一种MW级惯量柔性新能源同步发电系统及其惯量调节方法与流程

本说明书实施例涉及新能源发电与并网，特别涉及一种mw级惯量柔性新能源同步发电系统及其惯量调节方法。

背景技术：

1、随着新能源发电装机规模的持续扩大，光伏发电、风力发电等新能源通过电力电子逆变器并网已成为主流并网方式。传统新能源并网系统采用发电单元—逆变器—电网的直接并网架构，能量仅经直流/交流单级变换，发电单元无旋转运动部件，属于静止式发电设备，导致新能源并网系统呈现零惯量、弱支撑的固有特征。

2、为弥补新能源并网惯量不足的缺陷，现有技术发展出多条技术路线。其一为，虚拟同步机技术，通过控制算法使电力电子变流器模拟同步发电机的惯量响应特性，包括基于双层自适应惯性调控的虚拟惯量调节方法、基于虚拟轴耦合的混合储能惯量-阻尼协调控制策略等。其二为，构网型逆变器技术，通过将跟网型控制改造为构网型控制，使逆变器呈现电压源外特性，为电网提供惯量与频率支撑。其三为同步调相机技术，在新能源场站配置同步调相机以提供旋转惯量和无功支撑。其四为飞轮储能技术，通过飞轮转子储存动能，等效为短时高功率同步机组，实现对电网电压和频率的主动支撑。

3、然而，上述现有技术在实际应用中仍存在多方面不足。

4、首先，现有虚拟同步机技术与构网型逆变器技术均依赖控制算法模拟惯量，属于软件定义电源范畴，缺乏真实物理旋转质量，惯量响应存在延时，且惯量支撑持续时间有限。其次，同步调相机与飞轮储能方案虽具备真实旋转惯量，但调相机为独立旁路设备，需额外投资与占地，其惯量载体与新能源并网的能量转换路径相互独立；飞轮储能系统则存在成本高、能量密度低的问题。再者，现有各类惯量支撑方案的惯量参数普遍难以根据电网运行状态的变化灵活调整。同步发电机、飞轮储能的转动惯量由转子质量决定，制造完成后即固定不变；虚拟同步机虽可在软件层面设定惯量参数，但参数一旦设定亦为固定值，无法随电网强度动态适配。此外，传统逆变器方案中有功功率与无功功率共用变流器容量，二者存在耦合竞争，难以同时满足有功惯量支撑与无功电压支撑的差异化需求。最后，现有技术中尚未出现将可拆卸惯量调节手段应用于新能源并网发电系统并网路径组件的方案，惯量水平缺乏硬件级调节途径。

5、因此，亟需一种能够在新能源并网中实现惯量柔性调节且有功与无功可独立控制的技术方案。

技术实现思路

1、有鉴于此，本说明书实施例提供了一种mw级惯量柔性新能源同步发电系统的惯量调节方法。本说明书一个或者多个实施例同时涉及一种mw级惯量柔性新能源同步发电系统，一种计算设备，一种计算机可读存储介质以及一种计算机程序，以解决现有技术中存在的技术缺陷。

2、根据本说明书实施例的第一方面，提供了一种mw级惯量柔性新能源同步发电系统的惯量调节方法所述系统包括逆变器、由所述逆变器驱动的电动机、与所述电动机同轴直连构成电机堆的同步发电机以及设置于所述电机堆转轴上的可拆卸惯量盘，所述方法包括：

3、在线辨识目标并网点的短路比scr；当所述scr低于预设阈值时，生成增大惯量系数并减小调速时间常数的控制指令，当所述scr不低于所述预设阈值时，生成减小所述惯量系数并增大所述调速时间常数的控制指令；

