CN105140938A - 基于储能系统的双馈异步风电机组自启动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于储能系统的双馈异步风电机组自启动控制方法，具体包括以下步骤：(1)当电网出现低电压故障时，双馈异步风电机组自启动控制器断开网侧负荷，向直流电容两端并入储能系统。储能系统向直流电容充电，控制系统采用PV电压控制策略，(2)在网侧电压达到额定电压的控制范围以后，接入系统负荷，同时启动频率控制器，进一步对风电机组自启动频率进行控制，保证系统频率稳定在额定频率以内。(3)控制器检测到系统频率电压稳定后，系统稳定运行并断开储能系统，转为PQ功率控制模式稳定运行，风电机组自启动过程结束。在储能系统的直流电压支撑下，实现风电机组的自启动以及带负荷运行，并保证电压以及频率的稳定。

Description

基于储能系统的双馈异步风电机组自启动控制方法

技术领域

本发明涉及风电机组运行控制技术，具体涉及一种基于储能系统的双馈异步风电机组自启动控制方法。

背景技术

随着电网互联程度的不断提高，电网结构日益复杂化，再加上采用远距离输电，冲击负荷增加，电力系统的安全稳定受到极大挑战。虽然近年来电力系统运行的经济性与可靠性得到了很大提高，但是还是很难避免在遭受严重故障时可能产生的大面积停电事故。因此，在发生大停电以后，备用能源需要参与到系统的黑启动过程中。

因为双馈发电机组(Double-FedInductionGenerator，简称DFIG)具有变速恒频、有功无功分开控制的特点，使得其成为是当前风电场的主流配置机型。过去由于风电机组低电压穿越能力差以及电压、频率易于变化的原因，一般不将风电机组作为黑启动电源点。现在，先进的技术以及更好的控制系统使得风电系统参与电网黑启动成为可能。风电机组在网侧失压环境下实现自启动则是风电机组黑启动的关键。本专利提出了一种基于储能系统的双馈异步风电机组自启动控制技术，使得双馈异步风电机组在网侧失压的条件下实现可以自启动，从而有可能参与大停电后的黑启动过程。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中双馈异步风电机组自启动能力存在的不足，提供一种基于储能系统的双馈异步风电机组自启动控制方法。

技术方案：本发明的一种基于储能系统的双馈异步风电机组自启动控制方法，具体包括以下步骤：

1)当电网出现低电压故障时，双馈异步风电机组自启动控制器断开网侧负荷，向直流电容两端并入储能系统，储能系统向直流电容充电并保持自启动前期电容电压的稳定；同时控制器向转子侧变流器以及定子侧变流器发出逆变指令，采用PV电压控制策略，保证风机出口侧电压恒定以及直流侧电容电压恒定；

2)风机自启动初期，控制器持续对于系统电压进行检测，在网侧电压达到额定电压的控制范围以后，接入系统负荷，同时启动频率控制器，进一步对风电机组自启动频率进行控制，保证系统频率稳定在额定频率以内；

3)控制器检测到系统频率电压稳定后，系统稳定运行并断开储能系统。控制器通过转变转子侧变流器的控制模式，将控制目标为网侧输出电压恒定的PV电压控制策略转为控制目标为网侧负荷恒定的PQ功率控制策略，从而实现双馈异步风电系统带负荷的稳定运行，风电机组自启动过程结束。

所述步骤1)中，在风电机组启动初期，为了建立满足电网运行要求的电压，风电机组PV电压控制策略为：

双馈异步风电机组采用定子电压定向技术以及有功无功解耦控制技术，其有功无功的输出主要依赖于对于转子侧变流器的控制，自启动控制器采用PV控制模式，其转子电流参考值如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{rd}^{*}=k_{rpp}(P^{*}-P_s)+k_{rpi}\∫(P^{*}-P_s)dt\\ i_{rq}^{*}=k_{rvp}(U^{*}-U_s)+k_{rvi}\∫(U^{*}-U_s)dt\end{array}\right.$

其中，P^*、U^*为风电机组有功功率、电压参考值；P_s为风电机组输出有功功率，U_s为风电机组输出电压；k_rpp、k_rpi分别为有功功率控制器的比例、积分系数；k_rvp、k_rvi分别为电压控制器的比例、积分系数；分别为d、q轴的转子电流参考值，

