一种电源同步电网友好型光伏发电并网系统的制作方法

1.本发明涉及能效管理控制方法领域，具体涉及一种电源同步电网友好型光伏发电并网系统。


背景技术：

2.新能源规模稳步扩大的同时，高比例新能源发电接入下电力系统的安全稳定运行、新能源消纳、送出面临巨大挑战。光伏、风电出力随光照、风力短期波动和周期性变化打破了系统原有的功率和能量平衡，易引起系统电压、频率的波动，破坏系统的稳定性，成为高比例新能源消纳的主要障碍。同时，以低惯量、弱支撑为特征的新能源在电网中的比例不断增加，也给电网的稳定运行带来了安全隐患。一方面交直流混联受端电网电压失稳风险增大，大型电源基地外送、区域间交直流联络电网以及局部弱联网地区仍然存在突出的暂态稳定或动态稳定问题，另一方面新能源和直流使得一次、二次调频能力下降，频率控制的难度增大。电网发生故障或扰动时，易引发大规模脱网，进一步恶化系统的稳定性，主要体现在调频、稳态电压支撑、暂态过电压、短路故障等问题。


技术实现要素：

3.本技术提供一种电源同步电网友好型光伏发电并网系统，可以使光伏发电具备火电、水电同步并网特性，大幅度改善光伏发电“低惯量、弱支撑”特性，大幅度提高特高压交直流电网安全稳定运行水平。
4.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种电源同步电网友好型光伏发电并网系统，包括：光伏电池板发出直流电dc，经过升压型dc/dc转换器升压稳压后输入到拖动机驱动变流器中输出交流电，输出的交流电用来驱动电动机m，电动机m通过同轴连接同步发电机g发电，发出的交流电依次经过并网ac接触器k5、并网ac断路器k6，进行并网，储能系统通过双向dc/dc转换器连接至拖动机驱动变流器直流侧，作为光伏能量不足的应急电源；第一厂用电整流连接至拖动机驱动变流器直流侧，作为光伏能量不足且需要一次调频或发生短路故障的备用电源；第二厂用电整流后通过励磁变流器，连接励磁绕组作为同步发电机g的励磁电源，同步发电机g由拖动机驱动变流器控制，拖动机驱动变流器和励磁变流器由总控制器控制。
5.进一步的，总控制器控制方法包括如下步骤：步骤1：总控制器接收启动指令，启动白天工作模式或夜间工作模式，当启动白天工作模式时，运行步骤2，当启动夜间工作模式时，运行步骤3；步骤2：通过拖动机驱动变流器调整同步发电机g的转速或励磁电源的电压，实现同期并网，当电网运行工况正常时，启动步骤2.1白天正常工作模式运行，进行一次调频和稳态电压支撑，否则，启动步骤2.2白天异常运行工作模式运行，提供暂态过电压故障支撑
或电压短路故障支撑；步骤3：通过拖动机驱动变流器调整同步发电机g的转速或励磁电源的电压，实现同期并网，当电网运行工况正常时，启动步骤3.1夜间正常工作模式运行，进行一次调频和稳态电压支撑，否则，启动步骤3.2夜间异常运行工作模式运行，提供暂态过电压故障支撑或电压短路故障支撑。
6.优选的，步骤1根据光伏强度启动白天工作模式或夜间工作模式，当光伏强度足够时，启动白天工作模式，当光伏强度不足时，启动夜间工作模式。
7.进一步的，通过检测升压型dc/dc转换器的输出电压和最大功率点跟踪，确定当前光伏发电即时功率，当当前光伏发电即时功率大于阈值时，启动白天工作模式，否则，启动夜间工作模式。
8.进一步的，步骤2.1白天正常工作模式包括如下步骤：步骤2.1.1：当并网点电压未超过预设死区电压，且并网点频率未超过预设死区频率时，控制拖动机驱动变流器转矩，将光伏发电输送至电网；步骤2.1.2：当并网点电压超过预设死区电压时，进行稳态电压支撑，当并网点稳态电压上升至高于预设死区电压上限值时，调节同步发电机g的励磁电流，增加容性无功输出，当并网点稳态电压下降至低于预设死区电压下限值时，增加感性无功输；步骤2.1.3：当并网点频率超过预设死区频率时，进行一次调频，当并网点频率上升至高于预设死区频率上限值时，通过降低光伏电池板的有功出力来降低系统有功功率输出，当并网点频率下降到低于预设死区频率下限值时，通过储能系统增加有功功率输出，同时，并网点频率上升或下降，同步发电机g在维持原有运行模式的惯性作用下，对并网点频率上升或下降产生一定的阻力，进而对并网点频率进行反向微调。
