CN108462188A - 一种风电场虚拟同步发电机控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电场虚拟同步发电机控制装置，包括场站VSG控制器和单机VSG控制器，其中，每个机组配置一个单机VSG控制器，每个单机VSG控制器均与场站VSG控制器相连：所述单机VSG控制器包括频率测量单元、VSG实现单元、电压测量单元、电压闭环控制单元、功率控制单元和单机通讯单元；所述场站VSG控制器包括远程管理单元、电压协调控制单元和场站通讯单元：所述远程管理单元用于进行装置的设定、单机VSG控制器的数据收集和运行记录及显示；所述电压协调控制单元与风电场AVC系统共同调节并维持风电场电压的稳定；所述场站通讯单元分别与单机VSG控制器和风电场AVC系统相连。
Description
技术领域
本发明涉及一种风电场虚拟同步发电机控制装置。
背景技术
传统风电场安装的变速风电机组普遍使用电力电子变流器，其在实现最大功率跟踪的同时，导致风力机转速和电网频率之间不存在耦合关系，因而隐藏了机组风轮的旋转动能，对电网频率变化没有响应措施。随着大量风电机组接入系统，电网有功扰动造成的频率波动也越来越大，而传统风电场采用的AGC系统(自动发电量控制系统)是根据电网调度指令进行整场有功功率分配，稳定延时较长，在系统过渡过程中并不能根据频率变化进行快速有功响应，只能参与系统二次调频。
风电场一般通过场级无功补偿设备实现电压控制和无功补偿，风电机组通常采用定功率因数运行或无功指令跟踪模式为系统提供无功功率。一方面受通信时滞与控制时间常数制约，整体响应时间为百毫秒级，限制了风机对系统电压的快速反应能力，另一方面风机在低功率运行状态下大量的无功补偿能力没有得到利用。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种风电场虚拟同步发电机控制装置，能够主动参与一次调频、调压，提供一定的有功和无功支撑，并能够提供惯性阻尼，有效抑制频率振荡，可使风力发电具备与常规火电接近的外特性。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种风电场虚拟同步发电机控制装置，包括场站VSG控制器和单机VSG控制器，其中，每个机组配置一个单机VSG控制器，每个单机VSG控制器均与场站VSG控制器相连：
所述单机VSG控制器包括频率测量单元、VSG实现单元、电压测量单元、电压闭环控制单元、功率控制单元和单机通讯单元：所述频率测量单元用于实时测量风机并网点的电网频率且频率测量单元通过VSG实现单元与单机通讯单元相连；所述VSG实现单元自动响应系统频率的变化量和变化率为机组附加惯量特性，通过一次调频特性为系统提供阻尼；电压测量单元用于实时测量风机并网点的电网电压且电压测量单元通过电压闭环控制单元与单机通讯单元相连；所述电压闭环控制单元在风电机组有功功率和无功功率解耦控制中引入配电线母线电压闭环控制和无功功率调差控制；所述功率控制单元用于调节变桨系统的输出功率；所述单机VSG控制器通过单机通讯单元分别与机组主控制系统、变桨系统、场站VSG控制器和发电机-变流器功率单元相连；
所述场站VSG控制器包括远程管理单元、电压协调控制单元和场站通讯单元：所述远程管理单元用于进行装置的设定、单机VSG控制器的数据收集和运行记录及显示；所述电压协调控制单元与风电场AVC系统共同调节并维持风电场电压的稳定；所述场站通讯单元分别与单机VSG控制器和风电场AVC系统相连。
优选，所述单机VSG控制器与机组主控制系统通讯交互，提取机组信息并通过机组主控制系统控制发电机-变流器功率单元实现一次调频，并将数据上传到场站VSG控制器。
优选，对于风电场同一配电线上不同机组以及不同配电线上的机组，由上级无功调节设备给定配电线连接点的电压定值，通过电压闭环控制单元引入电压调差控制来获得无功分配。
优选，功率控制单元在风机正常运行时降低机组的运行功率。
优选，当需要增加有功功率输出时，功率控制单元通过开桨增大电能的转化率；当需要减小有功功率输出时，功率控制单元通过关桨减小电能的转化率。