为了消除静差，引入积分环节，设计转子电流控制器：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{rd}^{\′}={\mathrm{\σL}}_r\frac{{\mathrm{di}}_{rd}^{*}}{dt}+k_{irp}(i_{rd}^{*}-i_{rd})+k_{iri}\∫(i_{rd}^{*}-i_{rd})dt\\ u_{rq}^{\′}={\mathrm{\σL}}_r\frac{{\mathrm{di}}_{rq}^{*}}{dt}+k_{irp}(i_{rq}^{*}-i_{rq})+k_{iri}\∫(i_{rq}^{*}-i_{rq})dt\end{array}\right.$

其中， 分别为d、q轴的转子电流参考值，k_irp、k_iri分别为转子电流控制器的比例、积分系数，

在考虑定子磁链变化的条件下，还需增加附加控制项：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{rd}=(R_r{i}_{rd}-{\mathrm{\ω}}_{slip}{\mathrm{\σL}}_r{i}_{rq}-{\mathrm{\ω}}_{slip}\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_{sq})+\frac{L_m}{L_s}(U_s-R_s{i}_{sd}+{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{sq})\\ {\mathrm{\Δu}}_{rq}=(R_r{i}_{rq}+{\mathrm{\ω}}_{slip}{\mathrm{\σL}}_r{i}_{rd}+{\mathrm{\ω}}_{slip}\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_{sd})+\frac{L_m}{L_s}(-R_s{i}_{sq}-{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{sd})\end{array}\right.$

其中，R_r、L_r分别为风电机组转子电阻和转子电抗；R_s、L_s分别定子电阻和定子电抗；L_m为励磁电抗；ω_slip为滑差角速度，ω₁为同步角速度；ψ_sd、ψ_sq分别为定子d、q轴磁链，

最终，自启动控制器采用PV控制模式，转子变流器所需输出的参考电压值如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{rd}^{*}=u_{rd}^{\′}+{\mathrm{\Δu}}_{rd}\\ u_{rq}^{*}=u_{rq}^{\′}+{\mathrm{\Δu}}_{rq}\end{array}\right.$

其中，和为转子变流器的参考电压值信号，u'_rd和u'_rq为转子电流控制器输出信号，Δu_rd和Δu_rq为转子电流控制器附加控制项。

所述步骤2)中，在风电机组电压建立后，为了保证输出电压频率稳定，对风电机组自启动频率进行控制的方法为：

频率控制器由转速控制器和附加频率控制器组成，其中转速控制器设计如下：

$P_{\mathrm{\ω}}^{*}=k_{\mathrm{\ω}p}({\mathrm{\ω}}_s^{*}-{\mathrm{\ω}}_s)+k_{\mathrm{\ω}i}\∫({\mathrm{\ω}}_s^{*}-{\mathrm{\ω}}_s)dt$

其中,分别为风电机组转速控制器参考值、定子测量转速、定子转速计算值,由输入量P_s输入至P-ω曲线中产生，P-ω曲线功能模块由机组的功率转速特性决定；

风电机组通过控制有功功率输出来控制频率，附加频率控制器的设计如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{f1}^{*}=k_{fp1}\frac{{\mathrm{df}}_s}{dt}+k_{fi1}\∫\frac{{\mathrm{df}}_s}{dt}dt\\ P_{f2}^{*}=k_{fp2}(f_{ref}-f_s)+k_{fi2}\∫(f_{ref}-f_s)dt\end{array}\right.$

其中，f_s、f_ref分别为风电机组输出电压频率以及频率参考值；k_fp1、k_fp2、k_fi1、k_fi2为附件频率控制器的比例系数以及积分系数，

最终，风机自启动频率控制器给出转子变流器的有功功率参考值为：

$P^{*}=P_{\mathrm{\ω}}^{*}+P_{f1}^{*}-P_{f2}^{*}$

其中，为转速控制器输出信号，和为附加频率控制器输出信号。

所述步骤(3)中，在风电机组电压频率稳定后，自启动控制器采取的具体步骤为：

1)考察风机自启动运行中电压偏差值以及频率偏差值 ${\mathrm{\Δf}}_s^t=f_s^t-f_{ref},$ 若满足以及的条件，则转入步骤2).

2)考察风机直流侧电压偏差值若满足则认定直流电压侧恒定，并断开储能系统，转入步骤3).

