沈阳工大等单位学者提出新型惯性储能永磁发电机组，可提高短时中断故障期间新能源微电网的稳定性

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随着全球能源与环境问题的日益加剧，风力发电、光伏发电等新能源装机比例不断增长是未来电力系统的发展趋势。欧盟、中国和美国分别描绘出2050年高比例新能源电力系统蓝图。但新能源微电网缺乏可靠的惯性响应，且对有功功率变化和频率波动的耐受能力差，导致电网出现严重故障甚至新能源机组大规模离网，这给电力系统安全和稳定运行带来了新的挑战。

为了提高新能源微电网的惯性响应能力，储能虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）技术应运而生，该技术是将同步发电机的数学模型引入新能源变流器的控制中，用于模拟同步发电机的惯性特性。然而，利用VSG控制新能源发电单元参与惯性响应和一次调频，在很大程度上依赖控制参数的选取，不同回路和参数间存在强耦合，增加了响应时间，使控制系统设计更加复杂，而且过载和惯性响应能力不如真实惯量装置。其次，新能源并网点常因电网中大功率电机起动、短路故障等产生较大的电压跌落，同时因其变流器绝缘和过电流耐受水平差，导致其故障穿越能力低。

国内外学者针对不同新能源机组类型和低压穿越能力提出了相应的改进策略和方法。针对双馈风机定子直接并网电压跌落引起转子变流器过电流的问题，提出基于灭磁、定子磁链动态、转子动能与补偿思想的控制策略，用于提升双馈风机低压穿越能力。另外一些改进的控制策略被提出以提高光伏和永磁直驱式风机的低压穿越能力。

但是随着新能源发电比例越来越高，一次故障周边残余电压从原有低于30%(pu)的区域负荷会停机到现在残余电压低于80%(pu)的区域，敏感负荷就会停机，出现了新的故障形式——短时中断。新能源机组耐受电压能力不足，如不采取相应措施会出现大范围脱网。如何实现对发生短时中断故障的新能源微电网并网点的就近补偿鲜有报道。

现有的大多数解决方法都是使变流器具备同步电机的一些优点保证电网的稳定性。然而，与真正的同步电机相比，变流器的性能并不足以满足要求。针对这一需求，为解决高比例新能源微电网的短时中断问题，沈阳工业大学电气工程学院、沈阳职业技术学院电气工程学院的郑军铭、冯丽、蔡志远、张炳义，在2022年第23期《电工技术学报》上撰文，提出一种具有真实大惯量的可提高新能源场站抗扰动能力的惯性储能永磁发电机组，简称永磁机组（Inertia Motivity Permanent Magnet Machine Set, IMPMMS）。该永磁机组由共外转子滚筒的永磁电动机和永磁发电机组成，具有对新能源微电网实时惯性支撑和输出电能质量高的优点。

图1  永磁机组系统原理示意图

系统原理示意图如图1所示。从图1可知，永磁机组将新能源机组和电网串联，改变了新能源通过电力电子器件直接并网的方式；永磁机组是外转子结构，当新能源并网点处发生短时中断故障时，利用其外转子机械惯量对电网进行瞬时功率补偿。

研究人员首先以新能源并网点短时中断故障期间的电网特性为依据，从惯性储能角度出发设计了额定容量为1MW的永磁机组，对其进行了场路耦合分析，仿真结果验证了永磁机组输出特性满足电网电能质量要求。

图2 永磁机组三维拓扑结构

然后，他们根据永磁机组等效电路模型，列写永磁机组电气、机械方程，基于PSCAD电力系统分析平台建立永磁机组仿真模型，通过分析可知在惯性补偿期间与不串入永磁机组相比，并网点频率下降率降低1.2%、功角最大振幅下降22.5%且振荡周期缩短、电压跌落降低24.3%，证明了永磁机组在短时中断故障期间对电网具有支撑作用，可提高新能源微电网的稳定性。

图3 缩比样机

图4 实验平台

由于机组功率、尺寸较大以及实验条件的限制，研究人员以一台额定容量为55kW缩比样机，对该机组进行实验验证。在机组规定的惯性运转期间，通过实验测试结果可知：输出电压波动率为5.1%，小于标准要求的7%；A相电压THD50th为2.91%，小于标准要求的4%，且各次谐波幅值也满足标准要求；输出功率平均值55.3kW与额定值基本一致，验证了新型机组设计思想的正确性。

他们指出，该永磁机组作为适用于新能源场站的大型同步惯量支撑设备，其外转子既可以作为旋转部件又可以视为具有真实大惯量的储能飞轮。在新能源并网点发生短时中断故障期间，它可第一时间向电网自动地提供所需的惯量支撑和高品质电能，是一种可有效提高高比例新能源微电网系统稳定性的技术解决方案。今后研究将集中于永磁机组的控制策略和最优化设计。

本文编自2022年第23期《电工技术学报》，论文标题为“提高短时中断故障期间新能源微电网稳定性的惯性储能永磁发电机组”。

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