优选，场站VSG控制器协同电压管理系统和无功功率补偿装置实现调压功能并实现二次调频功能。
本发明的有益效果是：
本发明使风电机组具备主动参与一次调频、调压的能力，且场站VSG控制器协同电压管理系统和无功功率补偿装置，实现调压功能，并实现二次调频功能，使风力发电具备与常规火电接近的外特性，提高电网的稳定性。
附图说明
图1是本发明一种风电场虚拟同步发电机控制装置的结构框图；
图2是本发明单机VSG控制器的结构框图；
图3是本发明场站VSG控制器的结构框图；
图4是本发明风电场VSG的静态调频特性示意图；
图5是本发明风电机组和机群的动态调频特性示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，一种风电场虚拟同步发电机控制装置，包括场站VSG控制器和单机VSG控制器，其中，一个风电场包括n个机组，而每个机组配置一个单机VSG控制器，每个单机VSG控制器均与场站VSG控制器相连，也即一个风电场包括一个场站VSG控制器和n个单机VSG控制器。其中，VSG即virtual synchronous genarator的缩写，中文含义为虚拟同步发电机。
如图2所示，所述单机VSG控制器包括频率测量单元、VSG实现单元、电压测量单元、电压闭环控制单元、功率控制单元和单机通讯单元，其中，频率测量单元通过VSG实现单元与单机通讯单元相连，电压测量单元通过电压闭环控制单元与单机通讯单元相连，功率控制单元直接与单机通讯单元相连，下面进行详细介绍。
所述频率测量单元用于实时测量风机并网点的电网频率，单机VSG控制器可以单独测量电网频率，也可以通过外部专用设备测量电网频率。电压测量单元用于实时测量风机并网点的电网电压。
所述VSG实现单元可自动响应系统频率的变化量和变化率为机组附加惯量特性，通过一次调频特性为系统提供阻尼，释放机组的“隐含”惯量，使其能够在系统频率突变时快速释放或存储转子动能，提高系统暂态稳定性。具体的实现方式可以是使风电机组响应系统频率变化，参与一次调频。适当压低部分或全部风电机组正常运行功率，利用控制策略为风电机组附加传统同步机组频率调差特性。
其参考的风电场静态调频特性如图4所示：当系统频率发生变化时，按照规定增加或减小其有功功率输出，以提供调频所需的备用容量。当系统频率处于正常范围内(50±0.2Hz)时，风电场有功出力设定为BC段，保留一定的备用容量；当系统频率下降到B点对应的频率以下时，风电场跟随AB段曲线增加有功输出，直至频率到达A点时实现100％可用功率输出；当频率从较低值恢复时，风电场按照AB段曲线调整有功出力；当系统频率上升到大于C点对应频率时，风电场按CD曲线减小有功输出，斜率可调，如40％/Hz；当频率大于DE对应的频率时，风电场停止有功输出；当系统频率恢复后，风电场尽快接入系统。
其参考的动态调频特性如图5所示：图中ΔP为频率动态变化过程中风电机组或机群在当前运行功率点附近以变化机组转子速度提供的调节功率。其中斜率Kc为机组或机群的VSG惯性系数；发电功率低于25％额定容量的单台机组不参与调频操作。对于系统频率下降情况保持正常运行；对于系统频率上升情况仅在最后次序按停机或临时脱网处理，可临时脱网10s～1分钟；发电功率不低于25％额定容量的单台机组优先参与调频操作。当系统故障时，对频率快速上升系统，提供每2秒20％额定容量的降功率速度；对频率快速下降系统，利用风轮惯性平均提供最大30％额定容量、最小5％额定容量的功率输出，持续时间10s，并在1min内恢复到图4所示的对应功率点。
所述电压闭环控制单元在风电机组常规的有功功率和无功功率解耦(PQ解耦)控制中引入配电线母线电压闭环控制和无功功率调差控制，可加快风机单机对无功的响应速度(可小于20毫秒)和无功能力利用率，提高风电机组对系统的无功/电压支撑能力。对于风电场同一配电线上不同机组以及不同配电线上的机组，由上级无功调节设备给定配电线连接点的电压定值，通过电压闭环控制单元引入电压调差控制来获得合理的无功分配。