9.优选的，步骤2.2白天异常运行工作模式中，当并网点电压高于正常电压上限时，进行暂态过电压故障支撑，当并网点电压低于正常电压下限时，进行电压短路故障支撑。
10.进一步的，步骤2.2白天异常运行工作模式中的暂态过电压故障支撑包括如下步骤：
①
计算限幅容量与当前的系统输出容量差值，以容量差值作为励磁电压降幅量，输出给励磁电源，增加容性无功输出；
②
当容量差值＜限幅容量时，总控制器计算容量差值和限幅容量的差值容量，通过差值容量计算同步发电机g的转矩值，将转矩值作为转矩指令输出给拖动机驱动变流器，减少有功输出，同时差值容量可再作为励磁电压降幅量，输出给励磁电源，增加容性无功输出；
③
监测同步发电机g的温度指标，当温度大于设定温度阈值时，计算励磁电压的降幅，输出给励磁电源降低励磁电压，减少容性无功输出；
④
计算并网开关关断时间，当过电压时间＞关断时间，系统脱网；当过电压时间≤关断时间，按步骤2.1白天正常工作模式运行。
11.进一步的，步骤2.2白天异常运行工作模式中的电压短路故障支撑包括如下步骤：当并网点电压三相或任意两相为零，停止运行拖动机驱动变流器，同步发电机g按电动机方式运行，即时监测最大的相电流，综合发电机组最大电流支撑能力，以最大的相电流与最大电流支撑能力的差值，计算并网断路器的关断时间，短路时间＞关断时间，系统脱网；短路
时间≤关断时间，运行拖动机驱动变流器，按步骤2.1白天正常工作模式运行。
12.进一步的，步骤3.1夜间正常工作模式包括如下步骤：步骤3.1.1：当并网点电压未超过预设死区电压，且并网点频率未超过预设死区频率时，系统处于空载状态；步骤3.1.2：当并网点电压超过预设死区电压时，进行稳态电压支撑，当并网点稳态电压上升至高于预设死区电压上限值时，调节同步发电机g的励磁电流，增加容性无功输出，当并网点稳态电压下降至低于预设死区电压下限值时，增加感性无功输；步骤3.1.3：当并网点频率超过预设死区频率时，进行一次调频，当并网点频率上升至高于预设死区频率上限值时，通过降低光伏电池板的有功出力来降低系统有功功率输出，当并网点频率下降到低于预设死区频率下限值时，通过储能系统增加有功功率输出，同时，并网点频率上升或下降，同步发电机g在维持原有运行模式的惯性作用下，对并网点频率上升或下降产生一定的阻力，进而对并网点频率进行反向微调。
13.进一步的，步骤3.2夜间异常运行工作模式包括如下步骤：若电网发生暂态过电压故障，系统按步骤3.2.1运行；若电网发生短路故障，系统按步骤3.2.2运行；步骤3.2.1：若电网发生暂态过电压故障时，首先处于空载状态的同步发电机g通过瞬态电抗和超瞬态电抗自响应瞬间输出容性无功，其次由厂用电为同步发电机g提供励磁电源，通过调节励磁电流，提供容性无功，通过储能系统解决电网暂态过电压故障；步骤3.2.2：若电网需要暂态过电压故障支撑时：并网点电压＞电压阈值时，计算限幅容量与当前的系统输出容量差值，以容量差值作为励磁电压降幅量，输出给励磁电源，增加容性无功输出，同时监测同步发电机g温度指标，当出现温度大于设定温度阈值时，计算励磁电压的降幅，输出给励磁电源降低励磁电压，减少容性无功输出；若电网需要电压短路故障支撑时，计算并网断路器的关断时间，过电压时间＞关断时间，系统脱网；过电压时间≤关断时间，按步骤3.1运行。
14.本发明的有益效果：本技术提供一种电源同步电网友好型光伏发电并网系统，可以使光伏发电具备火电、水电同步并网特性，大幅度改善光伏发电“低惯量、弱支撑”特性，大幅度提高特高压交直流电网安全稳定运行水平。
15.1、 本发明自主设计一种电源同步电网友好型光伏发电并网系统，有效利用了同步发电机的转动惯性在一次调频的过程中自发进行频率调节，当电力系统频率上升时，发电系统转速下降，当电力系统频率下降时，发电系统转速上升，突破传统光伏发电系统在功率最大值的限制，可以过载运行。
16.2、 本发明通过发电并网系统和相应的控制方法，有效克服了传统光伏发电需要通过上级控制指令做出响应，需要经过多重计算输出指令，相应速度慢的缺陷，通过直接采集并网点电压输出指令，相应速度快。
