CN105515022B - 一种与二次调频相协调的双馈风电机组虚拟惯性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种与二次调频相协调的双馈风电机组综合虚拟惯性控制方法，解决了风电机组虚拟惯性控制与电力系统二次调频相配合的问题，在原有的虚拟惯性控制模块的基础上附加了与电力系统二次调频相协调的模块，使整体调频效果得到了提高。并在附加模块中考虑了风电机组转子转速，使得风电机可以连续运行在安全的转速范围内；解决了系统频率波动对风电机组有功调节能力的影响的问题，由于风电机组的有功调节能力受系统频率波动影响很大，为了使双馈风电机组有更好的频率调节能力，优化了风电机组的稳态频率响应，并据此设计了控制策略，使得风电机组调频效果有所调高。

Description

一种与二次调频相协调的双馈风电机组虚拟惯性控制方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种与二次调频相协调的双馈风电机组虚拟惯性控制方法。

背景技术

双馈风力发电机(DFIG)是目前风力发电的主要机型。DFIG转子侧变流器通过滑环向双馈异步发电机的转子输入可控的变频电流。网侧变换器与三相电网连接，并通过直流环节在双馈异步发电机的转子与电网之间实现功率交换。与本文涉及技术有关的主要是转子侧变流器的控制技术。转子侧变流器的具体控制目标如下：①通过控制转矩/功率，使转子转速始终跟随功率的最有曲线变化，进而实现最大功率的提取；②控制异步发电机与电网之间交换的无功功率(与有功功率解耦控制)。这可用于发电机端的电压调节。同步发电机的转子和系统频率是耦合的，当系统频率发生变化时，转子的转动惯性会阻尼频率的变化。但是，在传统控制方式下，由于变流器的特性，使得双馈风电机组的转子的转速与系统频率完全解耦^[1]。当电网发生频率波动时，双馈风电机组不能对系统频率变化做出响应，导致风电机组转子的转动惯量被浪费掉了，大规模风电场并网会造成系统整体惯性降低。实际上，在正常运行时，双馈风电机组所储存的惯性总量是十分可观的。通过合适的控制可以充分利用这部分惯性，对系统稳定性进行支持。虚拟惯性控制模块，即在风电机控制中加入了附加的有功功率控制模块^[2,3]，利用风电机组储存在旋转质量中的动能参与系统调频。ω_r为风电机组转速，经过最大功率跟踪(MPPT)输出功率参考值P_opt，虚线框为虚拟惯性控制模块，f_meas为系统频率的测量值，K₁为频率微分的权重系数，ΔP为虚拟惯性控制模块输出的附加功率值。当系统频率发生变化时，DFIG的电磁功率参考值也会发生响应的改变，而这部分增加的电磁功率正式来自释放的转子动能。风电机组的虚拟惯性响应速度很快，可以有效的补偿系统传统同步机组一次频率响应较慢的缺点，实现系统整体频率的快速调整。现在主流的虚拟惯性控制方案，将原有的虚拟惯性控制模块加以改进，主要体现在以下两点：

一、减载控制

原有的MPPT模块是最大功率跟踪，系统不存在有功备用，这对于双馈风电机组参与系统频率调节是不利的。于是在原有的MPPT模块上加上一个减载控制环节，是功率跟踪模块运行在次优跟踪曲线上，这样可以使双馈风电机组获得一定的有功备用。

二、下降控制

其基本原理为模拟同步发电机一次调频的功率-频率静态特征曲线的下降比例关系，将一个正比与频率偏差的有功功率变化值加入到原有的有功功率参考值上以适时地调节风电机的有功出力，模拟电机下降特性所得的功-频关系。则改进的虚拟惯性控制方法K％为减载系数，K₂为下降控制的权重系数，f_ref＝50Hz，P′_opt为风电机组跟踪减载运行曲线得到的有功参考值。有如下关系式：

P′_opt＝P_opt(1-K％)

