CN109217385A - 基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护方法及系统，包括：在虚拟惯量控制的基础上，增加动态转速保护，使得风机更快的到达稳定运行点，同时确保风机转速不会达到低限值；所述动态转速保护具体为：风机输出电磁功率等于MPPT模式下风机有功功率Pref、虚拟惯量控制下新增功率ΔP1以及动态转速保护下新增功率ΔP2之和。本发明有益效果：保证了风机转速运行在允许的区域，也防止了系统频率的二次跌落。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟惯量控制下的风机转子转速运行技术领域，具体而言，涉及到一种基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护方法及系统。
背景技术
双馈感应风力发电机组接入系统后，通过转子侧变流器使其转子转速与频率是解耦的，并且对系统惯性没有贡献。因此，大规模风电机组接入系统后造成系统惯性降低并给电网稳定性带来很大的挑战。风机隐藏的惯量通过虚拟惯量控制可释放出来。但是，由于储存在风机转子中的动能不足，风机会在转子转速降到低限时退出虚拟惯量控制，这会造成频率的二次跌落现象。
为了解决这种问题，研究人员提出了两种方法。第一种方法是当风机退出虚拟惯量控制时定义了新的有功参考曲线来代替最大频率跟踪(MPPT)曲线，这样对比在最大频率跟踪模式下减少了有功功率的变化。然而，很难设计出一种新的有功参考曲线并且风机会用很长的时间回到最大频率跟踪点。另一种方法是通过控制频率调节过程中转子转速使风机运行在一个新的稳定点来避免频率的二次跌落现象。在这种方法下，新的稳定点下转子转速和有功功率相对最大频率跟踪模式较低，但可在系统频率调节后恢复正常。
为了实现第二个想法，研究人员提出了释放转子动能调整虚拟惯量控制中的参数。由于没有考虑风机机械功率的减少而利用释放动能作为频率调节过程中实际贡献是不准确的。在考虑了系统机械功率的影响后，计算风机转子释放的动能变得很复杂。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护方法及系统，该方法及系统保证了风机转速运行在允许的区域，也防止了系统频率的二次跌落。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
在一个或多个实施方式中公开的一种基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护方法，包括：在虚拟惯量控制的基础上，增加动态转速保护，使得风机更快的到达稳定运行点，同时确保风机转速不会达到低限值；
所述动态转速保护具体为：风机输出电磁功率等于MPPT模式下风机有功功率Pref、虚拟惯量控制下新增功率ΔP1以及动态转速保护下新增功率ΔP2之和。
进一步地，所述动态转速保护的触发条件为：当风机输出电磁功率下降至小于或等于初始电磁功率时，或者，频率调节过程中风机输出电磁功率与机械功率之差的斜率由负值变为正值时。
进一步地，所述动态转速保护下新增功率ΔP2具体为：
其中，δspeed、δpe、δdp三个可调参数分别代表动态转速保护参数，其大小由仿真整定得到；ωr为风机转子转速，ωmin为风机转速的低限值；m1、m2代表对应的动态转速保护触发标记。
进一步地，所述动态转速保护触发标记m1、m2的取值具体为：
在系统频率上升时，
在系统频率下降时，
其中，Pe为风机输出电磁功率，Pe0为初始电磁功率。
在一个或多个实施方式中公开的一种基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护系统，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护方法。
在一个或多个实施方式中公开的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述的基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本申请分析了虚拟惯量控制和采用动态转速保护策略后虚拟惯量控制的双馈风机转子转速跟踪曲线变化。加入动态转速保护策略后，根据转子转速变化风机会自动调整输出有功功率。本研究中的仿真结果证实了动态转速保护策略能有效防止转速过低并能防止频率二次跌落现象。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是转子转速稳定但不退出调频时的运行曲线；
图2是转子转速稳定但退出调频时的运行曲线；
图3是转子转速失稳且退出调频时的曲线；
图4是风机动态转速保护方法原理图；
图5是四机两区域仿真模型；
图6是低风速下频率调节过程中系统频率、转子转速、输出有功功率变化曲线；
