CN106786810A - 一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法。现有频率下垂控制下的双馈风机由于自身虚拟功角与转子转速耦合的复杂外特性，导致其暂态有功支撑能力难以合理配置。本发明通过对频率下垂控制双馈风机的外特性分析，建立关于电网频率的风机虚拟功角‑转速特征方程，进而得到关于电网频率的风机转速平衡点，根据给定频率波动下的风机暂态有功支撑能力要求，计算暂态过程中期望到达的转速平衡点并代入虚拟功角‑转速特征方程中求得相应的下垂系数设定值，实现频率下垂控制风机暂态有功支撑能力的配置。本发明使频率下垂控制或虚拟同步机控制下的双馈风机具有期望的暂态有功支撑能力，提高系统的频率稳定性。

Description

一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法

技术领域

本发明涉及双馈风机的电网支撑能力配置方法，尤其是一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法。

背景技术

随着电网中风力发电的渗透率日益增长，传统同步发电机所占的发电比例越来越小，大规模、高比例的风电并网给能源结构的优化与环境问题的缓解带来了崭新机遇，但同时也为电网的运行和控制提出了严峻的挑战，如传统运行于最大功率追踪等控制下的风电机组无法为电网提供惯性与有功功率支撑等。频率下垂控制与虚拟同步机控制通过模仿传统同步发电机的外特性，可以使风电机组为电网提供惯性与有功支撑，但由于风机自身虚拟功角与转子转速的耦合关系，频率下垂控制与虚拟同步机控制使得风电机组呈现出复杂的外特性。

目前，对频率下垂控制或虚拟同步机控制风机的研究主要集中于小干扰稳定与系统动态特性方面，而在频率下垂或虚拟同步机控制下风机的可调用有功支撑能力及其配置方法方面，研究甚少。

发明内容

为了解决现有技术中频率下垂控制或虚拟同步机控制下双馈风力发电机由于自身虚拟功角与转子转速耦合的复杂外特性导致其暂态有功支撑能力难以合理配置的问题，本发明提供一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法，其通过对频率下垂控制双馈风机的虚拟功角-转速外特性分析，建立电网频率与风机转速平衡点的关系，并进一步根据期望的风机暂态有功支撑能力计算出相应的下垂系数，从而实现双馈风机暂态有功支撑能力的自由配置。

本发明采用的技术方案如下：一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法，包括如下步骤：

通过对频率下垂控制双馈风机的外特性分析，建立关于电网频率的风机虚拟功角-转速特征方程，进而得到关于电网频率的风机转速平衡点，根据给定频率波动下的风机暂态有功支撑能力要求，计算暂态过程中期望到达的转速平衡点并代入虚拟功角-转速特征方程中求得相应的下垂系数设定值，实现频率下垂控制风机暂态有功支撑能力的配置。

进一步地，所述的虚拟功角δ′通过对频率下垂控制或虚拟同步机控制输出的磁链角频率参考值与电网角频率之差(即ω_sf-ω_g)积分获取。

进一步地，所述的关于电网频率的风机虚拟功角-转速特征方程为以下公式：

其中，δ′是风机的虚拟功角，ω_r是风机的转速，K_P为频率下垂系数设定值，f_DL(ω_r)表示风机的最大功率跟踪特性或减载特性函数，ω₀表示风机频率下垂控制的角频率设定值，ω_g表示电网角频率，T_a是表示风机惯性的时间常数，f_M(ω_r)表示风机的风能捕获特性函数，D表示双馈风机的阻尼系数，P_E表示风机的电磁功率，V_DFIG表示风机的机端电压，U_Grid表示电网电压，X_Σ表示线路上的阻抗。

进一步地，所述的关于电网频率的风机转速平衡点为以下公式：

ω_re＝max(ω_r1,ω_r2)

其中，ω_re是风机的转速平衡点，ω_r1和ω_r2是以下方程成立时ω_r的两个不同解：

其中，f_DL(ω_r)表示风机的最大功率跟踪特性或减载特性函数，K_P为频率下垂系数设定值，ω₀表示风机频率下垂控制的角频率设定值，ω_g表示电网角频率，f_M(ω_r)表示风机桨叶的风能捕获特性函数，D表示双馈风机的阻尼系数。

