电机串联新能源并网系统的控制方法及其运行模式
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学) 的研究人员周莹坤、卫思明、许国瑞、李松、黄永章，在2017年《电工技术学报》增刊2上撰文指出，随着新能源并网渗透率的不断提高，同步发电机被并网逆变器替换造成的系统惯性大幅减少，引发新能源电力系统的稳定性问题越来越严重。
为了提升新能源并网惯性，提出了基于电动机-发电机串联(MGP)的并网系统。首先通过分析双机机端电压及励磁电势相位关系，确定MGP系统传输新能源发出的有功功率与电机参数之间的关系，建立了改变源网相位差的控制方法，以控制MGP系统的有功传输，实现对MGP系统的功率闭环控制。
接着对MGP系统的稳定运行模式进行了研究，提出一个可以利用源网相位控制方法来运行的模式。在该模式下，MGP系统可以稳定传输有功功率。最后通过仿真和实验验证了该控制方法的可行性。
能源在社会发展中起着重要的推动作用。电力作为清洁高效的能源形式，关乎国计民生。当前，包括光伏和风电在内的分布式能源将越来越多的被接入到电网中。降低化石能源占比，为能源的可持续及清洁化运行提供可能，是未来电力系统的发展趋势[1]。
分布式发电系统是位于用户附近的小型模块化电力能源集成形式，它靠近用户并可与配电网互联。在改善电网运行的经济性，构建环境友好型的电力系统等方面都有着重要意义[2-7]。然而分布式能源迅猛发展的同时，也带来了诸多挑战，由于分布式电源接入电网造成的故障增多，产生了大量的弃风、弃光现象。这在一定程度上制约了分布式发电的发展，甚至威胁电力系统的安全稳定运行[8]。
除了运行成本和管理上的问题，分布式发电一般采用电力电子逆变器并入电网，相比传统并网方式（比如同步发电机），其具有控制灵活、响应迅速等特点，但是也存在非线性特征明显、缺少惯性等不足。随着新能源发电电源渗透率的不断增加，电力系统中将出现大量并网的电力电子逆变器，相比之下，传统同步发电机的装机比例将降低，从而使得电力系统的旋转备用容量和转动惯性相对减少。
此外，分布式电源的并网控制策略各异，加之其输出功率具有波动性和不确定性等特点，很难满足电力系统所要求的调频调压运行特性，这给电网的安全稳定运行也带来了严峻的挑战[9]。由此可见，如何响应国家号召，通过供给侧改革，从源头改进，确保高比例的分布式电源友好地接入电网是目前有关电力系统稳定的一个关键问题。
为了应对分布式电源的大量接入对系统安全稳定运行带来的影响和挑战，很多科研工作者对于传统的并网逆变器在性能和技术上均进行了相应的改进，对逆变器接口的控制方法进行了研究。其中大量学者通过有功-频率控制方法的研究，使逆变器模拟同步发电机的调速特性，用以表征有功功率和系统频率的下垂特性，并通过逆变器下垂控制实现。其结构简单易行，可以实现多电源并联运行时的有功功率按容量分配[10,11]。基于上述方法，在电网发生振荡时的改进控制方法也有相关研究[12]。
但是上述改进对于电网由于惯性降低而降低的频率稳定性的提升效果还是有限。为了模拟系统发生小干扰时，同步发电机维持电网稳定所提供的调频支持能力，大量学者提出了虚拟惯性控制[13,14]。鲁汶大学提出了虚拟同步发电机（VirtualSynchronous Generator， VSG）方案，在外特性上模拟了同步发电机的摇摆方程，克劳斯塔尔工业大学提出了虚拟同步电机（virtualsynchronous machine，VISMA）技术，可以利用电池储能系统，更好地使逆变器体现同步电机的惯性特性，为系统提供频率支撑[15,16]。
大阪大学的伊濑敏史教授等提出的虚拟同步发电机控制基于同步发电机的机电暂态模型，在频率控制上模拟同步发电子的转子惯量与系统调频特性，在电压控制上，考虑无功-电压关系，以控制电压稳定输出[17]。利物浦大学的钟庆昌教授，从同步发电机的交流侧动态模型入手，同时考虑了同步发电机的机电暂态和电磁暂态特性，提出的同步逆变器（synchronverter）实现了同步发电机和逆变器在物理和数学模型上的等效，在此基础上还提出了虚拟同步发电机的自同步运行，以及基于整流器的虚拟同步系统[18,19]。
然而现有的改进控制方式，均从控制上着手，改进逆变器的并网特性，传统逆变器并网所面临的所有问题，均对这些改进方法造成影响，例如新能源源端动态过程对于逆变器控制的影响，大量分布式电源同时并网的同步运行问题等。
为解决上述问题，文献[20]提出了一种全新的思路用以改善新能源并网惯性缺失的问题，即新能源采用电机串联系统(Motor-GeneratorPair, MGP)并网。逆变器不直接并网，而是采用逆变器-电动机-同步发电机的形式并网，可以利用同步发电机的固有惯性，提升新能源并网惯性，而且同步发电机的控制可以完全遵循现有同步发电机的控制方法，大大提升新能源并网的安全性，减少新能源并网对于电网的冲击。
本文从MGP并网系统的基本模型出发，提出了MGP系统的源网相位控制策略，用于控制MGP系统跟随新能源有功功率波动。同时，本文讨论了MGP系统在实际应用过程中的平稳运行模式，得出了一种可以利用现有火力发电厂同步发电机的控制方法的运行模式。最后通过仿真和实验对于MGP系统的可行性进行了验证分析，证明利用MGP系统可以安全有效地实现新能源并网。
图1 MGP系统主方案结构图
结论
本文提出了一种可以提升新能源并网惯性的并网结构——MGP并网系统。通过对MGP系统的基本模型进行分析，提出了MGP系统的源网相位控制方法，并通过仿真和实验验证了MGP系统的并网可行性。
进一步分析可知，采用源网相位控制，可以将逆变器-电动机的组合与传统火力发电厂的原动机调速设备等效，进行有功控制；再利用同步发电机的励磁控制，可以将传统同步发电机的稳定控制方法全部应用到MGP系统中，这样就可以用传统发电厂的成熟的控制方法来控制MGP系统，这对于并网系统的发展有着重要作用。
在后续工作当中，应当进一步研究MGP系统对于系统惯性支撑的作用，以及多MGP系统并联运行的协同控制问题。同时，还需要考虑同步电机励磁系统对于电力系统的影响，研究适合MGP系统的PSS系统和有功功率控制方式。