一种基于双轴励磁调相机的电网惯量支撑方法和系统

本发明涉及电网惯量支撑，具体涉及一种基于双轴励磁调相机的电网惯量支撑方法和系统。

背景技术：

1、随着风能、光伏等新能源大规模接入电力系统，电力系统“双高”（高比例新能源、高比例电力电子设备）特征凸显。由于新能源机组呈现出弱惯性或无惯性特征，在无附加控制的情况下，新能源机组在惯量响应阶段并不具备分配系统扰动功率的能力。同时考虑到新能源随机性、波动性等特点，导致传统同步机组调频效果有限、系统惯量下降、调频能力减弱、频率越限风险增加的现状，给电网安全稳定运行带来挑战。目前亟需一种经济有效的调频方法提供系统惯量支撑，增强系统频率稳定性。

2、因此，如何提供一种经济有效的调频方法提供系统惯量支撑的方法，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决新型电力系统波动性大、稳定性低、传统同步发电机调频能力不足的问题，本发明提供了一种基于双轴励磁调相机的电网惯量支撑方法，将双轴励磁调相机经过升压变压器并入电网。

2、一种基于双轴励磁调相机的电网惯量支撑方法，包括：

3、步骤s1：将双轴励磁调相机经过变压器并入电网，所述双轴励磁调相机在d轴和q轴均设有励磁绕组；

4、步骤s2：计算电网的平均系统频率，并根据所述系统频率计算所述双轴励磁调相机需发出的有功信号，将所述有功信号转换为励磁电压信号以使所述双轴励磁调相机发出有功功率；

5、步骤s3：实时检测电网的系统频率；当电网的系统频率下降时，升高y轴的励磁电压使所述双轴励磁调相机发出有功功率；当电网的系统频率上升时，降低y轴的励磁电压使所述双轴励磁调相机吸收有功功率；

6、步骤s4：当所述双轴励磁调相机对电网施加惯性功率且电网稳定后，控制所述双轴励磁调相机转速与电网保持同步。

7、在其中一些具体实施例中，当系统频率上升时，所述双轴励磁调相机吸收有功功率，惯性有功功率为负；当系统频率下降时，所述双轴励磁调相机发出有功功率，惯性有功功率为正；所述双轴励磁调相机为电网系统提供的惯性功率与系统频率之间的关系如下式所示：

8、；

9、；

10、式中，pref为惯性有功功率；c为正的频率支撑系数；为按容量加权的系统频率，用以表示电网运行时的整体频率状况；k表示电网中第k个子系统；k为子系统总数；fk*为第k个子系统的频率标幺值，sn,k表示第k个子系统的容量。

11、在其中一些具体实施例中，所述惯性有功功率满足双轴励磁调相机的调频约束，如下式所示：

12、；

13、式中，ωmin为双轴励磁调相机最小机械角速度；ωmax为双轴励磁调相机最大机械角速度；ω0为初始机械角速度；j为双轴励磁调相机转动惯量；pl为机械功率。

14、在其中一些具体实施例中，所述双轴励磁调相机在惯量支撑时发出或吸收有功功率导致转速变化后，需维持一段时间的异步运行以避免发生二次频率跌落。

15、在其中一些具体实施例中，经过双轴励磁调相机的调节，待系统稳定后，调相机从系统发出或吸收功率，使转速重新稳定至同步速，此时目标有功功率根据下式可知：

16、；

17、式中，c2为转速恢复系数，为负值，体现双轴励磁调相机回到同步速的快慢，t为双轴励磁调相机转速返回同步速所需的时间；t为双轴励磁调相机转速返回同步速的时间；t1为调节双轴励磁调相机转速返回同步速的起始时刻。

18、为实现同一发明目的，本技术还提供了一种基于双轴励磁调相机的电网惯量支撑系统，包括双轴励磁调相机、功率调节模块和转速稳定模块，

19、所述双轴励磁调相机经过变压器并入电网，所述双轴励磁调相机在d轴和q轴均设有励磁绕组；

20、所述双轴励磁调相机包括励磁系统、惯量支撑控制器，所述励磁系统与所述励磁绕组连接，用于为所述双轴励磁调相机提供励磁电压，所述惯量支撑控制器与所述励磁系统连接，用于为所述励磁系统提供所需励磁电压信号；

21、所述惯量支撑控制器包括系统频率计算器、pi控制器；所述系统频率计算器用于计算平均系统频率，并将所述系统频率传输至pi控制器；所述pi控制器根据所述系统频率计算所述双轴励磁调相机需发出的有功信号，并将所述有功信号转换为励磁电压信号并传输至所述励磁系统以发出有功功率；

22、所述功率调节模块用于实时检测电网的系统频率，以及当电网的系统频率下降时，升高y轴的励磁电压使所述双轴励磁调相机发出有功功率；当电网的系统频率上升时，降低y轴的励磁电压使所述双轴励磁调相机吸收有功功率；

23、所述转速稳定模块用于当所述双轴励磁调相机对电网施加惯性功率且电网稳定后，控制所述双轴励磁调相机转速与电网保持同步。

24、在其中一些具体实施例中，当系统频率上升时，所述双轴励磁调相机吸收有功功率，惯性有功功率为负；当系统频率下降时，所述双轴励磁调相机发出有功功率，惯性有功功率为正；所述双轴励磁调相机为电网系统提供的惯性功率与系统频率之间的关系如下式所示：

25、；

26、；

27、式中，pref为惯性有功功率；c为正的频率支撑系数；为按容量加权的系统频率，用以表示电网运行时的整体频率状况；k表示电网中第k个子系统；k为子系统总数；fk*为第k个子系统的频率标幺值，sn,k表示第k个子系统的容量。

28、在其中一些具体实施例中，所述惯性有功功率满足双轴励磁调相机的调频约束，如下式所示：

29、；

30、式中，ωmin为双轴励磁调相机最小机械角速度；ωmax为双轴励磁调相机最大机械角速度；ω0为初始机械角速度；j为双轴励磁调相机转动惯量；pl为机械功率。

31、在其中一些具体实施例中，所述双轴励磁调相机在惯量支撑时发出或吸收有功功率导致转速变化后，需维持一段时间的异步运行以避免发生二次频率跌落。

32、在其中一些具体实施例中，经过所述双轴励磁调相机的调节，待系统稳定后，所述双轴励磁调相机发出或吸收功率，使转速重新稳定至同步速，此时目标有功功率为：

33、；

34、式中，c2为转速恢复系数，为负值，体现双轴励磁调相机回到同步速的快慢，t为双轴励磁调相机转速返回同步速所需的时间；t为双轴励磁调相机转速返回同步速的时间；t1为调节双轴励磁调相机转速返回同步速的起始时刻。

35、上述技术方案的有益效果：

36、本发明提出了一种基于双轴励磁调相机的电网惯量支撑方法，相比传统调相机主要控制无功功率，本技术使用双轴励磁调相机在d轴与q轴上均设有绕组，能够实现有功无功的解耦控制。当系统频率下降时，根据系统频率自适应地计算得到双轴励磁调相机目标有功信号，通过有功跟踪调节，双轴励磁调相机转速下降，转子动能转化为电能传输至电网，进而实现电网惯量支撑，减小线路故障或扰动时频率的波动。经过一次调频等措施，系统稳定后，双轴励磁调相机再从电网吸收有功，使转速上升至同步速。该方法仅需将传统同步双轴励磁调相机多设置一套绕组，成本较低，经济性好，同时能够有效降低传统同步发电机的调节压力，为系统频率稳定性提供重要支撑。