基于IMPMMS并網(wǎng)的新能源電壓穩(wěn)定性分析

摘 要：

新能源并網(wǎng)比例過高導(dǎo)致新能源電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性低和機(jī)組脫網(wǎng)風(fēng)險，永磁發(fā)電機(jī)組（IMPMMS）對系統(tǒng)具有電壓補(bǔ)償能力，能滿足新能源電網(wǎng)無功需求。本文根據(jù)永磁發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了永磁發(fā)電機(jī)組的電壓補(bǔ)償機(jī)理，推導(dǎo)影響無功調(diào)節(jié)能力的參數(shù)。結(jié)合新能源通過永磁發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)的狀態(tài)方程，建立電力系統(tǒng)仿真模型，對比不同程度電壓跌落下永磁發(fā)電機(jī)組與傳統(tǒng)機(jī)組的電壓補(bǔ)償能力及電壓隔離作用，最后研制一臺縮比樣機(jī)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：網(wǎng)側(cè)電壓跌落幅度越大，永磁發(fā)電機(jī)組電壓補(bǔ)償能力越強(qiáng)，且永磁發(fā)電機(jī)組機(jī)械隔離可以隔離故障對新能源機(jī)組的影響，有效防止新能源脫網(wǎng)風(fēng)險的發(fā)生，提高新能源發(fā)電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：高比例新能源；永磁發(fā)電機(jī)組；無功補(bǔ)償能力；電壓隔離；電壓穩(wěn)定性

DOI：10.15938/j.emc.2024.03.007

中圖分類號：TM351;TM712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）03-0066-09

收稿日期： 2022-08-08

基金項(xiàng)目：

作者簡介：鄭軍銘（1990—），男，博士研究生，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)設(shè)計(jì)及其控制；

馮 麗（1982—），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)及其控制；

蔡志遠(yuǎn)（1963—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)設(shè)計(jì)及控制；

張炳義（1954—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)設(shè)計(jì)及控制。

通信作者：張炳義

Voltage stability analysis of new energy based on IMPMMS grid connection

ZHENG Junming1， FENG Li2， CAI Zhiyuan1， ZHANG Bingyi1

（1.School of Electrical Engineering， Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China;

2.School of Electrical Engineering， Shenyang Polytechnic College， Shenyang 110033， China）

Abstract：

In view of the problem that the high proportion of new energy grid-connected leads to the voltage stability of the new energy grid and the risk of the unit being disconnected from the grid， the inertia motivity permanent magnet machine set （IMPMMS） has the voltage compensation capability for the system， which can meet the reactive power requirements of the new energy grid. According to the structure and working principle of the IMPMMS， the voltage compensation mechanism of the permanent magnet generator set was analyzed， and the influencing parameters that affect its reactive power regulation ability were deduced. Combined with the state equation of the new energy through the grid connection of the IMPMMS， the simulation model of the power system was established， and the voltage compensation capability and the voltage isolation effect of the IMPMMS and the traditional generator set under different degrees of voltage drop were compared， and finally a scaled prototype was developed. The simulation and test results show that the greater the voltage drop on the grid side， the stronger the voltage compensation capability of the IMPMMS， and the mechanical isolation of the IMPMMS can isolate the impact of the fault on the new energy generator set， prevent the risk of new energy off-grid and improve the voltage stability of the entire new energy power generation system.

Keywords：high proportion of new energy; inertia motivity permanent magnet machine set; voltage compensation capability; voltage isolation; voltage stability

0 引 言

隨著化石能源的逐漸枯竭、環(huán)境惡化以及氣候變暖等問題日益突出，在雙碳目標(biāo)下新能源的開發(fā)與應(yīng)用已成為能源領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)和發(fā)展方向，大量風(fēng)力、光伏發(fā)電等新能源機(jī)組并網(wǎng)比例不斷增長是未來電力系統(tǒng)的必然趨勢［1-2］。但隨著新能源發(fā)電在電力系統(tǒng)的占比增加和同步機(jī)占比的降低，新型電力系統(tǒng)應(yīng)對擾動或故障穿越的能力降低，給電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和穩(wěn)定性帶來了新的挑戰(zhàn)。

