CN108199393B - 一种双馈风电机组的惯性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈风电机组的惯性控制方法，双馈风机有功输出参考值通过最大功率跟踪算法控制；通过系统频率检测若系统频率正常双馈风机有功输出参考值则通过最大功率跟踪算法控制，否则通过双馈风机转子转速线性有功输出控制；通过双馈风机转子转速检测若转速变化率小于等于双馈风机转子转速变化率阈值时双馈风机有功输出参考值通过双馈风机转子转速有功输出控制，否则通过双馈风机转子转速加速有功输出控制至系统频率恢复正常再通过最大功率跟踪算法控制。与现有技术相比，本发明能有效为系统频率提供暂态支撑，同时能避免双馈风机转子动能过度释放和减小转速恢复瞬间功率跌落幅度。

Description

一种双馈风电机组的惯性控制方法

技术领域

本发明涉及可再生能源的有功控制方法领域，具体涉及一种双馈风电机组的惯性控制方法。

背景技术

风能利用技术逐步成熟且储藏量十分丰富，风力发电在电网中所占比例不断增加。双馈风力发电机作为风电场的主流机型，具有发电效率高，变流器容量小的优点，但由于双馈风机通过电力电子变流器并网，使得机组转速与系统频率解耦，无法为系统提供惯量支撑。大规模风电并网背景下，系统惯量下降带来严重的频率稳定问题，迫切需要引入风电的惯性控制技术，基于风机短时过载运行的惯性控制方法，双馈风机在预设时间内过载运行，通过释放转子动能为系统提供惯量支撑，为实现转速恢复，双馈风机完成惯量支撑阶段后，需在预设时间内减载运行，回到扰动前运行状态，该方法具备可控性高、惯性响应力度不随转速下降而衰减的优点。但由于其建立有功—时间关系，忽略转速，易诱发转子动能过度释放，使得转子转速超过最低限速值。并且为了实现转速恢复，电磁功率需低于机械功率，在转速恢复瞬间功率跌幅较大，将导致严重的频率二次跌落。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种双馈风电机组的惯性控制方法。

本发明所采用的技术方案是：包含减速阶段和加速阶段，双馈风机在减速阶段内先提供恒定功率支撑后有功输出随转速下降，在加速阶段，双馈风机有功—转速轨迹介于机械功率曲线和最大功率跟踪算法曲线之间可调，保证双馈风机顺利回到扰动前运行状态，具体步骤如下：

步骤1：双馈风机有功输出参考值通过最大功率跟踪算法控制；

步骤2：通过系统频率检测，若系统频率正常则双馈风机有功输出参考值通过最大功率跟踪算法控制，否则系统频率异常时双馈风机有功输出参考值通过双馈风机转子转速减速有功输出控制；

步骤3：通过双馈风机转子转速检测，若双馈风机转子转速变化率小于等于双馈风机转子转速变化率阈值时双馈风机有功输出参考值通过双馈风机转子转速减速有功输出控制，否则双馈风机转子转速变化率大于双馈风机转子转速变化率阈值时双馈风机有功输出参考值通过双馈风机转子转速加速有功输出控制至系统频率恢复正常，系统频率恢复正常时双馈风机有功输出参考值通过最大功率跟踪算法控制；

作为优选，步骤2所述系统频率检测为：

若|Δf|≤F₁且|df/dt|＜F₂

其中，Δf为频率变化值，df/dt为频率变化率，F₁为频率偏差阈值，F₂为频率变化率阈值，则系统频率正常时双馈风机有功输出参考值P_ref通过最大功率跟踪算法控制；

若|Δf|＞F₁或|df/dt|≥F₂

系统频率异常时双馈风机有功输出参考值P_ref，通过双馈风机转子转速减速有功输出控制；

步骤2所述双馈风机转子转速减速有功输出控制为：

其中，P_ref为双馈风机有功输出参考值，ΔP为双馈风机初始有功输出变化值，P_ref0为双馈风机初始有功输出参考值,ω_r为双馈风机转子转速，ω_r0为双馈风机转子转速初始值，ω_{r_min}为双馈风机转子转速最低限速值，P_F为双馈风机根据最大功率跟踪算法控制下转速为ω_r__min时的有功输出参考值：