进一步地，所述的暂态过程中期望到达的转速平衡点以及满足风机暂态有功支撑能力要求的下垂系数设定值的表达式为：

其中，ω_re(new)是频率波动时暂态过程中期望到达的转速平衡点，ω_re(0)是额定电网频率下风机的转速平衡点，E_assist是满足暂态有功支撑能力要求的风机转子动能释放总合(E_assist可取为负)，T_a＞0是风机的等效惯性时间常数，ω₀表示风机频率下垂控制的角频率设定值，ω_g表示电网角频率，f_M(ω_r)表示风机的风能捕获特性函数，D表示双馈风机的阻尼系数，f_DL(ω_r)表示风机的最大功率跟踪特性或减载特性函数。

本发明具有的有益效果是：本发明解决了现有技术中频率下垂控制或虚拟同步机控制下双馈风力发电机由于自身虚拟功角与转子转速耦合的复杂外特性导致其暂态有功支撑能力难以合理配置的问题，通过对频率下垂控制双馈风机的虚拟功角-转速外特性分析，建立电网频率与风机转速平衡点的关系，并进一步根据期望的风机暂态有功支撑能力计算出相应的下垂系数，从而实现双馈风机暂态有功支撑能力的自由配置，提高电网频率的抗扰动能力，保证电网的安全稳定运行。

本发明也可应用于采用虚拟同步机控制的双馈风机。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的频率下垂控制双馈风机并入无穷大电网的系统控制结构图；

图3为本发明的频率下垂控制双馈风机的转速-电磁功率平衡点示意图；

图4为本发明的频率下垂控制双馈风机在电网频率跌落时的新转速-电磁功率平衡点示意图；

图5为应用例仿真验证中采用本发明方法配置暂态有功支撑能力为风机转子动能释放总合E_assist＝1.0p.u.时风机的转子转速响应曲线图；

图6为应用例仿真验证中采用本发明方法配置暂态有功支撑能力为风机转子动能释放总合E_assist＝1.0p.u.时风机的有功功率响应曲线图；

图7为应用例仿真验证中采用本发明方法配置暂态有功支撑能力为风机转子动能释放总合E_assist＝2.0p.u.时风机的转子转速响应曲线图；

图8为应用例仿真验证中采用本发明方法配置暂态有功支撑能力为风机转子动能释放总合E_assist＝2.0p.u.时风机的有功功率响应曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明的原理如下：

如图1所示，采用发明方法进行处理，对满足频率下垂控制双馈风机暂态有功支撑能力的下垂系数进行求解。双馈风机的转子侧逆变器经常采用频率下垂控制或虚拟同步机控制，从而实现在弱电网或微电网中实现无通讯的功率均分以及有功功率支撑。在转子侧逆变器的电压电流控制中，常采用间接磁链定向控制实现风机定子磁链以及机端电压的定向。典型结构如图2所示，部分变量及物理意义如下表1所示。以下公式中涉及的变量如不特别说明，计算时均采用标幺值。

表1 图2中部分系统变量的符号定义与说明

在间接磁链定向控制下，当系统达到稳态时，定子磁链将定向于d轴，而机端电压将被定向于q轴，定义q轴与电网电压之间的夹角为双馈风机的虚拟功角，即其动态方程可写为：

dδ′/dt＝(ω_sf-ω_g)×ω₀ (1)

虚拟同步机控制的控制方程如式(2)所示，其中，J为模拟同步发电机惯性的惯性系数，当J＝0时，式(2)退化为频率下垂控制方程。式(2)中有功功率的参考值来源于风机的最大功率跟踪特性或减载特性，如式(3)所示，f_DL(ω_r)表示风机的最大功率跟踪特性或减载特性函数，K_DL是最大功率跟踪系数或减载系数。风机的输出功率表达式如式(4)所示。

风机转子的单质点运动方程如式(4)所示，其中，T_a＞0是风机的等效惯性时间常数，D是风机的阻尼系数，P_M是风机桨叶捕获的机械功率，在风速υ固定的情况下，可表示为关于转子转速ω_r的函数，如式(5)所示。

其中，K₁是风能捕获系数，其与空气密度、风轮半径等有关，C_p为功率系数，它是叶尖速比(λ＝K₂ω/υ)和桨距角β的非线性函数，可以看出，在风速υ(m/s)与桨距角固定(β＝0)的情况下，P_M只和转子转速ω_r相关，且可以表示为式(7)的形式。

