一种基于旋转变压器的新能源并网拓扑、控制系统及方法

1.本发明属于新能源并网技术领域，具体涉及一种基于旋转变压器的新能源并网拓扑、控制系统及方法。


背景技术：

2.为保护自然环境，应对气候变化，，以风电和光伏为代表的清洁新能源会越来越多的接入电网。然而，目前新能源都是通过电力电子变流器接入电网，高比例的电力电子设备会在电力系统中引发电磁振荡现象，可能会损坏在网设备，危及电网稳定运行，造成重大事故。而且随着传统同步发电机装机比例越来越低，电力系统中旋转惯量越来越少，难以为电网提供惯量支撑，也会引发电网稳定性问题。所以目前亟需一种并网方案以实现新能源、分布式电源友好并网，保证电力系统的安全稳定运行。
3.2009年美国德克萨斯州发生双馈风机集群与串补线路相互作用的次同步谐振，频率为20hz，造成风机脱网，并损坏撬棒电路。从以上案例可以看出，高比例电力电子设备在电力系统中引发的电磁振荡不同于传统发电机参与的低频和次同步机电振荡，具有振荡频率范围宽、振荡机理复杂的特点，对电力系统产生了重大的安全隐患。对于这种新型电磁振荡的机理分析主要采用阻抗分析法，认为并网变流器、 lc或lcl滤波器等电力电子设备和电网共同作用在整个系统中形成一个等效的lc谐振电路，等效的lc谐振电路形成后就存在谐振点，当系统中有元件或设备在谐振频率处提供负阻尼，等效的lc谐振电路便会振荡，造成电力系统失稳。并网变流器的控制结构、控制参数、锁相环和电网短路比均会影响等效电路的阻抗特性，如：公开日期为2020 年12月的文献《高渗透率新能源发电并网逆变器阻抗自适应双模式控制研究》(李明，合肥工业大学)证明当采用电网电压前馈控制时会引入与电网阻抗相关的正反馈通道，从而可能引起谐波振荡；公开日期为2019年8月的文献《弱电网下无功控制对并网变流器稳定性影响分析》(徐路遥等，电力系统自动化)证明变流器无功外环会对系统的阻抗特性造成影响，进而影响系统稳定性；公开日期为2017年6月的文献《电压源型并网变流器的机
–
网电气振荡机理及稳定判据研究》(张琛等，电机工程学报)通过建立“机-网系统”rlc等效电路分析得出锁相环带宽、电流环带宽和电网短路比均会影响 rlc等效电路阻尼，使系统稳定性发生变化。
4.对于电力电子设备在电力系统中引发的电磁振荡的防治，公开日期为2019年的文献《mitigating subsynchronous control interaction in wind power systems：existingtechniques and open challenges》(减轻风力发电系统的次同步控制互作用:现有技术和开放的挑战，renewable and sustainable energy reviews，2019，108：330-346，可再生和可持续能源评论，2019，108：330-346)提出在双馈风电场中安装直驱型风机，建设混合型风电场以提高系统阻尼；公开日期为2020年的文献《analysis andmitigation of ssci in dfig systems with experimental validation》(用实验验证的双馈风机系统次同步控制互作用的分析与缓解，ieee transactions on energyconversion，2020，35(2)：714-723，国际电工电子工业协会能源转换汇刊，2020， 35(2)：714-723)通过优化并网
