基于IMPMMS并网的新能源电压稳定性分析

摘 要：

新能源并网比例过高导致新能源电网电压稳定性低和机组脱网风险，永磁发电机组（IMPMMS）对系统具有电压补偿能力，能满足新能源电网无功需求。本文根据永磁发电机组的结构和工作原理，分析了永磁发电机组的电压补偿机理，推导影响无功调节能力的参数。结合新能源通过永磁发电机组并网的状态方程，建立电力系统仿真模型，对比不同程度电压跌落下永磁发电机组与传统机组的电压补偿能力及电压隔离作用，最后研制一台缩比样机。仿真和试验结果表明：网侧电压跌落幅度越大，永磁发电机组电压补偿能力越强，且永磁发电机组机械隔离可以隔离故障对新能源机组的影响，有效防止新能源脱网风险的发生，提高新能源发电系统的电压稳定性。

关键词：高比例新能源；永磁发电机组；无功补偿能力；电压隔离；电压稳定性

DOI：10.15938/j.emc.2024.03.007

中图分类号：TM351;TM712

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2024）03-0066-09

收稿日期： 2022-08-08

基金项目：

作者简介：郑军铭（1990—），男，博士研究生，研究方向为特种电机设计及其控制；

冯 丽（1982—），女，硕士，副教授，研究方向为电机及其控制；

蔡志远（1963—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为特种电机设计及控制；

张炳义（1954—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为特种电机设计及控制。

通信作者：张炳义

Voltage stability analysis of new energy based on IMPMMS grid connection

ZHENG Junming1， FENG Li2， CAI Zhiyuan1， ZHANG Bingyi1

（1.School of Electrical Engineering， Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China;

2.School of Electrical Engineering， Shenyang Polytechnic College， Shenyang 110033， China）

Abstract：

In view of the problem that the high proportion of new energy grid-connected leads to the voltage stability of the new energy grid and the risk of the unit being disconnected from the grid， the inertia motivity permanent magnet machine set （IMPMMS） has the voltage compensation capability for the system， which can meet the reactive power requirements of the new energy grid. According to the structure and working principle of the IMPMMS， the voltage compensation mechanism of the permanent magnet generator set was analyzed， and the influencing parameters that affect its reactive power regulation ability were deduced. Combined with the state equation of the new energy through the grid connection of the IMPMMS， the simulation model of the power system was established， and the voltage compensation capability and the voltage isolation effect of the IMPMMS and the traditional generator set under different degrees of voltage drop were compared， and finally a scaled prototype was developed. The simulation and test results show that the greater the voltage drop on the grid side， the stronger the voltage compensation capability of the IMPMMS， and the mechanical isolation of the IMPMMS can isolate the impact of the fault on the new energy generator set， prevent the risk of new energy off-grid and improve the voltage stability of the entire new energy power generation system.

Keywords：high proportion of new energy; inertia motivity permanent magnet machine set; voltage compensation capability; voltage isolation; voltage stability

0 引 言

随着化石能源的逐渐枯竭、环境恶化以及气候变暖等问题日益突出，在双碳目标下新能源的开发与应用已成为能源领域的重要基础和发展方向，大量风力、光伏发电等新能源机组并网比例不断增长是未来电力系统的必然趋势［1-2］。但随着新能源发电在电力系统的占比增加和同步机占比的降低，新型电力系统应对扰动或故障穿越的能力降低，给电力系统安全运行和稳定性带来了新的挑战。

虚拟同步发电机（virtual synchronous generator，VSG）技术是将同步发电机特性引入到新能源变流器控制中，使新能源机组具备与同步发电机相似的响应特性，不仅可实现频率解耦、下垂控制、综合惯量控制等功能，而且还可以增加系统的惯性，提高稳定性［3-4］，但VSG技术无法支撑电网的电压，需要额外的装置来提供无功功率。新能源接入电力系统要求其既满足自身需要，还要满足输电线路上设备的无功需求。广泛应用于新能源电网中的SVC和STATCOM装置具备无功补偿能力，可维持电网的电压稳定，但SVC的无功功率会随着并网点电压降落而减小，而STATCOM由于功率转换器的限制，在电网故障下无法提供超出容量的无功功率，增加了电压不稳定风险 ［5-6］。

