本發(fā)明屬于新能源發(fā)電，涉及一種雙繞組異步電機(jī)接口的新能源并網(wǎng)設(shè)備及其控制方法。
背景技術(shù)：
1、近年來(lái)，全球能源結(jié)構(gòu)加速向清潔低碳方向轉(zhuǎn)型，以風(fēng)電、光伏為代表的新能源發(fā)電裝機(jī)容量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。然而，新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)帶來(lái)的不僅是碳排放量的降低，更引發(fā)了電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行機(jī)理的根本性變革。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)基于同步發(fā)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)慣量和電磁特性構(gòu)建的穩(wěn)定框架，正在被大量并網(wǎng)逆變器構(gòu)成的“靜止電力系統(tǒng)”所顛覆，由此產(chǎn)生的寬頻振蕩、慣量缺失與短路容量下降等問(wèn)題，已成為制約新能源消納與電力系統(tǒng)安全的關(guān)鍵瓶頸。
2、并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)的交互作用引發(fā)了一系列新型寬頻振蕩問(wèn)題，頻段覆蓋次同步(10～100hz)至超同步(100～1000hz)范圍，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。lc/lcl濾波器和鎖相環(huán)是并網(wǎng)逆變器的關(guān)鍵組件，但是兩者也是引發(fā)寬頻振蕩的主要因素。lc/lcl濾波器固有諧振頻率與電網(wǎng)阻抗耦合后形成多個(gè)諧振點(diǎn)，容易被激發(fā)產(chǎn)生振蕩。鎖相環(huán)不僅自身的動(dòng)態(tài)特性影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且其與其他控制環(huán)節(jié)的交互作用也容易使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的控制不需要lc/lcl濾波器和鎖相環(huán)，因此穩(wěn)定性較高，產(chǎn)生寬頻振蕩的可能性較小。
3、傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子具有機(jī)械慣性特征。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生功率擾動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子通過(guò)動(dòng)能-電能的自主轉(zhuǎn)換，可在數(shù)十秒時(shí)間尺度內(nèi)釋放或吸收能量，這種物理慣性為頻率穩(wěn)定提供了天然緩沖。新能源通過(guò)并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)時(shí)，其能量轉(zhuǎn)換完全受控于電力電子器件，喪失了旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性響應(yīng)能力。2022年英國(guó)電網(wǎng)頻率跌至49.5hz的險(xiǎn)情，正是慣量?jī)?chǔ)備不足導(dǎo)致的一次調(diào)頻響應(yīng)滯后的典型案例。
4、發(fā)電機(jī)在故障期間可提供6～10倍額定電流的短路電流，使得故障點(diǎn)電壓不會(huì)立即崩潰。這種強(qiáng)短路能力可以為繼電保護(hù)裝置提供可靠的動(dòng)作信號(hào)，確保故障快速切除。并網(wǎng)逆變器受半導(dǎo)體器件熱極限約束，通常僅能提供1.2～1.5倍額定電流的短路電流，且持續(xù)時(shí)間不超過(guò)100ms。短路電流水平下降可能導(dǎo)致電流差動(dòng)保護(hù)、過(guò)流保護(hù)等無(wú)法可靠動(dòng)作。另外，短路容量不足導(dǎo)致故障期間電壓支撐能力下降，電壓恢復(fù)速度減緩，可能引發(fā)新能源連鎖脫網(wǎng)事故。
5、另外，隨著新能源的發(fā)展，新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)導(dǎo)則對(duì)低電壓穿越期間新能源場(chǎng)站提供的無(wú)功電流做出了高標(biāo)準(zhǔn)的要求，2021年實(shí)行的《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定第1部分：陸上風(fēng)電》中要求電網(wǎng)電壓每跌1％，風(fēng)電場(chǎng)需要向電網(wǎng)增加注入1.5％～3％的無(wú)功電流。2024年實(shí)行的《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中要求電網(wǎng)電壓每跌1％，光伏發(fā)電站需要向電網(wǎng)增加注入1.3％～1.5％的無(wú)功電流。由此可見(jiàn)，在電網(wǎng)電壓跌落至零的極端情況下，新能源場(chǎng)站需要向電網(wǎng)提供超過(guò)額定電流大小的無(wú)功電流。為滿足新能源并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)導(dǎo)則的要求，新能源場(chǎng)站目前普遍選擇超配或?qū)ｉT配備無(wú)功裝置，降低了發(fā)電效率，增加了大量成本。