17.3、 本发明在电网发生暂态过电压故障或短路故障时，通过瞬态电抗和超瞬态电抗自响应瞬间输出容性或感性无功，通过系统设计的励磁电源，通过调节励磁电流，提供容性或感性无功，分钟级后由站外共享储能解决电网暂态过电压问题，而传统光伏发电系统不存在瞬态电抗和超瞬态电抗。
18.4、 暂态过程中要求发电机组具有很强的短时过载能力，本发明利用强励能力提
供大量动态无功支撑，帮助系统电压恢复和功率恢复，防止电压崩溃，提高系统电压稳定水平。
附图说明
19.图1为本发明的系统图；图2为本发明的系统控制逻辑图；图3为本发明的控制方法的总图；图4为本发明的白天异常运行图；图5为本发明的夜间异常运行图；图6为本发明的暂态过电压120%un仿真数据图；图7为本发明的短路故障50%un仿真数据图。
具体实施方式
20.下面结合附图以及具体实施方法对本发明一种电源同步电网友好型光伏发电并网系统作进一步详细说明。
21.下述实施例是集合了所有技术特征的具体实施例，不应作为对保护范围的限制。
22.如图1-图5所示，本发明提供一种电源同步电网友好型光伏发电并网系统，包括：电源同步电网友好型光伏发电系统将光伏电池板发出的直流电（dc）经过升压型dc/dc转换器升压稳压后输入到拖动机驱动变流器中，该拖动机驱动变流器为dc-ac变换器（直流电变交流电），输出的交流电用来驱动电动机m，电动机m通过同轴连接同步发电机g发电，发出的交流电经过k5、k6，经过输出变压器升压至35kv或直接并网。
23.储能系统连接至拖动机驱动变流器直流侧，当光伏能量不足时，作为应急电源。第一厂用电通过不控整流或晶闸管整流连接至拖动机直流变流器直流侧，当光伏能量不足时，且需要一次调频或发生短路故障时，作为备用电源。第二厂用电通过不控整流或晶闸管整流作为同步发电机励磁电源，当同步发电机需要无功功率（即电压支撑）支撑时，调节同步发电机励磁电流达到调节无功功率的目的。
24.控制系统主要包括：永磁同步电机控制器（永磁同步电动机驱动逆变器）、ac/dc整流励磁柜，准同期并网装置、总控制器。
25.1永磁同步电动机驱动逆变器：包括转速控制模式和转矩控制模式，根据总控制器的运行模式指令，分别实现永磁同步电机的转速闭环和转矩闭环控制。
26.2ac/dc整流励磁柜：实现ac到dc的可控整流，根据总控制器的电压指令快速调节同步发电机的励磁电压，从而改变励磁电流，实现同步发电机的无功输出。
27.3准同期并网装置：检测电机端三相电压、电网侧三相电压，三相电流。反馈电机端与电网侧三相电压的幅值差、相位差、频率差、无功功率等，一旦幅值差、相位差、频率差达到并网要求，发送并网合闸指令到并网柜，实现无冲击电流的软并网。
28.4总控制器：分并网前控制与并网后控制两个阶段。
29.并网前控制a）接收准同期并网装置的相位差和频率差，通过pi控制器输出转速指令，再叠加上额定转速，作为永磁同步电机控制器的转速指令输入，此时永磁同步电机控制器处于转
速控制模式，通过微调转速实现相位差和频率差达到并网要求；b）接收准同期并网装置的幅值差，通过pi控制器输出电压指令，作为ac/dc整流柜的直流电压指令输入，快速调节同步发电机的励磁电压改变励磁电流，实现同步发电机的三相电压幅值达到并网要求；c）并网合闸指令后，切换永磁同步电机控制器的控制模式，ac/dc整流柜的直流电压指令切换到无功功率闭环。
30.并网后控制：借鉴火力、水力发电光伏电站采用电动机+同步发电机并网，原理如图1和图2所示。光伏发电首先通过dc/dc 控制器升压到一定电压等级的直流电后输送至直流母线或直流输电线；储能通过双向dc/dc接入直流母线或直流输电线，平滑或存储新能源发电；厂用电通过二极管整流后接入直流母线或直流输电线；直流母线通过驱动变流器供电驱动电动机，电动机和同步发电机同轴转动进行发电。
31.系统运行方式如下：预启动状态：系统运行前数据检测准备：
①
总控制器检测光伏方阵dc/dc模块输出电压，根据光伏方阵dc/dc模块mppt控制输出特性，确定当前光伏发电即时功率输出能力；
②
并网柜的准同期并网装置检测对比电网的电压、频率、相位，给总控制器输出相应确保并网条件的调压数据、调频数据；
