CN104779642A - 一种双馈风力发电机组的频率与阻尼综合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈风力发电机组的频率与阻尼综合控制方法。当双馈风力发电机组正常运行时，采用最大功率跟踪控制策略，当系统频率出现变化后，通过频率控制器，为风电机组参与系统调频提供快速有功控制指令，模拟风电机组的惯性频率响应。它将现有风电机组频率控制中比例微分控制改进为带有一阶惯性的比例微分控制，使得风电机组频率控制始终表现为正阻尼特性，保证了风电机组兼有频率调节和抑制系统功率振荡两种控制功能，为控制器广泛应用奠定基础。在电网出现频率变化后，频率控制快速调节风电机组的电磁功率，参与电网调频，若系统出现区域间低频振荡，在该控制策略下，风电机组能够抑制系统功率振荡。

Description

一种双馈风力发电机组的频率与阻尼综合控制方法

技术领域

本发明涉及一种发电机组的频率与阻尼综合控制方法，尤其是一种双馈风力发电机组的频率与阻尼综合控制方法。

背景技术

电网的频率调节能力和阻尼大小对电力系统的安全稳定运行有着重要影响，而对于风电装机比重较高的区域电网，这一问题将变得更加突出。目前，针对变速风电机组频率调节问题多采用比例微分(proportional derivative,PD)控制器,将df/dt微分控制环节和频率下垂特性的比例环节相结合，共同叠加到风电机组的最大功率追踪控制上。研究表明df/dt控制环节可在电网频率变化瞬间快速调节风电机组的电磁功率，释放或者吸收转子动能，提供惯性响应，而下垂控制可使风电机组参与电网的一次调频。然而，变速风电机组采用PD控制器产生附加注入功率进而实现频率调节的控制方案对电网的功率振荡产生了负阻尼影响，从而限制了控制器的推广应用。因此，通过改进现有变速恒频风电机组的频率控制策略，使其兼有频率调节和抑制系统功率振荡的能力，将对风电渗透率较高的区域电网的安全运行具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双馈风力发电机组的频率与阻尼综合控制方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种双馈风力发电机组的频率与阻尼综合控制方法，包括以下步骤：

a：判断电网是否稳定运行，如果是，采用最大功率跟踪控制策略对双馈风力发电机组进行有功控制，如果否，转向步骤b；

b：电网频率变化后，调节所述双馈风力发电机组的输出功率，有功增量ΔP_f为：

$\mathrm{\Δ}{P}_f=-K_{\mathrm{df}}\frac{\mathrm{d\Δf}}{\mathrm{dt}}\frac{1}{1+s{T}_D}-K_{\mathrm{pf}}\mathrm{\Δf}---\left(1\right)$

其中，K_df、K_pf分别为微分控制系数和比例控制系数，Δf为电网频率偏差，T_D为惯性环节时间常数，s为复频率。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：它将原有的微分控制环节改变为带有一阶惯性滞后的微分控制环节，通过合理的参数配置，使双馈风力发电机组的频率控制始终表现为正阻尼特性，使风力发电机在参与电网频率调节的动态过程中具备增加系统阻尼的特性，消除了微分环节给电网引入负阻尼而造成的不利影响。它可使所述风电机组在电网频率变化或功率振荡时，通过参与电网的有功功率调节，使风电机组兼有频率调节和抑制系统功率振荡的能力，提高了电力系统的暂态稳定性。

附图说明

图1是本发明的流程图

图2是含双馈风电场的仿真拓扑结构图；

图3是含双馈风电场的系统等值电路图；

图4是本发明频率控制原理框图；

图5是本发明实施例1中风电机组电磁功率动态响应对比曲线；

图6是本发明实施例1中系统频率动态响应对比曲线；

图7是是本发明实施例1中发电机转子角动态响应对比曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1所示，一种双馈风力发电机组的频率与阻尼综合控制方法，包括以下步骤：

a：判断电网是否稳定运行，如果是，采用最大功率跟踪控制策略对双馈风力发电机组进行有功控制，如果否，转向步骤b；

b：电网频率变化后，调节所述双馈风力发电机组的输出功率，有功增量ΔP_f为：

$\mathrm{\Δ}{P}_f=-K_{\mathrm{df}}\frac{\mathrm{d\Δf}}{\mathrm{dt}}\frac{1}{1+s{T}_D}-K_{\mathrm{pf}}\mathrm{\Δf}---\left(1\right)$

其中，K_df、K_pf分别为微分控制系数和比例控制系数，Δf为电网频率偏差，T_D为惯性环节时间常数，s为复频率。

为了说明所提改进策略的有效性，将双馈风电机组连接于图2所示的四机两区域电网B₅母线处。假定风速为11m/s，双馈风电机组运行在最大功率跟踪运行状态。图5-7分别为系统负荷L₁增加后，风电机组电磁功率动态响应特性曲线、系统频率动态响应特性曲线和同步发电机G₃转子角动态响应特性曲线。