其中，C₁,C₂,C₃,C₄是功率系数计算相关的参数。

联立上述式(1)-(6)可得关于电网频率的风机虚拟功角-转速特征方程：

由式(8)可解得关于电网频率的风机转速平衡点为以下公式：

ω_re＝max(ω_r1,ω_r2) (9)

其中，ω_re是风机的转速平衡点，ω_r1和ω_r2是以下方程成立时ω_r的两个不同解：

图3给出了由式(8)所求得的风机转速与电磁功率平衡点，其中，实线部分为方程K_P(f_DL(ω_r)-P_E)+ω₀-ω_g＝0的解，虚线部分为的解，两者的交点即为式(8)的平衡点，该平衡点处所对应的转速即为式(9)所求解。

从式(10)中可以看出当电网频率波动时，风机的转子转速会达到不同的平衡点，在暂态过程中风机的旋转部分会释放或吸收动能从而达到为电网提供有功功率支撑的目的，即：

其中，ω_re(new)是频率波动时暂态过程中期望到达的转速平衡点，ω_re(0)是额定电网频率下风机的转速平衡点，E_assist是满足暂态有功支撑能力要求的风机转子动能释放总合(E_assist可取为负)，T_a＞0是风机的等效惯性时间常数。

图4给出了风机在电网频率下跌时所到达的新平衡点示意图。其中，由于电网频率下跌时ω₀-ω_g≠0，因此方程K_P(f_DL(ω_r)-P_E)+ω₀-ω_g＝0的解相比于额定电网频率时向上偏移，从而导致暂态过程中风机会到达新的频率点，如图4所示，在此过程中，风机释放旋转部分的动能从而为电网提供有功功率支撑。

为了合理配置风机的有功功率支撑能力，需要计算在频率跌落时所需达到的转速平衡点，由式(11)可得其表达式为：

由于暂态过程中的新转速平衡点不仅与电网频率的跌落程度有关，还与频率下垂控制的下垂系数有关。因此，通过配置频率下垂系数设定值可以使风机在暂态过程中到达式(12)所计算的平衡点，结合式(10)可得其计算表达式为：

本发明的应用例如下：

应用例以双馈风机并入无穷大系统(如图2所示)为例，如图1所示，采用发明方法进行处理，对满足频率下垂控制双馈风机暂态有功支撑能力的下垂系数进行求解，并以仿真电磁暂态仿真(MATLAB/Simulink)验证本发明方法的有效性，电磁暂态仿真中风机转子侧的逆变器电压电流采用含电流内环的间接磁链定向控制，定子磁链频率采用频率下垂控制，机端电压控制采用电压下垂控制，风机的功率追踪采用减载控制，应用例仿真验证中系统主要变量的参数值如下表2所示。

表2 应用例仿真验证中系统主要变量的参数值

采用本发明方法进行求解满足频率下垂控制风机暂态有功支撑能力的下垂系数，假定风速为υ＝10m/s，且在t＝2s时刻电网发生Δf＝-0.2Hz的频率跌落。首先，利用关于风机的虚拟功角-转速特征方程(8)，求解额定电网频率下的风机转速平衡点，即式(9)与(10)，求解结果为：

ω_re＝1.127p.u.

1)设期望的暂态有功支撑能力要求为风机转子动能释放总合E_assist＝1.0p.u.，则由式(11)可得暂态过程中期望到达的转速平衡点为：

ω_re(new)＝1.040p.u.

进一步地由式(12)可求得相应的下垂系数应设置为：

K_P＝0.035

采用电磁暂态仿真验证当下垂系数为K_P＝0.035时双馈风机的响应特性，图5与图6分别给出了相应的风机转速与输出有功功率的仿真波形，可以看出暂态过程中达到的转速平衡点与本发明方法中所计算得到的结果一致，且风机在暂态过程中释放相应的动能，从而为电网提供频率支撑。

2)设期望的暂态有功支撑能力要求为风机转子动能释放总合E_assist＝2.0p.u.，则由式(11)可得暂态过程中期望到达的转速平衡点为：

ω_re(new)＝0.9459p.u.