③
根据电网要求，总控制器预置电网各工况运行的阈值。
32.步骤1（启机模式）：总控制器接受本地启动操作或远程启动指令，根据数据
①
，总控制器通过比对决定系统启动方式：光伏强度足够，数据
①
大于系统的运行损耗（通过前期计算和出厂试验测定）或者设定的启动阈值，系统按步骤2白天工作模式运行；若光伏强度不够，数据
①
大于系统的运行损耗（通过前期计算和出厂试验测定）或者设定的启动阈值，则系统按步骤3夜间工作模式运行。
33.步骤2：根据数据
②
通过驱动变流器调整发电机组的转速或通过励磁电源柜调整发电机励磁电压，实现同期并网，系统并网运行。根据数据
③
，即时检测判断电网参数，选择运行工况：数据
③
在正常运行工况，按步骤2.1白天正常工作模式运行；若数据
③
在故障运行工况，则按步骤2.2白天异常运行工作模式运行。
34.步骤2.1：白天正常工作模式。根据数据
③
通过检测并网点电压和频率来判断判断电网是否需要一次调频和稳态电压支撑。若电网无一次调频和稳态电压支撑需求，系统按步骤2.1.1运行；若电网有一次调频和稳态电压支撑需求，系统按步骤2.1.2运行。
35.步骤2.1.1：根据agc指令和数据
①
，当agc指令值≥数据
①
时，总控制器根据数据
①
计算电机转矩，当agc指令值＜数据
①
时，总控制器根据agc指令值计算电机转矩，电机转矩计算结果作为驱动变流器的转矩指令，驱动变流器处于转矩控制模式。此时系统将光伏发电的全部或者部分电能输送至电网。
36.转矩计算公式：其中，t
set
表示转矩目标值（n
·
m），p
set 表示功率设定值（kw），n表示转速（r/min），p表示磁极对数，f表示并网点电压频率。
37.步骤2.1.2：若电网有一次调频和稳态电压支撑需求。当需要一次调频时，频率下
降时，直流侧储能系统配合光伏系统增加有功功率输出或厂用电通过k1处的不控整流配合光伏系统增加有功功率输出；频率上升时，通过降低光伏电池板的有功出力来降低电源同步电网友好型新型发电并网系统有功功率输出。
38.当需要稳态电压支撑时，厂用电通过k2处的不控整流再通过dc/dc模块为同步发电机g提供励磁电源，通过调节同步发电机的励磁电流输出相应的无功功率，达到稳态电压支撑作用。并网点电压下降时，增加感性无功输出；并网点电压上升时，增加容性无功输出，且此时有功功率输出应根据光伏最大有功出力、调度指令和发电机组有功最大能力决定。
39.步骤2.2：白天异常运行工作模式。通过检测并网点电压判断电网发生暂态过电压故障还是短路故障。若电网发生暂态过电压故障系统，系统按步骤2.2.1运行；若电网发生短路故障，系统按步骤2.2.2运行。
40.步骤2.2.1：根据数据
③
提供电网暂态过电压故障支撑。电网电压＞数据
③
设定的电压阈值时，根据发电机组进相安全运行、低励磁限制的限幅，总控制器根据限幅容量，计算限幅容量与当前的系统输出容量差值，以容量差值作为励磁电压降幅量，输出给励磁电源，增加容性无功输出，如图6为暂态过电压120%un仿真数据图。
41.当容量差值＜限幅容量时，总控制器计算容量差值和限幅容量的差值容量，以差值计算电机转矩大小、作为转矩指令输出给驱动变流器，减少有功输出，同时差值容量可再作为励磁电压降幅量，输出给励磁电源，增加容性无功输出。
42.此过程总控制器应监测发电机各项温度指标，当出现温度大于设定温度阈值时，总控制根据温度阈值区间的大小，计算励磁电压的降幅，输出给励磁电源降低励磁电压，减少容性无功输出。
43.此过程有功输出按优先级系统即进相安全最大容量能力＞agc指令＞数据
①
决策执行。同时，总控制器根据电动机、并网开关过电压保护要求，结合并网开关动作时间，计算关断时间，过电压时间＞关断时间，控制器引发过电压故障、使能并网柜脱网；过电压时间≤关断时间，按步骤2.1运行。
44.步骤2.2.2：根据数据
③
提供电网短路故障支撑，如图7为短路故障50%un仿真数据图。当电网电压三相或任意两相突然为零，总控制器使能驱动变流器停止运行，发电机按电动机方式运行，即时监测最大的相电流，综合发电机组最大电流支撑能力，以最大的相电流与最大电流支撑能力的差值，计算并网断路器的关断时间，短路时间＞关断时间，控制器使能并网柜脱网；短路时间≤关断时间，总控制器使能驱动变流器运行，发电机按步骤2.1正常运行。
