新能源以越来越高的比例接入电网是电力系统的发展趋势,高比例的新能源电网在发挥电力电子的快速和灵活调节等优势的同时,也给电网的稳定运行带来新的挑战,主要集中在:(1)新能源换流器缺乏可靠的惯性响应且频率耐受能力较低,导致电网的频率抗扰动能力下降。(2)新能源换流器的暂态电压和电流支撑能力不足,导致新能源的故障穿越能力降低和脱网风险增大。(3)新能源和电网的交互影响容易引发各类振荡事故,且难以提供可靠的正阻尼来抑制振荡。与新能源换流器相比,传统的同步发电机在应对上述挑战时具有较大的优势,现有的大多数基于电力电子控制的应对方案也都希望换流器能够具备同步机的一些优良属性,虽然取得了一定的成效,但不能发挥更好的效果的原因仍然多数归结到电力电子本身。基于此,本文提出一种高比例新能源通过同步电动机-同步发电机(Motor-generator Pair,MGP)并网的新型并网方式,尝试利用同步电机的一些优良属性,如真实的转动惯量和自发的惯性响应、过载和瞬时无功功率支撑能力、通过励磁控制来阻尼振荡等,作为电力电子换流器并网的补充,更好地服务于高比例新能源电网的稳定运行。本文的主要研究内容和创新性成果如下:(1)提出了基于同步电机的高比例新能源的新型并网方式,开展了可行性的理论和实验研究理论方面,详细介绍了 MGP的结构和工作原理,讨论了损耗和工作效率,建立了 MGP的数学模型并研究功角特性,在此基础上,提出了有功功率控制方法,;实验方面,建立了 MGP样机系统,开展了离网带负载实验、功角特性实验和并网有功功率控制实验。结果表明MGP可以实现带负载、并网和有功功率控制的基本功能;MGP传输的有功功率的变化引起功角的变化,进而引起两侧电压的相位差发生变化,这个功角特性对功率控制和稳定性建模具有重要意义。(2)系统地建立了新能源通过MGP并网的小干扰稳定分析模型和暂态仿真模型,研究了 MGP的基本特性建模方面,以功角特性为基础,建立了经典模型、恒定/自动励磁模型、几种典型的新能源通过MGP并网的模型以及考虑锁相环动态的模型,以运动方程为基础,建立了 MGP的暂态仿真模型;基本特性研究方面,利用上述模型,分析了 MGP的转动惯量水平,推导了 MGP输出阻尼转矩分量的求解方法,揭示了 MGP的阻尼特性。结果表明所提建模方法能够反映MGP的整体输出特性,MGP在两台同步机及其磁场的共同作用下,可以提供较高的惯性和阻尼。(3)分析了新能源通过MGP并网的小干扰稳定性并开展实验研究算例方面,建立了单机无穷大和三机九节点两个测试系统,利用(2)中建立的模型进行小干扰稳定的计算和分析,研究新能源采用MGP并网后对系统小干扰稳定的影响;实验方面,在2kW样机系统上开展了负载扰动实验,研究了不同负载扰动量和不同励磁方式对频率响应的影响。结果表明MGP能够隔离和削弱风机引入的不利的振荡模式并改善系统原有的振荡模式。(4)研究了 MGP的暂态功角稳定和隔离作用暂态功角稳定方面,考虑电网侧故障和新能源侧功率波动两种工况,通过等面积法则对MGP暂态功角动态过程进行理论分析,通过数值计算、暂态仿真和样机实验研究了不同工况下的暂态功角稳定性·;隔离作用方面,通过暂态仿真研究了 MGP对电网侧的电压、电流和频率扰动的隔离作用;通过样机实验测量和分析了换流器通过MGP并网时各个环节输出的电压波形,研究了 MGP系统对换流器产生的非工频分量的衰减作用。结果表明MGP可以提升网侧故障时的功角稳定并能够应对新能源侧功率波动,同时隔离新能源电场和电网之间的不利影响。