从图6可以看出，当系统负荷L₁增加后，风电机组参加系统频率控制相比不参加系统频率控制时，系统最大频率偏差出现时刻延迟约2秒，最大频率偏差也明显减小，说明风电机组改善系统频率调节能力。在图7中，双馈风电机组动态注入有功功率后，发电机G₃转子角摆动曲线衰减速度显著增加，风电机组表现为正阻尼特性，避免了风电调频引起的功率振荡，有效增强了系统动态稳定性。

本发明可使双馈风电机组根据电网频率偏差信号，快速调节风电机组的有功输出，利用风电机组独立、灵活的功率调节特性，在电网出现频率变化后，参与电网的频率调节，提高系统频率动态稳定性，并且可避免调频引起的系统功率振荡，适于风电场有功频率控制器的推广应用。

频率与阻尼控制原理分析如下：

参看图3，假定同步发电机G₁采用q轴暂态电动势E′恒定的二阶经典模型且认为机械功率P_m恒定，其运动方程可表示为

$\left\{\begin{array}{c}{T}_G\frac{d{\mathrm{\ω}}_s}{\mathrm{dt}}=P_m-P_G-D_G({\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_e)\\ \frac{\mathrm{d\δ}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_e\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，δ、T_G、P_G、P_m分别为G₁的功角、惯性时间常数、电磁功率和机械功率；ω_s、ω_e分别为G₁和系统的电角速度；D_G为发电机阻尼系数。

对式(2)求小扰动量，则其小扰动运动方程为

T_Gp²Δδ+D_GpΔδ+ΔP_G＝0    (3)

式中，ΔP_G为G₁有功变化量；p为微分因子。

根据相关知识，线路B1-B2和B2-B3输送的有功可表示为：

$P_G=\frac{E^{\′}{U}_G}{x_1}\sin \mathrm{\θ}---\left(4\right)$

$P_{\mathrm{\Σ}}=\frac{U_{G}U}{x_2}\sin (\mathrm{\δ}-\mathrm{\θ})---\left(5\right)$

由系统功率平衡关系可得：

P_Σ＝P_G+P_f    (6)

式中，P_f为风电机组的有功输出。

为简化分析，假定线路母线电压恒定，因此线路上功率的变化仅取决于母线电压相角的变化。双馈风电机组转子侧变流器的无功电流控制环采用定交流电压控制，可认为风电场并网点电压U_G恒定，对式(4)、(5)求小扰动量下线性方程：

$\mathrm{\Δ}{P}_G=\frac{E^{\′}{U}_G}{x_1}\cos {\mathrm{\θ}}_0\mathrm{\Δ\θ}=K_1\mathrm{\Δ\θ}---\left(7\right)$

$\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{\Σ}}=\frac{U_{G}U\cos ({\mathrm{\δ}}_0-{\mathrm{\θ}}_0)}{x_2}(\mathrm{\Δ\δ}-\mathrm{\Δ\θ})=K_2(\mathrm{\Δ\δ}-\mathrm{\Δ\θ})---\left(8\right)$

式中， $K_1=\frac{E^{\′}{U}_G}{x_1}\cos {\mathrm{\θ}}_0,K_2=\frac{U_{G}U\cos ({\mathrm{\δ}}_0-{\mathrm{\θ}}_0)}{x_2}.$

参看图4，双馈风电机组在所提改进频率控制策略下，有功输出变化量ΔP_f包含比例控制变化分量ΔP_pf和微分控制变化分量ΔP_df两部分。为简化分析，以下分两种情形分析双馈风电机组在所提改进频率控制策略下是如何为发电机提供正阻尼。

①ΔP_f仅包含比例控制变化分量ΔP_pf，则

ΔP_f＝-K_pfΔf＝-K_ppΔδ    (9)

式中， $K_p=\frac{K_{\mathrm{pf}}}{2\mathrm{\π}}.$

将式(7)、(8)、(9)代入式(6)可得：

ΔP_G＝KK_ppΔδ+KK₂Δδ    (10)

式中，K＝K₁/(K₁+K₂)。

将式(10)代入式(3)可得发电机小扰动运动方程为

T_Gp²Δδ+(D_G+KK_p)pΔδ+KK₂Δδ＝0    (11)

