高滲透率的新能源電力并網系統(tǒng)及穩(wěn)定性控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于新能源電力系統(tǒng)技術領域，特別涉及一種高滲透率的新能源電力并網系統(tǒng)及穩(wěn)定性控制方法。
【背景技術】
[0002]由于傳統(tǒng)化石能源帶來的環(huán)境問題日益嚴重，以及傳統(tǒng)化石能源面臨的未來枯竭的問題，風能發(fā)電、太陽能發(fā)電等新能源電力以其獨特優(yōu)勢已經成為當今能源電力領域發(fā)展方向。新能源電力接入電網的比例在這些年里有了很大的提高，在歐洲，德國計劃在2020年風電電量將占總發(fā)電量的20 %，到2050年將占到50 % [1];丹麥在2002年風電出力已達到全國出力的13%，計劃2030年將這一指標達到50% ;在美國，風能的并網比例已經在2014年占到10%，在未來幾年要提高到30%，各州也相繼提出100%新能源并網路線圖計劃；在日本，新能源發(fā)展計劃提出到2030年新能源比重將上升到20%的目標[2];2015年的七國峰會希望在2050年，新能源電力并網的比例要接近100%，越來越多的國家制定了100%的新能源電力目標[3]。
[0003]人們普遍把新能源電力在電網系統(tǒng)所占比例稱為新能源電力的滲透率，在本發(fā)明中，高滲透率電網是指有高比例新能源電力接入的電網系統(tǒng)，低滲透率電網是指僅有低比例新能源電力接入的電網系統(tǒng)。人們已經通過實踐認識到，低滲透率的電網系統(tǒng)和零滲透率的電網系統(tǒng)的表現(xiàn)比較接近，但是，人們也已經預見到，高滲透率的電網系統(tǒng)和零滲透率的電網系統(tǒng)會有本質的區(qū)別。
[0004]圖1為零新能源接入的電網81的示意圖，零新能源接入的電網81是由同步發(fā)電機5安裝在電網的不同節(jié)電上組成的一個新能源滲透率為零的傳統(tǒng)電網。圖1中，火電廠或水電廠或核電廠的各同步發(fā)電機5接入電網81中，同步發(fā)電機5轉子的轉速與供電頻率之間滿足嚴格的同步關系，可同時輸出有功功率和無功功率，是傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)普遍采用的發(fā)電機。大量同步發(fā)電機5的接入為電力系統(tǒng)提供良好的穩(wěn)定性和調度性，這是由于:
[0005]1)同步發(fā)電機5與其原動機自身帶有相當?shù)臋C械能量和電磁能量，這些能量被稱為電網慣性，慣性響應增加了系統(tǒng)阻止頻率突變的能力，減小有功突變后頻率變化的速度和幅度，為電力系統(tǒng)的故障應急處理和重建功率平衡提供了一定的時間，即提高系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性；
[0006]2)同步發(fā)電機5具有性能優(yōu)異的勵磁系統(tǒng)，通過在勵磁系統(tǒng)中增加電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制算法實現(xiàn)阻尼控制，從而有效抑制系統(tǒng)振蕩，即提高系統(tǒng)功角穩(wěn)定性；
[0007]3)同步發(fā)電機5的勵磁系統(tǒng)可通過調節(jié)其勵磁電流控制向電網輸送無功功率的大小，在系統(tǒng)發(fā)生擾動時可提供有效的電壓支撐，即提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。
[0008]正是同步發(fā)電機5的上述三個主要特點，使得傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。同時使得傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)在暫態(tài)擾動發(fā)生后能可靠地過渡到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。傳統(tǒng)電網發(fā)生大面積停電的事故是極少的。
[0009]圖2為具有低滲透率新能源的電網82的示意圖，具有低滲透率新能源的電網82是由大量的同步發(fā)電機5、少量的風電場6和少量的光伏電場7安裝在不同線路上組成的一個具有低滲透率新能源的電網。在圖2中，火電廠或水電廠或核電廠的各同步發(fā)電機5接入電網82中，新能源如風電場6和光伏電場7通過直接并網方式接入電網82中。在圖2所示的新能源電網系統(tǒng)下，風電場6和光伏電場7由于其自身存在隨機性、間歇性、波動性，給電力系統(tǒng)帶來調峰、穩(wěn)定運行等問題，由于此時新能源滲透率不高(0到20%或直至50%左右)，同步發(fā)電機5的發(fā)電量超過并入的新能源發(fā)電量，或與并入新能源發(fā)電量相當，運行和研究已經表明或預言，大量的同步發(fā)電機5的存在仍然可以維持電網的穩(wěn)定運行。這時，同步發(fā)電機5的作用如下:
[0010]1)在較低的新能源滲透率下，同步發(fā)電機5仍然能夠為電網提供較高的慣性，使系統(tǒng)在發(fā)電側和需求側的共同調控下有充足的時間重新建立功率平衡，確保系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性[4 5];
[0011]2)大量的同步發(fā)電機5的存在，有利于新能源電力系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性；
[0012]3)同步發(fā)電機5的勵磁系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)發(fā)生擾動時調節(jié)無功功率輸出，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性；
[0013]4)同步發(fā)電機5又增加了如下額外的功能，即同步發(fā)電機可以通過調峰等運行方式，補償接入的新能源電力的不穩(wěn)定性，實現(xiàn)功率平衡。
[0014]為了進一步提高新能源電網的穩(wěn)定性，這時需要將需求側納入電力系統(tǒng)主動調控之中，此被稱為需求側響應，需求側響應已經逐步成為電網穩(wěn)定運行的一個手段。
[0015]人們通過對風電機組直接并網運行的研究已經發(fā)現(xiàn)，由于風電機組替代了部分同步發(fā)電機組，直接導致了電網系統(tǒng)中的同步機械和電磁慣性的減少。風力發(fā)電機并網和同步發(fā)電機并網確實有很大的不同，同步發(fā)電機和風力發(fā)電機之間的物理差異在于同步發(fā)電機的轉動部件給電網系統(tǒng)提供了同步機械-電磁慣性，盡管風力發(fā)電機也有機械-電磁慣性，但是在通過電力電子變流器并網時，電力電子變流器實現(xiàn)了電磁的同步并網但卻失去了機械慣性。
[0016]同步的機械-電磁慣性對電網系統(tǒng)穩(wěn)定性的貢獻體現(xiàn)在兩個方面:同步轉矩量和阻尼轉矩量。同步轉矩量與發(fā)動機的轉子角度偏差有關，同步轉矩量的不足會引起電網的非振蕩不穩(wěn)定性。阻尼轉矩量與發(fā)動機的轉子的速度偏差有關，阻尼轉矩量的不足會引起電網的振蕩不穩(wěn)定性。
[0017]研究明顯表明，風電機組的接入增加了電網系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。盡管人們研究發(fā)現(xiàn)，可以通過調節(jié)控制部分風力發(fā)電機的無功功率輸出從而提高端電壓，使得電網系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，進而提高風電機組的滲透率。但是這個方法對風電機組滲透率的提高是有一定限度的，這個限度估計在50%左右[6]。
[0018]綜上所述，對新能源電力部分滲透率的電網系統(tǒng)的穩(wěn)定運行來說，同步發(fā)電機5有如下的不可缺少的作用m:l)慣性；2)頻率穩(wěn)定性；3)功角穩(wěn)定性；4)電壓穩(wěn)定性；5)調峰運行。
[0019]圖3為具有尚滲透率(或接近100%滲透率)新能源的電網83不意圖，具有尚滲透率新能源的電網83是由少量的同步發(fā)電機5、大量的風電場6和大量的光伏電場7安裝在電網的不同節(jié)點上組成的一個具有高滲透率新能源的電網。在圖3中，新能源并網的方式與圖2中的方式相同，大量的新能源如風電場6和光伏電場7通過直接并網方式接入電網83中，新能源滲透率大大增加，僅有極少量火電廠或水電廠或核電廠的各同步發(fā)電機5接入電網83中。比較圖2的具有低滲透率新能源的電網82和圖3的具有高滲透率新能源的電網83，具有高滲透率新能源的電網83中新能源發(fā)電量遠遠大于同步發(fā)電機組的發(fā)電量，僅有的一些同步發(fā)電機組的發(fā)電量也由于調峰的用途，而工作在低發(fā)電量的水平。
[0020]近100%新能源接入的電網中出現(xiàn)了幾個明顯的特點:
[0021]1)同步發(fā)電機數(shù)量大大減少，同時隨著大量變速風電機組的接入，變速風電機組的轉速和電網頻率之間不存在直接耦合關系，轉子中的慣性能量完全被電力電子變流器“隱藏”起來；而通過電力電子變流器接入電網的太陽能等其他類型的新能源由于不存在旋轉電機部件，慣性則更是無從談起。這導致新能源電力系統(tǒng)的總慣性大大降低，或幾乎為零，這就使得電網系統(tǒng)的頻率響應變得完全不一樣，雖然可采用合適的控制策略使新能源發(fā)電系統(tǒng)有類似于傳統(tǒng)同步發(fā)電機的慣性響應，即“虛擬慣性” M，但該方法往往以降低了如最大風能捕獲等風機性能為代價，在電力系統(tǒng)中尚未得到廣泛應用，這個方法在近100%滲透率的電網中是否還能夠保持電網穩(wěn)定性是非常不確定的。這個“虛擬慣性”是不可能媲美同步發(fā)電機的慣性響應的；
[0022]2)隨著同步發(fā)電機數(shù)量的大量減少或幾乎為零，依靠其勵磁系統(tǒng)實現(xiàn)的電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的控制能力將不再存在，這將給近100%新能源接入的電網的功角穩(wěn)定性問題帶來巨大挑戰(zhàn)；