因此，这种惯性控制方法可以使风电机组具有更好的频率响应能力并能够根据系统需求适时地调节其有功出力，以有效参与系统的一次调频。

现有技术的缺点

1.没有和电力系统二次调频相协调

由于传统的虚拟惯性调节仅支持频率的一次调节，对于电力系统微小的频率波动能够提供较好较快的支持。但是当电力系统发生较大扰动时，仅靠系统的一次调频，只能缓解频率下降趋势，但是不能实现频率的无差调节。若要实现频率的无差调节，需要进行二次调频，即通过AGC(自发电控制系统)或者调度中心人工对系统主调频机发出功率调节指令，以使频率最终恢复50Hz水平。但是在系统进行二次调频的过程中，风电机组的频率控制模块实际上也在同时动作，若不与系统二次调频进行协调，会使系统频率调节效果降低，严重时甚至引起系统频率振荡。此外，由于二次调频整体时间较长，若风电机组的虚拟惯性模块一直参与，使风电机组一直释放(吸收)转子的旋转动能，的转速，会导致风电机组的转速下降(上升)到一个不可接受的水平。

2.没有考虑风电机组有功调节能力受频率波动的影响

风电场的有功调节能力受系统频率波动影响很大。若频率扰动较小，传统的虚拟惯性控制能够较快的响应频率波动。但单一的控制在较大范围的频率波动下，不能取得很好的调节效果，会造成风电场有功出力不足或转速越限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有双馈风电机组虚拟惯性控制方法没有和电力系统二次调频相协调，未考虑风电机组有功调节能力受频率波动影响的不足。提供一种与二次调频相协调的双馈风电机组综合虚拟惯性控制方法，在现有的虚拟惯性控制模块的基础上，加入了二次调频协调模块，并提出了一种基于改进稳态频率响应的综合控制方法，从而提高了双馈风力发电机的调频效果。

具体而言，本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种与二次调频相协调的双馈风电机组综合虚拟惯性控制方法，包括以下步骤：

步骤1、判断电力系统是否有频率变化，如是，则转步骤2；

步骤2、基于改进的风电场稳态频率响应，判断所测系统频率f_meas所在范围，并采用对应的综合惯性控制模式，并判断是否有电力系统二次调频信号，若有，则转步骤3；

步骤3、综合虚拟惯性控制模块中二次调频协调控制模块动作，根据系统主调频机增发功率情况调节风电机组的出力，并响应风电机组的转速情况，防止风电机组转速超出运行范围导致风电机组退出运行；

步骤4、风电机组与系统同步发电机共同作用，使电力系统频率恢复正常水平。

进一步地，风电场的功率特性受电力系统的频率影响很大，单一的控制模式对大的频率扰动不能有很好的支持效果。本发明对传统风电场稳态频率响应进行改进，根据风电机组虚拟惯性调节的特点，提出一种改进的风电场稳态频率响应控制，从而充分发挥风电场的功率支持潜力。具体而言，步骤2中所述基于改进的风电场稳态频率响应的综合惯性控制方法及各模式含义如下：

步骤201、对测量的系统频率f_meas进行分析，基于改进的稳态频率响应判断系统频率所在范围，其中f_B与f_C为门槛频率，f_min与f_max为风电机组允许运行的最小频率和最大频率，f_N为系统的额定频率，大小为50Hz。

步骤202、根据系统频率所在范围确定不同的控制模式，具体如下：

当f_min≤f_meas＜f_B时，系统出现较大的有功缺额，此时应当释放所有的有功备用K％＝0，P_{ref_in}＝P_opt，并同时进行虚拟惯性控制，以实现对系统频率的最大支持；

当f_B≤f_meas≤f_C时，系统频率为较小波动，依靠虚拟惯性控制及后续系统中同步机的一次响应可以完成调频工作，P_{ref_in}＝P_o'_pt，此时采用综合虚拟惯性控制；

当f_C＜f_meas≤f_max时，系统频率增加，系统出力过多，风电机组应当采取更强的减载控制，P_{ref_in}＝P″_opt，增大K值，持续限制有功出力；

