高渗透率的新能源电力并网系统及稳定性控制方法技术方案

本发明专利技术公开了属于新能源电力系统领域的一种具有高渗透率的新能源电力并网系统及稳定性控制方法。在新能源具有高渗透率(50％到近100％)时，并网系统由原动机、电动机和同步发电机构成，或由电动机和同步发电机构成，这些机组的转子同轴连接，新能源电力经输送和变换后为电动机供电；本发明专利技术与传统的新能源直接并网方式不同，本发明专利技术保证了高渗透率的新能源电力系统具有足够的惯性，从而提高系统的频率稳定性；本发明专利技术保留了同步发电机因而可以有效地阻尼系统振荡，通过其电压和无功功率控制，提高系统功角和电压稳定性；本发明专利技术还保留了传统火电、水电等机组的调峰能力；并通过电动机和同步发电机、原动机的协调控制，改善系统的动态调节特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新能源电力系统
，特别涉及一种。
技术介绍
由于传统化石能源带来的环境问题日益严重，以及传统化石能源面临的未来枯竭的问题，风能发电、太阳能发电等新能源电力以其独特优势已经成为当今能源电力领域发展方向。新能源电力接入电网的比例在这些年里有了很大的提高，在欧洲，德国计划在2020年风电电量将占总发电量的20 %，到2050年将占到50 % ;丹麦在2002年风电出力已达到全国出力的13%，计划2030年将这一指标达到50% ;在美国，风能的并网比例已经在2014年占到10%，在未来几年要提高到30%，各州也相继提出100%新能源并网路线图计划；在日本，新能源发展计划提出到2030年新能源比重将上升到20%的目标;2015年的七国峰会希望在2050年，新能源电力并网的比例要接近100%，越来越多的国家制定了100%的新能源电力目标。人们普遍把新能源电力在电网系统所占比例称为新能源电力的渗透率，在本专利技术中，高渗透率电网是指有高比例新能源电力接入的电网系统，低渗透率电网是指仅有低比例新能源电力接入的电网系统。人们已经通过实践认识到，低渗透率的电网系统和零渗透率的电网系统的表现比较接近，但是，人们也已经预见到，高渗透率的电网系统和零渗透率的电网系统会有本质的区别。图1为零新能源接入的电网81的示意图，零新能源接入的电网81是由同步发电机5安装在电网的不同节电上组成的一个新能源渗透率为零的传统电网。图1中，火电厂或水电厂或核电厂的各同步发电机5接入电网81中，同步发电机5转子的转速与供电频率之间满足严格的同步关系，可同时输出有功功率和无功功率，是传统发电系统普遍采用的发电机。大量同步发电机5的接入为电力系统提供良好的稳定性和调度性，这是由于:1)同步发电机5与其原动机自身带有相当的机械能量和电磁能量，这些能量被称为电网惯性，惯性响应增加了系统阻止频率突变的能力，减小有功突变后频率变化的速度和幅度，为电力系统的故障应急处理和重建功率平衡提供了一定的时间，即提高系统频率稳定性；2)同步发电机5具有性能优异的励磁系统，通过在励磁系统中增加电力系统稳定控制算法实现阻尼控制，从而有效抑制系统振荡，即提高系统功角稳定性；3)同步发电机5的励磁系统可通过调节其励磁电流控制向电网输送无功功率的大小，在系统发生扰动时可提供有效的电压支撑，即提高系统电压稳定性。正是同步发电机5的上述三个主要特点，使得传统的电力系统能够稳定运行。同时使得传统的电力系统在暂态扰动发生后能可靠地过渡到新的稳定运行状态。传统电网发生大面积停电的事故是极少的。图2为具有低渗透率新能源的电网82的示意图，具有低渗透率新能源的电网82是由大量的同步发电机5、少量的风电场6和少量的光伏电场7安装在不同线路上组成的一个具有低渗透率新能源的电网。在图2中，火电厂或水电厂或核电厂的各同步发电机5接入电网82中，新能源如风电场6和光伏电场7通过直接并网方式接入电网82中。在图2所示的新能源电网系统下，风电场6和光伏电场7由于其自身存在随机性、间歇性、波动性，给电力系统带来调峰、稳定运行等问题，由于此时新能源渗透率不高(0到20%或直至50%左右)，同步发电机5的发电量超过并入的新能源发电量，或与并入新能源发电量相当，运行和研究已经表明或预言，大量的同步发电机5的存在仍然可以维持电网的稳定运行。