕组的输出端串联连接电网；所述同步电动机与双馈电机的转子同轴连接，且所述同步电动机的输入端串联连接有用于将新能源发电站的直流网输出的直流电转换为交流电的DC/AC变流器。
如图1所示，本实施例的新能源发电站包括基于二极管整流的双馈直流风机、永磁直流风机、光伏电站、水电站以及储能站中的全部，此外也可以根据需要采用其中部分。
如图1所示，本实施例的双馈电机的功率绕组的输出端串联布置有断路器。
本实施例惯量可调的构网型新能源场站包括风光水储一体化新能源场站与用作并网的惯量可调型并网装置，其采用基于二极管整流的双馈型直流风机，与其他发电设备，包括永磁直驱风机、光伏、小水电、以及储能中的部分或全部经直流升压汇集到直流母线。本实施例惯量可调的构网型新能源场站包括双馈电机与同步电动机同机械轴连接，双馈电机控制绕组与同步电动机分别经大容量DC/AC变流器接入新能源场站的直流母线，所述双馈电机功率绕组直接接入电网。本实施例惯量可调的构网型新能源场站的惯量可调型并网装置将新能源场站通过所述惯量可调型并网装置与电网相连以实现被并网的新能源场站、电网之间的功率传递。
此外，本实施例还提供一种前述惯量可调的构网型新能源场站的并网方法，包括通过控制双馈电机的控制绕组的功率与机械轴的功率之间的配比实现被并网的新能源场站、电网之间的功率传递，其中双馈电机工作在亚同步发电状态，双馈电机的控制绕组的功率为通过双馈电机的控制绕组通过DC/AC变流器实现，机械轴的功率为通过同步电动机的DC/AC变流器实现。
本实施例中，控制双馈电机的控制绕组的功率与机械轴的功率之间的配比为，其中s是双馈电机的转差率，且通过双馈电机的转差率实现系统惯量的调整。通过惯量可调型并网装置实现功率传递时，双馈电机工作在亚同步发电状态，控制绕组中的功率与同步电动机机械轴功率以配比/>共同传递功率至功率绕组输出到电网。根据惯量系统需求，可以通过修改所需控制绕组中的功率与同步电动机机械轴功率配比，对应控制双馈电机转差率，实现系统惯量可调性能。
如图2所示，本实施例中通过控制双馈电机的控制绕组的功率与机械轴的功率之间的配比实现被并网的新能源场站、电网之间的功率传递时，对双馈电机的控制绕组的DC/AC变流器的控制包括：
S101，利用无模型预测控制器预测dq轴参考电压指令，所述无模型预测控制器预测dq轴参考电压指令/>的函数表达式为：
，（1）
，（2）
上式中，和/>分别为k时刻的d、q轴参考电压指令，/>和分别为k+1时刻的d、q轴参考电流，且q轴参考电流为0，/>和/>分别为双馈电机的控制绕组的d、q轴电流，/>和/>分别为系统输入的dq轴系数，/>为控制周期，和/>分别为由扰动观测器获得的d、q轴扰动项；
S102，将dq轴参考电压指令转换坐标后进行空间矢量脉宽调制生成控制信号以控制双馈电机的控制绕组的DC/AC变流器。
如图2所示，本实施例步骤S101中d轴参考电流的计算包括：获取电网侧频率f g，计算电网侧频率f g和工频（50Hz）之间的频差并放大倍，再与转子电角速度参考值/>求和后减去转子电角速度/>得到转子电角速度误差，再将转子电角速度误差通过PI控制器得到d轴参考电流/>，即前文的/>。而q轴参考电流/>则赋值为0即可。图2中，Upabc表示双馈电机的功率绕组的电压，Ucabc表示双馈电机的控制绕组的电压，ipabc表示双馈电机的功率绕组的电流，icabc表示双馈电机的控制绕组的电流，/>为双馈电机转子电角速度，/>为双馈电机转子角度。将Ucabc利用锁相环可获得双馈电机的功率绕组的方向角/>，/>表示控制绕组方向角，将Upabc和ipabc进行左边变换，可得到双馈电机的功率绕组的dq轴电压Updq和dq轴电流ipdq。将Upcbc和ipcbc进行左边变换，可得到双馈电机的控制绕组的dq轴电压Ucdq和dq轴电流icdq。