高比例新能源电网发展使得调相机重新受到电力行业的重视，相比于SVC和STATCOM，调相机作为同步旋转设备，可短时间内向系统提供强大的无功支撑，而且无功输出可根据电网运行情况进行灵活调节［7］。但调相机安装位置集中在送端换流站，不能有效抑制新能源并网的电压波动，与“就地平衡”无功补偿原则相悖，故文献［8］提出了分层分散配置调相机的方法，即分布式调相机，但调相机接入点距新能源电场始终存在一定的电气距离，当系统电压不稳定时，新能源并网点电压波动依然很大，新能源机组仍然存在脱网的风险。所以提高新能源机组自身电压补偿能力是本领域的研究重点。文献［9］提出了惯性储能永磁发电机组（inertia motivity permanent magnet machine set，IMPMMS），将新能源机组与电网串联起来，改变了新能源机组通过电力电子器件的并网方式，使新能源并网接口具备真实大惯量，可提升对新能源电网频率的支撑能力和新能源机组的故障穿越能力；采用文献［10］提出的源网相位差控制策略，可实现永磁发电机组向电网稳定地传输有功功率。目前还没有针对永磁发电机组对新能源电网无功补偿能力方面的研究，因此，本文针对永磁发电机组在新能源电网电压稳定性中起到的作用进行分析。

根据永磁发电机组结构，首先介绍永磁发电机组的工作原理和功能，针对新能源电力系统电压稳定性的问题，对永磁发电机组电压补偿特性进行分析，从无功调压机理上确定影响电网无功支撑能力的参数；然后结合列写的永磁发电机组状态方程，确定新能源通过永磁发电机组并网的状态方程，建立基于PSCAD的永磁发电机组的电力系统仿真模型；通过仿真分析可知，随着电压跌落深度增大，永磁发电机组无功支撑能力越明显，在电压跌落100%情况下稳定运行，而且可隔绝电网侧的电压跌落，使新能源侧不受电网故障带来的影响，这是传统机组不具备的；由于机组功率、尺寸较大以及实验条件的限制，最后以一台缩比样机进行实验验证，证明永磁发电机组可使电力系统电压稳定，防止新能源侧发生脱网事故。

1 永磁发电机组介绍

1.1 永磁发电机组结构及工作原理

永磁发电机组系统原理图和结构图分别如图1和图2所示。永磁发电机组由1台永磁电动机和1台永磁发电机组成。永磁电动机和永磁发电机皆采用外转子结构，2台电机转子和外转子滚筒以及两侧端盖共同构成永磁机组的旋转部件，称为一体化飞轮转子。永磁电动机由新能源机组驱动，新能源机组与永磁电动机一起作为原动机为永磁发电机提供机械转矩，永磁发电机将机械能变为电能后直接并入电网。在运行时，2台永磁电机转子同时、同向和同速旋转，这个转速也是电网的同步转速。永磁发电组可实现当电网电能发生阶跃变化时提供零响应补偿，同时还可以通过永磁电动机侧的变频器实现有功功率调节，以及通过永磁发电机转子侧的励磁系统实现对电网无功功率补偿。

1.2 永磁发电机组应用前景

1.2.1 永磁发电机组应用的可行性

由图1可知，新能源采用永磁发电机组并网的方式既不需要改变新能源变流器的结构，也不要求在电网侧添加任何新设备，只需满足设计的永磁发电机组将二者串联起来即可，说明这种并网方式是可行的。新型并网方式不仅仅是利用永磁发电机组将新能源测和电网侧串联起来，最重要的是重新使新能源电网拥有了与传统机组如火电机组、水电机组、核电机组等相似的稳定性，其稳定来源正是永磁机组。其中永磁发电机组中永磁发电机的电压特性以及转子侧励磁系统提供无功支撑，维持网侧电压稳定；共用外转子的真实的机械惯量可为电网提供充足的惯性，抑制频率波动，维持频率稳定［9］。