4、响应于所述控制指令，增减或更换所述可拆卸惯量盘，以改变所述电机堆的总转动惯量；

5、所述逆变器根据所述惯量系数和所述调速时间常数调节电磁转矩，改变所述电机堆转子动能的释放速率。

6、在一种可能的实现方式中，所述在线辨识目标并网点的短路比scr的步骤，包括：

7、向所述目标并网点注入预设幅值的非工频扰动电流，并采集扰动电流注入前后所述目标并网点的电压相量与电流相量；

8、基于扰动前后电压相量差值与电流相量差值的比值，计算电网侧等效复阻抗；

9、基于所述目标并网点的额定线电压与所述电网侧等效复阻抗的模值计算系统短路容量；

10、基于所述系统短路容量与所述系统的额定视在功率的比值确定所述短路比scr。

11、在一种可能的实现方式中，基于扰动前后电压相量差值与电流相量差值的比值，计算电网侧等效复阻抗，具体为：

12、

13、式中， 为电网侧等效复阻抗，单位为分别为扰动注入前并网点的电压相量、电流相量； 分别为扰动注入后并网点的电压相量、电流相量；

14、基于所述目标并网点的额定线电压与所述电网侧等效复阻抗的模值计算系统短路容量，具体为：

15、

16、式中， 为并网点系统短路容量，单位为 mva； 为并网点额定线电压，单位为kv； 为电网侧等效复阻抗的模值；

17、基于所述系统短路容量与所述系统的额定视在功率的比值确定所述短路比scr，具体为：

18、

19、式中， 为本mw级惯量柔性新能源同步发电系统的额定视在功率，单位为 mva。

20、在一种可能的实现方式中，所述预设阈值为短路比scr=3，当所述scr低于3时判定所述目标并网点为弱电网，当所述scr不低于3时判定所述目标并网点为强电网；

21、当所述scr低于3时，增减或更换所述可拆卸惯量盘使所述电机堆的等效惯量支撑时间大于或等于10秒；当所述scr不低于3时，增减或更换所述可拆卸惯量盘使所述等效惯量支撑时间小于或等于2秒。

22、在一种可能的实现方式中，生成所述控制指令包括：

23、获取所述系统的实时运行状态集合，所述实时运行状态集合包括并网点功角偏差、频率偏差、所述短路比scr以及所述电机堆转速；

24、将所述实时运行状态集合输入预先训练的深度确定性策略梯度ddpg模型的actor网络，由所述actor网络输出所述惯量系数和所述调速时间常数；其中，所述ddpg模型基于包含频率偏差惩罚、电压偏差惩罚、轴系转矩安全惩罚和调节平滑度惩罚的多目标加权奖励函数训练生成。

25、在一种可能的实现方式中，所述actor网络包括输入层、两层全连接隐藏层以及输出层，两层所述隐藏层分别配置256个和128个神经元且采用relu激活函数，所述输出层采用sigmoid激活函数输出所述惯量系数和所述调速时间常数；

26、所述ddpg模型的critic网络基于贝尔曼最优方程拟合状态动作值函数，完整数学表达式为：

27、

28、式中， 为t时刻系统状态，含并网点功角、频率偏差、电网短路比scr、轴系转速； 为t时刻控制动作，即待优化的惯量系数k、调速时间常数t； 为critic全连接网络的待训练参数集合，包含各层权重矩阵与偏置向量； 为目标critic网络参数，采用软更新方式同步当前网络参数，保障训练稳定性； 为即时奖励值，以频率偏差最小、轴系转矩安全、振荡抑制最优为约束构建； 为折扣因子，取值0.95，用于权衡即时奖励与远期奖励的权重； 为actor网络确定性策略函数，输入系统状态、输出最优控制动作；

29、所述critic网络在训练过程中沿时序差分误差的负梯度方向更新权重，所述actor网络基于策略梯度定理沿长期期望奖励提升的方向更新网络权重，且所述ddpg模型的目标actor网络和目标critic网络均通过软更新机制同步主网络参数。

30、在一种可能的实现方式中，所述多目标加权奖励函数按频率支撑效果、电压稳定水平、轴系安全约束和调节动作平滑度四项加权构建，其中频率偏差和电压偏差与奖励值负相关，轴端转矩超过3倍额定保护限值时扣除惩罚值，所述惯量系数单步调节幅度大于幅度阈值时扣除平滑性惩罚值。