虛擬同步發(fā)電機(jī)（virtual synchronous generator，VSG）技術(shù)是將同步發(fā)電機(jī)特性引入到新能源變流器控制中，使新能源機(jī)組具備與同步發(fā)電機(jī)相似的響應(yīng)特性，不僅可實(shí)現(xiàn)頻率解耦、下垂控制、綜合慣量控制等功能，而且還可以增加系統(tǒng)的慣性，提高穩(wěn)定性［3-4］，但VSG技術(shù)無法支撐電網(wǎng)的電壓，需要額外的裝置來提供無功功率。新能源接入電力系統(tǒng)要求其既滿足自身需要，還要滿足輸電線路上設(shè)備的無功需求。廣泛應(yīng)用于新能源電網(wǎng)中的SVC和STATCOM裝置具備無功補(bǔ)償能力，可維持電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定，但SVC的無功功率會隨著并網(wǎng)點(diǎn)電壓降落而減小，而STATCOM由于功率轉(zhuǎn)換器的限制，在電網(wǎng)故障下無法提供超出容量的無功功率，增加了電壓不穩(wěn)定風(fēng)險 ［5-6］。

高比例新能源電網(wǎng)發(fā)展使得調(diào)相機(jī)重新受到電力行業(yè)的重視，相比于SVC和STATCOM，調(diào)相機(jī)作為同步旋轉(zhuǎn)設(shè)備，可短時間內(nèi)向系統(tǒng)提供強(qiáng)大的無功支撐，而且無功輸出可根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)［7］。但調(diào)相機(jī)安裝位置集中在送端換流站，不能有效抑制新能源并網(wǎng)的電壓波動，與“就地平衡”無功補(bǔ)償原則相悖，故文獻(xiàn)［8］提出了分層分散配置調(diào)相機(jī)的方法，即分布式調(diào)相機(jī)，但調(diào)相機(jī)接入點(diǎn)距新能源電場始終存在一定的電氣距離，當(dāng)系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定時，新能源并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動依然很大，新能源機(jī)組仍然存在脫網(wǎng)的風(fēng)險。所以提高新能源機(jī)組自身電壓補(bǔ)償能力是本領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。文獻(xiàn)［9］提出了慣性儲能永磁發(fā)電機(jī)組（inertia motivity permanent magnet machine set，IMPMMS），將新能源機(jī)組與電網(wǎng)串聯(lián)起來，改變了新能源機(jī)組通過電力電子器件的并網(wǎng)方式，使新能源并網(wǎng)接口具備真實(shí)大慣量，可提升對新能源電網(wǎng)頻率的支撐能力和新能源機(jī)組的故障穿越能力；采用文獻(xiàn)［10］提出的源網(wǎng)相位差控制策略，可實(shí)現(xiàn)永磁發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)穩(wěn)定地傳輸有功功率。目前還沒有針對永磁發(fā)電機(jī)組對新能源電網(wǎng)無功補(bǔ)償能力方面的研究，因此，本文針對永磁發(fā)電機(jī)組在新能源電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性中起到的作用進(jìn)行分析。

根據(jù)永磁發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)，首先介紹永磁發(fā)電機(jī)組的工作原理和功能，針對新能源電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的問題，對永磁發(fā)電機(jī)組電壓補(bǔ)償特性進(jìn)行分析，從無功調(diào)壓機(jī)理上確定影響電網(wǎng)無功支撐能力的參數(shù)；然后結(jié)合列寫的永磁發(fā)電機(jī)組狀態(tài)方程，確定新能源通過永磁發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)的狀態(tài)方程，建立基于PSCAD的永磁發(fā)電機(jī)組的電力系統(tǒng)仿真模型；通過仿真分析可知，隨著電壓跌落深度增大，永磁發(fā)電機(jī)組無功支撐能力越明顯，在電壓跌落100%情況下穩(wěn)定運(yùn)行，而且可隔絕電網(wǎng)側(cè)的電壓跌落，使新能源側(cè)不受電網(wǎng)故障帶來的影響，這是傳統(tǒng)機(jī)組不具備的；由于機(jī)組功率、尺寸較大以及實(shí)驗(yàn)條件的限制，最后以一臺縮比樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明永磁發(fā)電機(jī)組可使電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，防止新能源側(cè)發(fā)生脫網(wǎng)事故。