由式(11)可知，K_p>0时，风电机组频率控制器中比例环节等效增大了同步发电机的阻尼系数，有利于阻尼发电机功角振荡。

②ΔP_f仅包含微分控制变化分量ΔP_df，设发电机转子角以频率ω_osc振荡，即s＝jω_osc，则ΔP_f可表示为

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{P}_f=-K_{\mathrm{df}}\mathrm{\Δf}\frac{s}{1+s{T}_D}=-K_{\mathrm{df}}\mathrm{\Δf}\frac{s(1-s{T}_D)}{1-{\left(s{T}_D\right)}^2}=-K_{\mathrm{df}}\mathrm{\Δf}\frac{s}{1+{\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}{T}_D\right)}^2}-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}^2{T}_D{K}_{\mathrm{df}}}{1+{\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}{T}_D\right)}^2}\mathrm{\Δf}\\ =-K_{\mathrm{df}}\mathrm{\Δf}\frac{s}{1+{\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}{T}_D\right)}^2}-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}^2{T}_D{K}_{\mathrm{df}}}{1+{\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}{T}_D\right)}^2}\mathrm{\Δf}=-\frac{K_{\mathrm{df}}}{1+{\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}{T}_D\right)}^2}\frac{\mathrm{d\Δf}}{\mathrm{dt}}-\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}^2{T}_D{K}_{\mathrm{df}}}{1+{\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}{T}_D\right)}^2}\mathrm{\Δf}\\ =-K_d^{\′}{p}^2\mathrm{\δ}-K_p^{\′}\mathrm{p\δ}\end{array}---\left(12\right)$

式中 $K_d^{\′}=\frac{K_{\mathrm{df}}}{1+{\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}{T}_D\right)}^2},K_p^{\′}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}^2{T}_D{K}_{\mathrm{df}}}{1+{\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}{T}_D\right)}^2}.$

将式(12)、(7)、(8)代入式(6)可得

ΔP_G＝KK′_dp²Δδ+KK′_ppΔδ+KK₂Δδ    (13)

将(13)式代入(3)式得发电机小扰动运动方程为

(T_G+KK′_d)p²Δδ+(D_G+KK′_p)pΔδ+KK₂Δδ＝0    (14)

由式(14)可知，所提频率与阻尼综合控制器通过微分与一阶惯性环节共同模拟风电机组的惯性频率响应，控制环节中的微分环节在等效增加同步发电机惯性时间常数的同时，也使得同步发电机阻尼系数增加为D_G+KK'_p。因此，通过对惯性环节控制参数的设计可以实现风电机组在频率控制过程中，同时增强区域电网惯性和阻尼的控制目标，分析如下：

求式(14)所示微分方程的特征根，得其实部λ为

$\mathrm{\λ}=-\frac{D_G+{\mathrm{KK}}_p^{\′}}{2(T_G+{\mathrm{KK}}_d^{\′})}=-\frac{D_G+\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}^2{T}_D{\mathrm{KK}}_{\mathrm{df}}}{1+{\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}{T}_D\right)}^2}}{2(T_G+\frac{{\mathrm{KK}}_{\mathrm{df}}}{1+{\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{osc}}{T}_D\right)}^2})}---\left(15\right)$

改进频率控制器若要增加系统阻尼，则λ应随K_df的增加而减小，即此外还应保证λ随T_D的增加而减小，即综上，解得惯性环节时间常数T_D的取值范围为

$\frac{D_G}{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{osc}}^2{T}_G}<T_D<\frac{D_G+\sqrt{D_G^2+{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{osc}}^2{T}_G(T_G+{\mathrm{KK}}_{\mathrm{df}})}}{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{osc}}^2{T}_G}---\left(16\right)$

所提频率与阻尼综合控制器中一阶惯性环节控制参数T_D在上述取值范围内，即可实现前面所述双馈风电机组增加系统惯性和阻尼的控制目标。

本发明可以控制风电机组向系统动态注入的电磁功率。系统出现大幅频率波动时，风电机组可为电网提供功率支持，参与系统调频，并且该控制方案，可以有效增加电网阻尼，能够避免频率波动或其他扰动引起的区域间电网的功率振荡。在电网出现频率变化后，频率控制快速调节风电机组的电磁功率，参与电网调频，若系统出现区域间低频振荡，在该控制策略下，风电机组能够抑制系统功率振荡。

Claims (1)

1.一种双馈风力发电机组的频率与阻尼综合控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

a：判断电网是否稳定运行，如果是，采用最大功率跟踪控制策略对双馈风力发电机组进行有功控制，如果否，转向步骤b；

b：电网频率变化后，调节所述双馈风力发电机组的输出功率，有功增量ΔP_f为：

${\mathrm{\&Delta;P}}_f=-K_{\mathrm{df}}\frac{\mathrm{d\&Delta;f}}{\mathrm{dt}}\frac{1}{1+s{T}_D}-K_{\mathrm{pf}}\mathrm{\&Delta;f}---\left(1\right)$

其中，K_df、K_pf分别为微分控制系数和比例控制系数，Δf为电网频率偏差，T_D为惯性环节时间常数，s为复频率。