3)系统记录风电机组稳定运行时刻有功功率参考值P_t ^*，并计算出相应的无功功率参考值系统由PV控制模式转为PQ控制模式，其控制器设计如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{rd}^{*}=k_{rpp}(P^{*}-P_s)+k_{rpi}\∫(P^{*}-P_s)dt\\ i_{rq}^{*}=k_{rpp}(Q^{*}-Q_s)+k_{rpi}\∫(Q^{*}-Q_s)dt\end{array}\right.$

其中，k_rpp、k_rpi为PQ功率控制器的比例、积分参数，

有功和无功功率参考值分别由先前PV控制模式下的参考值给出，即P^*＝P_t ^*，风电机组自启动控制结束。

有益效果：在双馈异步风电机组的自启动过程中，考虑到风电系统出口侧电压变化较大，采用计及定子电压与磁链变化的双馈异步风电机组模型，使得风电机组的自启动控制更加有效；同时为了保证自启动控制过程中的电压频率稳定，在双馈异步风电机组有功无功解耦控制的基础上，采用了电压控制器以及频率附加控制器以保证电压质量。双馈异步风电机组在储能系统以及自启动控制方法的作用下实现了单机带负荷自启动，并保证了自身电压以及频率的稳定。

附图说明

图1为本发明的总体框图。

图2为实施例的双馈异步风电机组单机带负荷系统结构图。

图3为双馈异步风电机组网侧变流器控制框图。

图4为双馈异步风电机组转子侧变流器控制框图。

图5为双馈异步风电机组频率控制器控制框图

图6为实施例的双馈异步风电机组自启动电压图。

图7为实施例的双馈异步风电机组自启动频率图。

图8为实施例的双馈异步风电机组自启动输出有功功率图。

图9为实施例的双馈异步风电机组自启动输出无功功率图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的基于储能系统的双馈异步风电机组自启动控制技术具体包括以下步骤：

(1)当电网出现低电压故障时，双馈异步风电机组自启动控制器断开网侧负荷，向直流电容两端并入储能系统，向其充电并保持自启动前期电容电压的稳定；同时控制器向转子侧变流器以及定子侧变流器发出逆变指令，采用PV电压控制策略，保证风机出口侧电压恒定以及直流侧电容电压恒定。

(2)风机自启动初期，控制器持续对于系统电压进行检测，在网侧电压达到额定电压的控制范围以后，接入系统负荷，同时启动频率控制器，进一步对风电机组自启动频率进行控制，保证系统频率稳定在额定频率以内。

(3)控制器检测到系统频率电压稳定后，系统稳定运行并断开储能系统，转为PQ功率控制模式稳定运行，风电机组自启动过程结束。

实施例：下面以双馈异步风电机组单机系统为实施例来详细说明本发明。

如图2所示，双馈异步风电机组在网侧没有电压支撑的情况下孤岛运行，实现自启动并带负荷运行。其中，风电机组的额定电压为575V，额定容量为1.5MVA，额定频率为50HZ。单机系统带感性负载的额定功率为0.6MW，机端提供无功支撑的电容额定无功功率为0.5Mvar。双馈异步风电机组转子电阻为R_r＝0.016pu，转子电抗L_r＝0.16pu；定子电阻为R_s＝0.023pu，定子电抗为L_s＝0.18pu；励磁电抗为L_m＝2.9pu；惯性系数为H＝0.09526；网侧变流器进线电阻为R_g＝0.003pu，进线电抗为L_g＝0.00091pu。双馈异步风电机组的P-ω曲线由表1数据插值生成。在自启动过程中，认为风速恒定且风速为v＝12m/s。在MATLABSIMULINK平台中搭建如图2所示的模型并仿真运行。

表1双馈异步风电机组P-ω曲线

转速ω	功率P
		0	0
0.24	0.007
		0.36	0.024
0.6	0.112
		0.96	0.46
1.2	0.898

本实施例通过三个步骤实现双馈异步风电机组的自启动。

(1)控制系统向双馈异步风电机组控制器发出自启动指令，双馈异步风电机组自启动控制器断开网侧负荷，向直流电容两端并入储能系统，向其充电并保持自启动前期电容电压的稳定；同时控制器向转子侧变流器以及定子侧变流器发出逆变指令，如图3和4所示，采用PV电压控制策略，该控制策略如图3所示，控制策略保证风机出口侧电压恒定以及直流侧电容电压恒定。

(2)风机自启动初期，系统持续检测电网电压，当检测到电网侧电压已经建立，即满足|U^*-U_s|＜ε_max条件。此时接入系统负荷，同时启动频率控制器，频率控制策略如图5所示，频率控制器进一步对风电机组自启动频率进行控制，保证系统频率稳定在额定频率以内。