变流器控制参数增大谐振频率处的系统阻尼，进而抑制双馈风机系统中的电磁振荡；公开日期为2014年的文献《柔性直流输电系统的谐振问题及主动抑制方法》(唐欣等，中国电机工程学报)中针对柔性直流输电系统提出了虚拟电阻控制方法，可以抑制电磁振荡。申请号为cn202110501964.4的发明专利《基于混合阻尼的组串式光伏集群逆变器并网谐振抑制方法》包括：步骤1：通过并网逆变器的数学模型进行谐振机理与谐振特性分析，获得光伏发电系统的谐振频率；步骤2：根据所述光伏发电系统谐振频率，在逆变器电流环中引入电容电流反馈与并网电压比例前馈作为有源阻尼；步骤3：在所述步骤2中在光伏发电系统中加入电容电流反馈电路及并网电压比例前馈控制策略的基础上加入二阶rlc谐振抑制电路作为无源阻尼，利用光伏发电系统的谐振频率设定二阶rlc谐振抑制电路。综上可以看出，目前针对电力电子设备在电力系统中引发的电磁振荡的抑制多是从改变系统等效阻抗的角度入手，但是影响系统等效阻抗的因素是多方面的，控制了其中一种因素，当其他因素变化时，就很难将等效阻抗控制为预期值，而且当谐振频率发生改变时，可能达不到抑制电磁振荡的效果。因此通过改变系统等效阻抗抑制电磁振荡的方法无法从根本上解决问题。
5.针对新能源并网后电网旋转惯量减少，不能有效支撑电网频率的问题，目前多采用虚拟同步发电机控制技术来模拟传统同步发电机的转子惯量，但是虚拟同步发电机控制技术必须配有储能系统，增加了成本。
6.另外，当发生短路故障时，电力电子变流器不存在类似电机的次暂态过程，初始短路电流值较低，而且由于较高的内电抗和电流闭环控制，稳态短路电流也会快速降低。因此，电力电子变流器并网时的短路电流幅值和持续时间都比电机并网时要小。并且由于电力电子变流器过流能力有限，一般规定电力电子变流器提供的短路电流不超过其额定电流的2倍，过小的短路电流可能造成保护设备没有被激发动作，给电力系统的短路继电保护带来了困难。
7.综上所述，现有技术改变系统等效阻抗无法从根本上抑制电力电子设备引起的电磁振荡，并且增加了系统设计难度；采用虚拟同步发电机控制技术模拟旋转惯量增加了成本；电力电子变流器提供的短路电流较小，给电力系统的短路保护带来了困难。现有技术存在电磁振荡抑制效果差、缺少惯量支撑、并网系统设计困难、电力系统运行安全性较低、技术使用成本较高及短路故障时短路电流较小等技术问题。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题在于如何解决现有新能源并网技术存在的电磁振荡抑制效果差、缺少惯量支撑、并网系统设计较为困难、电力系统运行安全性较低、技术使用成本较高及短路故障时短路电流较小等技术问题。
9.本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种基于旋转变压器的新能源并网拓扑包括：逆变器(1)、旋转变压器(2)及并网开关(3)，
10.所述逆变器(1)的交流侧接线端由三相桥臂中点引出，以连接所述旋转变压器(2) 原边三相接线端；
11.所述旋转变压器(2)原边接线端与所述逆变器(1)连接，副边接线端与所述并网开关(3)连接；
12.所述并网开关(2)串联在所述旋转变压器(2)与电网之间。
13.本发明以双三相电机作为旋转变压器，并以此为基础提出了一种新的新能源并网方案。本发明的电机定子直接并网，具有与火电机组相同的过载能力，有足够的电压和频率偏差的耐受能力，可以提供足够大的短路电流。本发明中与传统火电并网一样为电机接入电网，由于电机本身具有滤波功能，无需lc或lcl滤波器，去除了新能源并网系统中的电容元件，等效lc谐振电路无法形成，从源头抑制了电磁振荡。
14.在更具体的技术方案中，所述逆变器(1)为三相桥式逆变器，所述三相桥式逆变器包括功率开关器件igbt。
15.在更具体的技术方案中，所述逆变器(1)的直流侧与所述新能源发电系统连接，以通过所述新能源发电系统向所述电网输送电能。
16.在更具体的技术方案中，所述新能源发电系统包括：风电能源和光伏能源。
17.本发明所提并网拓扑中是电机接线端口接入电网，与传统同步发电机接入电网的方式一样，入网端口一致。所提并网拓扑中的逆变器同样存在于目前常用的新能源并网方案中，所以所提并网拓扑可以实现即插即用，有利于现有的例如风电及光伏等新能源发电厂进行改造升级。