1 永磁發(fā)電機(jī)組介紹

1.1 永磁發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)及工作原理

永磁發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)原理圖和結(jié)構(gòu)圖分別如圖1和圖2所示。永磁發(fā)電機(jī)組由1臺永磁電動機(jī)和1臺永磁發(fā)電機(jī)組成。永磁電動機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)皆采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，2臺電機(jī)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子滾筒以及兩側(cè)端蓋共同構(gòu)成永磁機(jī)組的旋轉(zhuǎn)部件，稱為一體化飛輪轉(zhuǎn)子。永磁電動機(jī)由新能源機(jī)組驅(qū)動，新能源機(jī)組與永磁電動機(jī)一起作為原動機(jī)為永磁發(fā)電機(jī)提供機(jī)械轉(zhuǎn)矩，永磁發(fā)電機(jī)將機(jī)械能變?yōu)殡娔芎笾苯硬⑷腚娋W(wǎng)。在運(yùn)行時，2臺永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子同時、同向和同速旋轉(zhuǎn)，這個轉(zhuǎn)速也是電網(wǎng)的同步轉(zhuǎn)速。永磁發(fā)電組可實(shí)現(xiàn)當(dāng)電網(wǎng)電能發(fā)生階躍變化時提供零響應(yīng)補(bǔ)償，同時還可以通過永磁電動機(jī)側(cè)的變頻器實(shí)現(xiàn)有功功率調(diào)節(jié)，以及通過永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的勵磁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償。

1.2 永磁發(fā)電機(jī)組應(yīng)用前景

1.2.1 永磁發(fā)電機(jī)組應(yīng)用的可行性

由圖1可知，新能源采用永磁發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)的方式既不需要改變新能源變流器的結(jié)構(gòu)，也不要求在電網(wǎng)側(cè)添加任何新設(shè)備，只需滿足設(shè)計(jì)的永磁發(fā)電機(jī)組將二者串聯(lián)起來即可，說明這種并網(wǎng)方式是可行的。新型并網(wǎng)方式不僅僅是利用永磁發(fā)電機(jī)組將新能源測和電網(wǎng)側(cè)串聯(lián)起來，最重要的是重新使新能源電網(wǎng)擁有了與傳統(tǒng)機(jī)組如火電機(jī)組、水電機(jī)組、核電機(jī)組等相似的穩(wěn)定性，其穩(wěn)定來源正是永磁機(jī)組。其中永磁發(fā)電機(jī)組中永磁發(fā)電機(jī)的電壓特性以及轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁系統(tǒng)提供無功支撐，維持網(wǎng)側(cè)電壓穩(wěn)定；共用外轉(zhuǎn)子的真實(shí)的機(jī)械慣量可為電網(wǎng)提供充足的慣性，抑制頻率波動，維持頻率穩(wěn)定［9］。

1.2.2 永磁發(fā)電機(jī)組應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性

永磁發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)相當(dāng)于在新能源和電網(wǎng)之間增加了由2臺永磁電機(jī)組成的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。目前單臺裝機(jī)量最多的風(fēng)機(jī)組為1 MW，以1 MW永磁發(fā)電機(jī)為例，電機(jī)額定效率在97%以上。如果2臺永磁電機(jī)效率達(dá)到97%，那永磁發(fā)電機(jī)組的額定效率可達(dá)到94%甚至更高。但因風(fēng)機(jī)、光伏等新能源機(jī)組的輸出功率的隨機(jī)性，大部分時間輸出功率在40%～70%區(qū)間變化。永磁發(fā)電機(jī)組在大幅度降額運(yùn)行時仍可以保持較高的效率，使得永磁發(fā)電機(jī)組在新能源出力較低時不會增加過多的損耗；在新能源機(jī)組不出力的特殊工況下，永磁電動機(jī)空載運(yùn)行，永磁發(fā)電機(jī)并網(wǎng)做電動機(jī)運(yùn)行，這時永磁發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性與調(diào)相機(jī)相同，能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供一定的無功支撐能力。

綜上，永磁發(fā)電機(jī)組在額定運(yùn)行時不會增加過多的電能損耗，降額運(yùn)行時也可以保持高效率，在經(jīng)專門設(shè)計(jì)后，工作效率可進(jìn)一步提高；不依賴昂貴的電池存儲系統(tǒng)，可降低新能源電網(wǎng)故障率，總體看來永磁發(fā)電機(jī)組工作效率可以接受，應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性可期待。

