CN105226723B - 一种双馈风电机组基于风功率跟踪自适应调节的虚拟惯性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双馈风电机组基于风功率跟踪自适应调节的虚拟惯性控制方法。研究风电机组的虚拟惯量控制策略，对于提高风电并网系统的频率动态稳定性具有重要作用。首先基于双馈风电机组的转速控制器分析了最大风功率跟踪的实现原理。接着，通过建立电网频率与双馈风电机组转子动能的联系，基于转子运动方程推导了双馈风电机组的虚拟惯量表达式。同时，基于因式分解最大风功率跟踪曲线的二次拟合函数，研究了双馈风电机组基于最大风功率跟踪曲线线性比例调节的转速调节方法。最后，在上述研究基础上提出了双馈风电机组基于风功率跟踪自适应调节的虚拟惯量控制策略，并通过建立风电并网系统的仿真模型验证了该控制方法的有效性。

Description

一种双馈风电机组基于风功率跟踪自适应调节的虚拟惯性控 制方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统双馈风电机组的频率惯性控制策略，尤其是涉及一种利用双馈风电机组转子动能构造其与电网频率相关的虚拟转动惯量，改善风电电力系统的频率惯性特性，以提高风电电力系统频率响应动态特性的控制方法。

背景技术

基于双馈感应发电的风电技术发展和大规模并网，使其成为日益重要的电力新能源。双馈风电机组利用转子侧双向变流器实现输出有功、无功解耦控制和最大风能捕获的同时，也使其转子旋转动能与电网频率解耦，从而使其对电网的频率变化缺乏像常规发电机组一样的惯性支持。因此，随着风电渗透率的增加，电网频率的惯性和调频特性都将受到影响，而研究双馈风电机组的频率响应惯性及一次调频方法也成为其并网技术的重要发展方向。

目前，丹麦、加拿大、中国等风电并网国家在颁布的风电运行导则中明确提出，并网风电场需要提供和常规发电厂一样的旋转备用、惯性响应以及一次调频等附属功能。例如，爱尔兰通过制定并网风电需要满足的频率响应特性曲线，给出了风电场调频技术的配置目标；丹麦通过减小风功率转换跟踪值，增加并网风电场的调频有功贮备。同时，相关研究还研究了利用储能和直流输电的快速有功调节改善并网风电场频率惯性和一次调频特性的控制策略，以及双馈风电机组在高风速状态基于浆距调节或转子调速与调浆相协调的调频策略。此外，针对双馈风电机组最大功率跟踪使其在电网频率扰动时不能为系统提供额外调频有功的问题，如何进行双馈风电机组基于非最大风能捕获的调频方法研究也得到展开。其中，有研究提出了双馈风电机组放弃最大风功率跟踪换取调频有功备用的减载运行控制策略；有研究则进一步基于减载运行控制策略，研究了双馈风电机组基于变下垂系数的调频方法。此外，有研究提出在双馈风电机组不同转速的有功控制基础上，针对其实现基于下垂控制调频的风功率跟踪值，提出了利用移动平均法预测最大风功率跟踪值、并采用基于权重调节最大风功率均方差加以修正的整定方法。

另一方面，从挖掘双馈风电机组自身运行资源角度出发，利用其被隐藏转子动能构造虚拟惯性的研究亦受到关注。首先，通过控制双馈风电机组转子动能为电网提供频率惯性支持的可行性得到论证，同时，进一步研究指出，虽然基于转子动能构建的模拟惯量控制只能够为系统提供短暂的频率支撑，但对于改善电网频率惯性和水电调频机组的水锤效应具有重要作用。为此，如何利用双馈风电机组转子侧双向变流器最大风功率跟踪指令附加基于频率变化率的有功指令实现其基于转子动能的虚拟惯性控制方法及其在双向变流器双闭环控制中的实现方法被提出，利用该方法实现风电机组通过附加虚拟惯性控制对电网频率响应特性的改善效果也得到进一步仿真分析验证。此外，从提高附加虚拟惯性控制动态特性角度出发，利用动态比例系数调节附加虚拟惯性有功控制分量的方法也得到了研究。需要指出的是，这些附加惯性控制的效果不仅会受到最大风功率跟踪控制的影响，而且由于控制器的微分输入环节容易在频率恢复过程中使风电机组的虚拟惯性控制出现过调，从而可能导致系统频率的再次跌落或上升。为此，有研究在根据推导的双馈风电机组虚拟惯量表达式基础上，基于风电机组减载控制原理，提出了利用频率偏差修正最大风功率跟踪曲线以构建虚拟惯性的方法。虽然该方法能够克服最大风功率跟踪对附加虚拟惯性控制的影响，但该方法忽略了双馈风电机组实现最大风功率跟踪的转速调节过程，因此，所研究最大风功率跟踪曲线的修正方法存在实际应用的困难。