18.在更具体的技术方案中，所述旋转变压器(2)包含不少于2套的定子绕组，所述定子绕组接法采用包括：星形接法及中性点隔离，所述旋转变压器(2)工作时具有旋转惯量。
19.本发明把双三相电机的旋转惯量引入电力系统，保证了电力系统的惯量支撑。本发明相对于目前常用的通过电力电子变流器并网的新能源并网方案，通过旋转变压器将旋转惯量引入电力系统，避免了在新能源高渗透率情况下电力系统惯量越来越少的问题，增强了电力系统的稳定性。
20.在更具体的技术方案中，所述定子绕组包括第一定子绕组和第二定子绕组，以所述第一定子绕组作为所述旋转变压器(2)的原边与逆变器(1)相连，以所述第二定子绕组作为所述旋转变压器(2)的副边通过所述并网开关(3)与电网相连，所述第一定子绕组与所述第二定子绕组之间的电角度包括：30
°
电角度差及60
°
电角度差。
21.本发明通过双绕组电机的优化设计，可以实现电压等级的匹配，避免了常规变流器并网方案对升压变压器的需求，没有明显增加硬件成本。旋转变压器为两套定子绕组中性点相互隔离的结构，可以起到与传统变压器相同的隔离作用，使电网与新能源发电系统之间电气绝缘，当其中一侧发生故障时可有效避免事故进一步扩大，增强了电力系统的安全性。
22.在更具体的技术方案中，所述旋转变压器(2)采用双三相异步电机或双三相同步电机。
23.在更具体的技术方案中，所述旋转变压器(2)连接所述电网中的继电保护设备，用以为所述继电保护设备提供短路电流，所述短路电流的大小与所述继电保护设备相适配。
24.相比现有并网技术中的电力电子变流器在发生短路故障时，由于不存在类似电机的次暂态过程，而且存在较高的内电抗和电流闭环控制，电力电子变流器并网时的短路电流幅值和持续时间都比电机并网时要小，并且由于电力电子变流器过流能力有限，一般规定电力电子变流器提供的短路电流不超过其额定电流的2倍，过小的短路电流可能造成保护设备没有被激发动作，给电力系统的短路继电保护带来了困难。本发明继承了传统火电机组电网系统的特性，在没有改变电力系统的分析、设计理论的情况下，通过电机直接并网
的原边在同步旋转d-q坐标系下的d轴电流给定值和q轴电流给定值
37.s3、对所述旋转变压器(2)的原边的d轴电流和q轴电流进行闭环控制，以检测得到的原边三相电流ia、ib、ic通过clark变换和park变换得到d轴电流i
d1
、q轴电流i
q1
，其中，所述d轴电流i
d1
、所述q轴电流i
q1
分别为旋转变压器原边定子绕组的励磁电流分量和转矩电流分量，经过坐标变换之后可以在同步旋转d-q坐标系下对两个分量进行独立控制，所述d轴电流i
d1
、所述q轴电流i
q1
与所述d轴电流给定值及所述q 轴电流给定值比较得到电流偏差值，以电流调节器根据所述电流偏差值输出d轴电压给定值及q轴电压给定值
38.s4、对所述d轴电压给定值及所述q轴电压给定值进行park逆变换，以得到两相静止α-β坐标系下的电压给定值
39.s5、根据所述电压给定值计算输出逆变器(1)的三相桥臂开关管的动作信号，据以控制所述逆变器(1)的输出电压，以控制所述旋转变压器(2)的原边电流跟踪给定值；
40.s6、以所述旋转变压器(2)工作时的旋转惯量，为电力系统提供惯量支撑；
41.s7、通过所述并网开关(3)的开闭控制所述新能源发电系统并网和离网状态。
42.本发明相比现有技术具有以下优点：本发明以双三相电机作为旋转变压器，并以此为基础提出了一种新的新能源并网方案。由于电机本身具有滤波功能，无需lc或lcl 滤波器，去除了新能源并网系统中的电容元件，等效lc谐振电路无法形成，从源头抑制了电磁振荡。
43.本发明所提并网拓扑中是电机接线端口接入电网，与传统同步发电机接入电网的方式一样，入网端口一致。所提并网拓扑中的逆变器同样存在于目前常用的新能源并网方案中，所以所提并网拓扑可以实现即插即用，有利于现有的例如风电及光伏等新能源发电厂进行改造升级。
