MGP提高光伏发电系统高电压穿越能力的研究

陈巨龙，张 裕，薛 毅，赵庆明，王 健

（贵州电网有限责任公司电网规划研究中心，贵阳550002）

0 前言

风电、光伏等新能源发展迅速，截止到2018年底，我国风电的装机容量达到1.84亿千瓦，增长12.4%；光伏装机容量1.74亿千瓦，增长33.9%，风电和光伏的装机容量占总装机容量的19%［1］。随着新能源大规模并网以及特高压交直流输电及联网技术快速发展，新能源电场面临的稳定性问题越来越严重。光伏等新能源发电具有较强的波动性和随机性，其普遍不具备暂态电压耐受能力，无论是暂态过电压还是暂态低电压问题均会对新能源机组的运行造成较严重影响［2－5］。

电网由于故障、新能源的孤岛运行、直流换相失败、闭锁等扰动过程会出现暂态过电压现象［2］。对于光伏电站，电网电压骤升容易引起能量由网侧向机侧倒灌，逆变器脱离线性工作区进入过调制工作区运行，使得系统的控制裕度下降，易触发系统的过压和过流保护，从而致使逆变器脱网［6］。目前对于光伏高电压穿越技术的研究尚处于起步阶段，实现光伏发电设备高电压穿越的措施主要有增加额外辅助设备和改进控制策略。在额外辅助设备方面，可以通过增加无功补偿设备、超级电容器和储能系统等；在控制策略方面，对于光伏孤岛运行产生的过电压可以采用附加数字功率计来吸收新能源发出的过多功率［7］，或者通过适当提高直流侧电压参考值来减小直流侧的电压波动等。

上述措施虽然在一定程度上能缓解暂态电压现象对新能源运行造成的影响，但是其局限性很大，并且与新能源电场的运行难以实现较好的匹配。控制策略方面，依靠光伏自身一定的无功调节能力存在固有局限性，无法达到故障电压穿越的更高要求，较复杂的控制策略在实际运行中不易实现，且受变换器容量的限制。尤其对于暂态过电压现象，由于新能源换流器多使用IGBT等全控型器件，其固有耐压能力的限制给暂态过电压问题的有效解决带来了瓶颈［8－10］。

综上，依靠新能源自身的调控作用无法从根本上解决暂态过电压问题，需要寻求新的解决方式。本文研究的同步电机对系统 （motor-generator pair，MGP），最初的提出是用于提升高比例新能源电网的惯性［11－14］。MGP系统是由两台同轴连接的同步电机构成，新能源发电设备通过MGP系统并入电网运行［15－17］。由于新能源和电网之间串入MGP系统，电机轴系会起到机械隔离的作用，这种方式有别于现有新能源高电压穿越方法，具有独特的技术优势。

本文首先分析了MGP的数学模型和功角特性，并从MGP系统提供机械隔离作用的角度出发，分析了其为新能源提供电压隔离保护作用的机理，并通过光伏驱动MGP并网的实验证实了MGP可以有效增强新能源机组的高电压穿越能力，且均高于国家标准［18］，保证光伏发电设备在电网暂态电压故障期间功率的正常送出。

1 MGP功角特性与电压隔离作用的机理

1.1 MGP系统的功角特性

同步电机对系统由两台同步电机组成，其中两台电机分别作为同步电动机和同步发电机状态运行，两台电机之间通过转子的机械转轴连接，因此两台电机的转子以相同的方向和速度旋转。其运行模式为：新能源驱动同步电动机旋转，同步电动机拖动同步发电机并入电网，MGP系统的结构如图1所示。

图1 MGP系统结构

MGP系统由两台同步电机组成，而同步电动机和同步发电机除具体电气量的正方向不同外，两者的电气模型基本相同。

同步电动机和同步发电机的运动方程可以描述为式 （1）和 （2）。其中，HM和HG分别为电动机和发电机的惯性时间常数；TeM和TeG分别为电动机和发电机的电磁转矩；Tm为电机公共转轴的机械转矩；KDM和KDG是电动机和发电机的阻尼系数；ΔωM和ΔωG分别为电动机和发电机的角速度变化量；δM和δG为两电机的转子角［12，19］。