发明内容

本发明则在研究双馈风电机组实现最大风功率跟踪的调速原理基础上，在推导双馈风电机组的虚拟惯量的基础上，通过研究双馈风电机组基于最大风功率跟踪曲线线性比例调节的调速方法，进一步提出了双馈风电机组基于风功率跟踪自适应调节的虚拟惯性控制方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种双馈风电机组基于风功率跟踪自适应调节的虚拟惯量控制方法，其特征在于，

步骤1，通过设定双馈风电机组期望虚拟惯量，根据电网频率偏差，依据双馈风电机组虚拟惯量表达式确定风电机组的转速调节指令，其中，所依据的虚拟惯量表达式如式一所示：

式一

式中，J_m为双馈风电机组的转子机械转动惯量；J_e为双馈风电机组的电网频率转动惯量；ω_r0和dω_r分别为双馈风电机组初始角速度和角速度变化量；ω_se和dω_s分别为电网同步电角速度额定值及电网同步电角速度变化量；

所述转速调节指令的计算表达式如式二所示：

式二

式中，J_e ^*为双馈风电机组期待频率虚拟惯量，ω_s为当前电网同步电角速度；

步骤2，由最大风功率跟踪曲线拟合函数的比例调节系数计算式，确定最大风功率跟踪曲线的比例调节系数，所依据最大风功率跟踪曲线的拟合函数如式三所示：

式三

式中，ω_r为双馈风电机组的转子转速；ω_rmin和ω_rmax分别为双馈风电机组并网运行所允许转速范围的下限和上限；P_e为双馈风电机组的电磁功率；P_eL和P_eH分别为拟合函数中与ω_rmin和ω_rmax对应的P_e取值下限和上限；A、B、C为拟合函数系数；

步骤3，通过调节最大风功率跟踪曲线以调节风电机组的转子速度，进而构建风电机组的频率虚拟惯量；所依据最大风功率跟踪曲线比例调节系数的计算方法如式四所示：

式四

式中，β为最大风功率跟踪曲线的比例调节系数；β_min是ω_r＝β[AP_e ²+BP_e+C]在P_e等于双馈风电机组额定功率时，使ω_r∈[ω_rmin,ω_rmax]的最小值；β_max是ω_r＝β[AP_e ²+BP_e+C]在P_e∈(P_eL,P_eH]范围内使ω_r∈(ω_rmin,ω_rmax]且ω_rmin＝β[AP_eL ²+BP_eL+C]的最大值。

因此，本发明具有如下优点：该虚拟惯性控制方法有效避免了最大风功率跟踪对风电机组附加虚拟惯性控制的影响，能够在保证风电机组稳定运行的前提下，通过大范围调节转子速度构建双馈风电机组的虚拟转动惯量，使风电机组具备频率响应的虚拟惯性特性，从而为系统提供调频有功支援；此外，具有控制结构简单、易于工程实现、控制参数少且鲁棒性好的等特点。

附图说明

图1是DFIG的并网运行原理图。

图2是双馈风电机组的转速控制原理。

图3是双馈风电机组的最大风功率跟踪过程。

图4是DFIG的非最大风功率跟踪原理。

图5是基于风功率自适应调节的虚拟惯量控制策略。

图6是仿真系统结构图。

图7是有无虚拟惯性控制下风电系统对负荷新增扰动的频率响应。

图8是有无虚拟惯性控制下风电机组对负荷新增扰动的转速调节响应。

图9是有无虚拟惯性控制下风电机组对负荷新增扰动的输出功率调节响应。

图10是有无虚拟惯性控制下风电系统对负荷切除扰动的频率响应。

图11是有无虚拟惯性控制下风电机组对负荷切除扰动的转速调节响应。

图12是有无虚拟惯性控制下风电机组对负荷切除扰动的输出功率调节响应。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