1.2.3 永磁發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用范圍

永磁發(fā)電機(jī)組的額定容量可根據(jù)新能源機(jī)組的容量選擇。對于直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，目前單臺最大容量為5.5 MW，半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)單臺最大容量為12 MW，而光伏發(fā)電因其能夠分單元連接的特點(diǎn)，可依據(jù)永磁發(fā)電機(jī)組的容量進(jìn)行整定配合。根據(jù)當(dāng)前大容量永磁電機(jī)制造工藝水平其容量可達(dá)到10 MW級別甚至100 MW都是可實(shí)現(xiàn)的，所以永磁發(fā)電機(jī)組可滿足單臺（容量為幾兆瓦）以及若干臺并聯(lián)（總?cè)萘繛閹资淄撸┑男履茉礄C(jī)組并網(wǎng)，增加了永磁發(fā)電機(jī)組應(yīng)用的靈活性和適用范圍。

2 永磁發(fā)電機(jī)組無功調(diào)壓特性分析

根據(jù)永磁發(fā)電機(jī)組介紹可知，永磁發(fā)電機(jī)組是同一套機(jī)械系統(tǒng)連接的兩套永磁電機(jī)的系統(tǒng)，僅由各自的電磁轉(zhuǎn)矩相互影響。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生電壓暫降時，在永磁發(fā)電機(jī)組中的永磁發(fā)電機(jī)定子繞組中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，此時定子電流增大，造成轉(zhuǎn)速下降，系統(tǒng)進(jìn)入到波動的動態(tài)過程，但轉(zhuǎn)速變化給永磁電動機(jī)電壓帶來的影響微乎其微。所以分析永磁發(fā)電機(jī)組電壓補(bǔ)償特性只需考慮與電網(wǎng)直接相連的永磁發(fā)電機(jī)即可。

永磁發(fā)電機(jī)輸出無功功率可表示為

QG=UqId－UdIq。（1）

其中：Id、Iq分別為永磁發(fā)電機(jī)直軸電樞電流和交軸電樞電流；Ud、Uq分別為永磁發(fā)電機(jī)直軸電樞電壓和交軸電樞電壓。

當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生電壓波動時，永磁發(fā)電機(jī)側(cè)可向電網(wǎng)提供感性或容性的無功功率。永磁發(fā)電機(jī)組的無功響應(yīng)原理可從永磁發(fā)電機(jī)的電壓補(bǔ)償特性角度進(jìn)行分析，本章節(jié)以電壓暫降為例，電網(wǎng)側(cè)電壓從U1降低至U2，永磁發(fā)電機(jī)端電壓變化量ΔU=U1－U2，故永磁發(fā)電機(jī)所需增發(fā)的無功為

QG+=Q2－Q1=U2I2－U1I1。（2）

其中：I1為暫降前的電流；I2為暫降后永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流。令ΔI=I1－I2，代入式（2）得

QG+=（U1－ΔU）（I1+ΔI）－U1I1=

U2ΔI－ΔUI1。（3）

其中：U1取決于永磁發(fā)電機(jī)組所在電網(wǎng)處的短路容量、等值阻抗和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征決定；ΔU取決于永磁發(fā)電機(jī)與電壓暫降發(fā)生處的電氣距離；I1取決于永磁發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)初始運(yùn)行狀態(tài)，所以永磁發(fā)電機(jī)組電壓補(bǔ)償能力主要由ΔI決定，通過改變ΔI可增加永磁發(fā)電機(jī)組的電壓補(bǔ)償能力。

永磁發(fā)電機(jī)組電壓補(bǔ)償特性從時間角度劃分可分為次暫態(tài)特性和暫態(tài)特性。在電網(wǎng)側(cè)發(fā)生電壓跌落瞬間，永磁發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)側(cè)電樞繞組感生大量電流，增發(fā)無功功率抑制系統(tǒng)電壓跌落，該階段為永磁發(fā)電機(jī)組自發(fā)的無功響應(yīng)，即次暫態(tài)特性，在次暫態(tài)下永磁發(fā)電機(jī)電樞電流直軸分量變化量