45.步骤3：根据数据
②
通过驱动变流器调整发电机组的转速或通过励磁电源柜调整发电机励磁电压，实现同期并网，系统并网运行，并网成功后，总控制器给出指令、停止驱动变流器停止。根据数据
③
，即时检测判断电网参数，选择运行工况：数据
③
在正常运行工况，按步骤3.1夜间正常工作模式运行；若数据
③
在故障运行工况，则按步骤3.2夜间异常运行工作模式运行。
46.步骤3.1：夜间正常工作模式。根据数据
③
通过检测并网点电压和频率来判断电网是否需要一次调频和稳态电压支撑。 若电网无一次调频和稳态电压支撑需求，系统按步骤3.1.1运行；若电网有一次调频和稳态电压支撑需求，系统按步骤3.1.2运行。
47.步骤3.1.1：若电网无一次调频和稳态电压支撑需求。系统处于空载状态（热备
用）。
48.步骤3.1.2：若电网有一次调频和稳态电压支撑需求。频率下降时，直流侧储能系统配合电源同步电网友好型新型发电并网系统增加有功功率输出或厂用电通过k1处的不控整流配合电源同步电网友好型新型发电并网系统增加有功功率输出；频率上升时，站外共享储能系统进行调频。
49.当需要稳态电压支撑时，厂用电通过k2处的不控整流再通过dc/dc模块为发电机提供励磁电源，通过调节同步发电机的励磁电流输出相应的无功功率，达到稳态电压支撑作用。并网点电压下降时，增加感性无功输出；并网点电压上升时，增加容性无功输出。
50.步骤3.2：夜间异常运行工作模式。判断电网发生暂态过电压故障还是短路故障。若电网发生暂态过电压故障，系统按步骤3.2.1运行；若电网发生短路故障，系统按步骤3.2.2运行。
51.步骤3.2.1：若电网发生暂态过电压故障时，首先处于空载状态的同步发电机g通过瞬态电抗和超瞬态电抗自响应瞬间输出容性无功，其次由厂用电通过k2处不控整流和升压型dc/dc转换器为同步发电机提供励磁电源，通过调节励磁电流，提供容性无功，分钟级后由站外共享储能解决电网暂态过电压问题。
52.步骤3.2.2：根据数据
③
提供电网暂态过电压故障支撑。电网电压＞数据
③
设定的电压阈值时，根据发电机组进相安全运行、低励磁限制的限幅，总控制器根据限幅容量，计算限幅容量与当前的系统输出容量差值，以容量差值作为励磁电压降幅量，输出给励磁电源，增加容性无功输出。此过程总控制器应监测发电机各项温度指标，当出现温度大于设定阈值时，总控制根据温度阈值区间的大小，计算励磁电压的降幅，输出给励磁电源降低励磁电压，减少容性无功输出。
53.同时，总控制器根据电动机、并网开关过电压保护要求，结合并网开关动作时间，计算关断时间，过电压时间＞关断时间，控制器引发过电压故障、使能并网柜脱网；过电压时间≤关断时间，按步骤3.1运行。
54.根据数据
③
提供电网短路故障支撑。当电网电压三相或任意两相突然为零，总控制器使能驱动变流器停止运行，发电机按电动机方式运行，即时监测最大的相电流，综合发电机组最大电流支撑能力，以最大的相电流与最大电流支撑能力的差值，计算并网断路器的关断时间，短路时间＞关断时间，控制器使能并网柜脱网；短路时间≤关断时间，总控制器使能驱动变流器运行，发电机按步骤3.1运行。
55.该系统可突破传统电力在时间与空间上的供需约束，具有精准控制、快速响应、灵活配置和四象限灵活调节功率等特点，具备了让光伏电站参与电力系统安全稳定运行控制的能力。可使光伏发电具备火电、水电同步并网特性，大幅度改善光伏发电“低惯量、弱支撑”特性，大幅度提高特高压交直流电网安全稳定运行水平；预计可使新能源接入的电力系统送出断面达到经济输送容量，甚至达到热稳极限，预计提升交流电网断面输送能力，提升直流电网断面输送能力，可进一步提高新能源消纳和送出能力。
56.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
57.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。