CN106712101A - 一种双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制系统及方法，其中，所述虚拟惯性控制系统包括Washout滤波器模块，用于阻断稳态输入信号，以使得稳态频率偏差无法影响控制系统的控制过程；比例微分调节器模块，用于通过调频辅助功率控制所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值，使得所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值与电网频率相关联；其中，当电网频率发生改变时，所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值进行相应调整，以实现对电网频率的调频；一阶低通滤波器模块，用于消除高频噪音信号，以减少外部信号对控制系统的干扰。本发明提供的双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制系统及方法，能够提高机组运行稳定性和电网频率稳定性。

Description

一种双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制系统及方法

技术领域

本发明属于抽水蓄能技术领域，涉及一种双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制系统及方法。

背景技术

双馈抽水蓄能机组(Doubly Fed Pumped Storage Unit，DFPSU)以其转速可调的优点逐渐成为新建抽水蓄能电站的主流机组之一。近年来，随着可再生能源在电力系统尤其是在区域电网中渗透率的不断增加，要求DFPSU不仅具备参与电网调峰的作用，还要具备参与电网频率调节的能力。然而，现有DFPSU功率解耦控制使得双馈电机(Doubly FedInduction Machine，DFIM)转子不能随着频率的变化自动做出快速响应，进而对整个系统的频率贡献微乎其微。目前国内外关于DFPSU参与电网频率调节的控制方法尚未见报道；虽然在双馈风力发电领域已经提出一些频率控制方法并取得一定效果，如转子动能控制、频率下垂控制以及惯性控制等，通过模拟同步发电机一次调频的功率-频率下垂特性及惯性响应特性，增加辅助频率控制环来释放/吸收转子动能，进而为电网提供短时功率支撑；然而上述频率控制方法缺乏对调频能力，特别是系统频率最低点(frequency nadir，FN)、最高点(frequency zenith，FZ)以及机组转速恢复稳定动态效果的深入研究。另外，为了更好地发挥DFPSU作为电网调度工具的重要作用，要求其在发电、电动工况均具有调频能力；而现有调频控制方法的大都针对双馈机组做发电机运行工况进行分析，关于机组电动工况调频控制方法的研究尚未见报道；此外，涉及DFPSU发电、电动工况控制参数及调频能力的分析，亦未见深入研究。因此，为了解决DFPSU接入电网带来的系统惯量缺失问题，提高机组参与电网的调频能力和电力系统频率稳定性，急需一种适用于DFPSU参与电网频率调节的控制方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制系统及方法，能够提高机组运行稳定性和电网频率稳定性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制系统，所述虚拟惯性控制系统包括Washout滤波器模块、比例微分调节器模块以及一阶低通滤波器模块，其中：所述Washout滤波器模块，用于阻断稳态输入信号，以使得稳态频率偏差无法影响控制系统的控制过程；所述比例微分调节器模块，用于通过调频辅助功率控制所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值，使得所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值与电网频率相关联；其中，当电网频率发生改变时，所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值进行相应调整，以实现对电网频率的调频；所述一阶低通滤波器模块，用于消除高频噪音信号，以减少外部信号对控制系统的干扰。

进一步地，所述比例微分调节器模块按照下述公式确定所述调频辅助功率：

其中，ΔP_f ^*表示所述调频辅助功率，k_p表示所述比例微分调节器模块限定的第一调节系数，k_d表示所述比例微分调节器模块限定的第二调节系数，Δf表示实际工作频率与参考频率之间的频率差。

进一步地，所述比例微分调节器模块按照下述公式确定所述第一调节系数：

其中，P_N-DFPSU表示双馈抽水蓄能机组的额定功率，σ*表示机组调差系数，f_N表示所述虚拟惯性控制系统的额定频率。

进一步地，所述比例微分调节器模块按照下述公式确定所述机组调差系数：

其中，Δf*表示频率偏差标幺值，表示有功变化量标幺值。

进一步地，所述比例微分调节器模块按照下述公式确定所述第二调节系数：

k_d＝2HP_N/f_N

其中，2HP_N＝J_DFPSUω_rω_s，J_DFPSU表示所述双轴抽水蓄能机组的能量系数，ω_r表示参考工作角频率，ω_s表示实际工作角频率，f_N所述虚拟惯性控制系统的额定频率。