ΔId=－［（1X″d+XT）e－1T″d+

（1X′d+XT）e－1T′d+1Xd+XT］ΔEG+

e－tTaX″dΔUcos（ωt+δG）。（4）

其中：X″d、X′d和Xd分別為永磁發(fā)電機(jī)的直軸次暫態(tài)電抗、直軸暫態(tài)電抗和直軸穩(wěn)態(tài)電抗；T″d和T′d分別為永磁發(fā)電機(jī)直軸次暫態(tài)時間常數(shù)和直軸暫態(tài)時間常數(shù)；Ta為電樞時間常數(shù)；X0為常數(shù)，與永磁發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)；ΔEG為永磁發(fā)電機(jī)電動勢與端電壓之差；ω為永磁發(fā)電機(jī)角速度；δG為永磁發(fā)電機(jī)功角。

當(dāng)永磁發(fā)電機(jī)在次暫態(tài)階段不足以支撐電網(wǎng)所跌落的電壓時，永磁發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)啟動進(jìn)行強(qiáng)勵，即暫態(tài)階段。永磁發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE勵磁機(jī)AC1A型［11］，其暫態(tài)電壓方程為

ΔE′q=X′dXdΔEq+Xd－X′dXdΔU－X′dXdT′d0dΔE′qdt。（5）

其中：Eq、E′q分別為永磁發(fā)電機(jī)空載電動勢和暫態(tài)電動勢；T′d0為勵磁繞組時間常數(shù)。

線性化處理后空載電動勢簡化為

ΔEq=－KAΔU。（6）

其中KA為永磁發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的增益倍數(shù)。

對式（4）進(jìn)行拉式變換，結(jié)合式（6）可得

ΔId=－ΔUX′d1+（1X′d－KA+1Xd）ΔU1+X′dXdT′d0s2。（7）

其中：第一項(xiàng)為永磁發(fā)電機(jī)自發(fā)的無功響應(yīng)；第二項(xiàng)與勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用有關(guān)。

由式（4）和式（7）可知，在電網(wǎng)側(cè)電壓波動過程中，永磁發(fā)電機(jī)組的電壓補(bǔ)償能力與永磁發(fā)電機(jī)的端電壓變化幅度、X″d、X′d、T′d0參數(shù)和勵磁調(diào)節(jié)器增益倍數(shù)KA有關(guān)。

3 永磁發(fā)電機(jī)組電力系統(tǒng)仿真

3.1 永磁發(fā)電機(jī)組狀態(tài)方程

永磁機(jī)組中的永磁電動機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)運(yùn)動方程為

ddtΔωeM=12H（TeM－TmM－KDMΔωeM）；

ddtδM=ω0ΔωeM。（8）

ddtΔωeG=12H（TmG－TeG－KDGΔωeG）；

ddtδG=ω0ΔωeG。（9）

其中：H為永磁發(fā)電機(jī)組慣性時間常數(shù)；TeM和TeG分別為永磁電動機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；KDM和KDG分別為永磁電動機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)的阻尼系數(shù)；ωeM和ωeG分別為永磁電動機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度；δM和δG分別為永磁電動機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)功角；ω0為永磁發(fā)電機(jī)組額定角速度。

根據(jù)永磁發(fā)電機(jī)組機(jī)械傳動特性可知，ωeM=ωeG=ωe，將式（8）和式（9）合并可得

ddtΔωe=12H［TeM－TeG－（KDM+KDG）Δωe］。（10）

永磁發(fā)電機(jī)組中永磁電動機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)功角關(guān)系為

δM+δG=δMG。（11）

永磁發(fā)電機(jī)組功率平衡方程為：

TeM－TeG=Pmech；（12）

TeM=EMUMXMsinδM；（13）

TeG=EGUGXGsinδG。（14）

其中：Pmech為機(jī)械損耗；XM和XG分別為永磁電動機(jī)和永磁發(fā)電機(jī)的等值電抗。

在永磁機(jī)組運(yùn)行過程中Pmech可視為常數(shù)，式（11）和式（12）可改為：

ΔδM+ΔδG=ΔδMG；

KMΔδM－KGΔδG=0。（15）

其中KM和KG分別為同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

永磁發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩偏差

ΔTeG=KGΔδG=KMKGKM+KGΔδMG。（16）

將式（15）和式（16）代入式（9）得到永磁發(fā)電機(jī)組狀態(tài)方程

ddtΔωeΔδMG=－（KDM+KDG）2H－KMKG2H（KM+KG）（1+KGKM）ω00×

ΔωeΔδMG+12H0ΔTeM。（17）

3.2 新能源通過永磁發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)的狀態(tài)方程

為了全面反映永磁發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性，在永磁發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)考慮新能源機(jī)組狀態(tài)變量。以風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，永磁發(fā)電機(jī)組僅與變流器連接，風(fēng)機(jī)輸出功率等于永磁機(jī)組的輸入功率，可得轉(zhuǎn)矩平衡方程