如附图1所示，并网运行双馈风电机组的发电机转子通过齿轮箱与风机转子耦合，同时，转子的三相对称绕组通过由双馈感应发电机DFIG转子侧变流器RSC和电网侧变流器GSC构成的双向脉宽调制变流器与电网连接，定子三相对称绕组则与电网直接连接。P_m为风机输入DFIG的机械功率；ω_r为风电机组的转子角速度；J_m为风电机组转子的固有机械转动惯量；S＝(ω_s-ω_r)/ω_s，为ω_r与电网同步电角速度ω_s(ω_s＝2πf_s)的角速度转差率；SP_e为双馈风电机组通过双向变流器向发电机转子三相绕组输入的转差频率功率。RSC和GSC在维持定子电压频率恒定的前提下，使ω_r不仅与ω_s解耦，而且能在一定转速范围内实现DFIG的变速恒频运行。

若忽略DFIG定子的电阻和磁链变化，同时将RSC矢量控制的dq坐标系的d轴定向在定子磁链上，则由定子侧有功、无功和电磁转矩方程可知，DFIG可通过转子电流的i_rq分量控制定子侧电磁功率P_e，通过转子电流的i_rd分量控制定子侧无功，进而实现风电机组有功无功的解耦控制。因此，感应发电机RSC采用双环控制，内环为实现i_rd和i_rq跟踪其指令值i_rdref和i_rqref的电流环，外环为有功和无功的功率控制环。正常运行时，功率外环控制中的有功指令由附图2所示双馈风电机组的转速控制器按照最大风功率跟踪控制确定。附图2所示转速控制包括两个过程：一个是产生指令P_eref的过程，该控制利用实测P_e根据最大风功率跟踪曲线的拟合函数ω_r＝AP_e ²+BP_e+C、ω_min≤ω_r≤ω_max确定转速参考值ω_rref，通过ω_rref和实际反馈转速ω_r的比较，经电磁转矩PI调节器确定消除ω_rref和ω_r偏差的电磁功率指令P_eref；另一个是产生i_rqref的过程，该控制利用指令P_eref和实测P_e的比较偏差，经电磁功率PI调节器确定使P_e跟踪P_eref的i_rqref。

双馈风电机组最大风功率跟踪的实质就是通过调节i_rqref使ω_rref趋于ω_r。其利用转速控制器实现最大风功率跟踪的过程可由附图3分析。图中，ω_rmin和ω_rmax分别为双馈风电机组并网运行所允许转速范围的下限和上限；P_eL和P_eH分别为拟合函数中与ω_rmin和ω_rmax对应的P_e取值下限和上限；P_en为风电机组的额定输出功率。曲线hd为风电机组实现最大风功率跟踪的运行区间。曲线上的a、b和c分别对应风速v3、v2和v1下发电机实现最大风能利用的稳定运行点。

假设风电机组初始最优运行点为b，若风速突然由v2改变为v1，则风机输出机械功率将由风功率曲线v2的b风功率P_mb突变为曲线v1的g点风功率P_mg。由于P_mg大于风电机组在运行点b的电磁功率P_eb，因此转速ω_r增加，并大于由P_eb依据拟合函数确定的转速指令ω_rref，即ω_rb。ω_rb和ω_r的偏差将进一步引起P_eref增加，并通过调节i_rqref增加P_e，进而使ω_rref趋于ω_r。由于双馈风电机组在v1曲线gc段输入的P_m大于最大风功率跟踪曲线bc段所对应P_e，因此，转速控制器也将按上述过程不断沿着路径bc增大P_e和ω_rref，直至使ω_rref等于ω_r的运行点c处，其输出i_rqref也将趋于稳定。同理可分析风速由v2改变为v3时，风电机组由稳定运行点b改变至点a的最大风功率跟踪过程。

对附图3中最大风功率跟踪曲线进行比例调节：若比例调节系数β满足β_max≥β>1时，则附图3中曲线hdf将会改变为附图4中hrf；若比例调节系数β满足β_min≤β<1，则附图3中曲线hdf将会改变为附图4中hef。β_min是使曲线hd与线段qf存在交点的比例调节最小值；β_max则是使曲线hd与线段tf相交且与线段ht不存在交点的比例调节最大值。