本实施例中，扰动观测器获得d、q轴扰动项的函数表达式为：
，（3）
上式中，和/>分别为/>和/>时刻滑模观测器观测的控制绕组dq轴电流，/>为控制周期，/>和/>分别为/>和/>时刻的dq轴扰动项，/>为k时刻的dq轴电压，/>为dq轴滑模控制函数，/>为控制周期，A和B为系数矩阵，且有：
，（4）
，（5）
，（6）
上式中，和/>分别为系统输入的dq轴系数，/>和/>分别滑模观测器的dq轴系数，/>、/>以及/>为扰动观测器设计的正的常数，sgn为符号函数，/>为误差项，且有：
，（7）
上式中，和/>分别为控制绕组dq轴电流，/>和/>分别为滑模观测器观测的控制绕组dq轴电流。
双馈电机在dq坐标系下的数学模型如下：
，（8）
，（9）
，（10）
，（11）
，（12）
，（13）
，（14）
，（15）
，（16）
上述各式中，和/>分别为控制绕组（下标c表示）的dq轴电压，/>和/>分别为功率绕组（下标p表示）的dq轴电压；/>和/>分别为控制绕组的dq轴电流，/>和/>分别为功率绕组的dq轴电流；/>和/>分别为控制绕组的dq轴磁链，/>和/>分别为功率绕组的dq轴磁链；/>和/>分别为控制绕组和功率绕组的电阻；/>和/>分别为控制绕组和功率绕组的电感；/>为励磁电感；/>为功率绕组的电角速度，其等于电网侧的同步电角速度；/>为转子电角速度。/>为电磁转矩。
将磁链方程代入电压方程，对双馈电机定转子的电流分量整理后得：
，（17）
，（18）
因此，控制绕组的预测参考电压可表示为：
，（19）
，（20）
由于预测控制基于上述预测模型，需要准确的电机参数。电机在运行时，其实际参数往往与铭牌给定参数不同，会导致预测参考电压与实际参考电压存在偏差。为了解决这个问题，一个鲁棒的预测控制方法被提出。根据（17）-（18），双馈电机的超局部模型可描述如式（21）-（22）。根据超局部模型，系统只需要输入输出，无需电机参数，提升了系统的参数鲁棒性。
，（21）
上式（21）中，和/>是输入的dq轴系数。/>和/>是dq轴扰动，可表述如下：
，（22）
实际情况下，和/>可以由扰动观测器获得。本实施例中滑模扰动观测器设计如下：
，（23）
上式中：
，（24），
，（25），
，（26）。
根据式（21）和（23）则有：
，（27）
上式中：
，（28）
，（29）。
设计滑模面为：
，（30）
采用下式的变速趋近率：
，（31）
上式中，，/>，/>为设计的正的常数。如果系统状态远离滑模面，/>。则系统以的速率趋近滑模面。随着/>减小，趋近率收敛到/>。这意味着当系统状态靠近滑模面时，系统抖振将会随趋近率的减小而减小。如果系统状态达到滑模面，/>，/>占趋近速率的主要地位。因此，随着系统状态的减小，系统的抖振进一步削弱。忽略/>的影响，则有：
，（32）
采用李亚普洛夫证明稳定性：
，（33）
上式中，为李亚普洛夫函数的导数，/>为滑模面的导数。
为了使和/>渐近稳定，求解式（27）可得：
，（34）
因此，需满足，/>。
离散式（23），可得：
，（35）
因此，控制绕组的预测参考电压可改写为：
，（36）
，（37）