TeWind=TeM。（18）

其中TeWind為風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，其方程為

ΔTeWind=k1ΔEd+k2ΔEq。（19）

其中：Ed和Eq分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)直軸、交軸電壓；k1和k2為風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)系數(shù)。所以Tem和風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間參數(shù)關(guān)系可由式（18）和式（19）建立。

同樣，電流平衡方程式為：

IdWind=IdM；IqWind=IqM。（20）

其中：IdWind和IqWind分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)直軸、交軸電流；IdM和IqM分別為永磁電動機(jī)直軸、交軸電流。

永磁發(fā)電機(jī)組中永磁電動機(jī)定子電流可表示為：

ΔidM=a1ΔδM；

ΔiqM=b1ΔδM。（21）

其中a1和b1與永磁發(fā)電機(jī)組初始條件和參數(shù)有關(guān)。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)與永磁發(fā)電機(jī)組之間的電流關(guān)系由式（20）和式（21）建立。

基于以上分析，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過永磁發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)的狀態(tài)方程

ddtXIMPMMSXWind=AIMPMMSA12A21AWind×XIMPMMSXWind。（22）

其中：XIMPMMS和XWind分別為永磁發(fā)電機(jī)組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)變量矩陣；AIMPMMS和AWind分別為永磁發(fā)電機(jī)組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)原有狀態(tài)矩陣；A12和A21為反映永磁發(fā)電機(jī)組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間關(guān)系的矩陣。

3.3 模型仿真

結(jié)合永磁發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)方程和新能源機(jī)組通過永磁發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)的狀態(tài)方程，在電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD中搭建永磁發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)仿真模型，模型為4機(jī)2區(qū)系統(tǒng)，驗(yàn)證永磁發(fā)電機(jī)組的電壓補(bǔ)償特性。如圖3所示，連接母線2和4處的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)被兩個輸出功率為1 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)取代，且風(fēng)力發(fā)電機(jī)以最大輸出模型運(yùn)行。在風(fēng)場中一部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)以傳統(tǒng)方式并網(wǎng)，另一部分串入永磁發(fā)電機(jī)組，永磁發(fā)電機(jī)組額定容量為1 000 kW，其主要參數(shù)如表1所示。

3.3.1 串入永磁發(fā)電機(jī)組前后電壓補(bǔ)償能力分析

模型仿真時間共15 s，設(shè)置在輸電線路中F處10 s時刻電壓分別跌落20%、40%、60%、80%和100%，持續(xù)0.1 s后恢復(fù)正常，對比不同電壓跌落串入永磁發(fā)電機(jī)組和傳統(tǒng)機(jī)組情況下輸出的無功功率分別如圖4（a）和圖4（b）所示。由圖4（a）圖4（b）可知，隨著電壓跌落程度加深，輸出無功功率皆增大；電壓跌落深度小于40%時，串入永磁發(fā)電機(jī)組和傳統(tǒng)機(jī)組的輸出無功功率基本一致，而電壓跌落深度大于40%時，串入永磁發(fā)電機(jī)組比傳統(tǒng)機(jī)組輸出的無功功率要大，且在電壓跌落深度100%，即發(fā)生短時中斷故障時，串入永磁發(fā)電機(jī)組仍可以提供12.6 pu，無功功率比電壓跌落90%時提供的無功功率大2.3 pu，而傳統(tǒng)機(jī)組提供的無功功率僅為10.1 pu，比電壓跌落90%時提供的無功功率大0.9 pu。

從圖5可以看出相比于傳統(tǒng)機(jī)組，串入永磁發(fā)電機(jī)組可更好地抑制電壓的跌落，且并網(wǎng)點(diǎn)2處電壓恢復(fù)時間縮短了0.3 s，電壓補(bǔ)償能力得到了顯著提升。由此可知，隨著電壓跌落幅度增大，永磁發(fā)電機(jī)組為系統(tǒng)可提供更強(qiáng)的無功支撐能力，使得系統(tǒng)電壓更加穩(wěn)定。