如果在最大风功率跟踪稳定运行点c，将最大风功率跟踪曲线hd通过比例调节改变为曲线he，则转速控制器的ω_rref将突然改变为ω_rc’。由于ω_rc’小于实际转速ω_rc，因此它们的比较偏差将使转速控制器沿着曲线c’p’增加P_e，以使ω_rref增加。同时，由于逐渐增大的P_e大于曲线cp对应的风功率，因此ω_r会由ω_rc沿曲线cp下降。当P_e增大到使ω_rref大于ω_r，在转速控制器的作用下，风电机组将开始逐渐沿曲线p’p减小P_e。由于电磁功率大于风功率，所以持续下降的ω_r将使转速控制器持续沿着p’p路径减小电磁功率直至p点，此时，ω_rp＝ω_rref，转速将由初始的ω_rc减小为ω_rp，电磁功率也由P_ec变为P_ep，风电机组重新恢复稳定运行状态。同理，如果在最优运行点c处，最大风功率跟踪曲线hd通过比例调节改变为hr，则转速控制器的ω_rref将突然改变为ω_rc”。由于ω_rc”大于实际转速ω_rc，因此它们的比较偏差将使转速控制器沿着曲线c”s’减小P_e，以使ω_rref减小。同时，由于逐渐减小的P_e大于曲线cs对应的风功率，因此ω_r会由ω_rc沿曲线cs上升。当P_e减小到使ω_rref小于ω_r，在转速控制器的作用下，风电机组将开始逐渐沿曲线s’s增加P_e。由于电磁功率小于风功率，所以持续上升的ω_r将使转速控制器持续沿着s’s路径增加电磁功率直至s点，此时，ω_rs＝ω_rref，转速将由初始的ω_rc增大为ω_rs，电磁功率也由P_ec改变为P_es，风电机组将重新恢复稳定运行状态。

设ω_rc＝ω_r0，P_ec＝P_e0，对上述调节过程的运行点p进行分析可知，稳定运行点c和p处的转速和电磁功率分别满足：

式中，x₁和x₂为方程(P_e)²+(B/A)P_e+(C/A)＝0的根。设P_ep＝P_e0-ε_P，ω_rp＝ω_r0+△ω_r，则由式(5)可得比例系数β_p表达式：

式中，ε_P调速前后稳态运行点之间电磁功率偏差。考虑风电机组风功率在一定转速范围内的较小渐变特点，因此若忽略转速变化△ω_r内的功率偏差ε_P，则可得β_p近似表达式：

β_p≈(ω_r0+Δω_r)/ω_r0(β_min≤β≤β_max) (7)

将式(7)和P_ep＝P_e0-ε_P代入式(5)可得p点的调速误差ε_ωr为：

式(8)表明，利用式(7)对最大风功率跟踪曲线进行调节，可在保证风电机组稳定运行的前提下实现调速。虽然调速存在误差，但随着比例调节系数接近1，由于调速前后稳态运行点之间的功率偏差减小，因此调速误差也将减小。同时，虽然调速前后稳态运行点间的功率偏差较大，但比例调节系数的减小也将起到衰减转速调节误差的作用。同理可分析稳态运行点s。

若忽略图1中风机和DFIG间传动齿轮的功率损耗，则由动力学原

理可得双馈风电机组的转子运动方程：

对上式积分可得：

式中，t₁和t₀分别是积分结束和起始时刻。虽然双馈风电机组转子的ω_r与电网ω_s被其双向PWM变流器解耦，但是通过假设风电机组与频率相关的虚拟转动惯量J_e，可建立电网频率变化与其转子动能的联系，即：

假设t_s为虚拟转动惯量控制的起始时刻，t_o为虚拟转动惯量控制的当前时刻，对式(11)进行积分，则依据式(10)可得：

令J_e/J_m＝α，则由式(12)可得当前虚拟转动惯量控制的风机转速调节目标：

式中，ω_s(t_s)和ω_r(t_s)分别为虚拟转动惯量控制的初始电网同步电角速度和风电机组转子角速度。若令ω_r(t_s)＝ω_r0、ω_s(t_s)＝ω_se，同时令当前检测的电网同步电角速度ω_s(t)＝(_s(t_o)，则可确定当前虚拟转动惯量控制的风机转速调节目标值ω_r(t)，进而依据式(6)可得实现当前虚拟转动惯量控制的最大风功率跟踪曲线比例调节系数：

当不考虑风功率变化，由式(11)可知，通过对最大风功率跟踪曲线进行比例调节，能够通过调节风电机组转速改变电磁功率输出，进而为风电并网系统提供改善其频率惯性特性的调频有功。由此，本文利用最大风功率跟踪比例调节提出了附图5所示的双馈风电机组基于风功率跟踪自适应调节的虚拟惯性控制策略。如图所示，该策略通过检测当前电网同步电角速度，根据风电机组转子初始角速度和式(14)确定修正最大风功率跟踪曲线的比例调节系数加以实现。通过增加或降低转子速度构建风电机组的频率虚拟惯量，从而改善并网双馈风电机组的频率响应惯性。

