CN109286200A - 一种变速恒频风电机组的控制方法及其控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种变速恒频风电机组的控制方法及其控制系统，包括：利用附加频率控制环节得到第一有功功率附加参考值，利用附加直流电压控制环节，得到第二有功功率附加参考值；基于第一有功功率附加参考值和第二有功功率附加参考值，计算变速恒频风电机组的有功功率参考值；将功率测量数据、无功功率参考值和有功功率参考值输入控制回路，对变速恒频风电机进行控制。本发明在有功功率参考值计算中附加频率控制环节和直流电压控制环节，分别根据频率偏差值信号和直流电压偏差信号计算附加有功功率参考值，通过实时调整风电机组输出的有功功率，减小直流电网电压波动，提升直流电网电压运行稳定性。

Description

一种变速恒频风电机组的控制方法及其控制系统
技术领域
本发明涉及风电机组领域，具体涉及一种变速恒频风电机组的控制方法及其控制系统。
背景技术
随着风电的装机容量和并网渗透率不断增加，其机械惯性被隐藏并且不对交流电网提供频率响应的问题日益严峻，而采用直流联网技术后，由于直流电网内部的惯性远小于交流电网的机械惯性，直流电压易受风电功率波动及交流电网故障扰动的影响进而导致失稳。因此，研究变速风电机组的快速有功功率控制技术时，利用其机械储能及原动机调节能力，对所联接的直流电网提供动态支撑，是进一步提高风电渗透率所面临的关键问题之一。
交流系统的有功不平衡体现在频率变化上，而直流系统的有功不平衡则表现为直流电压的波动。当直流系统由于负荷变化或故障造成直流电压波动，如果通过风电机组附加控制环节灵活抑制直流母线的电压波动，则可以有效提升新能源接入直流电网的运行稳定性。
变速恒频风电机组有功控制技术和频率控制技术尚未完备，风电机组附加控制与最大功率跟踪控制间的相互影响尚未得到彻底解决。理论上，风电机组转速调节范围较宽，变流器所具备的快速的电磁功率调节能力，可以使风电机组虚拟出远大于自身固有惯量的虚拟惯量。而通过变桨控制也可以实现降低捕获风电功率的同时提供功率储备，从而调节原动机功率，完成有功调节。
因此，变速风电机组的有功快速调节能力只在现有的控制策略下，被分别隐藏在了变流器电气控制系统和风力机机械控制系统之中，需要合理的控制措施进一步的开发和利用。但与常规发电机组不同，已与电网解耦的变速风电机组其功率输出取决于风能的捕获量，因而最大功率跟踪控制与附加有功控制环节间的相互影响将成为影响风电有功控制效果的关键因素。此外，由于有功调节将分别针对电磁功率和机械功率进行动态调节，而两者的结合将打破机组初始的功率平衡条件，这样可能导致机组动态调节过程失稳，因而在实现各自控制目标的同时，还需确保机组始终具有稳定运行点。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种变速恒频风电机组的控制方法其控制系统。
一种变速恒频风电机组的控制方法，其包括：利用附加频率控制环节得到第一有功功率附加参考值，利用附加直流电压控制环节，得到第二有功功率附加参考值；基于第一有功功率附加参考值和第二有功功率附加参考值，计算变速恒频风电机组的有功功率参考值；将功率测量数据、无功功率参考值和有功功率参考值输入控制回路，对变速恒频风电机进行控制。利用附加频率控制环节得到第一有功功率附加参考值，包括：基于系统频率的测量值和参考值，确定频率偏差；将频率偏差除以频率调差系数，得到第一有功功率附加参考值。
频率调差系数的计算公式如下所示：
Kfreq＝Δf/ΔP
其中，Δf为风电机组调速系统的频率变化量，ΔP为风电机组有功功率的变化量。
利用附加直流电压控制环节，得到第二有功功率附加参考值，包括：基于直流电压的测量值和参考值，确定直流电压偏差；将直流电压偏差除以直流电压调差系数，得到第二有功功率附加参考值。
直流电压测量值的计算公式如下所示：
式中，Udcmeas为直流电压的测量值，PF为风电场并网点的有功功率，PS为传递到直流电网的有功功率。
直流电压调差系数计算方法如下所示：
KUdc＝ΔUdc/ΔP
其中，KUdc为直流电压调差系数，ΔUdc为直流电压的变化量，ΔP为风电机组有功功率的变化量。
对变速恒频风电机进行控制，包括：将控制回路输出的转子电流信号参考值，经坐标变换后，输入变速恒频风电机。
一种变速恒频风电机组的控制系统，其包括：功率附加参考值模块，用于利用附加频率控制环节得到第一有功功率附加参考值，利用附加直流电压控制环节，得到第二有功功率附加参考值；
计算模块，用于基于第一有功功率附加参考值和所述第二有功功率附加参考值，计算变速恒频风电机组的有功功率参考值；控制模块，用于将功率测量数据、无功功率参考值和有功功率参考值输入控制回路，对变速恒频风电机进行控制。
