CN109066779B - 一种风力发电机组虚拟同步发电机控制实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组虚拟同步发电机控制实现方法，包括步骤：1)数据采集；2)调频启动判断；3)计算调频功率；4)风机功率控制目标设定；5)计算惯量调节值；6)惯量调节值限幅；7)转速保护判断；8)惯量调节功率下发执行。采用本发明方法的风机利用采用转动惯量+定转速复合调节作为能量来源，使得与系统频率原不存在直接耦合关系本风机输出功率，在输出上实现一次调频及虚拟惯量调节。可使得风力发电机组可以模拟传统火电机组具备调频及惯量支撑能力，同时也有效提高风力发电机组接入后电网安全稳定运行裕度，有利于大型半直驱永磁同步风力发电机组分散式接入的推广。

Description

一种风力发电机组虚拟同步发电机控制实现方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组虚拟同步发电机控制的技术领域，尤其是指一种风力发电机组虚拟同步发电机控制实现方法。

背景技术

业内习知，大型半直驱永磁同步风力发电机组，主要部件包括齿轮箱、中速永磁发电机、叶片、塔筒、主动整流型全功率变流器。与传统火电机组不同，现阶段风电机组控制不具备调频和惯量支撑能力。随着大规模风电接入电网运行，传统的同步发电装置比例逐渐降低，电力系统的旋转备用容量及转动惯量相对减少。电力系统调频能力及惯量支撑能力缺乏极大的影响了电网的安全稳定运行，也限制了风力发电的发展与消纳。随着国家对风电消纳能力的要求逐步加强，如何使得大型风力发电机组具备与传统火电机组一样的调频及惯量支撑能力显得日益重要。

由于风能具有间歇性及不可控性，风电机组大多采用电力电子并网逆变器模式，该模式下风力机转速与电网频率之间不存在直接耦合关系，未能体现常规电力系统固有的惯性和调频调压特性，若采用适当的控制算法，使基于并网逆变器的电源在外特性上模拟或部分模拟出同步发电机的频率及电压控制特性，这就是所谓的虚拟同步发电机控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种风力发电机组虚拟同步发电机控制实现方法，用于解决风力发电机组缺乏调频和惯量支撑能力问题。采用本发明方法的风机利用采用转动惯量+定转速复合调节作为能量来源，使得与系统频率原不存在直接耦合关系本风机输出功率，在输出上实现一次调频及虚拟惯量调节。可使得风力发电机组可以模拟传统火电机组具备调频及惯量支撑能力，同时也有效提高风力发电机组接入后电网安全稳定运行裕度，有利于大型半直驱永磁同步风力发电机组分散式接入的推广。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种风力发电机组虚拟同步发电机控制实现方法，包括以下步骤：

1)数据采集

变流器采集电网侧三相电压瞬时值Ua、Ub、Uc，利用变流器锁相环PLL计算获得电网同步频率f及频率变化率df/dt，风机主控系统利用旋转编码器或接近开关计算获得风机的叶轮转速瞬时值ω_mea，或称呼为叶轮角速度瞬时值ω_mea；

2)调频启动判断

2.1)判断风机是否开启虚拟同步发电机调频功能，如果开启虚拟同步发电机调频功能，且

则执行步骤2.2)，否则风机的调频有功调节量命令值设置为0，即ΔP_调频＝0.其中P_10min为风机10mins平均功率值,P_N为风机额定有功功率，

为启动功率百分比，默认值取20％，能够根据风机能力和调度要求设置；

2.2)进行风场是否进入频率调节的死区范围判断，若在死区范围内，则风机的调频有功调节量命令值ΔP_调频＝0，流程结束，若不在死区范围内，进行步骤3)，其中，是否在死区范围内的判断方法如下：