对于MGP，由于两台电机的转速相同，转速变化率也相等，因此联立 （1）、（2）两式可得：

通常，催化剂选择性和和副产品的生成呈反比关系。如图2所示，在一个双反应器隔热测试单元中分别使用新型苯乙烯单体催化剂和市场对标催化剂时，副产物的典型生成量。

可以看到，当电动机的电磁转矩大于发电机的电磁转矩时，电磁转矩的不平衡会造成MGP系统转速的波动，这也是MGP功率波动的体现。进一步地，要实现MGP传输功率的可控以达到新能源通过MGP并网的目的，就必须分析MGP系统的功角特性。MGP系统中有两台同步电机，其功角特性与单机系统不同。

对于并网机组，同步电动机的有功功率方程可简化为：

同理，对于同步发电机有：

由公式 （4）和 （5）可以看出，同步电机的有功功率与功角的变化成正比关系，因此通过控制电机的功角可以控制有功功率的传输。基于传统同步电机的功角特性，可分析MGP的功角特性［20］。

如图2所示 （假定两台电机的初始转子角度差为0），电动机和发电机机端电压的相位改变时，同步电机的功角δM和δG也相应发生变化，此时电机传输功率的变化也与MGP系统传输功率的变化一致。定义δMG为MGP系统的功角，δMG的变化就反映了MGP系统传输有功功率的变化。

图2 MGP的功角关系

文献 ［16］和 ［20］通过MGP的并网实验验证了调节电动机和发电机之间的电压相位差可以改变MGP系统的有功功率传输。并提出了基于源网相位差的控制方法，这体现在必须主动控制新能源侧的电压相位，才能使MGP系统向电网可控地传输有功功率。同样，光伏通过MGP并网同样需要基于MGP的功角控制理论，实现光伏功率通过MGP系统的稳定传输。

1.2 MGP提供电压隔离保护作用的机理

通过对MGP系统的结构和原理的分析可知，其中两台同步电机经机械转轴的连接后，可视作一个单质量块，则MGP系统可以看作由同一个机械系统连接的两套同步电机电气系统。

2 光伏驱动MGP的控制方法

针对光伏发电系统驱动MGP，同样也是基于源网相位差控制的思想，由于光伏发电设备直接产生的是直流电，光伏发电设备系统需要通过逆变器驱动MGP。逆变环节的有功功率传输体现在直流侧电容的充放电过程，其中若直流侧电容放电，则逆变器可以向MGP系统传输有功功率；反之，则功率流动方向相反。可以通过在光伏和逆变器之间附加电压反馈环节得到频率给定值的方式实现光伏侧 （电动机侧）电压相位的控制，从而达到调节光伏电源和发电机之间相位差的效果。

光伏驱动MGP的实验系统的整体结构和控制环节如图3所示。

图3 光伏驱动MGP并网的结构及控制环

其中，UDC为光伏发电设备发出的直流电压；Uref为指定的直流电压参考值；fref为同步电动机电压频率参考值。控制系统计算实际测量的逆变器直流母线电压与设定的直流电压参考值的偏差经过PI调节，计算得到逆变器的频率给定值，逆变器通过通讯实时响应该频率指令。因此，逆变器可以根据光伏的运行需要调整自身的输出电压频率，MGP系统的功角也得到控制，通过该控制环节可以控制光伏发电设备驱动MGP的功率传输过程。

3 光伏驱动MGP的高电压穿越仿真分析

为了验证MGP系统对新能源发电系统的隔离保护作用，在PLECS仿真软件中搭建了新能源通过MGP系统并网的时域仿真模型。其中，以容量为5kW的光伏发电系统模型模拟新能源发电系统；2台额定电压380V、额定容量为5kVA的同步电机同轴相连模拟MGP系统，两台电机均采用定励磁；仿真模型的参数见表1和表2（电机参数均为标幺值）。

表1 仿真参数

表2 同步电机参数

当仿真运行至第15s时，设置电网侧相电压有效值从220V骤升为286V（对应国标光伏高电压穿越标准的1.3 p.u.），持续5s后恢复至220V，分别测量电动机和发电机的机端相电压和相电流、直流母线电压和电机输出频率。仿真结果如图4所示。