功率附加参考值模块，包括：频率偏差确定模块，用于基于系统频率的测量值和参考值，确定频率偏差；第一功功率附加参考值模块，用于将频率偏差除以频率调差系数，得到附加频率控制环节的有功功率附加参考值。
第一功功率附加参考值模块中的频率调差系数，包括：
Kfreq＝Δf/ΔP
其中，Kfreq为频率调差系数，Δf为风电机组调速系统的频率变化量，ΔP为风电机组有功功率的变化量。
功率附加参考值模块，包括：直流电压偏差确定模块，用于基于直流电压的测量值和参考值，确定直流电压偏差；第二有功功率附加参考值模块，用于将直流电压偏差除以直流电压调差系数，得到附加直流电压控制环节的有功功率附加参考值。
直流电压偏差确定模块中的所述直流电压测量值，包括：
式中，Udcmeas为直流电压测量值，PF为风电场并网点的有功功率，PS为传递到直流电网的有功功率，C为直流电网直流电容。
第二有功功率附加参考值模块中的直流电压调差系数KUdc，包括：
KUdc＝ΔUdc/ΔP
其中，ΔUdc为直流电压的变化量，ΔP为风电机组有功功率的变化量。
控制模块，包括：变速恒频风电机模块，用于将控制回路输出的转子电流信号参考值，经坐标变换后，输入变速恒频风电机。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
1.本发明在有功功率参考值计算中附加频率控制环节和直流电压控制环节，其分别根据频率偏差值信号和直流电压偏差信号计算获取附加有功功率参考值，通过实时调整风电机组输出有功功率值，减小直流电网电压波动，提升直流电网电压运行稳定性；
2.本发明充分利用变速恒频风电机组自身有功功率快速灵活调节特性，增强了风电机组主动参与直流电网电压稳定的能力，在不影响风电机组安全稳定运行的提前下有效提升了直流电网运行的安全稳定性；
3.本发明提供的风电机组附加控制策略，无需改造风电机组的硬件结构，仅在现有风电机组软件控制系统中增加两个附加控制环节即可，实现经济成本低。
4.本发明提供的风电机组附加控制策略具备通用性，可应用于不同类型变频恒速风电机组，包括双馈型风电机组和直驱型风电机组。
5.本发明提供的风电机组附加控制策略，不仅适用于变速恒频风电机组，还可扩展至光伏发电等系统。
6.本发明提供的风电机组附加控制策略，通过设置两个有功功率附加控制环节实现对直流电网电压稳定的有效支撑，其实现方法原理清晰，便于不同知识层次的科研开发人员和工程师掌握和使用，具备广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明有功功率参考值的控制策略；
图2为本发明的双馈型风电机组转子侧控制实现原理；
图3(a)为本发明实施例用四端交流电网模型；
图3(b)为本发明实施例用四端直流电网模型；
图4(a)为本发明仿真的风速曲线；
图4(b)为本发明仿真的Bus6母线电压曲线；
图4(c)为本发明仿真的风电场馈线功率曲线；
图4(d)为本发明仿真的风电场频率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示的风电机组有功功率参考值计算中附加频率控制环节和风电机组附加直流电压控制环节，其中，附加频率控制环节的输入信号为系统频率测量值fmeas和系统频率参考值fref，通过比较fmeas与fref得到频率偏差efreq，然后将频率偏差除以频率调差系数Kfreq得到有功功率附加参考值信号该附加频率控制环节的频率调差系数Kfreq应根据电网实际情况合理设置，需同时考虑有功功率调节速率与风电机组调速系统的稳定性，通常，频率调差系数Kfreq的取值区间为0.04～0.05，其计算公式如下所示：
Kfreq＝Δf/ΔP
其中，其中Δf为风电机组调速系统的频率变化量，ΔP为风电机组有功功率的变化量。
双馈型风电机组的有功功率由有功电流分量ird决定，正常状态下，DFIG的有功功率指令由最大功率跟踪曲线获得。在风电场接入直流电网系统发生故障(或负荷突变)及忽略电压源型直流电网损耗的情况下，直流电压测量值Udcmeas与有功功率的关系如下所示：
式中，Udcmeas为直流电压测量值，PF为风电场并网点有功功率，PS为传递到直流电网的有功功率，C为直流电网直流电容。
令为直流电压测量值Udcmeas二次方的PI输出，由上式可知，PF＝ed+PS，因此，由直流电压的变化改变风电机组的有功功率参考值，通过DFIG有功功率附加控制环节来提升风电支撑直流电网运行的稳定性，即可实现附加直流电压控制环节。