31、在一种可能的实现方式中，还包括轴系过载保护步骤：

32、实时检测所述电机堆的轴端转矩瞬时值以及所述电动机与所述同步发电机之间的转速差；

33、当所述轴端转矩超过预设的一级转矩阈值时，控制所述逆变器调节输出至所述电动机的电磁转矩指令，以主动抑制轴系转矩振荡；

34、当所述轴端转矩超过预设的二级转矩阈值或所述转速差达到所述电机堆额定转速的5%时，控制断开并网开关以隔离所述电机堆。

35、在一种可能的实现方式中，还包括多时间尺度无功电压控制步骤：

36、在并网扰动发生的次暂态阶段，利用所述同步发电机的阻尼绕组电磁响应提供瞬时无功电压支撑；

37、在并网扰动发生的暂态阶段，利用所述同步发电机的励磁绕组磁链守恒特性提供快速无功支撑；

38、在并网扰动发生的稳态阶段，通过基于自校准注意力机制的神经网络优化励磁参数，并根据优化后的励磁参数控制励磁系统调节所述同步发电机的无功输出。

39、根据本说明书实施例的第二方面，提供了一种mw级惯量柔性新能源同步发电系统，包括：

40、逆变器，所述逆变器的直流侧连接新能源发电单元，被配置为将所述新能源发电单元输出的直流电转换为交流电；

41、电动机，所述电动机的输入端连接所述逆变器的交流输出端，被配置为由所述逆变器驱动旋转；

42、同步发电机，与所述电动机同轴直连构成电机堆，所述电机堆位于从所述逆变器到电网的并网能量传递路径上；

43、惯量调节单元，包括设置于所述电机堆转轴上的至少一个可拆卸惯量盘，被配置为通过增减或更换所述可拆卸惯量盘改变所述电机堆的总转动惯量；

44、励磁系统，独立连接所述同步发电机，被配置为独立调节所述同步发电机的无功功率输出；

45、控制器，连接所述逆变器、所述励磁系统和并网点测点，被配置为在线辨识目标并网点的短路比scr，当所述scr低于预设阈值时，生成增大惯量系数并减小调速时间常数的控制指令，当所述scr不低于所述预设阈值时，生成减小所述惯量系数并增大所述调速时间常数的控制指令；

46、所述逆变器还被配置为根据所述惯量系数和所述调速时间常数调节电磁转矩，改变所述电机堆转子动能的释放速率。

47、根据本说明书实施例的第三方面，提供了一种计算设备，包括：

48、存储器和处理器；

49、所述存储器用于存储计算机可执行指令，所述处理器用于执行所述计算机可执行指令，该计算机可执行指令被处理器执行时实现上述mw级惯量柔性新能源同步发电系统的惯量调节方法的步骤。

50、根据本说明书实施例的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，该指令被处理器执行时实现上述mw级惯量柔性新能源同步发电系统的惯量调节方法的步骤。

51、根据本说明书实施例的第五方面，提供了一种计算机程序，其中，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行上述mw级惯量柔性新能源同步发电系统的惯量调节方法的步骤。

52、本说明书一个实施例实现了以下有益效果：通过在线辨识目标并网点的短路比，根据短路比与预设阈值的关系生成惯量系数和调速时间常数的控制指令，进而联动控制所述可拆卸惯量盘的增减或更换以及逆变器对电动机电磁转矩的调节。由于所述控制指令同时作用于所述可拆卸惯量盘的机械调节动作和所述逆变器的电磁转矩调节动作，使得所述电机堆转子动能的释放速率既受到机械惯量变化的影响，又受到电磁转矩变化速率的影响，两者协同决定所述电机堆对外呈现的惯量支撑特性；当电网强度较弱时，通过增大转动惯量并减小调速时间常数，使转子动能以更缓慢的速率释放，从而延长惯量支撑的持续时间；当电网强度较强时，通过减小转动惯量并增大调速时间常数，使所述电机堆更快恢复至稳定运行状态，从而避免不必要的转子动能损耗。相较于仅依靠控制算法调整虚拟惯量参数的方案，本技术通过机械惯量的实际改变与电磁转矩调节的协同作用，使惯量支撑能力的调节不受控制算法参数设定范围的单方面制约。