武倩羽，黃永章，楊鑫，管飛，李渝，付文啟

（1.華北電力大學新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830002）

截至2019 年6 月，我國可再生能源發(fā)電裝機達7.5 億kW，其中，風電裝機1.93 億kW，光伏發(fā)電裝機1.86 億kW[1]。高比例新能源發(fā)電已經(jīng)成為熱點關注的未來電力系統(tǒng)場景。

大規(guī)模新能源并網(wǎng)后，新能源的隨機波動性和高度電力電子化特性致使電網(wǎng)的不確定性和脆弱性日益突出[2]。首先，同步交流電網(wǎng)的轉(zhuǎn)動慣量變小，削弱了電力系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)能力[3]；其次，新能源換流器的電壓穿越能力不足，面對交直流混聯(lián)大電網(wǎng)中常見的電壓跌落及暫態(tài)過電壓問題[4]，易造成新能源大量脫網(wǎng)；另外，電力電子設備的頻帶大幅拓寬，新能源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的諧波和諧振交互問題變得日益復雜[5]，特定的運行工況下電力電子設備在很寬的頻段呈現(xiàn)的負阻尼特性加劇了系統(tǒng)振蕩。

為改善新能源發(fā)電的慣性響應，文獻[6]借鑒同步機的運動方程原理提出虛擬同步機（virtual synchronous generator，VSG）技術。文獻[7-8]基于頻率微分慣性控制、下垂控制，利用轉(zhuǎn)子動能來實現(xiàn)雙饋風機的慣性響應。然而虛擬慣量控制方法在風機轉(zhuǎn)速恢復到最優(yōu)值的過程中可能會導致電網(wǎng)頻率的二次擾動[9]。文獻[10]提出了一種基于變減載控制的光伏發(fā)電參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的控制方法，然而減載運行降低了新能源的利用率。

針對風機低壓穿越方案主要包括改進硬件電路[11]、改進控制策略[12]以及附加儲能裝置[13]等。新能源機組高壓穿越的主要措施包括增加靜止同步補償器、動態(tài)電壓恢復器以及超級電容器等額外輔助設備[14]和改進控制策略[15]等，但電力電子器件固有耐壓能力的限制給電壓穿越技術帶來了瓶頸。新一代調(diào)相機具備更優(yōu)異的暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性和更強的無功調(diào)節(jié)能力，近年來受到了廣泛的關注[16]。

在抑制大量新能源電力電子并網(wǎng)換流器引發(fā)的新振蕩問題方面，文獻[17]剖析了大規(guī)模風電在不同的場景下產(chǎn)生次同步振蕩的機理和新特點；文獻[18]通過風電機組的有功、無功調(diào)制來提供阻尼從而抑制區(qū)間振蕩；文獻[19]通過在風機并網(wǎng)換流器中引入附加阻尼控制器來提高阻尼，類似于同步電機勵磁系統(tǒng)加裝電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定器（power system stabilizer，PSS）的原理。

綜上，在提高高比例新能源電網(wǎng)穩(wěn)定性方面，現(xiàn)有的研究一定程度上借鑒了同步機的運動方程、慣性響應、勵磁控制PSS等理論。調(diào)相機本質(zhì)上是空載運行的同步電動機，可以有效提高系統(tǒng)的短路容量和旋轉(zhuǎn)慣量，但調(diào)相機以并聯(lián)的方式接入直流送受兩端，由新能源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)交互影響而引發(fā)的不穩(wěn)定問題仍然是潛在的。另外，大多數(shù)電流源型換流器的控制前提是需要一個穩(wěn)定的電網(wǎng)為其提供頻率、電壓基準和支撐，隨著新能源滲透率的提高，替換的同步機越來越多，電網(wǎng)穩(wěn)定性問題將愈發(fā)嚴重。

同步電動機-同步發(fā)電機對（motor-generator pair，MGP）新型并網(wǎng)方式為高比例新能源電網(wǎng)架構(gòu)提供了一種新的思路[20]。文獻[21]基于MGP 功角特性提出了源網(wǎng)相位差的控制方法，通過仿真和實驗有效控制了新能源經(jīng)MGP 并網(wǎng)的傳輸功率。本文通過闡述MGP的結(jié)構(gòu)和功角特性，分析了MGP 的慣性水平及阻尼特性；研究了MGP 的功率反饋控制及電壓反饋控制方法，并在實驗系統(tǒng)中進行了驗證；最后，對MGP 在未來高比例新能源電力系統(tǒng)中的應用進行了展望。