进一步地，所述双馈抽水蓄能机组中还包括双馈电机机侧变流器、双馈电机网侧变流器、调速器以及机械导叶，其中：

所述双馈电机机侧变流器，用于通过控制定子电流的轴分量，来分别控制定子有功功率和无功功率，以实现对电机功率的解耦控制；

所述双馈电机网侧变流器，用于通过控制电网电流的轴分量，来分别控制网侧直流母线电压和无功功率，以实现对变流器直流母线电压和功率因数的控制；

所述调速器，用于接收预先计算出的最优转速，将所述最优转速转换为对应的转速变量，并将所述转速变量发送至所述机械导叶处；

所述机械导叶，用于根据所述转速变量调整所述双馈抽水蓄能机组的转速。

一种双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制方法，所述方法包括：

预先阻断稳态输入信号，以使得稳态频率偏差无法影响控制系统的控制过程；

通过调频辅助功率控制所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值，使得所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值与电网频率相关联；其中，当电网频率发生改变时，所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值进行相应调整，以实现对电网频率的调频；

消除高频噪音信号，以减少外部信号对控制系统的干扰。

进一步地，按照下述公式确定所述调频辅助功率：

其中，ΔP_f ^*表示所述调频辅助功率，k_p表示所述比例微分调节器模块限定的第一调节系数，k_d表示所述比例微分调节器模块限定的第二调节系数，Δf表示实际工作频率与参考频率之间的频率差。

进一步地，按照下述公式确定所述第一调节系数：

其中，P_N-DFPSU表示双馈抽水蓄能机组的额定功率，σ*表示机组调差系数，f_N表示所述虚拟惯性控制系统的额定频率。

进一步地，按照下述公式确定所述第二调节系数：

k_d＝2HP_N/f_N

其中，2HP_N＝J_DFPSUω_rω_s，J_DFPSU表示所述双轴抽水蓄能机组的能量系数，ω_r表示参考工作角频率，ω_s表示实际工作角频率，f_N所述虚拟惯性控制系统的额定频率。

本发明的有益效果在于：

该方法通过用dΔf/dt控制环节代替传统惯性控制中的df/dt控制环节，不仅弥补了传统惯性控制方法存在的负阻尼缺点；同时，有效实现了DFPSU在发电、电动工况均能参与系统频率调节，且与传统惯性控制方法相比，本申请的虚拟惯性控制系统及方法不仅提高了系统FN值，降低了FZ值，还有效缩短了机组转速恢复稳定的时间，增强了系统的阻尼，有利于提高机组运行稳定性和电网频率稳定性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本申请中虚拟惯性控制系统对应的原理图；

图2为含DFPSU的3机系统的仿真模型图；

图3为机组G1输出功率响应特性对比图；

图4为虚拟惯性控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明中虚拟惯性控制系统对应的原理图。请参阅图1，所述虚拟惯性控制系统包括Washout滤波器模块、比例微分(PD)调节器模块以及一阶低通滤波器模块，其中：

所述Washout滤波器模块，用于阻断稳态输入信号，以使得稳态频率偏差无法影响控制系统的控制过程；

所述比例微分调节器模块，用于通过调频辅助功率控制所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值，使得所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值与电网频率相关联；其中，当电网频率发生改变时，所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值进行相应调整，以实现对电网频率的调频；