风电机组附加直流电压控制环节，该附加控制环节的输入信号为直流电压测量值Udcmeas和直流电压参考值Udcref,通过比较Udcmeas与Udcref得到直流电压偏差eUdc，然后将直流电压偏差eUdc除以直流电压调节系数KUdc得到有功功率附加参考值信号
直流电压调差系数KUdc的计算方法如下：
KUdc＝ΔUdc/ΔP
其中，ΔUdc为直流电压的变化量，ΔP为风电机组有功功率的变化量。
如图2所示的双馈型风电机组(DFIG)转子侧控制实现原理，其变流器矢量控制结构是一个串联PI控制回路，包括：功率外环控制回路和电流内环控制回路。由于风力发电系统机械控制部分和电气控制部分具有不同的控制带宽，电气控制部分的动态响应快于机械控制部分。
功率外环控制接收有功无功测量环节中的测量功率、有功功率参考值及无功功率参考值，用于实现有功功率和无功功率的解耦控制，而电流内环控制通过调整发电机转子电流跟踪来自功率控制外环的参考值，来实现额定风速以下风力发电系统的变速运行。在控制过程中，转子电流被分解为平行和垂直于定子电压的d轴分量和q轴分量，有功功率通过控制转子电流平行于定子电压方向的d轴分量实现，无功功率通过控制转子电流垂直于定子电压方向的q轴分量实现。功率控制外环分别输出转子电流控制回路的d轴和q轴的分量，电流控制内环生成转子电流信号参考值并通过坐标变换形成转子坐标系下的脉宽调制系数输入双馈发电机模型，从而实现对发电机功率控制。
如图3(a)和(b)所示的四端电压源型交流电网模型和直流电网模型，电气接线的交流母线分别为：Bus1、Bus2、Bus3、Bus4、Bus5，直流母线分别为Bus6、Bus7、Bus8、Bus9，母线电压设置为150kV，选取节点3(VSC37)作为该四端VSC-HVDC直流输电网的平衡节点，用于维持直流母线电压平衡，其余换流站(VSC26、VSC49、VSC58)，同时，节点2中采用风电接入装机容量为40MW的双馈型风电场。
在具体实施时，本发明中的方案可以采用PowerFactory平台仿真实现。在PowerFactory平台中的仿真曲线如图4(a)(b)(c)(d)所示。
如4(a)(b)(c)(d)所示的仿真曲线，具体仿真时间t＝10s时，发生系统负荷突变，由于Bus2母线的有功负荷由40MW突降为0，分别对比风电机组有无附加有功控制环节的仿真结果，通过仿真验证所提附加控制环节的有效性，仿真过程中风电机组注入风速数据为风电机组历史风速数据。当系统负荷突降时，系统发电量与负荷需求不匹配造成风电场送出端直流母线电压升高，此时风电如附加有功控制环节，当直流母线电压上升时能迅速减少风电输出有功功率参考值，降低风电有功出力进而抑制直流母线电压快速上升，有效改善直流电压运行特性。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种变速恒频风电机组的控制系统，下面进行说明。
本发明提供的系统包括：功率附加参考值模块，用于利用附加频率控制环节得到第一有功功率附加参考值，利用附加直流电压控制环节，得到第二有功功率附加参考值；
计算模块，用于基于第一有功功率附加参考值和所述第二有功功率附加参考值，计算变速恒频风电机组的有功功率参考值；控制模块，用于将功率测量数据、无功功率参考值和有功功率参考值输入控制回路，对变速恒频风电机进行控制。
功率附加参考值模块，包括：频率偏差确定模块，用于基于系统频率的测量值和参考值，确定频率偏差；第一功功率附加参考值模块，用于将频率偏差除以频率调差系数，得到附加频率控制环节的有功功率附加参考值。
第一功功率附加参考值模块中的频率调差系数，包括：
Kfreq＝Δf/ΔP
其中，Kfreq为频率调差系数，Δf为风电机组调速系统的频率变化量，ΔP为风电机组有功功率的变化量。
功率附加参考值模块，包括：直流电压偏差确定模块，用于基于直流电压的测量值和参考值，确定直流电压偏差；第二有功功率附加参考值模块，用于将直流电压偏差除以直流电压调差系数，得到附加直流电压控制环节的有功功率附加参考值。
直流电压偏差确定模块中的所述直流电压测量值，包括：
式中，Udcmeas为直流电压测量值，PF为风电场并网点的有功功率，PS为传递到直流电网的有功功率，C为直流电网直流电容。
第二有功功率附加参考值模块中的直流电压调差系数KUdc，包括：
KUdc＝ΔUdc/ΔP
其中，ΔUdc为直流电压的变化量，ΔP为风电机组有功功率的变化量。
控制模块，包括：变速恒频风电机模块，用于将控制回路输出的转子电流信号参考值，经坐标变换后，输入变速恒频风电机。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (14)

1.一种变速恒频风电机组的控制方法，其特征在于，包括：