1 MGP運行原理

1.1 MGP結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，MGP 并網(wǎng)系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子連接在同一根機械軸上的同步電動機和同步發(fā)電機構(gòu)成。風電、光伏等新能源機組經(jīng)過匯聚后驅(qū)動變頻器帶動同步電動機旋轉(zhuǎn)，機械軸的旋轉(zhuǎn)將帶動同步發(fā)電機發(fā)電。MGP 兩臺電機的轉(zhuǎn)子由聯(lián)軸器連接，不考慮軸系扭轉(zhuǎn)剛度時穩(wěn)態(tài)條件下這兩個轉(zhuǎn)子將同速旋轉(zhuǎn)。通過勵磁控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)MGP的功率傳輸。

圖1 MGP結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of MGP

1.2 MGP功角特性

MGP 系統(tǒng)的功角特性如圖2 所示，和為MGP 兩臺電機的內(nèi)電勢，帶負載后，同步電動機和同步發(fā)電機將會產(chǎn)生兩個功角δM和δG，參考量分別是MGP兩側(cè)的母線電壓UBM和UBG。

圖2 MGP系統(tǒng)的功角特性Fig.2 Power angle characteristics of MGP

若δMG為UBM和UBG的相位差，則有：

同步電動機和同步發(fā)電機的有功功率PM，PG分別可表示為

式中：Xc為電機同步電抗。

由式（2）、式（3）可知，在穩(wěn)定運行范圍之內(nèi)，同步電機傳輸?shù)挠泄β逝cδM和δG有相同的變化趨勢。兩臺同步電機的轉(zhuǎn)子角速度相同，電氣量上表現(xiàn)為和同速旋轉(zhuǎn)。如圖2所示，當MGP傳輸?shù)挠泄β试龃?減小時，δM和δG會同時增大/減小，從而導致δMG的增大/減小。由此可知，MGP傳輸?shù)挠泄β逝cMGP 兩側(cè)電壓相位差δMG有關，可以通過控制δMG來實現(xiàn)有功功率的調(diào)節(jié)。

2 MGP慣性水平和阻尼特性

2.1 MGP的慣性水平

新能源通過MGP 并網(wǎng)后可以為電網(wǎng)增加真實的轉(zhuǎn)動慣量。轉(zhuǎn)動慣量J是表征剛體轉(zhuǎn)動慣性大小的物理量，可以用質(zhì)量塊來進行估算。以火電機組的真實軸系參數(shù)為參考依據(jù)[22]，對比分析同容量MGP 的轉(zhuǎn)動慣量大小?；痣姍C組的機械軸系由勵磁機、發(fā)電機、低壓缸和高壓缸4個質(zhì)量塊組成，MGP 系統(tǒng)由2 臺同步電機和2 套勵磁系統(tǒng)組成，由此可估算出MGP的轉(zhuǎn)動慣量約為同容量火電機組的66%[23]。

轉(zhuǎn)動慣量J可用慣性時間常數(shù)H來規(guī)范：

式中：ω0為額定角速度；SB為額定容量。600 MW 火電機組的H為6.636 s[22]，因此同容量的MGP的H能夠達到4.38 s。

風機、光伏等新能源的并網(wǎng)慣性完全來源于逆變器直流側(cè)電容的儲能，慣性時間常數(shù)HC如下式：

式中：C為逆變器直流側(cè)電容；UC為電容電壓；SN為新能源額定裝機容量。

式（5）中，取UC為625 V，C為0.1 F，可求出600 MW 風場慣性時間常數(shù)HC為0.016 59 s。因此，MGP 慣性大約是同容量新能源機組的400 倍，可為高比例新能源電網(wǎng)提供足夠量級的轉(zhuǎn)動慣量來維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.2 MGP的阻尼特性

同步電機氣隙電磁轉(zhuǎn)矩中與轉(zhuǎn)速偏差Δωr同相位的分量為阻尼轉(zhuǎn)矩分量。在MGP 系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的變化將會導致δM和δG同時變化，從而導致兩臺同步電機各自磁通的變化引起阻尼分量的疊加。本節(jié)在MGP 數(shù)學模型的基礎上推導了MGP經(jīng)典小干擾模型，具體分析阻尼疊加特性。

MGP 的輸入轉(zhuǎn)矩是同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩TeM，標幺值下可表示為