1.2.2 永磁发电机组应用的经济性

永磁发电机组系统相当于在新能源和电网之间增加了由2台永磁电机组成的能量转换环节。目前单台装机量最多的风机组为1 MW，以1 MW永磁发电机为例，电机额定效率在97%以上。如果2台永磁电机效率达到97%，那永磁发电机组的额定效率可达到94%甚至更高。但因风机、光伏等新能源机组的输出功率的随机性，大部分时间输出功率在40%～70%区间变化。永磁发电机组在大幅度降额运行时仍可以保持较高的效率，使得永磁发电机组在新能源出力较低时不会增加过多的损耗；在新能源机组不出力的特殊工况下，永磁电动机空载运行，永磁发电机并网做电动机运行，这时永磁发电机组运行特性与调相机相同，能够为电网提供一定的无功支撑能力。

综上，永磁发电机组在额定运行时不会增加过多的电能损耗，降额运行时也可以保持高效率，在经专门设计后，工作效率可进一步提高；不依赖昂贵的电池存储系统，可降低新能源电网故障率，总体看来永磁发电机组工作效率可以接受，应用的经济性可期待。

1.2.3 永磁发电机组的应用范围

永磁发电机组的额定容量可根据新能源机组的容量选择。对于直驱风力发电机，目前单台最大容量为5.5 MW，半直驱风力发电机单台最大容量为12 MW，而光伏发电因其能够分单元连接的特点，可依据永磁发电机组的容量进行整定配合。根据当前大容量永磁电机制造工艺水平其容量可达到10 MW级别甚至100 MW都是可实现的，所以永磁发电机组可满足单台（容量为几兆瓦）以及若干台并联（总容量为几十兆瓦）的新能源机组并网，增加了永磁发电机组应用的灵活性和适用范围。

2 永磁发电机组无功调压特性分析

根据永磁发电机组介绍可知，永磁发电机组是同一套机械系统连接的两套永磁电机的系统，仅由各自的电磁转矩相互影响。当电网侧发生电压暂降时，在永磁发电机组中的永磁发电机定子绕组中会产生感应电流，此时定子电流增大，造成转速下降，系统进入到波动的动态过程，但转速变化给永磁电动机电压带来的影响微乎其微。所以分析永磁发电机组电压补偿特性只需考虑与电网直接相连的永磁发电机即可。

永磁发电机输出无功功率可表示为

QG=UqId－UdIq。（1）

其中：Id、Iq分别为永磁发电机直轴电枢电流和交轴电枢电流；Ud、Uq分别为永磁发电机直轴电枢电压和交轴电枢电压。

当电网侧发生电压波动时，永磁发电机侧可向电网提供感性或容性的无功功率。永磁发电机组的无功响应原理可从永磁发电机的电压补偿特性角度进行分析，本章节以电压暂降为例，电网侧电压从U1降低至U2，永磁发电机端电压变化量ΔU=U1－U2，故永磁发电机所需增发的无功为

QG+=Q2－Q1=U2I2－U1I1。（2）

其中：I1为暂降前的电流；I2为暂降后永磁发电机发出的电流。令ΔI=I1－I2，代入式（2）得

QG+=（U1－ΔU）（I1+ΔI）－U1I1=

U2ΔI－ΔUI1。（3）

其中：U1取决于永磁发电机组所在电网处的短路容量、等值阻抗和电网结构特征决定；ΔU取决于永磁发电机与电压暂降发生处的电气距离；I1取决于永磁发电机组系统初始运行状态，所以永磁发电机组电压补偿能力主要由ΔI决定，通过改变ΔI可增加永磁发电机组的电压补偿能力。

永磁发电机组电压补偿特性从时间角度划分可分为次暂态特性和暂态特性。在电网侧发生电压跌落瞬间，永磁发电机组的发电机侧电枢绕组感生大量电流，增发无功功率抑制系统电压跌落，该阶段为永磁发电机组自发的无功响应，即次暂态特性，在次暂态下永磁发电机电枢电流直轴分量变化量

ΔId=－［（1X″d+XT）e－1T″d+

（1X′d+XT）e－1T′d+1Xd+XT］ΔEG+

e－tTaX″dΔUcos（ωt+δG）。（4）

其中：X″d、X′d和Xd分别为永磁发电机的直轴次暂态电抗、直轴暂态电抗和直轴稳态电抗；T″d和T′d分别为永磁发电机直轴次暂态时间常数和直轴暂态时间常数；Ta为电枢时间常数；X0为常数，与永磁发电机组系统结构参数有关；ΔEG为永磁发电机电动势与端电压之差；ω为永磁发电机角速度；δG为永磁发电机功角。