进一步地由式(12)可求得相应的下垂系数应设置为：

K_P＝0.020

采用电磁暂态仿真验证当下垂系数为K_P＝0.020时双馈风机的响应特性，图7与图8分别给出了相应的风机转速与输出有功功率的仿真波形，可以看出暂态过程中达到的转速平衡点与本发明方法中所计算得到的结果一致，且风机在暂态过程中释放相应的动能从而为电网提供频率支撑。

在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过对频率下垂控制双馈风机的外特性分析，建立关于电网频率的风机虚拟功角-转速特征方程，进而得到关于电网频率的风机转速平衡点，根据给定频率波动下的风机暂态有功支撑能力要求，计算暂态过程中期望到达的转速平衡点并代入虚拟功角-转速特征方程中求得相应的下垂系数设定值，实现频率下垂控制风机暂态有功支撑能力的配置。

2.根据权利要求1所述的一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法，其特征在于：通过对频率下垂控制或虚拟同步机控制输出的磁链角频率参考值与电网角频率之差积分获取虚拟功角δ′。

3.根据权利要求1或2所述的一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法，其特征在于：所述的关于电网频率的风机虚拟功角-转速特征方程为以下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{d\δ}}^{\′}/dt=K_P\left(f_{DL}\left({\mathrm{\ω}}_r\right)-P_E\right)+{\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_g\\ {\mathrm{d\ω}}_r^2/dt=\frac{2}{T_a}\left(f_M\left({\mathrm{\ω}}_r\right)-P_E-{\mathrm{D\ω}}_r^2\right)\\ P_E=\frac{V_{DFIG}{U}_{Grid}}{X_{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{sin\δ}}^{\′}\end{array}\right.$

其中，δ′是风机的虚拟功角，ω_r是风机的转速，K_P为下垂系数设定值，f_DL(ω_r)表示风机的最大功率跟踪特性或减载特性函数，ω₀表示风机频率下垂控制的角频率设定值，ω_g表示电网角频率，T_a是表示风机惯性的时间常数，f_M(ω_r)表示风机桨叶的风能捕获特性函数，D表示双馈风机的阻尼系数，P_E表示风机的电磁功率，V_DFIG表示风机的机端电压，U_Grid表示电网电压，X_Σ表示线路上的阻抗。

4.根据权利要求1或2所述的一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法，其特征在于：所述的关于电网频率的风机转速平衡点为以下公式：

ω_re＝max(ω_r1,ω_r2)

其中，ω_re是风机的转速平衡点，ω_r1和ω_r2是以下方程成立时ω_r的两个不同解：

$f_{DL}\left({\mathrm{\ω}}_r\right)+({\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_g)/K_P=f_M\left({\mathrm{\ω}}_r\right)-{\mathrm{D\ω}}_r^2$

其中，f_DL(ω_r)表示风机的最大功率跟踪特性或减载特性函数，K_P为频率下垂系数设定值，ω₀表示风机频率下垂控制的角频率设定值，ω_g表示电网角频率，f_M(ω_r)表示风机桨叶的风能捕获特性函数，D表示双馈风机的阻尼系数。

5.根据权利要求1或2所述的一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法，其特征在于：所述的暂态过程中期望到达的转速平衡点以及满足风机暂态有功支撑能力要求的下垂系数设定值的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{re\left(new\right)}=\sqrt{{\mathrm{\ω}}_{re\left(0\right)}^2-2E_{assist}/J_{DFIG}}\\ K_P=\frac{\left({\mathrm{\ω}}_0-{\mathrm{\ω}}_g\right)}{f_M\left({\mathrm{\ω}}_r\right){|}_{{\mathrm{\ω}}_r={\mathrm{\ω}}_{re\left(new\right)}}-{\mathrm{D\ω}}_{re\left(new\right)}^2-f_{DL}\left({\mathrm{\ω}}_r\right){|}_{{\mathrm{\ω}}_r={\mathrm{\ω}}_{re\left(new\right)}}}\end{array}\right.$

其中，ω_re(new)是频率波动时暂态过程中期望到达的转速平衡点，ω_re(0)是额定电网频率下风机的转速平衡点，E_assist是满足暂态有功支撑能力要求的风机转子动能释放总合，J_DFIG是风机的等效转动惯量，ω₀表示风机频率下垂控制的角频率设定值，ω_g表示电网角频率，f_M(ω_r)表示风机桨叶的风能捕获特性函数，D表示双馈风机的阻尼系数，f_DL(ω_r)表示风机的最大功率跟踪特性或减载特性函数。