6、以上分析表明，寬頻振蕩、慣量缺失與短路容量下降等問(wèn)題是由于并網(wǎng)逆變器替代了大量的發(fā)電機(jī)，使電力系統(tǒng)的電機(jī)特性減弱而產(chǎn)生的。因此，為從根源解決上述問(wèn)題，需要一種并網(wǎng)裝置在能夠?qū)崿F(xiàn)新能源并網(wǎng)功能的同時(shí)，不減弱電力系統(tǒng)的電機(jī)特性，同時(shí)，并網(wǎng)裝置需要具備提供超額無(wú)功電流的能力。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的技術(shù)方案解決高比例并網(wǎng)逆變器給電力系統(tǒng)帶來(lái)的寬頻振蕩、慣量缺失、短路容量下降與暫態(tài)無(wú)功電流支撐能力弱的問(wèn)題。
2、本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問(wèn)題的：
3、本發(fā)明提供一種雙繞組異步電機(jī)接口的新能源并網(wǎng)設(shè)備，包括：兩臺(tái)三相逆變器、切換開(kāi)關(guān)；
4、所述雙繞組異步電機(jī)的定子包括：控制繞組和并網(wǎng)繞組；
5、第一臺(tái)三相逆變器交流側(cè)的三相輸出端直接與控制繞組的首端連接，
6、所述切換開(kāi)關(guān)包括三組開(kāi)關(guān)，第一組開(kāi)關(guān)連接在控制繞組的尾端與第二臺(tái)三相逆變器之間，第二組開(kāi)關(guān)并聯(lián)在控制繞組的尾端之間，第三組開(kāi)關(guān)連接在兩臺(tái)三相逆變器交流側(cè)的三相輸出端之間；
7、所述雙繞組異步電機(jī)的并網(wǎng)繞組連接電網(wǎng)；
8、所述雙繞組異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子未與其他設(shè)備連接，工作時(shí)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。
9、進(jìn)一步地，所述第一組開(kāi)關(guān)包括：開(kāi)關(guān)k1a、開(kāi)關(guān)k1b和開(kāi)關(guān)k1c，第二組開(kāi)關(guān)包括：開(kāi)關(guān)k2ab和開(kāi)關(guān)k2bc，第三組開(kāi)關(guān)包括：開(kāi)關(guān)k3a、開(kāi)關(guān)k3b、開(kāi)關(guān)k3c；第一臺(tái)三相逆變器交流側(cè)的三相輸出端通過(guò)開(kāi)關(guān)k3a、開(kāi)關(guān)k3b、開(kāi)關(guān)k3c對(duì)應(yīng)與第二臺(tái)三相逆變器的交流側(cè)的三相輸出端連接，第二臺(tái)三相逆變器交流側(cè)的三相輸出端分別通過(guò)開(kāi)關(guān)k1a、開(kāi)關(guān)k1b、開(kāi)關(guān)k1c與控制繞組的a端、b端、c端連接，開(kāi)關(guān)k2ab的兩端并聯(lián)在控制繞組的a端和b端，開(kāi)關(guān)k2bc的兩端并聯(lián)在控制繞組的b端和c端。
10、進(jìn)一步地，所述雙繞組異步電機(jī)接口的新能源并網(wǎng)設(shè)備還包括：并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，用于控制并網(wǎng)繞組與電網(wǎng)的斷開(kāi)與連接。
11、進(jìn)一步地，所述并網(wǎng)開(kāi)關(guān)包括：開(kāi)關(guān)k4u、開(kāi)關(guān)k4v、開(kāi)關(guān)k4w，并網(wǎng)繞組與電網(wǎng)之間通過(guò)開(kāi)關(guān)k4u、開(kāi)關(guān)k4v、開(kāi)關(guān)k4w連接。
12、進(jìn)一步地，所述雙繞組異步電機(jī)接口的新能源并網(wǎng)設(shè)備還包括：兩個(gè)新能源發(fā)電單元，兩臺(tái)逆變器的直流側(cè)分別連接兩個(gè)新能源發(fā)電單元。
13、進(jìn)一步地，所述新能源發(fā)電單元是風(fēng)電、光伏或儲(chǔ)能電站中的一種，或是其中兩種或三種新能源發(fā)電形式的組合。
14、進(jìn)一步地，控制繞組和并網(wǎng)繞組之間的空間分布偏移角度為30度或者60度。
15、進(jìn)一步地，所述三相逆變器的容量為雙繞組異步電機(jī)額定功率的一半，三相逆變器的額定電壓為雙繞組異步電機(jī)額定電壓的一半，三相逆變器和雙繞組異步電機(jī)的額定電流相同。
16、本發(fā)明還提供一種應(yīng)用于上述雙繞組異步電機(jī)接口的新能源并網(wǎng)設(shè)備的控制方法，穩(wěn)態(tài)時(shí)，所述雙繞組異步電機(jī)的控制繞組為開(kāi)繞組形式，控制繞組首端連接第一臺(tái)三相逆變器，控制繞組尾端連接第二臺(tái)三相逆變器；暫態(tài)時(shí)，切換開(kāi)關(guān)將控制繞組轉(zhuǎn)換為星形接法，控制繞組首端連接兩臺(tái)并聯(lián)的三相逆變器，控制繞組尾端短接在一起；此時(shí)，兩臺(tái)三相逆變器的連接形式由控制繞組的首、尾兩端各連接一臺(tái)三相逆變器轉(zhuǎn)換為兩臺(tái)三相逆變器并聯(lián)在控制繞組的首端。