所述一阶低通滤波器模块，用于消除高频噪音信号，以减少外部信号对控制系统的干扰。

在本实施方式中，所述比例微分调节器模块可以按照下述公式确定所述调频辅助功率：

其中，ΔP_f ^*表示所述调频辅助功率，k_p表示所述比例微分调节器模块限定的第一调节系数，k_d表示所述比例微分调节器模块限定的第二调节系数，Δf表示实际工作频率与参考频率之间的频率差。

与传统控制系统相比，本发明公开的一种双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制系统，通过用dΔf/dt控制环节代替传统惯性控制中的df/dt控制环节，不仅弥补了传统惯性控制方法存在的负阻尼缺点；而且由于采用dΔf/dt和Δf相结合的控制结构，消除了Δf单闭环控制时存在的稳态频差。

图2为含DFPSU的3机系统的仿真模型图。在本实施方式中，通过分析负荷L2増载、减载时，DFPSU在发电、电动运行工况下系统频率响应特性，进而验证所述虚拟惯性控制系统下DFPSU参与电网频率调节的效果。

其中，比例微分调节器模块的参数设定方法具体为：

1)k_p的设定

传统同步机组单位调节功率标幺值为：

式中，为机组调差系数，P_{N_DFPSU}为DFPSU的额定功率；f_N为系统额定频率；Δf_*分别为有功变化量标幺值、频率偏差标幺值。

由等值关系可得：

k_pΔf＝ΔP_G

式中：ΔP_G为系统有功变化量；K_G为单位调节功率。由上式可得：

2)k_d的设定

当系统频率发生扰动时，等值机组通过转子动能的变化，释放或吸收的有功功率ΔP_d为：

由等值关系可得：

根据式上式可得：

k_d＝J_DFPSUω_rω_s/f_N

由于系统频率波动范围较小，可近似取ω_r≈ω_s，则：

k_d＝2HP_N/f_N

其中，2HP_N＝J_DFPSUω_rω_s，J_DFPSU表示所述双轴抽水蓄能机组的能量系数，ω_r表示参考工作角频率，ω_s表示实际工作角频率，f_N所述虚拟惯性控制系统的额定频率。

请参阅图1，所述双馈抽水蓄能机组中还包括双馈电机机侧变流器、双馈电机网侧变流器、调速器以及机械导叶，其中：

所述双馈电机机侧变流器(machine side converter，MSC)，用于通过控制定子电流的轴分量，来分别控制定子有功功率和无功功率，以实现对电机功率的解耦控制；

所述双馈电机网侧变流器(grid side converter，GSC)，用于通过控制电网电流的轴分量，来分别控制网侧直流母线电压和无功功率，以实现对变流器直流母线电压和功率因数的控制；

所述调速器，用于接收预先计算出的最优转速，将所述最优转速转换为对应的转速变量，并将所述转速变量发送至所述机械导叶处；

所述机械导叶，用于根据所述转速变量调整所述双馈抽水蓄能机组的转速。

为了体现本发明提出的虚拟惯性控制系统下DFPSU参与电网频率调节的效果，可以搭建含DFPSU的3机系统仿真模型，对负荷L2増载、减载时，DFPSU在发电、电动运行工况下系统的频率响应特性进行分析。

其中，根据提出的比例微分调节器模块的参数整定方法得出，k_p＝9.8，k_d＝2.44。首先，分析负荷L2突增300MW时，分别在无控制、传统惯性控制和本发明所提PD虚拟惯性控制方法下，DFPSU在发电、电动运行工况下系统频率响应特性仿真结果和系统频率最低点FN对比结果。其次，分析负荷L2突减300MW时，分别在无控制、传统惯性控制和本发明中的虚拟惯性控制方法下，DFPSU在发电、电动运行工况下系统频率响应特性仿真结果和系统频率最高点FZ对比结果。