44.本发明相对于目前常用的通过电力电子变流器并网的新能源并网方案，通过旋转变压器将旋转惯量引入电力系统，避免了在新能源高渗透率情况下电力系统惯量越来越少的问题，保证了电力系统的惯量支撑，增强了电力系统的稳定性。
45.本发明通过双绕组电机的优化设计，可以实现电压等级的匹配，避免了常规变流器并网方案对升压变压器的需求，没有明显增加硬件成本。旋转变压器为两套定子绕组中性点相互隔离的结构，可以起到与传统变压器相同的隔离作用，使电网与新能源发电系统之间电气绝缘，当其中一侧发生故障时可有效避免事故进一步扩大，增强了电力系统的安全性。
46.相比现有并网技术中的电力电子变流器在发生短路故障时用于激发继电保护设备动作的短路电流幅值和持续时间，通过电机直接并网可以为继电保护设备提供足够大的短路电流使继电保护设备动作。并且，本发明继承了传统火电机组电网系统的特性，没有改变电力系统的分析、设计理论，可以使用传统成熟的理论来分析和设计新能源并网系统。
47.此外，本发明的并网控制策略可以实现并网无功功率和有功功率的独立控制，并可以根据电网电压和频率的变化调整并网无功功率和有功功率，为电网电压和频率提供有力支撑；当电网频率波动时，本发明的并网控制策略是通过控制逆变器完成频率调整的，而
传统火电厂是通过调整蒸汽轮机的进气量完成频率调整的，而逆变器由电力电子器件组成，相对于蒸汽轮机而言其响应速度非常快，在旋转变压器利用旋转惯量保持电网频率的短时间内，逆变器便可完成调整以支持电网频率，大大增强了电力系统的应急反应能力。本发明解决了现有新能源并网技术中存在的电磁振荡抑制效果差、缺少惯量支撑、并网系统设计较为困难、电力系统运行安全性较低、技术使用成本较高及短路故障时短路电流较小等技术问题。
附图说明
48.图1是本发明所提基于旋转变压器新能源并网方案示意图；
49.图2是两套定子绕组相差30
°
的结构示意图；
50.图3是两套定子绕组相差60
°
的结构示意图；
51.图4是双三相异步电机转子旋转角频率示意图；
52.图5是双三相异步电机电磁转矩示意图；
53.图6是旋转变压器原边三相电流示意图；
54.图7是旋转变压器副边三相电流示意图；
55.图8是并网有功功率示意图；
56.图9是并网无功功率示意图。
具体实施方式
57.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
58.实施例1
59.如图1所示，一种基于旋转变压器的新能源并网拓扑，包括逆变器1、旋转变压器 2和并网开关3。
60.逆变器1为功率开关器件igbt所构成的三相桥式逆变器，其直流侧由风电、光伏等新能源提供能量，交流侧接线端由三相桥臂中点引出与旋转变压器2原边三相接线端相连，通过对逆变器1的控制可以达到控制旋转变压器2原边电流的目的，进而可以控制并网有功功率和无功功率；
61.旋转变压器2为双三相电机，可以为双三相异步电机，也可以为双三相同步电机。旋转变压器2虽然本质上是电机，但通过相应的控制策略让其工作时不产生电磁转矩，只负责能量传输，作用等同于变压器。旋转变压器2工作时，其转子上存在旋转惯量，将此旋转惯量引入电力系统可以为电力系统提供惯量支撑，提高系统的稳定性。
62.如图2及图3所示，旋转变压器2包含两套定子绕组，两套定子绕组可以相差30
°
电角度，也可以相差60
°
电角度，两种定子结构如图2所示。两套定子绕组均为星形接法，中性点隔离，一套定子绕组作为旋转变压器2的原边与逆变器1相连，一套定子绕组作为旋转变压器2的副边通过并网开关3与电网相连。实现了电网与新能源发电系统的物理隔离，并且可以利用两套定子绕组之间的电磁感应，通过控制原边电流可以达到控制副边向电网输送