当以及时，ω_rmin为DFIG允许运行的最低转速，取0.75p.u，ω_rmax为DFIG允许运行的最高转速，取1.25p.u；若因为频率超限而退出运行，再检测到频率恢复到正常范围后经延迟环节风电机组将恢复并网；若因为转速超限而退出运行，则进入转速恢复环节，若转速恢复到正常水平，风电机组将恢复并网运行。

进一步地，传统的风电场调频控制仅针对电力系统的一次调频，当系统发生大的频率扰动时需要进行二次调频时，风电场的调频模块会由于系统频率的变化频繁动作，影响调频效果；同时因为风电机组转子的转动惯性的不断释放/吸收，导致风电机组转速可能超限。本发明对传统虚拟惯性控制模块进行改进，加入二次频率调节信号协调模块，同时考虑风电机组的转子转速，提高了风电场参与调频的稳定性。具体而言，步骤3中与二次频率协调的综合虚拟惯性控制按照以下步骤：

步骤301、综合虚拟惯性控制模块输入有功参考值P_{ref_in}为：

P_{ref_in}＝P_opt(1-K％)

其中P_opt为经过最大功率跟踪输出的功率参考值，K％为减载系数；

步骤302、判断是否有系统二次频率控制指令，若P_C＝0则二次频率系统功率指令ΔP＝0，综合虚拟惯性控制模块输出有功参考值为：

其中K₁为频率微分的权重系数，K₂为下降控制的权重系数

若P_C≠0则二次频率系统功率指令ΔP≠0，则进入步骤303；

步骤303、综合虚拟惯性控制模块输出有功参考值为：

其中，ΔP为二次频率系统功率指令：

其中K_C为二次调频协调权重系数，S_Gf为系统主调频同步机组的容量，S_W为风电机组的容量，ω_r为双馈风电机组的转子转速，其范围为0.75≤ω_r≤1.25。

进一步，本发明进行了双馈风电机组整体的综合惯性控制设计，i_r,abc为转子三相电流；i_rd、i_rq分别为转子d、q轴电流；i_rd、i_rq分别为转子d、q轴电流；分别为转子d、q轴控制电压信号；附加综合惯性控制模块，改变功率控制参考值P_{ref_out}，使风电机组可以对系统频率的变化做出相应，适当的对电力系统进行惯性支持。

本发明提供的与二次调频相协调的双馈风电机组虚拟惯性控制方法，解决了风电机组虚拟惯性控制与电力系统二次调频相配合的问题，在原有的虚拟惯性控制模块的基础上附加了与电力系统二次调频相协调的模块，使整体调频效果得到了提高。并在附加模块中考虑了风电机组转子转速，使得风电机可以连续运行在安全的转速范围内；解决了系统频率波动对风电机组有功调节能力的影响的问题，由于风电机组的有功调节能力受系统频率波动影响很大，为了使双馈风电机组有更好的频率调节能力，优化了风电机组的稳态频率响应，并据此设计了控制策略，使得风电机组调频效果有所调高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的二次频率协调模块示意图。

图2是本发明实施例提供的含有二次调频协调模块的虚拟惯性控制示意图。

图3是本发明实施例提供的改进的双馈风电机组稳态频率响应示意图。

图4是本发明实施例提供的基于稳态频率响应的综合惯性控制流程示意图。

图5是本发明实施例提供的双馈风电机组转子侧控制图。

图6是本发明实施例提供的仿真系统示意图。

图7是本发明实施例提供的负荷突增时系统频率变化曲线示意图。

图8是本发明实施例提供的负荷突降时系统频率变化曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

一、二次频率协调模块设计

在双馈风电机组参与系统调频过程中，应当有以下动态过程：

①当系统发生负荷突变时，系统频率下降(上升)，DFIG综合虚拟惯性控制应当快速动作，先于系统中常规同步机组的调速器动作。DFIG释放(吸收)其转子的旋转动能，给系统提供惯性支持，迅速阻尼系统频率变化，但是随之其转子动能下降(上升)，即转速会下降(上升)。