图7是中风速下频率调节过程中系统频率、转子转速、输出有功功率变化曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中公开了一种基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护方法，包括：在虚拟惯量控制的基础上，增加动态转速保护，使得风机更快的到达稳定运行点，同时确保风机转速不会达到低限值；其中，动态转速保护如图4所示，具体为：风机输出电磁功率等于MPPT模式下风机有功功率Pref、虚拟惯量控制下新增功率ΔP1以及动态转速保护下新增功率ΔP2之和。
动态转速保护下新增功率ΔP2的取值与风机输出电磁功率Pe和风机转子转速ωr共同决定。
动态转速保护的触发条件为：当风机输出电磁功率下降至小于或等于初始电磁功率时，或者，频率调节过程中风机输出电磁功率与机械功率之差的斜率由负值变为正值时。
下面对虚拟惯量控制下的风机转子转速运行特性进行说明。
虚拟惯量控制指根据系统频率偏移和频率变化率，在MPPT模式下风机有功参考曲线上增加一个额外的功率ΔP1，这个新增加的功率可表示为：
其中，Kpf和Kdf分别为比例系数和微分系数，Δf为频率偏移量。
在频率调节过程中，风机转子运动方程如下：
其中，ωr为风机转子转速，Pm为风机机械功率，Pe为风机输出电磁功率，且Pe如下：
Pe＝Pref+ΔP1＝PMPPT+ΔP1
控制系数Kpf和Kdf的不同会导致Pe和ΔP1的不同，进而使转速跟踪曲线发生改变。根据风速和虚拟惯量控制参数的不同，在虚拟惯量控制的过程中有三种运行轨迹。
(1)转子转速稳定且不退出调频。
图1展示了风机调频过程中电磁功率的具体变化。在调频过程前，风机稳定运行在点1，当扰动发生时，输出有功功率会突然增加ΔP1，因有功功率突然增加，导致系统频率突然降低。首先取一对较小的Kpf和Kdf值，产生的额外附加功率会很小。在此虚拟惯量控制过程中，并没有触发转子动态转速保护策略。
当系统频率稳定且电磁功率等于机械功率时，风机运行在新的稳定点2。但若此时系统频率还在变化，ΔP1会持续减少，导致电磁功率小于机械功率，此时转子转速上升，直至电磁功率等于机械功率，风机稳定运行在点3。
(2)转子转速稳定但退出调频
如图2所示，在调频过程中，若虚拟惯量调频的控制参数选取的相对较大或更剧烈的扰动造成的频率偏差较大，ΔP1也会比较大，则转子转速下降的幅度将比第一种模式大，因此转子转速会在某时刻下降到下限值，从而触发转速限值保护。触发转速限值保护的瞬间，ΔP1突变为0，风机的电磁功率Pe突降到MPPT曲线上(点2→点3)，之后由于机械功率Pm大于电磁功率Pe，转子转速开始恢复，直到恢复到调频前的平衡点1。
在这种模式下，风机一定会触发转速限值保护从而退出调频，由于电磁功率Pe将会突降到MPPT曲线上，这一过程将会造成频率的二次跌落。
(3)转子转速失稳但退出调频
如图3所示，在频率调节过程中，电磁功率Pe下降的频率小于机械功率Pm下降的频率，导致电磁功率与机械功率的差值越来越大。因此，转子转速会失稳并在某一时间降至低限值。此时会退出虚拟惯量控制。
根据以上分析，在频率下降的调频过程中，提出了三个关键运行点。如下：
1)Pe＝Pe0：当输出电磁功率Pe下降至初始电磁功率Pe0时，此后由于风机向系统贡献的调频功率Pe-Pe0＜0，即风机此时已对系统调频没有积极贡献，因此其主要任务由参与调频转变为尽快到达稳定运行点，避免Pe的持续下降，以保证风机自身的稳定。
2)d(Pe-Pm)/dt＞0，如图3所示，在频率调节过程中Pe-Pm的斜率会由负值变为正值。在这种情况下，转子转速会失稳，触发转速低限保护和动态转速保护策略。
3)转子转速降至低限值时：由于风机转子存储的动能有限，当风机转子转速降至低限值时，风机必须退出虚拟惯量控制且附加频率ΔP1为0。输出电磁功率Pe会瞬间跌落至最大功率跟踪曲线上，这会导致频率的二次跌落现象。
在分析三个关键运行点的基础上，本实时例公开了一种动态转速保护方法。该方法能够确保转子转速运行在稳定的区域，动态转速保护方法的控制原理如图4所示。
动态转速保护策略的数学表达式为：
式中，δspeed、δpe、δdp三个可调参数分别代表动态转速保护参数，其大小由仿真整定得到，ωmin为转速的低限值(本研究中为0.7pu)m1、m2代表对应的动态转速保护触发标记，其值由下表1决定：
表1动态转速保护触发参数表达式
由风力发电机的转子运动方程式可知，d(ωrdωr/dt)/dt＝d(Pm-Pe)/dt，
当m2＝1触发动态保护时，即为Pe-Pm的斜率由负变为正的时刻(以频率下降为例)。
一般来说，|ΔP2|的值越大，ΔP1+ΔP2的值越小(在负荷增加时ΔP1为正值，而ΔP2为负值)，这样会使风机更快的到达稳定运行点。因此，|ΔP2|的值越大就表示动态转速保护策略的作用越大，并且反比例函数的数学特性确保风机转速不会达到低限值。当ωr超过ωmin较多时，通过合理的设计参数δ数值，ΔP2对虚拟惯量控制的影响会变得很小。
以频率下降为例，当风机开始参与系统调频过程时，电磁功率Pe比初始功率Pe0大的较多，m1和m2等于0。随着系统频率的改变，Pe开始减少直至等于Pe0，意味着此时对于风机调频过程没有积极贡献，m1会设定为1增强对系统频率的保护作用。在此过程中，如果Pe-Pm的斜率由负变为正，转速会失稳并且跌落至低限值，同时m2会瞬间设置为1再次增强保护作用，之后Pe下降的速率超过Pm的下降速率，风机会快速的达到新的稳定运行点。