功率大小的目的。由于电机本身具有滤波功能，无需lc或lcl滤波器，去除了新能源并网系统中的电容元件，等效lc谐振电路无法形成，从源头抑制了电磁振荡；
63.并网开关3两端分别于旋转变压器2和电网相连，用于控制新能源发电系统并网和离网状态。
64.本发明还提供一种上述基于旋转变压器的新能源并网拓扑的控制系统，包括：
65.给定功率计算模块，其电网电压幅值v输入端及频率f输入端与并网开关3的电网电压幅值v及频率f输出端连接，用以根据检测得到的电网电压幅值v和频率f，计算出并网有功功率给定值p
*
和无功功率给定值q
*
,当电网频率f低于预置标准值时，增大所述有功功率给定值p
*
，当电压幅值v低于预置标准值时，增大所述无功功率给定值q
*
；
66.给定电流计算模块，其输入端与所述给定功率计算模块的有功功率给定值p
*
输出端及所述无功功率给定值q
*
输出端连接，用以根据所述有功功率给定值p
*
及所述无功功率给定值q
*
计算出旋转变压器(2)的原边在同步旋转d-q坐标系下的d轴电流给定值和q轴电流给定值
67.clark变换模块，其三个输入量为旋转变压器2原边的三相电流ia、ib、ic，输出量为两相静止α-β坐标系下的α轴电流值i
α1
和β轴电流值i
β1
；park变换模块，其两个输入量为clark变换模块输出的α轴电流值i
α1
和β轴电流值i
β1
，输出量为同步旋转d-q 坐标系下的d轴电流值i
d1
和q轴电流值i
q1
；
68.第一减法器的正输入量为所述给定电流计算模块输出的d轴电流给定值负输入量为所述park变换模块输出的d轴电流值i
d1
，第二减法器的正输入量为所述给定电流计算模块输出的q轴电流给定值负输入量为所述park变换模块输出的q轴电流值 i
q1
，减法器用以比较所述d、q轴电流i
d1
、i
q1
与给定值之间的偏差，减法器输出的差值送到电流调节器，用以对d、q轴电流进行闭环控制；
69.电流调节器，所述两个电流调节器的输入量分别为第一减法器、第二减法器输出的 d、q轴电流与其给定值之间的电流偏差值，根据电流偏差值电流调节器输出d、q轴电压给定值
70.park逆变换模块，所述park逆变换模块的两个输入量分别为所述电流调节器输出的d轴电压给定值及q轴电压给定值d、q轴电压给定值经过park逆变换之后，得到两相静止α-β坐标系下的电压给定值
71.pwm调制模块，所述pwm调制模块的两个输入量分别为所述park逆变换模块输出的两相静止α-β坐标系下的电压给定值根据所述两相静止α-β坐标系下的电压给定值计算得到逆变器1的三相桥臂开关管的动作信号sa、sb、sc并输出至逆变器1；
72.所述逆变器1会根据所述三相桥臂开关管的动作信号sa、sb、sc控制功率开关管的导通与关断，进而控制所述逆变器1的输出电压；
73.旋转变压器2，以第一定子绕组作为所述旋转变压器(2)的原边与所述逆变器(1) 相连，以第二定子绕组作为所述旋转变压器(2)的副边通过并网开关(3)与电网相连，通过调节所述逆变器1的输出电压控制旋转变压器2原边电流跟踪给定值，进而控制向电网输送
的有功功率和无功功率的大小。
74.采用与前述基于旋转变压器的新能源并网拓扑控制系统相对应的控制策略如下：根据检测得到的电网电压幅值v和频率f计算出并网有功功率和无功功率给定值p
*
、q
*
, 当电网频率f低于标准值时，增大有功功率的给定值p
*
，当电压幅值v低于标准值时，增大无功功率的给定值q
*
；然后根据有功功率和无功功率给定值p
*
、q
*
计算出旋转变压器2原边在同步旋转d-q坐标系下的d轴电流和q轴电流给定值对旋转变压器2原边的d轴和q轴电流进行闭环控制，检测得到的原边三相电流ia、ib、ic经过clark变换和park变换得到d、q轴电流i
d1
、i
q1
，然后与给定值比较，根据偏差值电流调节器输出d、q轴电压给定值经过park逆变换得到两相静止α