其中，k_opt为功率跟踪系数，ω_{r_C}为双馈风机转子转速转折值：

其中，m为双馈风机在转折点已释放的转子动能占可利用的旋转动能的比值m∈(0,1)；

作为优选，步骤3所述双馈风机转子转速检测为：

若dω_r/dt≤α

其中，ω_r为双馈风机转子转速，dω_r/dt双馈风机转子转速变化率，α为双馈风机转子转速变化率阈值，若双馈风机转子转速变化率小于等于双馈风机转子转速变化率阈值时双馈风机有功输出参考值通过步骤2中所述双馈风机转子转速减速有功输出控制；

若dω_r/dt＞α

其中，ω_r为双馈风机转子转速，dω_r/dt双馈风机转子转速变化率，α为双馈风机转子转速变化率阈值，若双馈风机转子转速变化率大于双馈风机转子转速变化率阈值时双馈风机有功输出参考值通过双馈风机转子转速加速有功输出控制为：

P_ref＝P_m-n(P_m-P_MPPT)

其中，P_ref为双馈风机有功输出参考值，n为双馈风机转子所承担加速功率n∈(0,1]，P_m为双馈风机捕获的机械功率，P_MPPT为最大功率跟踪算法控制下输出的电磁功率。

与现有技术相比，本发明在频率事故初始阶段，有效提升频率跌落最低值，改善系统频率暂态特性；当系统同步机组调速器动作，一方面能避免转子动能过度释放，另一方面也能减少双馈风机转速恢复瞬间的功率跌幅，改善系统频率的二次跌落；并具备较高的可控性。

附图说明

图1：为本发明实施例的方法流程图；

图2：为本发明实施例的IEEE双馈风机9节点拓扑图；

图3：为本发明实施例的IEEE双馈风机9节点系统频率动态特性对比曲线；

图4：为本发明实施例的双馈风机有功输出参考值对比曲线；

图5：为本发明实施例的双馈风机转子转速动态特性对比曲线。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，是本发明实施例的方法流程图；请见图2，为本发明实施例的含风电场的IEEE 9节点拓扑图，风电场取代3号发电机接入系统，风电场由38台额定功率为1.5MW的双馈风机组成，可等值为一台额定容量为57MW的双馈风电机组，风速为10m/s，双馈风机转子转速初始值ω_r0为1pu，功率跟踪系数k_opt为0.73，图3为本发明本发明实施例的IEEE 3双馈风机9节点系统频率动态特性对比曲线。本发明提供了一种双馈风电机组的惯性控制方法，包括以下步骤：

步骤1：双馈风机有功输出参考值通过最大功率跟踪算法控制；

步骤2：通过系统频率检测，若系统频率正常则双馈风机有功输出参考值通过最大功率跟踪算法控制，否则系统频率异常时双馈风机有功输出参考值通过双馈风机转子转速减速有功输出控制；

步骤2所述系统频率检测为：

若|Δf|≤F₁且|df/dt|＜F₂

其中，Δf为频率变化值，df/dt为频率变化率，F₁＝0.2Hz为频率变化阈值，F₂＝0.05Hz/s为频率变化率阈值，系统频率正常时双馈风机有功输出参考值P_ref通过最大功率跟踪算法控制；

若|Δf|＞F₁或|df/dt|≥F₂

系统频率异常时双馈风机有功输出参考值P_ref，通过双馈风机转子转速减速有功输出控制；

步骤2所述双馈风机转子转速减速有功输出控制为：

其中,P_ref为双馈风机有功输出参考值,ΔP＝0.15pu为为双馈风机初始有功输出变化值,P_ref0＝0.422pu为双馈风机初始有功输出参考值,ω_r为双馈风机转子转速,ω_r0＝1pu为双馈风机转子转速初始值，ω_{r_min}＝0.7pu为双馈风机转子转速最低限速值,P_F＝0.145pu为双馈风机根据最大功率跟踪算法控制下转速为ω_{r_min}时的有功输出参考值：

其中，k_opt＝0.73为功率跟踪系数,ω_{r_C}为双馈风机转子转速转折值：

其中，m＝0.3为双馈风机在转折点已释放的转子动能占可利用的旋转动能的比值；

步骤3：通过双馈风机转子转速检测，若双馈风机转子转速变化率小于等于双馈风机转子转速变化率阈值时双馈风机有功输出参考值通过双馈风机转子转速减速有功输出控制，否则双馈风机转子转速变化率大于双馈风机转子转速变化率阈值时双馈风机有功输出参考值通过双馈风机转子转速加速有功输出控制至系统频率恢复正常，系统频率恢复正常时双馈风机有功输出参考值通过最大功率跟踪算法控制；