当f_low≤f≤f_up，频率在死区范围内；

当f＜f_low或f＞f_up，频率在死区范围外，进入有功调频；

其中，f为采集的电网同步频率值，f_low为频率死区下限值，默认取49.95Hz，f_up为频率死区上限值，默认值取50.05Hz，具体根据当地调度要求进行设定；

f＞f_up，锁定并取值进入调频瞬间有功功率值P₀，进行步骤3.1)降功率调节；f＜f_low，锁定并取值进入调频瞬间有功功率值P₀，进行步骤3.2)升功率调节；

3)计算调频功率

3.1)降功率调节计算

计算一次调频功率调节值，公式为：ΔP_一次调频＝(f_up-f)×(1/δ％f_n)×P_N，进行步骤3.3)，其中，f_n为额定电网频率，默认值为50Hz，具体根据当地电网进行设定标准值为50Hz或60Hz，δ％为调差率，部分电网要求中描述为下垂系数

3.2)升功率调节计算

计算一次调频功率调节值，公式为：ΔP_一次调频＝(f-f_low)×(1/δ％f_n)×P_N，进行步骤3.3)；

3.3)虚拟惯量功率调节计算

虚拟惯量有功功率调节量满足公式：

式中，T_J为模拟传统同步发电机惯性时间常数，取值应在4s～12s范围内，推荐为5s，进入步骤3.4)；

3.4)求取调节目标功率，公式如下：

P_set＝P₀+ΔP_虚拟惯量+ΔP_一次调频

式中，P_set为风机主控制策略功率控制目标值；

4)风机功率控制目标设定

P_set为功率控制目标值下发给风机主控制策略，主控制策略通常采用GH控制策略或aerodyn控制策略，进入步骤5)；

5)计算惯量调节值

求取惯量调节功率值，公式如下：

ΔP_惯量＝(P₀+ΔP_一次调频+ΔP_虚拟惯量)-P_ω

式中，P_ω为风机主控制策略，即GH控制策略或aerodyn控制策略，依据当前风机的叶轮转速瞬时值ω_mea计算获得的功率控制设定，进入步骤6.1)；

6)惯量调节值限幅

6.1)计算惯量调节能力的最大值ΔP_惯量max

式中，ΔP_{惯量能力max}为叶轮存储升功率惯量功率能力最大值，J为风机的叶轮转动惯量，依据所使用的风机型号及参数设定；

惯量能力饱和取值，ΔP_{惯量能力max}与factor*P_N取最小值，公式如下：

ΔP_惯量max＝min(ΔP_{惯量能力max},factor*P_N)

式中，factor为饱和系数，能够依据风机实际参数设定，建议取值为0.1；

6.2)计算惯量调节能力的最小值ΔP_惯量min

式中，ΔP_{惯量能力min}为叶轮存储升功率惯量功率能力最小值，J为风机的叶轮转动惯量，依据所使用的风机型号及参数设定；

惯量能力饱和取值，ΔP_{惯量能力min}与factor*P_N取最大值，公式如下：

ΔP_惯量min＝max(ΔP_{惯量能力min},factor*P_N)

判断ΔP_惯量是否小于或等于0，如果确定小于或等于0，执行步骤6.3)，否则执行步骤6.4)；

6.3)降功率惯量限幅

ΔP_惯量执行＝max(ΔP_惯量min，ΔP_惯量)

式中，ΔP_惯量执行为最终下发执行惯量调节值；

执行步骤7)；

6.4)升功率惯量限幅

ΔP_惯量执行＝min(ΔP_惯量max，ΔP_惯量)

执行步骤7)；

7)转速保护判断

若在转速范围外，则风机的调频有功调节量命令值ΔP_调频＝0，流程结束，若在死区范围内，进行步骤8)，其中，是否在转速范围内的判断方法如下：

当ω_low≤ω_mea≤ω_up，频率在死区范围内，进入步骤8)；

当ω_mea＜ω_low或ω_mea＞ω_up，频率在死区范围外，流程结束；

式中，ω_low为设置惯量调节最低叶轮转速，ω_up为设置惯量调节最高叶轮转速，依据所使用的风机型号及参数设定；

8)惯量调节功率下发执行

计算下发执行功率值，公式如下：

P_ref＝P_ω+ΔP_惯量

求取变流器转矩参考值，公式如下：

T_ref＝P_ref/ω_mea

式中，T_ref为下发变流器转矩执行参考值，将T_ref作为转矩参考值下发变流器执行。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