②在随后的二次调频开始后，DFIG的虚拟惯性环节应当根据二次调频指令适当减少调节频率的参与量，以主调频同步机为主导。并应考虑转速是否越限(设定风电机组转速的范围为0.75p.u≤ω_r≤1.25p.u)，如果转速超出可接受范围，有可能导致风电机组退出运行，引起频率的二次波动。所以在转速较高或较低时，也应相应减少风电机组调节频率的参与量。

因此二次频率协调模块设计如图1所示：

ΔP为二次频率协调功率指令；

当二次频率调节指令P_C＝0时，二次频率协调功率指令ΔP＝0；

当二次频率调节指令P_C≠0时，

其中K_C为二次调频协调权重系数；S_Gf为系统主调频同步机组的容量；S_W为风电机组的容量。

于是改进的综合惯性控制模块如图2所示：

其中，经过最大功率跟踪(MPPT)输出最优功率P_opt，然后经过减载控制，输出有功参考值P_{ref_in}，再与虚拟惯性环节输出的功率参考值ΔP_VIC及二次协调模块输出的功率参考值ΔP求和，最终输出功率参考值P_{ref_out}。

二、基于改进稳态频率响应的综合惯性控制

虽然一般的虚拟惯性控制方法已经可以取得较明显的效果，当系统发生小的负荷扰动时，双馈风电机组的虚拟惯性控制可以迅速响应系统频率变化，这对于系统中同步发电机的缓慢的一次频率响应是一个很好的配合和补充。但是风电机组的频率调节能力受系统频率波动影响较大，因此单一的控制策略不能满足系统调频要求。在原有风电场稳态频率响应^[6]的基础上，本文提出了一种基于改进稳态频率响应的综合惯性控制。

图3给出DFIG稳态频率响应示意图，图中横坐标为频率，额定频率f_N＝50Hz，纵坐标为实际有功与可发有功的比值。f_min和f_max分别为风电组允许运行的最小频率和最大频率，f_B和f_C分别为控制方式变化的分界点。

基于稳态频率响应的综合惯性控制流程图如图5所示，其中综合惯性控制采取的是本节第一步中设计的控制策略。

f_meas为测量的系统频率。图4中控制方法实现流程及各模式含义如下：

①当f_min≤f_meas＜f_B时，系统出现较大的有功缺额，此时应当释放所有的有功备用(本文中有功备用为K％)，P_{ref_in}＝P_opt，并同时进行虚拟惯性控制，以实现对系统频率的最大支持；

②当f_B≤f_meas≤f_C时，系统频率为较小波动，依靠虚拟惯性控制及后续系统中同步机的一次响应可以完成调频工作，P_{ref_in}＝P′_opt，此时采用综合虚拟惯性控制；

③当f_C＜f_meas≤f_max时，系统频率增加，系统出力过多，风电机组应当采取更强的减载控制，P_{ref_in}＝P″_opt，增大K值，持续限制有功出力；

④当以及时，为了风电机组的运行安全，将强制风电机组退出运行。ω_rmin为DFIG允许运行的最低转速，取0.75p.u，ω_rmax为DFIG允许运行的最高转速，取1.25p.u。若因为频率超限而退出运行，再检测到频率恢复到正常范围后经延迟环节风电机组将恢复并网；若因为转速超限而退出运行，则进入转速恢复环节，若转速恢复到正常水平，风电机组将恢复并网运行。

三、双馈风电机组综合惯性控制整体设计，如图5

i_r,abc为转子三相电流；i_rd、i_rq分别为转子d、q轴电流；i_rd、i_rq分别为转子d、q轴电流；分别为转子d、q轴控制电压信号。其中基于频率稳态响应的综合惯性控制即为本节前两步设计的控制方法。在原有的DFIG转子侧控制策略的基础上附加了综合惯性控制模块，改变功率控制参考值P_{ref_out}，在保证整体系统安全稳定运行的基础上，实现了风电机组对系统频率变化的动态响应。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的说明。