步骤3所述双馈风机转子转检测为：

若dω_r/dt≤α

其中，ω_r为双馈风机转子转速，dω_r/dt双馈风机转子转速变化率，α＝5*10^-4为双馈风机转子转速变化率阈值，若双馈风机转子转速变化率小于等于双馈风机转子转速变化率阈值时双馈风机有功输出参考值通过步骤2中所述双馈风机转子转速减速有功输出控制；

若dω_r/dt＞α

其中，ω_r为双馈风机转子转速，dω_r/dt双馈风机转子转速变化率，α＝5*10^-4为双馈风机转子转速变化率阈值，若双馈风机转子转速大于双馈风机转子转速变化率阈值时双馈风机有功输出参考值通过双馈风机转子转速加速有功输出控制为：

P_ref＝P_m-n(P_m-P_MPPT)

其中，P_ref为双馈风机有功输出参考值，n为双馈风机转子所承担加速功率系数n＝0.5，P_m为双馈风机捕获的机械功率，P_MPPT为最大功率跟踪算法控制下输出的电磁功率。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种双馈风电机组的惯性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：双馈风机有功输出参考值通过最大功率跟踪算法控制；

步骤2：通过系统频率检测，若系统频率正常则双馈风机有功输出参考值通过最大功率跟踪算法控制，否则系统频率异常时双馈风机有功输出参考值通过双馈风机转子转速减速有功输出控制；

步骤3：通过双馈风机转子转速检测，若双馈风机转子转速变化率小于等于双馈风机转子转速变化率阈值时双馈风机有功输出参考值通过双馈风机转子转速减速有功输出控制，否则双馈风机转子转速变化率大于双馈风机转子转速变化率阈值时双馈风机有功输出参考值通过双馈风机转子转速加速有功输出控制至系统频率恢复正常，系统频率恢复正常时双馈风机有功输出参考值通过最大功率跟踪算法控制；

步骤3所述双馈风机转子转速检测为：

若dω_r/dt≤α

其中，ω_r为双馈风机转子转速，dω_r/dt双馈风机转子转速变化率，α为双馈风机转子转速变化率阈值，若双馈风机转子转速变化率小于等于双馈风机转子转速变化率阈值时双馈风机有功输出参考值通过步骤2中所述双馈风机转子转速减速有功输出控制；

若dω_r/dt＞α

其中，ω_r为双馈风机转子转速，dω_r/dt双馈风机转子转速变化率，α为双馈风机转子转速变化率阈值，若双馈风机转子转速变化率大于双馈风机转子转速变化率阈值时双馈风机有功输出参考值通过双馈风机转子转速加速有功输出控制为：

P_ref＝P_m-n(P_m-P_MPPT)

其中，P_ref为双馈风机有功输出参考值，n为双馈风机转子所承担加速功率n∈(0,1]，P_m为双馈风机捕获的机械功率，P_MPPT为最大功率跟踪算法控制下输出的电磁功率。

2.根据权利要求1所述的双馈风电机组的惯性控制方法，其特征在于，步骤2所述系统频率检测为：

若|Δf|≤F₁且|df/dt|＜F₂

其中，Δf为频率变化值，df/dt为频率变化率，F₁为频率偏差阈值，F₂为频率变化率阈值，则系统频率正常时双馈风机有功输出参考值P_ref通过最大功率跟踪算法控制；

若|Δf|＞F₁或|df/dt|≥F₂

系统频率异常时双馈风机有功输出参考值P_ref，通过双馈风机转子转速减速有功输出控制；

步骤2所述双馈风机转子转速减速有功输出控制为：

其中，P_ref为双馈风机有功输出参考值，ΔP为双馈风机初始有功输出变化值，P_ref0为双馈风机初始有功输出参考值,ω_r为双馈风机转子转速，ω_r0为双馈风机转子转速初始值，ω_{r_min}为双馈风机转子转速最低限速值，P_F为双馈风机根据最大功率跟踪算法控制下转速为ω_{r_min}时的有功输出参考值：

其中，k_opt为功率跟踪系数，ω_{r_C}为双馈风机转子转速转折值：

其中，m为双馈风机在转折点已释放的转子动能占可利用的旋转动能的比值m∈(0,1)，ω_{r_lim}为双馈风机转子极限转速。

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