輸出轉(zhuǎn)矩為同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩TeG，標幺值下可表示為

兩臺同步電機的阻尼轉(zhuǎn)矩疊加產(chǎn)生MGP 的阻尼轉(zhuǎn)矩分量。

將式（1）線性化后用ΔδMG來替換ΔδG，可得以Δωr和ΔδMG為狀態(tài)變量的MGP 小干擾狀態(tài)方程如下式：

式中：D 為微分符號；ΔδMG為轉(zhuǎn)子角偏差；KDM，KDG分別為電動機和發(fā)電機的阻尼系數(shù)；KsM，KsG為兩臺電機的同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

根據(jù)式（8）的特征值可求得MGP 阻尼比ζMGP為

在相同的狀態(tài)方程形式下，同步發(fā)電機的阻尼比ζ為

MGP 采用型號相同的兩臺同步機，聯(lián)立式（9）、式（10）可推導得ζMGP和ζ的關系：

3 MGP的并網(wǎng)控制

3.1 基于源網(wǎng)相位差的功率反饋控制

由MGP 的功角特性可知，可以通過控制MGP 的功角δMG，即MGP 兩側(cè)電壓相位差來實現(xiàn)傳輸有功功率的控制，控制框圖如圖3所示。

圖3 MGP源網(wǎng)相位差控制框圖Fig.3 Block diagram of source network phase difference control of MGP

以MGP并網(wǎng)側(cè)的電壓為參考，采集發(fā)電機側(cè)電壓UG、電流IG計算有功功率PG，若實際傳輸?shù)腜G大于目標功率Pref，增加變頻器輸出電壓UM的頻率fM來增大UM和UG相位差δMG，從而增加MGP傳輸?shù)挠泄β?；若PG小于目標功率Pref，減小變頻器輸出電壓頻率fM來減小δMG，從而降低MGP有功功率。通過PI 控制器來實現(xiàn)有功功率的反饋控制，將MGP 實際傳輸?shù)腜G和目標功率Pref的差值作為PI控制器的輸入，反饋計算出變頻器輸出電壓的頻率調(diào)節(jié)量Δf，進而改變變頻器輸出電壓的相位，實現(xiàn)MGP有功功率的閉環(huán)控制。

為驗證控制算法的可行性，搭建了5 kW 的MGP 實驗系統(tǒng)，如圖4 所示。由變頻器驅(qū)動5 kW的交流同步電動機M 帶動5 kW 的同步發(fā)電機G發(fā)電，兩臺電機的勵磁繞組分別接24 V 的直流電源，電量變送器用于測量同步發(fā)電機G 向電網(wǎng)傳輸?shù)挠泄β蔖，PLC 中的控制算法加入了功率反饋調(diào)節(jié)，用于反饋計算和通信。

圖4 MGP實驗系統(tǒng)Fig.4 Experimental system of MGP

啟動變頻器帶動MGP系統(tǒng)發(fā)電，檢測到發(fā)電機電壓UG和電網(wǎng)電壓Ug相位重合時，將MGP 并網(wǎng)運行，設定PLC 控制板的Pref為300 W，穩(wěn)定后測量MGP 輸出的有功功率，同時測量MGP 兩側(cè)電壓的相位差；改變PLC 控制板的Pref為800 W，穩(wěn)定后再次測量MGP 傳輸?shù)挠泄β屎蛢蓚?cè)電壓相位差。實驗結(jié)果如圖5 所示，當Pref從300 W增大到800 W 后，通過反饋控制MGP 兩側(cè)相位差δMG增大，MGP傳輸?shù)挠泄β室矎?00 W 增大到800 W，證明了源網(wǎng)相位差反饋控制方法可以實現(xiàn)MGP有功功率傳輸?shù)挠行Э刂啤?/p>

圖5 功率反饋控制實驗結(jié)果Fig.5 Experimental results of power feedback control

3.2 直流電壓反饋控制

風機、光伏等新能源經(jīng)過MGP 并網(wǎng)時，需結(jié)合新能源的運行特性研究MGP 傳輸有功功率的控制方法。本節(jié)以光伏為例，對新能源驅(qū)動MGP的控制方法進行說明。

光伏板發(fā)出的直流電經(jīng)過逆變器并網(wǎng)時，光伏輸出有功功率與并網(wǎng)逆變器的直流側(cè)穩(wěn)壓電容的電壓大小呈負相關，因此可以通過控制光伏板直流側(cè)電壓對輸出功率進行控制。結(jié)合MGP的有功功率傳輸特性，光伏通過MGP并網(wǎng)的電壓反饋控制如圖6 所示。光伏輸出有功功率Ppv變化時，直流側(cè)電容電壓Udc隨之變化，此時以直流電壓目標值Uref為參考計算出變頻器的頻率調(diào)節(jié)量Δf，控制并網(wǎng)逆變器輸出的電壓UM的頻率fM從而改變MGP 的功角δMG，進而調(diào)節(jié)MGP 的輸出功率PG。

