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CN112003316A - 一种新型新能源并网拓扑结构及方法 - Google Patents

一种新型新能源并网拓扑结构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型新能源并网拓扑结构及方法，所述拓扑结构中，新能源机组经线路上的新能源机组并网逆变器和新能源机组升压变压器汇入汇聚母线；汇聚母线上分出两条支路：一条支路依次设置降压变压器，同步电动机，同步发电机，MGP并网升压变压器和MGP并网开关，形成MGP并网回路，新能源机组，同步电动机和同步发电机构成MGP系统；另一条支路通过直接并网升压变压器和直接并网开关构成新能源直接并网回路。通过检测新能源整体发出有功与MGP系统额定容量的大小关系，进行有功功率的合理分配，提升大规模分布式电源接入电网稳定性。本发明系统采用了真实的同步机，故可以依靠电机自身的惯性和阻尼特性来提高新能源侧抗扰动能力。

Description

一种新型新能源并网拓扑结构及方法
技术领域
本发明涉及新能源并网技术领域，具体涉及一种新型新能源并网拓扑结构及方法。
背景技术
风电、光伏发电等新能源利用形式是实现“两个替代”、促进节能减排、构建全球能源互联网的重要手段。数据研究表明，截至2018年底，全球风电、光伏新增装机容量比例为24.8%，我国新增装机容量占比为22%，其中风电、光伏装机容量分别为1.84亿千瓦和1.74亿千瓦，占我国电源总量的18.8%，首次超过水电机组装机容量。大力发展分布式发电，在改善电网运行经济性、优化电力系统运行方式以及构建环境友好型电力系统等方面均具有重要意义。
一般情况下，分布式电源主要通过并网逆变器接入电网。相比传统同步发电机，其具有控制灵活、响应迅速等优点，但是也存在非线性特征明显、缺少惯性、短路容量支撑不足及谐波含量高易产生振荡等不足。随着新能源发电电源渗透率不断增加，电力系统中将出现大量并网的电力电子逆变器，而同时传统同步发电机的装机比例将降低，导致电力系统的旋转备用容量和转动惯量减少。此外，分布式电源的并网控制策略各异，加之其输出功率具有波动性和不确定性等特点，很难满足电力系统所要求的的调频调压运行特性，从而给电网的安全稳定运行带来了严峻的挑战。为响应国家号召，通过供给侧改革，从源头改进，确保高比例分布式电源友好地接入电网是目前有关电力系统稳定的一个关键问题。
发明内容
为了应对分布式电源的大量接入对系统安全稳定运行带来的影响和挑战，本发明提出了一种新型新能源并网拓扑结构及方法，通过新能源为同步电动机提供电能，同步电动机作为同步发电机的原动机来驱动同步发电机发电并入电网，构成电机串联系统（MotorGenerator Pair简称MGP系统）。为电网提供真实的惯量以及电压支撑。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案如下：
一方面本发明提供一种新型新能源并网拓扑结构，包括：新能源机组，汇聚母线和并网母线；
所述新能源机组经线路上的新能源机组并网逆变器和新能源机组升压变压器汇入汇聚母线；
所述汇聚母线上分出两条支路：一条支路依次设置降压变压器TM，同步电动机M，同步发电机G，MGP并网升压变压器TG和MGP并网开关K11，形成MGP并网回路，新能源机组，同步电动机和同步发电机构成MGP系统；另一条支路通过直接并网升压变压器TN和直接并网开关K12构成新能源直接并网回路。
进一步的，所述新能源机组升压变压器和汇聚母线间设新能源机组并网开关。
进一步的，所述汇聚母线上配置一个或多个断路器。
进一步的，所述新能源直接并网回路中串联可变电抗器ZV。
进一步的，所述新能源机组为至少一个的风电或者光伏新能源机组。
第二方面，本发明提供一种新型新能源并网方法，包括：
基于权利要求2所述的新型新能源并网拓扑结构，当新能源机组整体发出有功功率小于等于PMGP时，闭合MGP并网开关K11，断开直接并网开关K12，新能源机组发出的所有有功功率全部经MGP并网回路接入电网；
当新能源机组整体发出有功功率大于PMGP时，MGP并网开关K11及直接并网开关K12均闭合，通过外部控制MGP并网回路和新能源直接并网回路的有功功率的分配；
其中，PMGP为MGP系统额定容量。
第三方面，本发明还提供一种新型新能源并网方法，包括：
基于权利要求3所述的新型新能源并网拓扑结构，当新能源机组整体发出有功功率小于等于PMGP时，将汇聚母线上的断路器全部闭合，闭合MGP并网开关K11，断开直接并网开关K12，新能源机组发出的所有有功功率全部经MGP并网回路接入电网；
当新能源机组整体发出有功功率大于PMGP时，
闭合MGP并网开关K11及直接并网开关K12；