(3)在频率电压控制恒定以后，考察风机自启动运行中电压偏差值 ${\mathrm{\ΔU}}_s^t=U_s^t-U_{ref}$ 以及频率偏差值 ${\mathrm{\Δf}}_s^t=f_s^t-f_{ref},$ 若满足以及的条件，则进一步.考察风机直流侧电压偏差值若满足则认定直流电压侧恒定，并断开储能系统。系统记录风电机组稳定运行时刻有功功率参考值P_t ^*，并计算出相应的无功功率参考值系统由PV控制模式转为PQ控制模式，其中有功和无功功率参考值分别由先前PV控制模式下的参考值给出，即P^*＝P_t ^*，风电机组自启动控制结束。

如图6所示，在风电机组启动初期，机端电压为零，在1.5s以后，风电机组在PV控制模式，迅速增发无功以建立满足电网运行要求的电压，并在电压控制模式下迅速稳定在1.0pu，为后续并入负荷以及频率控制提供保障。

如图7所示，在风电机组成功建立电压后，频率控制器开始对于系统频率进行纠正，由于风电机组转子惯性大，响应速度较慢，在3.5s以后，频率控制器将系统频率控制在额定频率范围内。

如图8和图9所示，在风机启动初期，在PV控制模式以及频率控制器的双重作用下，系统输出功率变化以调控频率，最终稳定在0.6MW；同时，在电压建立的过程中，风电机组输出无功以稳定系统电压。在4s后频率稳定，同时系统输出的有功以及无功功率稳定，转为PQ控制模式，系统自启动过程结束。

Claims (4)

1.一种基于储能系统的双馈异步风电机组自启动控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)当电网出现低电压故障时，双馈异步风电机组自启动控制器断开网侧负荷，向直流电容两端并入储能系统，储能系统向直流电容充电并保持自启动前期电容电压的稳定；同时控制器向转子侧变流器以及定子侧变流器发出逆变指令，采用PV电压控制策略，保证风机出口侧电压恒定以及直流侧电容电压恒定；

2)风机自启动初期，控制器持续对于系统电压进行检测，在网侧电压达到额定电压的控制范围以后，接入系统负荷，同时启动频率控制器，进一步对风电机组自启动频率进行控制，保证系统频率稳定在额定频率以内；

3)控制器检测到系统频率电压稳定后，系统稳定运行并断开储能系统。控制器通过转变转子侧变流器的控制模式，将控制目标为网侧输出电压恒定的PV电压控制策略转为控制目标为网侧负荷恒定的PQ功率控制策略，从而实现双馈异步风电系统带负荷的稳定运行，风电机组自启动过程结束。

2.根据权利要求1所述的基于储能系统的双馈异步风电机组自启动控制方法，其特征在于所述步骤1)中，在风电机组启动初期，为了建立满足电网运行要求的电压，风电机组PV电压控制策略为：

双馈异步风电机组采用定子电压定向技术以及有功无功解耦控制技术，其有功无功的输出主要依赖于对于转子侧变流器的控制，自启动控制器采用PV控制模式，其转子电流参考值如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{rd}^{*}=k_{rpp}(P^{*}-P_s)+k_{rpi}\∫(P^{*}-P_s)dt\\ i_{rq}^{*}=k_{rvp}(U^{*}-U_s)+k_{rvi}\∫(U^{*}-U_s)dt\end{array}\right.$

其中，P^*、U^*为风电机组有功功率、电压参考值；P_s为风电机组输出有功功率，U_s为风电机组输出电压；k_rpp、k_rpi分别为有功功率控制器的比例、积分系数；k_rvp、k_rvi分别为电压控制器的比例、积分系数；分别为d、q轴的转子电流参考值，

为了消除静差，引入积分环节，设计转子电流控制器：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{rd}^{\′}={\mathrm{\σL}}_r\frac{{\mathrm{di}}_{rd}^{*}}{dt}+k_{irp}(i_{rd}^{*}-i_{rd})+k_{iri}\∫(i_{rd}^{*}-i_{rd})dt\\ u_{rq}^{\′}={\mathrm{\σL}}_r\frac{{\mathrm{di}}_{rq}^{*}}{dt}+k_{irp}(i_{rq}^{*}-i_{rq})+k_{iri}\∫(i_{rq}^{*}-i_{rq})dt\end{array}\right.$