当永磁发电机在次暂态阶段不足以支撑电网所跌落的电压时，永磁发电机励磁系统启动进行强励，即暂态阶段。永磁发电机的励磁系统采用标准的IEEE励磁机AC1A型［11］，其暂态电压方程为

ΔE′q=X′dXdΔEq+Xd－X′dXdΔU－X′dXdT′d0dΔE′qdt。（5）

其中：Eq、E′q分别为永磁发电机空载电动势和暂态电动势；T′d0为励磁绕组时间常数。

线性化处理后空载电动势简化为

ΔEq=－KAΔU。（6）

其中KA为永磁发电机励磁调节器的增益倍数。

对式（4）进行拉式变换，结合式（6）可得

ΔId=－ΔUX′d1+（1X′d－KA+1Xd）ΔU1+X′dXdT′d0s2。（7）

其中：第一项为永磁发电机自发的无功响应；第二项与励磁系统调节作用有关。

由式（4）和式（7）可知，在电网侧电压波动过程中，永磁发电机组的电压补偿能力与永磁发电机的端电压变化幅度、X″d、X′d、T′d0参数和励磁调节器增益倍数KA有关。

3 永磁发电机组电力系统仿真

3.1 永磁发电机组状态方程

永磁机组中的永磁电动机和永磁发电机运动方程为

ddtΔωeM=12H（TeM－TmM－KDMΔωeM）；

ddtδM=ω0ΔωeM。（8）

ddtΔωeG=12H（TmG－TeG－KDGΔωeG）；

ddtδG=ω0ΔωeG。（9）

其中：H为永磁发电机组惯性时间常数；TeM和TeG分别为永磁电动机和永磁发电机的机械转矩；KDM和KDG分别为永磁电动机和永磁发电机的阻尼系数；ωeM和ωeG分别为永磁电动机和永磁发电机转子角速度；δM和δG分别为永磁电动机和永磁发电机功角；ω0为永磁发电机组额定角速度。

根据永磁发电机组机械传动特性可知，ωeM=ωeG=ωe，将式（8）和式（9）合并可得

ddtΔωe=12H［TeM－TeG－（KDM+KDG）Δωe］。（10）

永磁发电机组中永磁电动机和永磁发电机功角关系为

δM+δG=δMG。（11）

永磁发电机组功率平衡方程为：

TeM－TeG=Pmech；（12）

TeM=EMUMXMsinδM；（13）

TeG=EGUGXGsinδG。（14）

其中：Pmech为机械损耗；XM和XG分别为永磁电动机和永磁发电机的等值电抗。

在永磁机组运行过程中Pmech可视为常数，式（11）和式（12）可改为：

ΔδM+ΔδG=ΔδMG；

KMΔδM－KGΔδG=0。（15）

其中KM和KG分别为同步转矩系数。

永磁发电机机械转矩偏差

ΔTeG=KGΔδG=KMKGKM+KGΔδMG。（16）

将式（15）和式（16）代入式（9）得到永磁发电机组状态方程

ddtΔωeΔδMG=－（KDM+KDG）2H－KMKG2H（KM+KG）（1+KGKM）ω00×

ΔωeΔδMG+12H0ΔTeM。（17）

3.2 新能源通过永磁发电机组并网的状态方程

为了全面反映永磁发电机组的运行特性，在永磁发电机组实际运行中，应考虑新能源机组状态变量。以风力发电机为例，永磁发电机组仅与变流器连接，风机输出功率等于永磁机组的输入功率，可得转矩平衡方程