通过仿真来验证控制策略设计的正确性。在DIgSILENT/PowerFactory中搭建如图6所示的九母线电力系统模型。

其中G1，G2为同步发电机，容量分别为247.5MW和192MW；系统包含负荷L1，L2，L3和冲击负荷LA，其容量分别为125MW，90MW，100MW和40MW；与变压器T3相连的是一个由30台5MW双馈风电机组组成的风电场，风电机组按80％次优风能追踪模式控制运行，风电渗透率约为25％。G1、G2模型中包含了自动电压调节器和调速器，系统有二次频率调节器。

情况一，当5s时，冲击负荷L_A从0MW突变到40MW。系统频率发生突降，则风电场采用不同控制策略时系统频率变化如图7所示：

情况二，当5s时，冲击负荷L_A从40MW突变到0MW。系统频率发生突升，则风电场采用不同控制策略时系统频率变化如图8所示：

图7及图8表明，采用本文的控制方法，能够更快的响应系统频率的变化，且当系统二次调频动作是，能与其协调，能够更好的阻尼系统频率的变化，减少了频率的波动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种与二次调频相协调的双馈风电机组综合虚拟惯性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、判断电力系统是否有频率变化，如是，则转步骤2；

步骤2、基于改进的风电场稳态频率响应，判断所测系统频率f_meas所在范围，并采用对应的综合惯性控制模式，并判断是否有电力系统二次调频信号，若有，则转步骤3；

步骤3、二次调频协调控制模块动作，根据系统主调频机增发功率情况调节风电机组的出力，并响应风电机组的转速情况，防止风电机组转速超出运行范围导致风电机组退出运行；

步骤4、风电机组与系统同步发电机共同作用，使电力系统频率恢复正常水平；

步骤2中可以根据不同的频率范围选择对应的频率控制方法，减少风电机组的调频作用受电力系统频率的影响，所述综合虚拟惯性控制方法的流程及各模式含义如下：

当f_min≤f_meas＜f_B时，系统出现较大的有功缺额，此时应当释放所有的有功备用K％＝0，P_{ref_in}＝P_opt，并同时进行综合惯性控制，以实现对系统频率的最大支持；K％为减载系数；P_opt为最大功率跟踪输出最优功率；

当f_B≤f_meas≤f_C时，系统频率为较小波动，依靠综合惯性控制及后续系统中同步机的一次响应完成调频工作，P_{ref_in}＝P'_opt，此时采用综合惯性控制；

当f_C＜f_meas≤f_max时，系统频率增加，系统出力过多，风电机组应当采取更强的减载控制，P_{ref_in}＝P”_opt，增大K值，持续限制有功出力；其中f_meas为系统频率；

f_B与f_C为门槛频率，f_min与f_max为风电机组允许运行的最小频率和最大频率；有功参考值P_{ref_in}；

当以及时，ω_r为风电机组转速；ω_rmin为DFIG允许运行的最低转速，取0.75p.u，ω_rmax为DFIG允许运行的最高转速，取1.25p.u；若因为频率超限而退出运行，再检测到频率恢复到正常范围后经延迟环节风电机组将恢复并网；若因为转速超限而退出运行，则进入转速恢复环节，若转速恢复到正常水平，风电机组将恢复并网运行。

2.如权利要求1所述的与二次调频相协调的双馈风电机组综合虚拟惯性控制方法，其特征在于，所述综合惯性控制模式采用改进的综合惯性控制模块，其中经过最大功率跟踪输出最优功率P_opt，然后经过减载控制，输出有功参考值P_{ref_in}，再与虚拟惯性环节输出的功率参考值ΔP_VIC及二次调频协调控制模块输出的功率参考值ΔP求和，最终输出功率参考值P_{ref_out}。

3.如权利要求2所述的与二次调频相协调的双馈风电机组综合虚拟惯性控制方法，其特征在于，所述二次调频协调控制模块与电力系统二次调频信号相协调，并响应风力发电机组的转子转速，其中：

ΔP为二次调频协调控制模块输出的功率参考值；

当二次频率调节指令P_C＝0时，二次调频协调控制模块输出的功率参考值ΔP＝0；

当二次频率调节指令P_C≠0时，

其中K_C为二次调频协调权重系数；S_Gf为系统主调频同步机组的容量；S_W为风电机组的容量。