如图3所示，本实施例中通过控制双馈电机的控制绕组的功率与机械轴的功率之间的配比实现被并网的新能源场站、电网之间的功率传递时，对同步电动机的DC/AC变流器的控制包括：计算直流网的直流电压Udc和直流电压参考值Udc_ref之间的电压误差，将电压误差通过PI控制器得到q轴参考定子电流i Mq_ref，基于q轴参考定子电流i Mq_ref采用基于磁链定向的矢量控制（FOC）实现对同步电动机的DC/AC变流器的同步控制。图3中，UMabc表示同步电动机的定子电压，iMabc表示同步电动机的定子电流，为转子电角速度，/>为转子角。利用转子角，将UMabc和iMabc进行左边变换，可得到dq轴定子电压UMdq和dq轴定子电流iMdq。
本实施例中，采用基于磁链定向的矢量控制实现对同步电动机的同步控制包括：首先根据下式生成d、q轴的参考电压指令：
，
，
上式中，和/>分别为d、q轴的参考电压指令（即/>），/>和/>为PI控制器的参数，/>和/>分别为d、q轴的参考定子电流，/>和/>分别为d、q轴的定子电流，t为时间；然后根据dq轴的参考电压/>和/>进行空间矢量脉宽调制生成控制信号以控制同步电动机所连接的DC/AC变流器。
综上所述，本实施例公开了一种惯量可调的构网型新能源场站及并网方法的构网型风光水储一体化新能源场站并网技术，新能源场站的发电设备包括基于二极管整流的双馈直流风机、永磁直流风机、光伏电站、水电站以及储能站。新能源发电站输出的功率经整流后与储能输出功率在直流网中升压汇集，形成风光水储一体化新能源场站。本实施例的惯量可调型并网装置包括双馈电机和与双馈电机同轴连接的同步电动机，双馈电机可为无刷双馈电机或有刷双馈电机。双馈电机的控制绕组用于与大容量变流器连接接入风光水储一体化新能源场站，双馈电机的功率绕组的输出端串联连接电网，同步电动机与双馈电机的转子同轴连接，且其输入端串联连接有用于将被并网的新能源场站输出的直流电转换为交流电的DC/AC变流器。系统功率分别通过双馈电机控制绕组功率和同步电动机机械功率从双馈电机功率绕组功率输入到电网，实现被并网的风光水储一体化新能源场站、电网之间的功率传递。同时，通过控制双馈电机控制绕组和机械轴的功率分配比相应改变双馈电机转速，从而实现并网双馈电机的惯量可调。本实施例可以让新能源场站对外等效为成为“有惯量”能源，并且可实现惯量可调，且能减少了电流谐波，隔离保护新能源电场不受电网故障的影响，提升新能源并网的频率和电压稳定性，实现电网稳定运行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种惯量可调的构网型新能源场站，其特征在于，包括新能源发电站和惯量可调型并网装置，所述新能源发电站的输出的功率经整流后与储能输出功率在直流网中升压汇集并通过一个或多个惯量可调型并网装置连接到电网，所述惯量可调型并网装置包括双馈电机和与双馈电机通过机械轴同轴连接的同步电动机，所述双馈电机为无刷双馈电机或有刷双馈电机，所述双馈电机的控制绕组通过DC/AC变流器连接接入新能源发电站的直流网，所述双馈电机的功率绕组的输出端串联连接电网；所述同步电动机与双馈电机的转子同轴连接，且所述同步电动机的输入端串联连接有用于将新能源发电站的直流网输出的直流电转换为交流电的DC/AC变流器。
2.根据权利要求1所述的惯量可调的构网型新能源场站，其特征在于，所述新能源发电站包括基于二极管整流的双馈直流风机、永磁直流风机、光伏电站、水电站以及储能站中的部分或者全部。
3.根据权利要求2所述的惯量可调的构网型新能源场站，其特征在于，所述双馈电机的功率绕组的输出端串联布置有断路器。
4.一种权利要求1～3中任意一项所述的惯量可调的构网型新能源场站的并网方法，其特征在于，包括通过控制双馈电机的控制绕组的功率与机械轴的功率之间的配比实现被并网的新能源场站、电网之间的功率传递，其中双馈电机工作在亚同步发电状态，双馈电机的控制绕组的功率为通过双馈电机的控制绕组通过DC/AC变流器实现，机械轴的功率为通过同步电动机的DC/AC变流器实现。