将汇聚母线上的断路器从上到下依次选择一个断路器断开使汇聚母线分为两段，分别计算流经MGP并网回路和新能源直接并网回路的新能源机组有功功率；
选择使流经MGP并网回路的新能源机组有功功率最接近MGP容量PMGP的断路器断开，将新能源机组有功功率分配至MGP并网回路和新能源直接并网回路；
其中，PMGP为MGP系统额定容量。
第四方面，本发明还提供一种新型新能源并网方法，包括：
基于权利要求4所述的新型新能源并网拓扑结构，当新能源机组整体发出有功功率小于等于PMGP时，闭合MGP并网开关K11，断开直接并网开关K12，新能源机组发出的所有有功功率全部经MGP并网回路接入电网；
当新能源机组整体发出有功功率大于PMGP时，闭合MGP并网开关K11及直接并网开关K12；
通过调节新能源直接并网回路中可变电抗器ZV大小，对MGP并网回路与新能源直接并网回路的线路阻抗比进行调节，进而实现对流经MGP并网回路与新能源直接并网回路的有功功率的调节。
进一步的，所述调节新能源直接并网回路中可变电抗器ZV过程中，确保流经MGP并网回路的有功功率不高于MGP系统额定容量PMGP。
进一步的，需满足MGP并网回路与新能源直接并网回路电压等级相同。
本发明所达到的有益效果：
（1）本发明系统采用了真实的同步机，故可以依靠电机自身的惯性和阻尼特性来提高新能源侧抗扰动能力；
（2）通过同步电机吸、发无功的能力为电网提供短路容量支撑和电压支撑，维持系统电压及新能源并网点电压稳定；
（3）由于MGP系统包含两级同步电机，具有故障隔离能力和谐波抑制能力，可将电网侧电压突变隔离在发电机侧，降低新能源实现高/低电压穿越能力要求；
（4）MGP系统包含两级同步电机，能够抑制新能源并网逆变器产生的大量谐波，防止谐波送入电网引起电能质量下降。
附图说明
图1为本发明的新型新能源并网拓扑结构一示意图。
图2为本发明的新型新能源并网拓扑结构二示意图。
图3为本发明的新型新能源并网拓扑结构三示意图。
图4为本发明的新型新能源并网拓扑结构二中阻抗等效图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种新型新能源并网拓扑结构，通过新能源为同步电动机提供电能，同步电动机作为同步发电机的原动机来驱动同步发电机发电并入电网，构成电机串联系统（Motor Generator Pair），以下简称MGP系统。
参见图1至图3的新能源并网的拓扑结构，三种拓扑结构相互独立，互不影响。F1~Fn为风电或者光伏新能源机组，BP1~BPn为新能源机组并网逆变器，T1~Tn为新能源机组升压变压器，K1~Kn为新能源机组并网开关，KS为母线开关；TM为降压变压器，M为同步电动机，G为同步发电机，TG为升压变压器，TM、M、G、TG构成MGP系统，K11为MGP系统并网开关；TN为直接并网升压变压器，K12为直接并网开关。
新能源并网的拓扑结构中，各新能源机组经线路上的新能源机组并网逆变器和新能源机组升压变压器变为同幅值、同相位、同频率的交流电并汇入汇聚母线，其中，各个新能源机组升压变压器和汇聚母线间设新能源机组并网开关。
汇聚母线上分出两条支路：一条支路依次设置降压变压器TM，同步电动机M，同步发电机G，MGP并网升压变压器TG和MGP系统并网开关K11，形成MGP并网回路；另一条支路通过直接并网升压变压器TN和直接并网开关K12构成新能源直接并网回路。
同步发电机并网后，相对于新能源侧来说MGP系统成为电网一部分。
对于图1的拓扑结构一，通过控制汇聚母线上装设的一个或多个断路器KS来实现功率的分配。设MGP系统额定容量为PMGP，当新能源整体发出有功小于等于PMGP时，将汇聚母线上的断路器KS全部闭合，并网开关K11闭合，并网开关K12断开，新能源机组发出的有功功率全部经MGP并网回路接入电网；当新能源侧发出功率大于PMGP时，经功率计算，将汇聚母线上的某断路器断开，并网开关K11、K12闭合，汇聚母线分为两段，接近或略低于MGP容量PMGP的有功功率经MGP并网回路接入电网，其余有功功率经直接并网回路接入电网。随着装设断路器数量的增多，功率分配的控制也就更加精确。
对于图2的拓扑结构二，汇聚母线上不再装设断路器，所有并网的新能源机组发出的功率均汇入汇聚母线；新能源直接并网回路中除升压变压器TN和并网开关K12外另串联了可变电抗器ZV，通过调节ZV大小改变线路阻抗，从而实现功率的分配。
当新能源整体发出有功小于等于PMGP时，并网开关K11闭合，并网开关K12断开，新能源机组发出的所有有功功率全部经MGP并网回路接入电网；当新能源侧发出功率大于PMGP时，并网开关K11、K12闭合，调节并网开关K12所在回路中的可变电抗器ZV大小，完成对MGP并网回路与直接并网回路的线路阻抗比调节，在回路电压等级相同的前提下，通过阻抗的变化实现电流的变化，从而达到功率的分配，使不高于MGP容量PMGP的有功功率经MGP并网回路接入电网，其余有功功率经直接并网回路接入电网。