最后，为了对比DFPSU在不同控制方法下对系统阻尼特性的影响，仿真得到如图3所示的机组G1输出功率响应特性对比图。对比不同控制方法下仿真波形可知：

1)本发明的虚拟惯性控制可实现DFPSU在发电、电动工况均能参与系统频率调节。且与传统惯性控制方法相比，虚拟惯性控制方法不仅提高了系统FN值(发电、电动工况均提高约0.017Hz)，降低了FZ值(发电、电动工况分别降低约0.020Hz、0.018Hz)，还有效缩短了机组转速恢复稳定的时间(缩短约25s)，增强了系统的阻尼，有利于提高机组运行稳定性和电网频率稳定性。

2)本发明公开的一种双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制系统，通过用dΔf/dt控制环节代替传统惯性控制中的df/dt控制环节，不仅弥补了传统惯性控制方法存在的负阻尼缺点；而且由于采用dΔf/dt和Δf相结合的控制结构，消除了Δf单闭环控制时存在的稳态频差。且与传统控制方法相比，采用所提PD虚拟惯性控制方法后，机组G1的功率振荡时间和幅值均得到有效抑制，功率振荡持续时间缩短约4s。

3)通过对DFPSU发电、电动工况频率特性比较发现，在负荷突增时，电动工况频率最低点FN比发电工况更高；负荷突减时，电动工况频率最高点FZ比发电工况更低；因此，相比发电运行工况，DFPSU运行在电动工况时具有较好的参与电网频率调节能力。

请参阅图4，本申请还提供一种双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制方法，所述方法包括：

S1：预先阻断稳态输入信号，以使得稳态频率偏差无法影响控制系统的控制过程；

S2：通过调频辅助功率控制所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值，使得所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值与电网频率相关联；其中，当电网频率发生改变时，所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值进行相应调整，以实现对电网频率的调频；

S3：消除高频噪音信号，以减少外部信号对控制系统的干扰。

在本实施方式中，按照下述公式确定所述调频辅助功率：

其中，ΔP_f ^*表示所述调频辅助功率，k_p表示所述比例微分调节器模块限定的第一调节系数，k_d表示所述比例微分调节器模块限定的第二调节系数，Δf表示实际工作频率与参考频率之间的频率差。

在本实施方式中，按照下述公式确定所述第一调节系数：

其中，P_N-DFPSU表示双馈抽水蓄能机组的额定功率，σ*表示机组调差系数，f_N表示所述虚拟惯性控制系统的额定频率。

在本实施方式中，按照下述公式确定所述第二调节系数：

k_d＝2HP_N/f_N

其中，2HP_N＝J_DFPSUω_rω_s，J_DFPSU表示所述双轴抽水蓄能机组的能量系数，ω_r表示参考工作角频率，ω_s表示实际工作角频率，f_N所述虚拟惯性控制系统的额定频率。

由上可见，采用本发明提供的一种双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制方法，不仅能够有效实现了DFPSU在发电、电动工况均能参与系统频率调节，还弥补了传统惯性控制方法存在的负阻尼缺点，消除系统稳态频差。此外，在系统负荷突增导致频率突降时，能够明显提高系统FN值；在系统负荷突减导致频率突升时，同样能够降低系统FZ值，有效抑制了系统频率的波动。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制系统，其特征在于，所述虚拟惯性控制系统包括Washout滤波器模块、比例微分调节器模块以及一阶低通滤波器模块，其中：

所述Washout滤波器模块，用于阻断稳态输入信号，以使得稳态频率偏差无法影响控制系统的控制过程；

所述比例微分调节器模块，用于通过调频辅助功率控制所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值，使得所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值与电网频率相关联；其中，当电网频率发生改变时，所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值进行相应调整，以实现对电网频率的调频；

所述一阶低通滤波器模块，用于消除高频噪音信号，以减少外部信号对控制系统的干扰。

2.根据权利要求1所述的双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制系统，其特征在于，所述比例微分调节器模块按照下述公式确定所述调频辅助功率：