利用附图6所示仿真模型进行所提虚拟惯量控制策略有效性的仿真研究。图中，双馈风电机组G1用于等值装机容量70台×1.5MW/台的风电场，G1经开关CB1和CB2分别与无穷大系统的母线Slack Bus和500MW同步发电机组G2连接。仿真系统中L1有功负荷为30MW并经开关CB3接入，L2有功负荷为200MW。双馈风电机组的最大风功率跟踪曲线拟合公式为ω_r＝-0.8669P_e ²+1.916P_e+0.3298、ω_rmin＝0.67、ω_rmax＝1.5，P_eL＝20MW、P_eH＝100MW。风电机组与同步发电机同时向L1、L2供电，以验证所提虚拟惯量控制策略的有效性。同时仿真对比研究了G₁无虚拟惯性控制、采用基于最大功率跟踪自适应调节的虚拟惯量控制对系统频率等状态响应的影响。仿真过程中，附图5的Je*/J_m＝3。扰动设置如下：风速为6m/s且初始稳态风电系统在2s时刻通过闭合CB1新增30MW有功负荷L1；风速为7m/s，30MW有功负荷L1通过闭合开关CB1接入初始稳态风电系统，2s时刻断开CB1切除L1。两种扰动的系统响应如附图7-附图9和附图10-附图12所示。

对比附图7和附图10的仿真可知，采用所提虚拟惯量控制，发生负荷扰动时，系统频率响应的变化速率显著变慢。增加负荷扰动时，频率的最大下降幅度由无惯性控制时的49.83Hz上升到49.89Hz，降低幅度减少35.29％；切除负荷扰动时，频率的最大上升速幅度由由无惯性控制的50.16Hz下降到50.10Hz，上升幅度减少37.50％。由附图8、附图9和附图11、附图12可知：当风电机组G1不采用虚拟惯性控制，其转子速度和电磁功率对任何一种频率扰动均缺乏响应；配置虚拟惯量控制的风电机组则可以通过调节转子速度和电磁功率为系统提供一定的频率惯性支持。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种双馈风电机组基于风功率跟踪自适应调节的虚拟惯性控制方法，其特征在于，

步骤1，通过设定双馈风电机组期望频率虚拟惯量，根据电网频率偏差，依据双馈风电机组频率虚拟惯量表达式确定风电机组的转速调节指令，其中，所依据的频率虚拟惯量表达式如式一所示：

式中，J_m为双馈风电机组的转子机械转动惯量；J_e为双馈风电机组的频率虚拟惯量；ω_r0和dω_r分别为双馈风电机组初始角速度和角速度变化量；ω_se和dω_s分别为电网同步电角速度额定值及电网同步电角速度变化量；

所述转子转速的计算表达式如式二所示：

式中，J_e ^*为双馈风电机组期望频率虚拟惯量，ω_s为当前电网同步电角速度；

步骤2，由最大风功率跟踪曲线拟合函数的比例调节系数计算式，确定最大风功率跟踪曲线的比例调节系数，所依据最大风功率跟踪曲线的拟合函数如式三所示：

式中，ω_r为双馈风电机组的转子转速；ω_rmin和ω_rmax分别为双馈风电机组并网运行所允许转速范围的下限和上限；P_e为双馈风电机组的电磁功率；P_eL和P_eH分别为拟合函数中与ω_rmin和ω_rmax对应的P_e取值下限和上限；A、B、C为拟合函数系数；

步骤3，通过调节最大风功率跟踪曲线以调节风电机组的转子速度，进而构建风电机组的频率虚拟惯量；所依据最大风功率跟踪曲线比例调节系数的计算方法如式四所示：

式中，β为最大风功率跟踪曲线的比例调节系数；β_min是ω_r＝β[AP_e ²+BP_e+C]在P_e等于双馈风电机组额定功率时，使ω_r∈[ω_rmin,ω_rmax]的最小值；β_max是ω_r＝β[AP_e ²+BP_e+C]在P_e∈(P_eL,P_eH]范围内使ω_r∈(ω_rmin,ω_rmax]且ω_rmin＝β[AP_eL ²+BP_eL+C]的最大值。