[0023]3)隨著同步發(fā)電機數(shù)量的大量減少或幾乎為零，依靠其勵磁系統(tǒng)實現(xiàn)的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的控制能力也將不再存在，同時由于基于感應發(fā)電機的風力發(fā)電機組在暫態(tài)擾動過程中消耗大量的無功功率，導致電壓穩(wěn)定性問題更加突出，雖然雙饋式感應發(fā)電機(DFIG)以其無功功率和電壓調節(jié)能力得到廣泛應用，但由于自身換流器容量限制，其電壓控制能力不能達到同步發(fā)電機組的效果。當電壓控制需求超出DFIG控制能力后，電網電壓穩(wěn)定性仍會受到影響[6];
[0024]4)由于同步發(fā)電機組的減少，其總調峰能能力大大減弱，或幾乎為零，這就使得功率平衡成為一個難點問題。
[0025]那么圖3的近100%新能源接入的電網系統(tǒng)還能夠可靠運行嗎？這是全世界的新能源系統(tǒng)都要面對和回答的問題。
[0026]盡管人們在討論和研究大規(guī)模儲能技術及其為高滲透率新能源電力系統(tǒng)帶來的穩(wěn)定運行的可能性，但是可以預見的是，大規(guī)模儲能系統(tǒng)的成熟和安全運行還有很多尚未解決的技術難題。
[0027]因此，如圖3所示的近100%新能源接入的電網，電網近似成為零慣性系統(tǒng)，導致電力系統(tǒng)保持頻率穩(wěn)定、功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和調峰運行等能力都大大減弱，新能源電力系統(tǒng)運行可靠性大大降低。為了應對高滲透率的新能源并網難題，新能源電力系統(tǒng)急需探索一種新的、可靠的新能源接入解決方案。
[0028]參考文獻:
[0029][1]王錫凡，衛(wèi)曉輝，寧聯(lián)輝，等.海上風電并網與輸送方案比較[J].中國電機工程學報，2014，(31).DOIj.0258-8013.pcsee.2014.31.001.
[0030][2]李興鵬.新能源并網的關鍵技術研究[D].浙江大學，2013.[0031 ] [ 3 ] R E N.Renewables 2013:Global Status Report [J].Ren21Secretariat&ffashington Dc fforldwatch Institute,2013.
[0032][4]De Jonghe C, Hobbs B F, Belmans R.0ptimal Generat1n Mix withShort-Term Demand Response and Wind Penetrat1n[J].Power Systems IEEETransact1ns on,2012,27 (2):830-839.
[0033][5]Zhao C, Wang J, Watson J P, et al.Mult1-Stage Robust Unit CommitmentConsidering Wind and Demand Response Uncertainties[J].Power Systems IEEETransact1ns on,2013, 28(3):2708-2717.
[0034][6]Meegahapola L, Flynn D, Littler T.Transient stability analysis of apower system with high wind penetrat1n[C]//Universities Power EngineeringConference, 3008.UPEC 3008.43rd Internat1nalIEEE, 3008:1-5.
[0035][7]P.Kundur.Power System Stability and Control[M]//
[0036][8] Sun H S, Ju L, Wen J Y, et al.Participat1n of large-scale windpower generat1n in power system frequency regulat1n[J].Chinese ScienceBulletin, 2013，36 期(36):4557-4565.

【發(fā)明內容】

[0037]本發(fā)明的目的是提供一種高滲透率新能源電力并網系統(tǒng)及穩(wěn)定性控制方法；
[0038]所述高滲透率的新能源電力并網系統(tǒng)包括第一種新能源電力并網系統(tǒng)100、第二種新能源電力并網系統(tǒng)200、第三種新能源電力并網系統(tǒng)300、第四種新能源電力并網系統(tǒng)400和具有高滲透率的新能源電網84 ;
[0039]所述第一種新能源電力并網系統(tǒng)100由第一原動機101、第一電動機102、第一同步發(fā)電機103，這些轉動機組的轉子同軸連接組成的發(fā)電系統(tǒng)和新能源發(fā)電設備4，并且新能源發(fā)電設備4與第一電動機102連接組成；其中新能源發(fā)電設備4向第一電動機102供電，第一同步發(fā)電機