TeWind=TeM。（18）

其中TeWind为风力发电机输出转矩，其方程为

ΔTeWind=k1ΔEd+k2ΔEq。（19）

其中：Ed和Eq分别为风力发电机直轴、交轴电压；k1和k2为风力发电机相关系数。所以Tem和风力发电机之间参数关系可由式（18）和式（19）建立。

同样，电流平衡方程式为：

IdWind=IdM；IqWind=IqM。（20）

其中：IdWind和IqWind分别为风力发电机直轴、交轴电流；IdM和IqM分别为永磁电动机直轴、交轴电流。

永磁发电机组中永磁电动机定子电流可表示为：

ΔidM=a1ΔδM；

ΔiqM=b1ΔδM。（21）

其中a1和b1与永磁发电机组初始条件和参数有关。因此，风力发电机与永磁发电机组之间的电流关系由式（20）和式（21）建立。

基于以上分析，风力发电机通过永磁发电机组并网的状态方程

ddtXIMPMMSXWind=AIMPMMSA12A21AWind×XIMPMMSXWind。（22）

其中：XIMPMMS和XWind分别为永磁发电机组和风力发电机状态变量矩阵；AIMPMMS和AWind分别为永磁发电机组和风力发电机原有状态矩阵；A12和A21为反映永磁发电机组和风力发电机之间关系的矩阵。

3.3 模型仿真

结合永磁发电机组的状态方程和新能源机组通过永磁发电机组并网的状态方程，在电力系统仿真软件PSCAD中搭建永磁发电机组系统仿真模型，模型为4机2区系统，验证永磁发电机组的电压补偿特性。如图3所示，连接母线2和4处的传统发电机被两个输出功率为1 MW的风力发电机取代，且风力发电机以最大输出模型运行。在风场中一部分风力发电机以传统方式并网，另一部分串入永磁发电机组，永磁发电机组额定容量为1 000 kW，其主要参数如表1所示。

3.3.1 串入永磁发电机组前后电压补偿能力分析

模型仿真时间共15 s，设置在输电线路中F处10 s时刻电压分别跌落20%、40%、60%、80%和100%，持续0.1 s后恢复正常，对比不同电压跌落串入永磁发电机组和传统机组情况下输出的无功功率分别如图4（a）和图4（b）所示。由图4（a）图4（b）可知，随着电压跌落程度加深，输出无功功率皆增大；电压跌落深度小于40%时，串入永磁发电机组和传统机组的输出无功功率基本一致，而电压跌落深度大于40%时，串入永磁发电机组比传统机组输出的无功功率要大，且在电压跌落深度100%，即发生短时中断故障时，串入永磁发电机组仍可以提供12.6 pu，无功功率比电压跌落90%时提供的无功功率大2.3 pu，而传统机组提供的无功功率仅为10.1 pu，比电压跌落90%时提供的无功功率大0.9 pu。

从图5可以看出相比于传统机组，串入永磁发电机组可更好地抑制电压的跌落，且并网点2处电压恢复时间缩短了0.3 s，电压补偿能力得到了显著提升。由此可知，随着电压跌落幅度增大，永磁发电机组为系统可提供更强的无功支撑能力，使得系统电压更加稳定。

3.3.2 永磁发电机组电压隔离作用分析

永磁发电机组的电压隔离作用原理如图6所示。新能源串入永磁发电机组，相当于在新能源和电网之间加入了一个永磁同步电机的机械环节，因永磁同步电机机械系统的惯性常数通常达到秒级，当电网侧电压发生跌落时会被此机械系统隔绝，电动机侧基本不会受到电网故障带来的影响，起到保护新能源机组的作用。

以新能源国家标准［12］中要求的“在并网点电压跌落至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625 ms”为参照，设置模型在10 s时电压跌落至0.2 pu，0.1 s后恢复至额定电压，分析永磁发电机组的电压隔离作用。由图7和图8可知，当网侧电压跌落时，永磁发电机电流瞬间增大，这是由于电网电压突然下降导致的，在这过程中永磁发电机电流达到了正常电流的5.5倍，但没有导致发电机故障，瞬时过电流之后，发电机恢复至稳定状态。在此过程中，永磁发电机向电网提供无功支撑，稳定了电网的电压水平。在整个过程中，永磁电动机侧的电压和电流没有受到影响，依旧能够保持平稳。另外永磁发电机侧动态过程会导致永磁机组转速发生变化，但从图9可以看出，转速变化幅度很小，几乎不会受到影响。由电压暂降仿真结果可得，当电网电压发生突变时，由于机械轴隔离作用，永磁发电机组可以将电网的故障隔离在永磁发电机内，防止永磁电动机侧的新能源脱网；在发生0.2 pu低电压故障时，可以保护新能源系统远超625 ms，证明永磁发电机组在提高网侧电压稳定性上具有特有的优势。