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β坐标系下的电压给定值然后pwm调制模块根据计算输出逆变器1 三相桥臂开关管的动作信号，控制逆变器1的输出电压，进而控制旋转变压器2原边电流跟踪给定值。通过此控制策略可以实现并网无功功率和有功功率的独立控制，并可以根据电网电压和频率的变化调整并网无功功率和有功功率，为电网电压和频率提供有力支撑。
75.如图2至图4所示，本实施例选用定子绕组相差30
°
电角度的双三相异步电机作为旋转变压器，在matlab/simulink仿真环境下搭建了仿真模型。旋转变压器相关参数如下：极对数2，定子电阻1.5ω，定子互感0.12h，定子漏感0.0085h，两套定子绕组等效漏互感0.0026h，转子电阻0.56ω，转子漏感0.0085h，转动惯量0.049kg
·
m2。当有功功率和无功功率给定值分别设置为2000w和1000w时，仿真结果如图3-图8所示，双三相异步电机转子旋转角频率，电机在0.2s左右达到同步转速，电磁转矩变为0，完成启动，进入旋转变压器工作模式。
76.如图5及图6所示，旋转变压器原边三相电流，副边三相电流，可以看出电流正弦光滑，两边电流频率同为电网频率50hz。
77.如图7至图9所示，可以看出在双三相电机进入旋转变压器工作模式后，有功功率和无功功率迅速跟踪上了给定值，向电网稳定输送能量。
78.综上，本发明以双三相电机作为旋转变压器，并以此为基础提出了一种新的新能源并网方案。由于电机本身具有滤波功能，无需lc或lcl滤波器，去除了新能源并网系统中的电容元件，等效lc谐振电路无法形成，从源头抑制了电磁振荡。本发明所提并网拓扑中是电机接线端口接入电网，与传统同步发电机接入电网的方式一样，入网端口一致。
79.所提并网拓扑中的逆变器同样存在于目前常用的新能源并网方案中，所以所提并网拓扑可以实现即插即用，有利于现有的例如风电及光伏等新能源发电厂进行改造升级，本发明把双三相电机的旋转惯量引入电力系统，保证了电力系统的惯量支撑。
80.本发明相对于目前常用的通过电力电子变流器并网的新能源并网方案，通过旋转变压器将旋转惯量引入电力系统，避免了在新能源高渗透率情况下电力系统惯量越来越少的问题，增强了电力系统的稳定性。
81.本发明通过双绕组电机的优化设计，可以实现电压等级的匹配，避免了常规变流器并网方案对升压变压器的需求，没有明显增加硬件成本。旋转变压器为两套定子绕组中性点相互隔离的结构，可以起到与传统变压器相同的隔离作用，使电网与新能源发电系统之间电气绝缘，当其中一侧发生故障时可有效避免事故进一步扩大，增强了电力系统的安
全性。
82.相比传统技术中的电力电子变流器在发生短路故障时用于激发继电保护设备动作的短路电流幅值和持续时间，本发明继承了传统火电机组电网系统的特性，在没有改变电力系统的分析、设计理论的情况下，通过电机直接并网可以为继电保护设备提供足够大的短路电流使继电保护设备动作。
83.此外，本发明的并网控制策略可以实现并网无功功率和有功功率的独立控制，并可以根据电网电压和频率的变化调整并网无功功率和有功功率，为电网电压和频率提供有力支撑；当电网频率波动时，本发明的并网控制策略是通过控制逆变器完成频率调整的，而传统火电厂是通过调整蒸汽轮机的进气量完成频率调整的，而逆变器由电力电子器件组成，相对于蒸汽轮机而言其响应速度非常快，在旋转变压器利用旋转惯量保持电网频率的短时间内，逆变器便可完成调整以支持电网频率，大大增强了电力系统的应急反应能力。本发明解决了现有新能源并网技术中存在的电磁振荡抑制效果差、缺少惯量支撑、并网系统设计较为困难、电力系统运行安全性较低、技术使用成本较高及短路故障时短路电流较小等技术问题。
84.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。