对于图3的拓扑结构三，新能源直接并网回路中不再串联可变电抗器，整个系统由外部控制实现功率的分配。
当新能源整体发出有功小于等于PMGP时，并网开关K11闭合，并网开关K12断开，新能源机组发出的所有有功功率全部经MGP并网回路接入电网；当新能源侧发出功率大于PMGP时，并网开关K11及并网开关K12均闭合，通过外部控制，从而实现有功功率的分配。
参见图4，设定汇聚母线与并网母线之间MGP系统并网回路为回路1，汇聚母线与并网母线之间直接并网回路为回路2，那么回路1的阻抗总和为X1，回路2的阻抗总和为X2。设新能源侧发出的有功功率总量为ΣP，MGP额定容量为PMGP，回路1、2电压均为U，则理想状况下经MGP回路并网的有功功率为PMGP，经直接并网回路的有功功率为ΣP-PMGP。由理想状态可知：
PMGP=U²/X1
ΣP-PMGP=U²/X2
联立方程组，可得：X1/X2=（ΣP-PMGP）/PMGP，
即回路1、回路2的线路阻抗与回路的有功功率成反比。
由于X1为已知的定值，因此根据当前新能源侧发出总功率，通过调节回路2可变电抗器ZV的阻抗，以实现有功功率的分配。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型新能源并网拓扑结构，其特征在于，包括：新能源机组，汇聚母线和并网母线；
所述新能源机组经线路上的新能源机组并网逆变器和新能源机组升压变压器汇入汇聚母线；
所述汇聚母线上分出两条支路：一条支路依次设置降压变压器TM，同步电动机M，同步发电机G，MGP并网升压变压器TG和MGP并网开关K11，形成MGP并网回路，新能源机组，同步电动机和同步发电机构成MGP系统；另一条支路通过直接并网升压变压器TN和直接并网开关K12构成新能源直接并网回路。
2.根据权利要求1所述的一种新型新能源并网拓扑结构，其特征在于，所述新能源机组升压变压器和汇聚母线间设新能源机组并网开关。
3.根据权利要求2所述的一种新型新能源并网拓扑结构，其特征在于，所述汇聚母线上配置一个或多个断路器。
4.根据权利要求2所述的一种新型新能源并网拓扑结构，其特征在于，所述新能源直接并网回路中串联可变电抗器ZV。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种新型新能源并网拓扑结构，其特征在于，所述新能源机组为至少一个的风电或者光伏新能源机组。
6.一种新型新能源并网方法，其特征在于，包括：
基于权利要求2所述的新型新能源并网拓扑结构，当新能源机组整体发出有功功率小于等于PMGP时，闭合MGP并网开关K11，断开直接并网开关K12，新能源机组发出的所有有功功率全部经MGP并网回路接入电网；
当新能源机组整体发出有功功率大于PMGP时，MGP并网开关K11及直接并网开关K12均闭合，通过外部控制MGP并网回路和新能源直接并网回路的有功功率的分配；
其中，PMGP为MGP系统额定容量。
7.一种新型新能源并网方法，其特征在于，包括：
基于权利要求3所述的新型新能源并网拓扑结构，当新能源机组整体发出有功功率小于等于PMGP时，将汇聚母线上的断路器全部闭合，闭合MGP并网开关K11，断开直接并网开关K12，新能源机组发出的所有有功功率全部经MGP并网回路接入电网；
当新能源机组整体发出有功功率大于PMGP时，
闭合MGP并网开关K11及直接并网开关K12；
将汇聚母线上的断路器从上到下依次选择一个断路器断开使汇聚母线分为两段，分别计算流经MGP并网回路和新能源直接并网回路的新能源机组有功功率；
选择使流经MGP并网回路的新能源机组有功功率最接近MGP容量PMGP的断路器断开，将新能源机组有功功率分配至MGP并网回路和新能源直接并网回路；
其中，PMGP为MGP系统额定容量。
8.一种新型新能源并网方法，其特征在于，包括：
基于权利要求4所述的新型新能源并网拓扑结构，当新能源机组整体发出有功功率小于等于PMGP时，闭合MGP并网开关K11，断开直接并网开关K12，新能源机组发出的所有有功功率全部经MGP并网回路接入电网；
当新能源机组整体发出有功功率大于PMGP时，闭合MGP并网开关K11及直接并网开关K12；
通过调节新能源直接并网回路中可变电抗器ZV大小，对MGP并网回路与新能源直接并网回路的线路阻抗比进行调节，进而实现对流经MGP并网回路与新能源直接并网回路的有功功率的调节。
9.根据权利要求8所述的一种新型新能源并网方法，其特征在于，所述调节新能源直接并网回路中可变电抗器ZV过程中，确保流经MGP并网回路的有功功率不高于MGP系统额定容量PMGP。
10.根据权利要求8所述的一种新型新能源并网方法，其特征在于，需满足MGP并网回路与新能源直接并网回路电压等级相同。
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