所述功率控制单元用于调节变桨系统的输出功率：在风机正常运行时适当降低机组的运行功率，当需要增加有功功率输出时，功率控制单元通过开桨增大电能的转化率；当需要减小有功功率输出时，功率控制单元通过关桨减小电能的转化率。
所述单机VSG控制器通过单机通讯单元分别与机组主控制系统、变桨系统、场站VSG控制器和发电机-变流器功率单元相连，其中，
所述单机VSG控制器与机组主控制系统通讯交互，提取机组信息并通过机组主控制系统控制发电机-变流器功率单元实现一次调频，并将数据上传到场站VSG控制器，单机通讯单元与场站VSG控制器通讯，将单机数据上传，并接受控制。
如图3所示，所述场站VSG控制器包括远程管理单元、电压协调控制单元和场站通讯单元，远程管理单元和电压协调控制单元分别与场站通讯单元相连，其中：所述远程管理单元用于进行装置的设定、单机VSG控制器的数据收集和运行记录及显示；所述电压协调控制单元与风电场AVC系统共同调节并维持风电场电压的稳定；所述场站通讯单元分别与单机VSG控制器和风电场AVC系统相连，实现数据传递。
优选，场站VSG控制器协同电压管理系统和无功功率补偿装置实现调压功能，并实现二次调频功能。通过场站通讯单元进行远程设定和整场协调管理。
本发明使风电机组具备主动参与一次调频、调压的能力，且场站VSG控制器协同电压管理系统和无功功率补偿装置，实现调压功能，并实现二次调频功能，能够主动参与一次调频、调压，提供一定的有功和无功支撑，并能够提供惯性阻尼，有效抑制频率振荡，使风力发电具备与常规火电接近的外特性，提高电网的稳定性。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种风电场虚拟同步发电机控制装置，包括场站VSG控制器和单机VSG控制器，其中，每个机组配置一个单机VSG控制器，每个单机VSG控制器均与场站VSG控制器相连，其特征在于：
所述单机VSG控制器包括频率测量单元、VSG实现单元、电压测量单元、电压闭环控制单元、功率控制单元和单机通讯单元：所述频率测量单元用于实时测量风机并网点的电网频率且频率测量单元通过VSG实现单元与单机通讯单元相连；所述VSG实现单元自动响应系统频率的变化量和变化率为机组附加惯量特性，通过一次调频特性为系统提供阻尼；电压测量单元用于实时测量风机并网点的电网电压且电压测量单元通过电压闭环控制单元与单机通讯单元相连；所述电压闭环控制单元在风电机组有功功率和无功功率解耦控制中引入配电线母线电压闭环控制和无功功率调差控制；所述功率控制单元用于调节变桨系统的输出功率；所述单机VSG控制器通过单机通讯单元分别与机组主控制系统、变桨系统、场站VSG控制器和发电机-变流器功率单元相连；
所述场站VSG控制器包括远程管理单元、电压协调控制单元和场站通讯单元：
所述远程管理单元用于进行装置的设定、单机VSG控制器的数据收集和运行记录及显示；所述电压协调控制单元与风电场AVC系统共同调节并维持风电场电压的稳定；所述场站通讯单元分别与单机VSG控制器和风电场AVC系统相连。
2.根据权利要求1所述的一种风电场虚拟同步发电机控制装置，其特征在于，所述单机VSG控制器与机组主控制系统通讯交互，提取机组信息并通过机组主控制系统控制发电机-变流器功率单元实现一次调频，并将数据上传到场站VSG控制器。
3.根据权利要求1所述的一种风电场虚拟同步发电机控制装置，其特征在于，对于风电场同一配电线上不同机组以及不同配电线上的机组，由上级无功调节设备给定配电线连接点的电压定值，通过电压闭环控制单元引入电压调差控制来获得无功分配。
4.根据权利要求1所述的一种风电场虚拟同步发电机控制装置，其特征在于，功率控制单元在风机正常运行时降低机组的运行功率。
5.根据权利要求4所述的一种风电场虚拟同步发电机控制装置，其特征在于，当需要增加有功功率输出时，功率控制单元通过开桨增大电能的转化率；当需要减小有功功率输出时，功率控制单元通过关桨减小电能的转化率。
6.根据权利要求1所述的一种风电场虚拟同步发电机控制装置，其特征在于，场站VSG控制器协同电压管理系统和无功功率补偿装置实现调压功能并实现二次调频功能。
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