4 实验测试

研制一台额定容量55 kW的缩比样机，进行测试。缩比样机参数如表2所示，测试的主要目的在于对缩比样机电压隔离作用和对电网无功支撑作用进行验证。永磁电动机侧由变频器驱动，永磁发电机侧与ITECH-7900型电网模拟器相连接，电网模拟器模拟电网电压突变。试验电流和电压波形采用FLUKE4000CN型功率分析仪测得，相应的数据同步上传至上位机中，进行数据后处理。实验平台如图10所示。

缩比样机转速达到额定转速后，调整电网模拟器以达到额定状态，设置电网模拟器电压从1 pu变为0.2 pu保持0.1 s，记录该过程中永磁发电机和永磁电动机侧的电压、电流以及电网侧电压的变化。从图11和图12可知，在电压暂降时，永磁发电机出现电流突增，增加至6.1倍，永磁发电机没有出现故障，瞬时电流过后又恢复到新的稳定状态；此过程中永磁电动机侧电压和电流基本不受影响，依旧能保持平稳。由图13可知，在整个实验过程中，在电压暂降后，缩比样机向电网提供持续的无功，使电网电压最低为0.51 pu，大于0.2 pu，仅用0.25 s左右将电网电压恢复至1 pu，满足国家标准的要求。综上，试验结果与仿真结果基本一致，得到了同样的结论，证明永磁发电机组具有使得网侧电网稳定、防止新能源脱网的作用。

5 结 论

高比例新能源电网普遍存在无功补偿能力不足的问题，新能源机组脱网风险陡增，严重威胁系统安全可靠运行。新能源采用永磁发电机组并网使得新能源并网接口重新具备同步电机属性，不仅提升了新能源电网的惯性，而且可以有效防止新能源并网点电压失稳问题的发生。本文介绍了永磁发电机组的结构，分析了工作原理和电压补偿特性，列写了新能源通过永磁发电机组并网的状态方程，通过电力系统仿真和缩比样机实验证明了相比于新能源采用变流器直接并网，采用永磁发电机组并网在提高电压稳定性方面具有独特的优势，得到结论如下：

1）永磁发电机组由2台永磁电机组成，因永磁电机优秀属性，具备可与调相机相媲美的强大的瞬时无功支撑能力和短时过载能力。通过分析无功调压特性可知，永磁机组的电压补偿能力与永磁发电机侧的结构参数、励磁系统控制参数等有关，合理设计和优化永磁发电机可提高永磁发电机组的电压补偿能力。

2）通过电力系统仿真结果可知：当电压跌落小于40%时，永磁发电机组无功补偿能力突出不明显；在电压跌落60%和80%时，相比于不串入永磁发电机组，永磁发电机组提供的无功分别提高10.4%和10.8%，并网点电压跌落幅度分别降低0.1 pu和0.19 pu；当电压跌落100%，即短时中断的极限工况时，永磁发电机组仍然可以向网侧输出大量的无功功率，将并网点电压跌落幅度降低0.25 pu，说明与新能源采用变流器直接并网相比，随着电网侧电压跌落程度加剧，新能源采用永磁发电机组并网的无功补偿能力越发突显，可提供更多的无功功率抑制电压的跌落，明显提高了新能源电网电压的稳定性。

3）研究了永磁发电机组的电压隔离作用。通过电力系统仿真和缩比样机实验证明当电网侧发生电压波动时永磁发电机组的机械系统会将故障隔离，永磁发电机承受了电网侧的故障电流和电压变化，此期间与永磁电动机侧连接的新能源变流器几乎不受到影响，新能源机组稳定运行时间远超国家标准要求。因此永磁发电机组的电压隔离作用可保护新能源机组有效防止其脱网，提高新能源并网的故障穿越能力，进一步提高新能源电网的稳定性。

4）与现有的无功补偿装置（VSG、SVC和STATCOM）相比，永磁发电机组具有过电流、过电压等耐受能力不受制于电力电子器件、不需要大型储能系统提供惯性、可直接在并网点自发地向电网提供感性或容性的无功功率的优点，而且是集无功调节、惯性支撑、瞬时补偿于一体的多功能并网装置，有助于提高电网强度和新能源并网传输的可靠性。

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（编辑：刘素菊）