17、進(jìn)一步地，所述切換開(kāi)關(guān)將控制繞組轉(zhuǎn)換為星形接法的方法為：第一組開(kāi)關(guān)均斷開(kāi)，第二組開(kāi)關(guān)均閉合，第三組開(kāi)關(guān)均閉合。
18、本發(fā)明的有益效果如下：
19、本發(fā)明創(chuàng)新性地采用雙繞組異步電機(jī)為并網(wǎng)接口，將雙繞組異步電機(jī)引入了新能源發(fā)電系統(tǒng)中，可避免使用lc/lcl濾波器和鎖相環(huán)，能夠有效抑制寬頻振蕩的發(fā)生；雙繞組異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量增強(qiáng)了頻率穩(wěn)定性；雙繞組異步電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力，能夠提升短路電流水平，增加短路容量，夠增強(qiáng)高比例新能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力；暫態(tài)時(shí)，切換開(kāi)關(guān)將的兩臺(tái)三相逆變器切換為并聯(lián)，能夠短時(shí)輸出超額無(wú)功電流，增強(qiáng)電壓支撐能力。
1.一種雙繞組異步電機(jī)接口的新能源并網(wǎng)設(shè)備，其特征在于，包括：兩臺(tái)三相逆變器、切換開(kāi)關(guān)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙繞組異步電機(jī)接口的新能源并網(wǎng)設(shè)備，其特征在于，所述第一組開(kāi)關(guān)包括：開(kāi)關(guān)k1a、開(kāi)關(guān)k1b和開(kāi)關(guān)k1c，第二組開(kāi)關(guān)包括：開(kāi)關(guān)k2ab和開(kāi)關(guān)k2bc，第三組開(kāi)關(guān)包括：開(kāi)關(guān)k3a、開(kāi)關(guān)k3b、開(kāi)關(guān)k3c；第一臺(tái)三相逆變器交流側(cè)的三相輸出端通過(guò)開(kāi)關(guān)k3a、開(kāi)關(guān)k3b、開(kāi)關(guān)k3c對(duì)應(yīng)與第二臺(tái)三相逆變器的交流側(cè)的三相輸出端連接，第二臺(tái)三相逆變器交流側(cè)的三相輸出端分別通過(guò)開(kāi)關(guān)k1a、開(kāi)關(guān)k1b、開(kāi)關(guān)k1c與控制繞組的a端、b端、c端連接，開(kāi)關(guān)k2ab的兩端并聯(lián)在控制繞組的a端和b端，開(kāi)關(guān)k2bc的兩端并聯(lián)在控制繞組的b端和c端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙繞組異步電機(jī)接口的新能源并網(wǎng)設(shè)備，其特征在于，還包括：并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，用于控制并網(wǎng)繞組與電網(wǎng)的斷開(kāi)與連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述雙繞組異步電機(jī)接口的新能源并網(wǎng)設(shè)備，其特征在于，所述并網(wǎng)開(kāi)關(guān)包括：開(kāi)關(guān)k4u、開(kāi)關(guān)k4v、開(kāi)關(guān)k4w，并網(wǎng)繞組與電網(wǎng)之間通過(guò)開(kāi)關(guān)k4u、開(kāi)關(guān)k4v、開(kāi)關(guān)k4w連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙繞組異步電機(jī)接口的新能源并網(wǎng)設(shè)備，其特征在于，還包括：兩個(gè)新能源發(fā)電單元，兩臺(tái)逆變器的直流側(cè)分別連接兩個(gè)新能源發(fā)電單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述雙繞組異步電機(jī)接口的新能源并網(wǎng)設(shè)備，其特征在于，所述新能源發(fā)電單元是風(fēng)電、光伏或儲(chǔ)能電站中的一種，或是其中兩種或三種新能源發(fā)電形式的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙繞組異步電機(jī)接口的新能源并網(wǎng)設(shè)備，其特征在于，控制繞組和并網(wǎng)繞組之間的空間分布偏移角度為30度或者60度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙繞組異步電機(jī)接口的新能源并網(wǎng)設(shè)備，其特征在于，所述三相逆變器的容量為雙繞組異步電機(jī)額定功率的一半，三相逆變器的額定電壓為雙繞組異步電機(jī)額定電壓的一半，三相逆變器和雙繞組異步電機(jī)的額定電流相同。
9.一種應(yīng)用于權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述雙繞組異步電機(jī)接口的新能源并網(wǎng)設(shè)備的控制方法，其特征在于，
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述控制方法，其特征在于，所述切換開(kāi)關(guān)將控制繞組轉(zhuǎn)換為星形接法的方法為：第一組開(kāi)關(guān)均斷開(kāi)，第二組開(kāi)關(guān)均閉合，第三組開(kāi)關(guān)均閉合。