其中， 分别为d、q轴的转子电流参考值，k_irp、k_iri分别为转子电流控制器的比例、积分系数，

在考虑定子磁链变化的条件下，还需增加附加控制项：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{rd}=(R_r{i}_{rd}-{\mathrm{\ω}}_{slip}{\mathrm{\σL}}_r{i}_{rq}-{\mathrm{\ω}}_{slip}\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_{sq})+\frac{L_m}{L_s}(U_s-R_s{i}_{sd}+{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{sq})\\ {\mathrm{\Δu}}_{rq}=(R_r{i}_{rq}+{\mathrm{\ω}}_{slip}{\mathrm{\σL}}_r{i}_{rd}+{\mathrm{\ω}}_{slip}\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_{sd})+\frac{L_m}{L_s}(-R_s{i}_{sq}-{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{sd})\end{array}\right.$

其中，R_r、L_r分别为风电机组转子电阻和转子电抗；R_s、L_s分别定子电阻和定子电抗；L_m为励磁电抗；ω_slip为滑差角速度，ω₁为同步角速度；ψ_sd、ψ_sq分别为定子d、q轴磁链，

最终，自启动控制器采用PV控制模式，转子变流器所需输出的参考电压值如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{rd}^{*}=u_{rd}^{\′}+{\mathrm{\Δu}}_{rd}\\ u_{rq}^{*}=u_{rq}^{\′}+{\mathrm{\Δu}}_{rq}\end{array}\right.$

其中，和为转子变流器的参考电压值信号，u'_rd和u'_rq为转子电流控制器输出信号，Δu_rd和Δu_rq为转子电流控制器附加控制项。

3.根据权利要求1所述的基于储能系统的双馈异步风电机组自启动控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，在风电机组电压建立后，为了保证输出电压频率稳定，对风电机组自启动频率进行控制的方法为：

频率控制器由转速控制器和附加频率控制器组成，其中转速控制器设计如下：

$P_{\mathrm{\ω}}^{*}=k_{\mathrm{\ω}p}({\mathrm{\ω}}_s^{*}-{\mathrm{\ω}}_s)+k_{\mathrm{\ω}i}\∫({\mathrm{\ω}}_s^{*}-{\mathrm{\ω}}_s)dt$

其中,ω_s,分别为风电机组转速控制器参考值、定子测量转速、定子转速计算值,由输入量P_s输入至P-ω曲线中产生，P-ω曲线功能模块由机组的功率转速特性决定；

风电机组通过控制有功功率输出来控制频率，附加频率控制器的设计如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{f1}^{*}=k_{fp1}\frac{{\mathrm{df}}_s}{dt}+k_{fi1}\∫\frac{{\mathrm{df}}_s}{dt}dt\\ P_{f2}^{*}=k_{fp2}(f_{ref}-f_s)+k_{fi2}\∫(f_{ref}-f_s)dt\end{array}\right.$

其中，f_s、f_ref分别为风电机组输出电压频率以及频率参考值；k_fp1、k_fp2、k_fi1、k_fi2为附件频率控制器的比例系数以及积分系数，

最终，风机自启动频率控制器给出转子变流器的有功功率参考值为：

$P^{*}=P_{\mathrm{\ω}}^{*}+P_{f1}^{*}-P_{f2}^{*}$

其中，为转速控制器输出信号，和为附加频率控制器输出信号。

4.根据权利要求1所述的基于储能系统的双馈异步风电机组自启动控制技术，其特征在于：所述步骤(3)中，在风电机组电压频率稳定后，自启动控制器采取的具体步骤为：

1)考察风机自启动运行中电压偏差值以及频率偏差值 ${\mathrm{\&Delta;f}}_s^t=f_s^t-f_{ref},$ 若满足 ${\mathrm{\&Delta;f}}_s^t<{\mathrm{\&epsiv;}}_{fmax}$ 以及 ${\mathrm{\&Delta;U}}_s^t<{\mathrm{\&epsiv;}}_{umax}$ 的条件，则转入步骤2).

2)考察风机直流侧电压偏差值若满足则认定直流电压侧恒定，并断开储能系统，转入步骤3).

3)系统记录风电机组稳定运行时刻有功功率参考值并计算出相应的无功功率参考值系统由PV控制模式转为PQ控制模式，其控制器设计如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{rd}^{*}=k_{rpp}(P^{*}-P_s)+k_{rpi}\&Integral;(P^{*}-P_s)dt\\ i_{rq}^{*}=k_{rpp}(Q^{*}-Q_s)+k_{rpi}\&Integral;(Q^{*}-Q_s)dt\end{array}\right.$

其中，k_rpp、k_rpi为PQ功率控制器的比例、积分参数，

有功和无功功率参考值分别由先前PV控制模式下的参考值给出，即风电机组自启动控制结束。