风力发电机组在并网点频率发生变化后，会进行有功功率调节以输出模拟一次调频及惯量调频，以稳定电力系统频率。单一惯量调节具有快速性和暂时性特点，而定转速控制调频具有相应慢和持续性特点，为实现优势互补在风力发电机组原有定转速控制策略基础上加入惯量调节控制逻辑；以惯量控制退出功率平滑度为关键考核点，本发明采用转动惯量+定转速复合调节控制技术，以满足系统调频有功控制的快速性和持续性需求。调节控制由主控下发指令完成，可满足对机组转速控制稳定性要求。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图。

图2为数据采集示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例所提供的风力发电机组虚拟同步发电机控制实现方法，包括以下步骤：

1)数据采集

变流器采集电网侧三相电压瞬时值Ua、Ub、Uc，利用变流器锁相环(PLL)计算获得电网同步频率f及频率变化率df/dt，风机主控系统利用旋转编码器或接近开关计算获得风机的叶轮转速瞬时值ω_mea(或称呼为叶轮角速度瞬时值ω_mea)，见图2所示。

2)调频启动判断

2.1)判断风机是否开启虚拟同步发电机调频功能，如果开启虚拟同步发电机调频功能，且

则执行步骤2.2)，否则风机的调频有功调节量命令值设置为0，即ΔP_调频＝0.其中P_10min为风机10mins平均功率值,P_N为风机额定有功功率，

为启动功率百分比，默认值取20％，可根据风机能力和调度要求设置；

2.2)进行风场是否进入频率调节的死区范围判断，若在死区范围内，则风机的调频有功调节量命令值ΔP_调频＝0，流程结束，若不在死区范围内，进行步骤3)，其中，是否在死区范围内的判断方法如下：

当f_low≤f≤f_up，频率在死区范围内；

当f＜f_low或f＞f_up，频率在死区范围外，进入有功调频；

其中，f为采集的电网同步频率值，f_low为频率死区下限值，默认取49.95Hz，f_up为频率死区上限值，默认值取50.05Hz，具体根据当地调度要求进行设定；

f＞f_up，锁定并取值进入调频瞬间有功功率值P₀，进行步骤3.1)降功率调节；f＜f_low，锁定并取值进入调频瞬间有功功率值P₀，进行步骤3.2)升功率调节。

3)计算调频功率

3.1)降功率调节计算

计算一次调频功率调节值，公式为：ΔP_一次调频＝(f_up-f)×(1/δ％f_n)×P_N，进行步骤3.3)，其中，f_n为额定电网频率，默认值为50Hz，具体根据当地电网进行设定标准值为50Hz或60Hz，δ％为调差率，部分电网要求中描述为下垂系数