圖6 MGP電壓反饋控制框圖Fig.6 Voltage feedback control block diagram of MGP

在圖4所示的實驗平臺中，用一臺10 kW光伏模擬器模擬光伏板，由PLC 直流電壓反饋控制板來實現(xiàn)有功功率控制。給定光伏模擬器的光照曲線，將PLC 電壓參考值Uref從550 V 降到520 V，直流側(cè)電壓Udc和MGP傳輸有功功率PG的變化如圖7所示。

圖7 電壓反饋控制實驗結(jié)果Fig.7 Experimental results of voltage feedback control

圖7中實驗結(jié)果證明了通過控制光伏并網(wǎng)直流側(cè)電壓可以控制MGP 的功率傳輸，為MGP 系統(tǒng)的后續(xù)研究提供了基礎。

4 MGP應用展望

基于同步電機理論，MGP 從改變新能源并網(wǎng)方式的角度，為解決高比例新能源電網(wǎng)穩(wěn)定問題提供了一種新的方案。根據(jù)以上對MGP 特性的分析，本文總結(jié)出了MGP在高比例新能源電網(wǎng)中的應用場景：

1）我國能源和負荷逆向分布的特點促使大容量、遠距離特高壓直流輸電技術快速發(fā)展。在高占比新能源的送端電網(wǎng)中，由于新能源換流器短路容量和轉(zhuǎn)動慣量不足，導致送端電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，“強直弱交”矛盾突出。MGP 可以有效增加系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量和短路容量，為送端交流電網(wǎng)提供電壓支撐從而提高電網(wǎng)強度，進而提高新能源并網(wǎng)和輸送的可靠性。

2）在未來超高占比新能源電網(wǎng)中，可以考慮將部分比例的新能源通過MGP并網(wǎng)，為電力電子換流器提供基準和支撐，發(fā)揮電力電子器件和同步電機各自的優(yōu)良屬性來更好地保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

MGP 在解決高比例新能源電網(wǎng)面臨的穩(wěn)定問題中的思路如下：

1）針對高比例新能源系統(tǒng)大量慣性缺失而導致的頻率抗擾動能力下降的問題，MGP 真實可靠的轉(zhuǎn)動慣量和慣性響應能夠在擾動初期限制頻率變化的速率，為電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定提供可靠的支撐。另外，為了實現(xiàn)MGP對新能源設備的友好接入以及進一步發(fā)揮其對頻率穩(wěn)定的提升作用，可以利用MGP配合化學儲能參與系統(tǒng)調(diào)頻，同時降低新能源波動對電網(wǎng)帶來的不穩(wěn)定因素。

2）針對并網(wǎng)點暫態(tài)過電壓和多次電壓跌落問題，MGP較強的電壓耐受和過載能力能有效提升新能源的故障穿越能力，減少新能源脫網(wǎng)的風險。此外，在特高壓直流輸電系統(tǒng)的送端，通過控制MGP 的勵磁系統(tǒng)可以為電網(wǎng)提供無功功率和電壓支撐，提高交直流混聯(lián)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

3）針對新能源換流器和電網(wǎng)交互影響產(chǎn)生新的振蕩問題，MGP 的高阻尼特性可以有效衰減非工頻諧波，其機械環(huán)節(jié)隔離了MGP兩側(cè)新能源電場和大電網(wǎng)的電氣連接，有效阻止了一側(cè)的不利擾動向另一側(cè)傳播，從而避免了雙方交互影響導致的振蕩擴大。

5 結(jié)論

針對高比例新能源電網(wǎng)所面臨的各種挑戰(zhàn)，本文提出了新能源采用MGP 并網(wǎng)的新方式，在5 kW 的實驗平臺中初步論證了MGP并網(wǎng)控制方法的可行性，并對MGP未來可能的優(yōu)勢及應用場景進行了展望。相關工作還在起步階段，未來將針對大規(guī)模新能源逆變器如何匯聚啟動MGP、大電網(wǎng)中仿真分析MGP的穩(wěn)定性提升作用、基于經(jīng)濟最優(yōu)如何配置MGP，協(xié)調(diào)MGP 和傳統(tǒng)并網(wǎng)方式的比例進行深入探究。