3.3.2 永磁發(fā)電機(jī)組電壓隔離作用分析

永磁發(fā)電機(jī)組的電壓隔離作用原理如圖6所示。新能源串入永磁發(fā)電機(jī)組，相當(dāng)于在新能源和電網(wǎng)之間加入了一個永磁同步電機(jī)的機(jī)械環(huán)節(jié)，因永磁同步電機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的慣性常數(shù)通常達(dá)到秒級，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生跌落時會被此機(jī)械系統(tǒng)隔絕，電動機(jī)側(cè)基本不會受到電網(wǎng)故障帶來的影響，起到保護(hù)新能源機(jī)組的作用。

以新能源國家標(biāo)準(zhǔn)［12］中要求的“在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至20%額定電壓時能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625 ms”為參照，設(shè)置模型在10 s時電壓跌落至0.2 pu，0.1 s后恢復(fù)至額定電壓，分析永磁發(fā)電機(jī)組的電壓隔離作用。由圖7和圖8可知，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓跌落時，永磁發(fā)電機(jī)電流瞬間增大，這是由于電網(wǎng)電壓突然下降導(dǎo)致的，在這過程中永磁發(fā)電機(jī)電流達(dá)到了正常電流的5.5倍，但沒有導(dǎo)致發(fā)電機(jī)故障，瞬時過電流之后，發(fā)電機(jī)恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。在此過程中，永磁發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)提供無功支撐，穩(wěn)定了電網(wǎng)的電壓水平。在整個過程中，永磁電動機(jī)側(cè)的電壓和電流沒有受到影響，依舊能夠保持平穩(wěn)。另外永磁發(fā)電機(jī)側(cè)動態(tài)過程會導(dǎo)致永磁機(jī)組轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，但從圖9可以看出，轉(zhuǎn)速變化幅度很小，幾乎不會受到影響。由電壓暫降仿真結(jié)果可得，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生突變時，由于機(jī)械軸隔離作用，永磁發(fā)電機(jī)組可以將電網(wǎng)的故障隔離在永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)，防止永磁電動機(jī)側(cè)的新能源脫網(wǎng)；在發(fā)生0.2 pu低電壓故障時，可以保護(hù)新能源系統(tǒng)遠(yuǎn)超625 ms，證明永磁發(fā)電機(jī)組在提高網(wǎng)側(cè)電壓穩(wěn)定性上具有特有的優(yōu)勢。

4 實(shí)驗(yàn)測試

研制一臺額定容量55 kW的縮比樣機(jī)，進(jìn)行測試。縮比樣機(jī)參數(shù)如表2所示，測試的主要目的在于對縮比樣機(jī)電壓隔離作用和對電網(wǎng)無功支撐作用進(jìn)行驗(yàn)證。永磁電動機(jī)側(cè)由變頻器驅(qū)動，永磁發(fā)電機(jī)側(cè)與ITECH-7900型電網(wǎng)模擬器相連接，電網(wǎng)模擬器模擬電網(wǎng)電壓突變。試驗(yàn)電流和電壓波形采用FLUKE4000CN型功率分析儀測得，相應(yīng)的數(shù)據(jù)同步上傳至上位機(jī)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。實(shí)驗(yàn)平臺如圖10所示。

縮比樣機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，調(diào)整電網(wǎng)模擬器以達(dá)到額定狀態(tài)，設(shè)置電網(wǎng)模擬器電壓從1 pu變?yōu)?.2 pu保持0.1 s，記錄該過程中永磁發(fā)電機(jī)和永磁電動機(jī)側(cè)的電壓、電流以及電網(wǎng)側(cè)電壓的變化。從圖11和圖12可知，在電壓暫降時，永磁發(fā)電機(jī)出現(xiàn)電流突增，增加至6.1倍，永磁發(fā)電機(jī)沒有出現(xiàn)故障，瞬時電流過后又恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)；此過程中永磁電動機(jī)側(cè)電壓和電流基本不受影響，依舊能保持平穩(wěn)。由圖13可知，在整個實(shí)驗(yàn)過程中，在電壓暫降后，縮比樣機(jī)向電網(wǎng)提供持續(xù)的無功，使電網(wǎng)電壓最低為0.51 pu，大于0.2 pu，僅用0.25 s左右將電網(wǎng)電壓恢復(fù)至1 pu，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。綜上，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，得到了同樣的結(jié)論，證明永磁發(fā)電機(jī)組具有使得網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)穩(wěn)定、防止新能源脫網(wǎng)的作用。