利用附加频率控制环节得到第一有功功率附加参考值，利用附加直流电压控制环节，得到第二有功功率附加参考值；
基于所述第一有功功率附加参考值和所述第二有功功率附加参考值，计算变速恒频风电机组的有功功率参考值；
将功率测量数据、无功功率参考值和所述有功功率参考值输入控制回路，对所述变速恒频风电机进行控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述利用附加频率控制环节得到第一有功功率附加参考值，包括：
基于系统频率的测量值和参考值，确定频率偏差；
将所述频率偏差除以频率调差系数，得到所述第一有功功率附加参考值。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述频率调差系数的计算公式如下所示：
Kfreq＝Δf/ΔP
其中，Δf为风电机组调速系统的频率变化量，ΔP为风电机组有功功率的变化量。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述利用附加直流电压控制环节，得到第二有功功率附加参考值，包括：
基于直流电压的测量值和参考值，确定直流电压偏差；
将所述直流电压偏差除以直流电压调差系数，得到所述第二有功功率附加参考值。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述直流电压测量值的计算公式如下所示：
式中，Udcmeas为所述直流电压的测量值，PF为风电场并网点的有功功率，PS为传递到直流电网的有功功率。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述直流电压调差系数计算方法如下所示：
KUdc＝ΔUdc/ΔP
其中，KUdc为直流电压调差系数，ΔUdc为直流电压的变化量，ΔP为风电机组有功功率的变化量。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述对所述变速恒频风电机进行控制，包括：
将所述控制回路输出的转子电流信号参考值，经坐标变换后，输入所述变速恒频风电机。
8.一种变速恒频风电机组的控制系统，其特征在于，包括：
功率附加参考值模块，用于利用附加频率控制环节得到第一有功功率附加参考值，利用附加直流电压控制环节，得到第二有功功率附加参考值；
计算模块，用于基于所述第一有功功率附加参考值和所述第二有功功率附加参考值，计算变速恒频风电机组的有功功率参考值；
控制模块，用于将功率测量数据、无功功率参考值和所述有功功率参考值输入控制回路，对所述变速恒频风电机进行控制。
9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述功率附加参考值模块，包括：
频率偏差确定模块，用于基于系统频率的测量值和参考值，确定频率偏差；
第一功功率附加参考值模块，用于将所述频率偏差除以频率调差系数，得到所述附加频率控制环节的有功功率附加参考值。
10.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述第一功功率附加参考值模块中的频率调差系数，包括：
Kfreq＝Δf/ΔP
其中，Kfreq为所述频率调差系数，Δf为风电机组调速系统的频率变化量，ΔP为风电机组有功功率的变化量。
11.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述功率附加参考值模块，包括：
直流电压偏差确定模块，用于基于直流电压的测量值和参考值，确定直流电压偏差；
第二有功功率附加参考值模块，用于将所述直流电压偏差除以直流电压调差系数，得到所述附加直流电压控制环节的有功功率附加参考值。
12.根据权利要求11所述的控制系统，其特征在于，所述直流电压偏差确定模块中的所述直流电压测量值，包括：
式中，Udcmeas为直流电压测量值，PF为风电场并网点的有功功率，PS为传递到直流电网的有功功率，C为直流电网直流电容。
13.根据权利要求11所述的控制系统，其特征在于，所述第二有功功率附加参考值模块中的直流电压调差系数KUdc，包括：
KUdc＝ΔUdc/ΔP
其中，ΔUdc为直流电压的变化量，ΔP为风电机组有功功率的变化量。
14.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述控制模块，包括：
变速恒频风电机模块，用于将所述控制回路输出的转子电流信号参考值，经坐标变换后，输入所述变速恒频风电机。
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