3.2)升功率调节计算

计算一次调频功率调节值，公式为：ΔP_一次调频＝(f-f_low)×(1/δ％f_n)×P_N，进行步骤3.3)；

3.3)虚拟惯量功率调节计算

虚拟惯量有功功率调节量满足公式：

式中，T_J为模拟传统同步发电机惯性时间常数，取值应在4s～12s范围内，推荐为5s，进入步骤3.4)；

3.4)求取调节目标功率，公式如下：

P_set＝P₀+ΔP_虚拟惯量+ΔP_一次调频

式中，P_set为风机主控制策略功率控制目标值。

4)风机功率控制目标设定

P_set为功率控制目标值下发给风机主控制策略，主控制策略通常采用GH控制策略或aerodyn控制策略，进入步骤5)。

5)计算惯量调节值

求取惯量调节功率值，公式如下：

ΔP_惯量＝(P₀+ΔP_一次调频+ΔP_虚拟惯量)-P_ω

式中，P_ω为风机主控制策略(GH控制策略或aerodyn控制策略)依据当前风机的叶轮转速瞬时值ω_mea计算获得的功率控制设定，进入步骤6.1)。

6)惯量调节值限幅

6.1)计算惯量调节能力的最大值ΔP_惯量max

式中，ΔP_{惯量能力max}为叶轮存储升功率惯量功率能力最大值，J为风机的叶轮转动惯量，依据所使用的风机型号及参数设定；

惯量能力饱和取值，ΔP_{惯量能力max}与factor*P_N取最小值，公式如下：

ΔP_惯量max＝min(ΔP_{惯量能力max},factor*P_N)

式中，factor为饱和系数，可依据风机实际参数设定，建议取值为0.1；

6.2)计算惯量调节能力的最小值ΔP_惯量min

式中，ΔP_{惯量能力min}为叶轮存储升功率惯量功率能力最小值，J为风机的叶轮转动惯量，依据所使用的风机型号及参数设定；

惯量能力饱和取值，ΔP_{惯量能力min}与factor*P_N取最大值，公式如下：

ΔP_惯量min＝max(ΔP_{惯量能力min},factor*P_N)

判断ΔP_惯量是否小于或等于0，如果确定小于或等于0，执行步骤6.3)，否则执行步骤6.4)；

6.3)降功率惯量限幅

ΔP_惯量执行＝max(ΔP_惯量min，ΔP_惯量)

式中，ΔP_惯量执行为最终下发执行惯量调节值；

执行步骤7)；

6.4)升功率惯量限幅

ΔP_惯量执行＝min(ΔP_惯量max，ΔP_惯量)

执行步骤7)。

7)转速保护判断

若在转速范围外，则风机的调频有功调节量命令值ΔP_调频＝0，流程结束，若在死区范围内，进行步骤8)，其中，是否在转速范围内的判断方法如下：

当ω_low≤ω_mea≤ω_up，频率在死区范围内，进入步骤8)；

当ω_mea＜ω_low或ω_mea＞ω_up，频率在死区范围外，流程结束；

式中，ω_low为设置惯量调节最低叶轮转速，ω_up为设置惯量调节最高叶轮转速，依据所使用的风机型号及参数设定。

8)惯量调节功率下发执行

计算下发执行功率值，公式如下：

P_ref＝P_ω+ΔP_惯量

求取变流器转矩参考值，公式如下：

T_ref＝P_ref/ω_mea

式中，T_ref为下发变流器转矩执行参考值，将T_ref作为转矩参考值下发变流器执行。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种风力发电机组虚拟同步发电机控制实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)数据采集

变流器采集电网侧三相电压瞬时值Ua、Ub、Uc，利用变流器锁相环PLL计算获得电网同步频率f及频率变化率df/dt，风机主控系统利用旋转编码器或接近开关计算获得风机的叶轮转速瞬时值ω_mea，或称呼为叶轮角速度瞬时值ω_mea；

2)调频启动判断

2.1)判断风机是否开启虚拟同步发电机调频功能，如果开启虚拟同步发电机调频功能，且

则执行步骤2.2)，否则风机的调频有功调节量命令值设置为0，即ΔP_调频＝0，其中P_10min为风机10mins平均功率值,P_N为风机额定有功功率，

为启动功率百分比，默认值取20％，能够根据风机能力和调度要求设置；

2.2)进行风场是否进入频率调节的死区范围判断，若在死区范围内，则风机的调频有功调节量命令值ΔP_调频＝0，流程结束，若不在死区范围内，进行步骤3)，其中，是否在死区范围内的判断方法如下：

当f_low≤f≤f_up，频率在死区范围内；

当f＜f_low或f＞f_up，频率在死区范围外，进入有功调频；

其中，f为采集的电网同步频率值，f_low为频率死区下限值，默认取49.95Hz，f_up为频率死区上限值，默认值取50.05Hz，具体根据当地调度要求进行设定；

f＞f_up，锁定并取值进入调频瞬间有功功率值P₀，进行步骤3.1)降功率调节；f＜f_low，锁定并取值进入调频瞬间有功功率值P₀，进行步骤3.2)升功率调节；