${{\mathrm{\ΔP}}_f}^{*}=k_p\mathrm{\Δ}f+k_d\frac{d\mathrm{\Δ}f}{dt}$

其中，ΔP_f ^*表示所述调频辅助功率，k_p表示所述比例微分调节器模块限定的第一调节系数，k_d表示所述比例微分调节器模块限定的第二调节系数，Δf表示实际工作频率与参考频率之间的频率差。

3.根据权利要求2所述的双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制系统，其特征在于，所述比例微分调节器模块按照下述公式确定所述第一调节系数：

$k_p=\frac{P_{N\_DFPSU}}{{\mathrm{\σ}}_{*}{f}_N}$

其中，P_N-DFPSU表示双馈抽水蓄能机组的额定功率，σ*表示机组调差系数，f_N表示所述虚拟惯性控制系统的额定频率。

4.根据权利要求3所述的双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制系统，其特征在于，所述比例微分调节器模块按照下述公式确定所述机组调差系数：

其中，Δf_*表示频率偏差标幺值，表示有功变化量标幺值。

5.根据权利要求2所述的双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制系统，其特征在于，所述比例微分调节器模块按照下述公式确定所述第二调节系数：

k_d＝2HP_N/f_N

其中，2HP_N＝J_DFPSUω_rω_s，J_DFPSU表示所述双轴抽水蓄能机组的能量系数，ω_r表示参考工作角频率，ω_s表示实际工作角频率，f_N所述虚拟惯性控制系统的额定频率。

6.根据权利要求1所述的双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制系统，其特征在于，所述双馈抽水蓄能机组中还包括双馈电机机侧变流器、双馈电机网侧变流器、调速器以及机械导叶，其中：

所述双馈电机机侧变流器，用于通过控制定子电流的轴分量，来分别控制定子有功功率和无功功率，以实现对电机功率的解耦控制；

所述双馈电机网侧变流器，用于通过控制电网电流的轴分量，来分别控制网侧直流母线电压和无功功率，以实现对变流器直流母线电压和功率因数的控制；

所述调速器，用于接收预先计算出的最优转速，将所述最优转速转换为对应的转速变量，并将所述转速变量发送至所述机械导叶处；

所述机械导叶，用于根据所述转速变量调整所述双馈抽水蓄能机组的转速。

7.一种双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制方法，其特征在于，所述方法包括：

预先阻断稳态输入信号，以使得稳态频率偏差无法影响控制系统的控制过程；

通过调频辅助功率控制所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值，使得所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值与电网频率相关联；其中，当电网频率发生改变时，所述双馈抽水蓄能机组的输出功率参考值进行相应调整，以实现对电网频率的调频；

消除高频噪音信号，以减少外部信号对控制系统的干扰。

8.根据权利要求7所述的双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制方法，其特征在于，按照下述公式确定所述调频辅助功率：

${{\mathrm{\ΔP}}_f}^{*}=k_p\mathrm{\Δ}f+k_d\frac{d\mathrm{\Δ}f}{dt}$

其中，ΔP_f ^*表示所述调频辅助功率，k_p表示所述比例微分调节器模块限定的第一调节系数，k_d表示所述比例微分调节器模块限定的第二调节系数，Δf表示实际工作频率与参考频率之间的频率差。

9.根据权利要求8所述的双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制方法，其特征在于，按照下述公式确定所述第一调节系数：

$k_p=\frac{P_{N\_DFPSU}}{{\mathrm{\σ}}_{*}{f}_N}$

其中，P_N-DFPSU表示双馈抽水蓄能机组的额定功率，σ_*表示机组调差系数，f_N表示所述虚拟惯性控制系统的额定频率。

10.根据权利要求8所述的双馈抽水蓄能机组的虚拟惯性控制方法，其特征在于，按照下述公式确定所述第二调节系数：

k_d＝2HP_N/f_N

其中，2HP_N＝J_DFPSUω_rω_s，J_DFPSU表示所述双轴抽水蓄能机组的能量系数，ω_r表示参考工作角频率，ω_s表示实际工作角频率，f_N所述虚拟惯性控制系统的额定频率。