5 結(jié) 論

高比例新能源電網(wǎng)普遍存在無功補(bǔ)償能力不足的問題，新能源機(jī)組脫網(wǎng)風(fēng)險陡增，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。新能源采用永磁發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)使得新能源并網(wǎng)接口重新具備同步電機(jī)屬性，不僅提升了新能源電網(wǎng)的慣性，而且可以有效防止新能源并網(wǎng)點(diǎn)電壓失穩(wěn)問題的發(fā)生。本文介紹了永磁發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)，分析了工作原理和電壓補(bǔ)償特性，列寫了新能源通過永磁發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)的狀態(tài)方程，通過電力系統(tǒng)仿真和縮比樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明了相比于新能源采用變流器直接并網(wǎng)，采用永磁發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)在提高電壓穩(wěn)定性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，得到結(jié)論如下：

1）永磁發(fā)電機(jī)組由2臺永磁電機(jī)組成，因永磁電機(jī)優(yōu)秀屬性，具備可與調(diào)相機(jī)相媲美的強(qiáng)大的瞬時無功支撐能力和短時過載能力。通過分析無功調(diào)壓特性可知，永磁機(jī)組的電壓補(bǔ)償能力與永磁發(fā)電機(jī)側(cè)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、勵磁系統(tǒng)控制參數(shù)等有關(guān)，合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化永磁發(fā)電機(jī)可提高永磁發(fā)電機(jī)組的電壓補(bǔ)償能力。

2）通過電力系統(tǒng)仿真結(jié)果可知：當(dāng)電壓跌落小于40%時，永磁發(fā)電機(jī)組無功補(bǔ)償能力突出不明顯；在電壓跌落60%和80%時，相比于不串入永磁發(fā)電機(jī)組，永磁發(fā)電機(jī)組提供的無功分別提高10.4%和10.8%，并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落幅度分別降低0.1 pu和0.19 pu；當(dāng)電壓跌落100%，即短時中斷的極限工況時，永磁發(fā)電機(jī)組仍然可以向網(wǎng)側(cè)輸出大量的無功功率，將并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落幅度降低0.25 pu，說明與新能源采用變流器直接并網(wǎng)相比，隨著電網(wǎng)側(cè)電壓跌落程度加劇，新能源采用永磁發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)的無功補(bǔ)償能力越發(fā)突顯，可提供更多的無功功率抑制電壓的跌落，明顯提高了新能源電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。

3）研究了永磁發(fā)電機(jī)組的電壓隔離作用。通過電力系統(tǒng)仿真和縮比樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生電壓波動時永磁發(fā)電機(jī)組的機(jī)械系統(tǒng)會將故障隔離，永磁發(fā)電機(jī)承受了電網(wǎng)側(cè)的故障電流和電壓變化，此期間與永磁電動機(jī)側(cè)連接的新能源變流器幾乎不受到影響，新能源機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時間遠(yuǎn)超國家標(biāo)準(zhǔn)要求。因此永磁發(fā)電機(jī)組的電壓隔離作用可保護(hù)新能源機(jī)組有效防止其脫網(wǎng)，提高新能源并網(wǎng)的故障穿越能力，進(jìn)一步提高新能源電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

4）與現(xiàn)有的無功補(bǔ)償裝置（VSG、SVC和STATCOM）相比，永磁發(fā)電機(jī)組具有過電流、過電壓等耐受能力不受制于電力電子器件、不需要大型儲能系統(tǒng)提供慣性、可直接在并網(wǎng)點(diǎn)自發(fā)地向電網(wǎng)提供感性或容性的無功功率的優(yōu)點(diǎn)，而且是集無功調(diào)節(jié)、慣性支撐、瞬時補(bǔ)償于一體的多功能并網(wǎng)裝置，有助于提高電網(wǎng)強(qiáng)度和新能源并網(wǎng)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

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（編輯：劉素菊）