这时，同步发电机5的作用如下:1)在较低的新能源渗透率下，同步发电机5仍然能够为电网提供较高的惯性，使系统在发电侧和需求侧的共同调控下有充足的时间重新建立功率平衡，确保系统的频率稳定性;2)大量的同步发电机5的存在，有利于新能源电力系统的功角稳定性；3)同步发电机5的励磁系统能够在系统发生扰动时调节无功功率输出，提高系统电压稳定性；4)同步发电机5又增加了如下额外的功能，即同步发电机可以通过调峰等运行方式，补偿接入的新能源电力的不稳定性，实现功率平衡。为了进一步提高新能源电网的稳定性，这时需要将需求侧纳入电力系统主动调控之中，此被称为需求侧响应，需求侧响应已经逐步成为电网稳定运行的一个手段。人们通过对风电机组直接并网运行的研究已经发现，由于风电机组替代了部分同步发电机组，直接导致了电网系统中的同步机械和电磁惯性的减少。风力发电机并网和同步发电机并网确实有很大的不同，同步发电机和风力发电机之间的物理差异在于同步发电机的转动部件给电网系统提供了同步机械-电磁惯性，尽管风力发电机也有机械-电磁惯性，但是在通过电力电子变流器并网时，电力电子变流器实现了电磁的同步并网但却失去了机械惯性。同步的机械-电磁惯性对电网系统稳定性的贡献体现在两个方面:同步转矩量和阻尼转矩量。同步转矩量与发动机的转子角度偏差有关，同步转矩量的不足会引起电网的非振荡不稳定性。阻尼转矩量与发动机的转子的速度偏差有关，阻尼转矩量的不足会引起电网的振荡不稳定性。研究明显表明，风电机组的接入增加了电网系统的不稳定性。尽管人们研究发现，可以通过调节控制部分风力发电机的无功功率输出从而提高端电压，使得电网系统的稳定性增加，进而提高风电机组的渗透率。但是这个方法对风电机组渗透率的提高是有一定限度的，这个限度估计在50%左右。综上所述，对新能源电力部分渗透率的电网系统的稳定运行来说，同步发电机5有如下的不可缺少的作用m:l)惯性；2)频率稳定性；3)功角稳定性；4)电压稳定性；5)调峰运行。图3为具有尚渗透率(或接近100%渗透率)新能源的电网83不意图，具有尚渗透率新能源的电网83是由少量的同步发电机5、大量的风电场6和大量的光伏电场7安装在电网的不同节点上组成的一个具有高渗透率新能源的电网。在图3中，新能源并网的方式与图2中的方式相同，大量的新能源如风电场6和光伏电场7通过直接并网方式接入电网83中，新能源渗透率大大增加，仅有极少量火电厂或水电厂或核电厂的各同步发电机5接入电网83中。比较图2的具有低渗透率新能源的电网82和图3的具有高渗透率新能源的电网83，具有高渗透率新能源的电网83中新能源发电量远远大于同步发电机组的发电量，仅有的一些同步发电机组的发电量也由于调峰的用途，而工作在低发电量的水平。近100%新能源接入的电网中出现了几个明显的特点:1)同步发电机数量大大减少，同时随着大量变速风电机组的接入，变速风电机组的转速和电网频率之间不存在直接耦合关系，转子中的惯性能量完全被电力电子变流器“隐藏”起来；而通过电力电子变流器接入电网的太阳能等其他类型的新能源由于不存在旋转电机部件，惯性则更是无从谈起。这导致新能源电力系统的总惯性大大降低，或几乎为零，这就使得电网系统的频率响应变得完全不一样，虽然可采用合适的控制策略使新能源发电系统有类似于传统同步发电机的惯性响应，即“虚拟惯性” M，但该方法往往以降低了如最大风能捕获等风机性能为代价，在电力系统中尚未得到广泛应用，这个方法在近100%渗透率的电网中是否还能够保持电网稳定性是非常不确定的。这个“虚拟惯性”是不可能媲美同步发电机的惯性响应的；2)随着同步发电机数量的大量减少或几乎为零，依靠其励磁系统实现的电力系统功角稳定性的控制能力将不再存在，这将给近100%新能源接入的电网的功角稳定性问题带来巨大挑战；3)随着同步发电机数量的大量减少或几乎本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高渗透率的新能源电力并网系统，其特征在于，包括第一种新能源电力并网系统(100)、第二种新能源电力并网系统(200)、第三种新能源电力并网系统(300)、第四种新能源电力并网系统(400)和具有高渗透率的新能源电网(84)。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永章，卫思明，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11