如图4所示，电压突增后，发电机电流瞬间增加，从图4（b）可知，此时MGP向电网发出的有功基本不变，无功从0附近，变成负值，这个主要是由于电网电压突增，同步发电机励磁电流无法提供足够的气隙磁场导致，电压差造成同步发电机吸收无功，在过电压过程中，发电机励磁系统会逐渐增加励磁以减少无功吸收。电动机侧由于电机转速的波动，也有电压电流的波动，但是非常小，新能源电场可以保持稳定运行。电压恢复后，经过一个动态过程（该过程类似于低电压过程），MGP系统的运行可以逐渐恢复到原来的状态。

图4 高电压工况仿真结果

4 实验验证

根据以上分析，为了验证MGP系统能提高光伏发电系统的高电压穿越能力，搭建5kW的MGP高电压穿越实验平台。系统结构如图5所示。其中两台同步电机均选用STC-5型号电机，使用可调直流电源分别控制两台电机的励磁电流，DF900型变频器用于驱动MGP，使用62100H-600S型光伏模拟器用于模拟光伏发电设备，61845型电网模拟器用于模拟电网的过电压工况，显示屏和PLC设备组成光伏电压反馈系统。实验系统参数分别见表3。

表3 MGP实验系统参数

图5 MGP电压穿越实验平台

针对高电压穿越实验，通过电网模拟器模拟电网的高电压工况，根据真实的光伏运行数据，实验中采用的光伏运行曲线如图6所示，设置控制系统直流侧电压参考值为570V。

图6 实验的光伏特性曲线

实验开始时，系统处于正常运行状态，电网电压为额定值220V，设置电网过电压故障，电网三相电压在19～24s时间内瞬间升至1.3 p.u.。用录波仪分别测量电动机和发电机侧的有功功率和无功功率，电机的转速和光伏系统的直流母线电压变化。两种工况的实验结果如图7所示。其中，UG、IG、PG、QG分别为发电机的电压、电流、有功和无功；UM、IM、PM、QM分别为电动机的电压、电流、有功和无功；f为变频器输出电压频率，UDC为实际运行中的光伏模拟器输出的直流母线电压值。

图7 高电压工况实验结果

由图7可知，在电压升高时，发电机侧电流突增，在定子侧出现暂态过程，但是由于MGP轴系隔离作用，电动机侧电流波动较小，由于控制系统的反馈调节作用，电容在暂态过程中虽然一直在充放电，但是直流母线电压出现波动幅度很小，光伏运行点逐步回到正常运行位置，直流母线电压基本维持恒定，新能源可以保持稳态运行。故障期间发电机有功功率经过几个周波的振荡衰减恢复稳定输出，电动机有功功率变化不大。反观无功功率从接近0的状态变成负值，这是由于原有恒定的励磁电流无法提供足够的气隙磁场，发电机机端电压的升高造成电机从电网吸收部分无功功率，电压恢复正常后发电机无功变为零，从而在故障期间可以对电网电压提供有力支撑。

由高电压工况的实验结果和分析可知，在国家标准1.3 p.u.的情况下，MGP均能保证光伏发电系统的正常运行，其中MGP固有的机械隔离作用使得电网侧的电压故障无法蔓延至电动机侧，较大的惯性也有利于抑制故障的暂态过程，MGP具备的这些优点均能保证光伏发电系统的正常运行。

5 结论

本文阐述了在高比例新能源接入电网的背景下，暂态电压问题的严重性和电压穿越技术对于新能源发电设备的重要性。然后分析MGP系统的结构、控制原理和MGP为新能源提供的电压隔离保护作用的机理，最后通过实验验证了MGP可以提高光伏发电系统的电压穿越能力。主要结论如下：

（1）在暂态过电压情况下，MGP能为光伏发电系统提供有效的无功支撑和良好的故障电压隔离保护作用；

（2）MGP可以提高光伏发电系统的高电压穿越能力，且高于国家标准，MGP并网方式可以提高光伏发电并网的可靠性。