3)计算调频功率

3.1)降功率调节计算

计算一次调频功率调节值，公式为：ΔP_一次调频＝(f_up-f)×(1/δ％f_n)×P_N，进行步骤3.3)，其中，f_n为额定电网频率，默认值为50Hz，具体根据当地电网进行设定标准值为50Hz或60Hz，δ％为调差率，部分电网要求中描述为下垂系数

3.2)升功率调节计算

计算一次调频功率调节值，公式为：ΔP_一次调频＝(f-f_low)×(1/δ％f_n)×P_N，进行步骤3.3)；

3.3)虚拟惯量功率调节计算

虚拟惯量有功功率调节量满足公式：

式中，T_J为模拟传统同步发电机惯性时间常数，取值应在4s～12s范围内，进入步骤3.4)；

3.4)求取调节目标功率，公式如下：

P_set＝P₀+ΔP_虚拟惯量+ΔP_一次调频

式中，P_set为风机主控制策略功率控制目标值；

4)风机功率控制目标设定

P_set为功率控制目标值下发给风机主控制策略，进入步骤5)；

5)计算惯量调节值

求取惯量调节功率值，公式如下：

ΔP_惯量＝(P₀+ΔP_一次调频+ΔP_虚拟惯量)-P_ω

式中，P_ω为风机主控制策略，依据当前风机的叶轮转速瞬时值ω_mea计算获得的功率控制设定，进入步骤6.1)；

6)惯量调节值限幅

6.1)计算惯量调节能力的最大值ΔP_惯量max

式中，ΔP_{惯量能力max}为叶轮存储升功率惯量功率能力最大值，J为风机的叶轮转动惯量，依据所使用的风机型号及参数设定；

惯量能力饱和取值，ΔP_{惯量能力max}与factor*P_N取最小值，公式如下：

ΔP_惯量max＝min(ΔP_{惯量能力max},factor*P_N)

式中，factor为饱和系数，能够依据风机实际参数设定；

6.2)计算惯量调节能力的最小值ΔP_惯量min

式中，ΔP_{惯量能力min}为叶轮存储升功率惯量功率能力最小值，J为风机的叶轮转动惯量，依据所使用的风机型号及参数设定；

惯量能力饱和取值，ΔP_{惯量能力min}与factor*P_N取最大值，公式如下：

ΔP_惯量min＝max(ΔP_{惯量能力min},factor*P_N)

判断ΔP_惯量是否小于或等于0，如果确定小于或等于0，执行步骤6.3)，否则执行步骤6.4)；

6.3)降功率惯量限幅

ΔP_惯量执行＝max(ΔP_惯量min，ΔP_惯量)

式中，ΔP_惯量执行为最终下发执行惯量调节值；

执行步骤7)；

6.4)升功率惯量限幅

ΔP_惯量执行＝min(ΔP_惯量max，ΔP_惯量)

执行步骤7)；

7)转速保护判断

若在转速范围外，则风机的调频有功调节量命令值ΔP_调频＝0，流程结束，若在死区范围内，进行步骤8)，其中，是否在转速范围内的判断方法如下：

当ω_low≤ω_mea≤ω_up，频率在死区范围内，进入步骤8)；

当ω_mea＜ω_low或ω_mea＞ω_up，频率在死区范围外，流程结束；

式中，ω_low为设置惯量调节最低叶轮转速，ω_up为设置惯量调节最高叶轮转速，依据所使用的风机型号及参数设定；

8)惯量调节功率下发执行

计算下发执行功率值，公式如下：

P_ref＝P_ω+ΔP_惯量

求取变流器转矩参考值，公式如下：

T_ref＝P_ref/ω_mea

式中，T_ref为下发变流器转矩执行参考值，将T_ref作为转矩参考值下发变流器执行。

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