为了观察在变风速场景下风机虚拟惯量调频的仿真效果，在DIGSILENT中搭建了四机两区域模型，如图5所示，该模型包含三台同步发电机和一个包含1.5MW×200的DFIG机组的风电厂，其中各台同步发电机的额定容量为：G1和G2为400MW的热电厂，G3为1000MW的热电厂，G4为300MW的风电厂。负荷L1为500MW，负荷L2为1000MW。在t＝80S时，负荷L2突然增加100MW导致系统频率下降，分别仿真出低风速和中风速下触发转速保护和动态转速保护时系统频率、转子转速、输出有功功率曲线，如图6和图7所示。
在图6中可以看出，低风速区域中，在传统转速保护策略下，风机转子转速会降至0.7pu，并且会导致频率的二次跌落现象。使用动态转速保护策略下的频率调节过程之初，由于m1和m2等于0故ΔP2的影响可以忽略不计。当Pe开始减少至等于Pe0时，m1会设置为1同时Pe迅速减少。之后如果Pe-Pm的斜率由负变为正，m2设置为1增强动态转速保护策略。如图中实线所示，动态转速保护策略能有效保证风机稳定运行，并能有效避免二次跌落现象。
如图7所示，在中风速区域，由于最初的转子转速较大，转速不会降到低限值。尽管加入转速限值保护后和加入动态转速保护后的频率响应没有很大差别，但加入动态转速保护策略后转子稳态转速较高，意味着动态转速保护策略可有效避免转子动能的损失。采用动态转速保护策略后转子转速稳定值较高，使风机在系统频率响应后更迅速的恢复至最佳运行状态。
综上，本研究分析了虚拟惯量控制和采用动态转速保护策略后虚拟惯量控制的双馈风机转子转速跟踪曲线变化。加入动态转速保护策略后，根据转子转速变化风机会自动调整输出有功功率。本研究中的仿真结果证实了动态转速保护策略能有效防止转速过低并能防止频率二次跌落现象。
实施例二
在一个或多个实施方式中公开的一种基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护系统，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一所述的基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护方法。
实施例三
在一个或多个实施方式中公开的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行实施例一所述的基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护方法。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (6)
1.一种基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护方法，其特征在于，包括：在虚拟惯量控制的基础上，增加动态转速保护，使得风机更快的到达稳定运行点，同时确保风机转速不会达到低限值；
所述动态转速保护具体为：风机输出电磁功率等于MPPT模式下风机有功功率Pref、虚拟惯量控制下新增功率ΔP1以及动态转速保护下新增功率ΔP2之和。
2.如权利要求1所述的一种基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护方法，其特征在于，所述动态转速保护的触发条件为：当风机输出电磁功率下降至小于或等于初始电磁功率时，或者，频率调节过程中风机输出电磁功率与机械功率之差的斜率由负值变为正值时。
3.如权利要求1所述的一种基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护方法，其特征在于，所述动态转速保护下新增功率ΔP2具体为：
其中，δspeed、δpe、δdp三个可调参数分别代表动态转速保护参数，其大小由仿真整定得到；ωr为风机转子转速，ωmin为风机转速的低限值；m1、m2代表对应的动态转速保护触发标记。
4.如权利要求3所述的一种基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护方法，其特征在于，所述动态转速保护触发标记m1、m2的取值具体为：
在系统频率上升时，
在系统频率下降时，
其中，Pe为风机输出电磁功率，Pe0为初始电磁功率。
5.一种基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护系统，其特征在于，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-4任一项所述的基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护方法。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时执行权利要求1-4任一项所述的基于虚拟惯量控制下的双馈风机动态转子保护方法。
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