5.根据权利要求4所述的惯量可调的构网型新能源场站的并网方法，其特征在于，所述控制双馈电机的控制绕组的功率与机械轴的功率之间的配比为，其中s是双馈电机的转差率，且通过双馈电机的转差率实现系统惯量的调整。
6.根据权利要求4所述的惯量可调的构网型新能源场站的并网方法，其特征在于，所述通过控制双馈电机的控制绕组的功率与机械轴的功率之间的配比实现被并网的新能源场站、电网之间的功率传递时，对双馈电机的控制绕组的DC/AC变流器的控制包括：
S101，利用无模型预测控制器预测dq轴参考电压指令，所述无模型预测控制器预测dq轴参考电压指令/>的函数表达式为：
，
，
上式中，和/>分别为k时刻的d、q轴参考电压指令，/>和分别为k+1时刻的d、q轴参考电流，且q轴参考电流为0，/>和/>分别为双馈电机的控制绕组的d、q轴电流，/>和/>分别为系统输入的dq轴系数，/>为控制周期，和/>分别为由扰动观测器获得的d、q轴扰动项；
S102，将dq轴参考电压指令转换坐标后进行空间矢量脉宽调制生成控制信号以控制双馈电机的控制绕组的DC/AC变流器。
7.根据权利要求4所述的惯量可调的构网型新能源场站的并网方法，其特征在于，步骤S101中d轴参考电流的计算包括：获取电网侧频率f g，计算电网侧频率f g和工频之间的频差并乘以倍，再与转子电角速度参考值/>求和后减去转子电角速度/>得到转子电角速度误差，再将转子电角速度误差通过PI控制器得到d轴参考电流。
8.根据权利要求6所述的惯量可调的构网型新能源场站的并网方法，其特征在于，所述扰动观测器获得d、q轴扰动项的函数表达式为：
，
上式中，和/>分别为/>和/>时刻滑模观测器观测的控制绕组dq轴电流，/>为控制周期，/>和/>分别为/>和/>时刻的dq轴扰动项，/>为k时刻的dq轴电压，/>为dq轴滑模控制函数，A和B为系数矩阵，且有：
，
，
，
上式中，和/>分别为系统输入的dq轴系数，/>和/>分别滑模观测器的dq轴系数，/>、以及/>为扰动观测器设计的正的常数，sgn为符号函数，/>为误差项，且有：
，
上式中，和/>分别为控制绕组dq轴电流，/>和/>分别为滑模观测器观测的控制绕组dq轴电流。
9.根据权利要求4所述的惯量可调的构网型新能源场站的并网方法，其特征在于，所述通过控制双馈电机的控制绕组的功率与机械轴的功率之间的配比实现被并网的新能源场站、电网之间的功率传递时，对同步电动机的DC/AC变流器的控制包括：计算直流网的直流电压Udc和直流电压参考值Udc_ref之间的电压误差，将电压误差通过PI控制器得到q轴参考定子电流i Mq_ref，基于q轴参考定子电流i Mq_ref采用基于磁链定向的矢量控制实现对同步电动机的DC/AC变流器的同步控制。
10.根据权利要求9所述的惯量可调的构网型新能源场站的并网方法，其特征在于，所述采用基于磁链定向的矢量控制实现对同步电动机的同步控制包括：首先根据下式生成d、q轴的参考电压指令：
，
，
上式中，和/>分别为d、q轴的参考电压指令，/>和/>为PI控制器的参数，/>和/>分别为d、q轴的参考定子电流，/>和/>分别为d、q轴的定子电流，t为时间；然后根据dq轴的参考电压/>和/>进行空间矢量脉宽调制生成控制信号以控制同步电动机所连接的DC/AC变流器。
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