CN109672190B - 一种风电并网逆变器调频的控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种风电并网逆变器调频的控制方法及系统。所述控制方法应用于风电并网系统中的调频控制，所述控制方法包括：所述风电并网系统采用输出电压外环和输出电流内环的双闭环控制策略，采用虚拟同步电机进行控制；获取所述风电并网系统的运行频率；判断所述运行频率是否在频率范围内，如果是，采用虚拟同步电机对所述风电并网系统进行一次调频；否则，采用虚拟同步电机对所述风电并网系统进行二次调频。根据频率偏差双馈控制在实现了频率自恢复的同时，降低了功率波动，保证了在整个频率调节过程中不会产生越限的问题。

Description

一种风电并网逆变器调频的控制方法及系统
技术领域
本发明涉及风电并网领域，特别是涉及的是一种风电并网逆变器调频的控制方法及系统。
背景技术
传统同步发电机组内在的转子动能和阻尼系数能够维护电网频率的稳定性，而通过逆变器并网的风力发电系统惯性和阻尼特性低，随着风电渗透率的不断提高，制约了电网频率调节的动态性能和稳态性能。当电网频率突变或者负载切换时，要求风电场自身具有频率响应和调节能力以满足电网对风电场惯性响应和一次调频的需求。
为了使得风电并网能具备类似与同步电机的惯性调频，提出了虚拟同步电机控制，通过引入同步电机的运动方程，使得风电并网逆变器具备惯性和阻尼特性，抑制了频率暂态波动，实现了稳态一次调频，提高了风电并网系统的稳定性，但是，虚拟同步电机是有差控制，无法实现频率恢复。当电网频率跌落较大或者切换大功率负载时，系统频率越限将导致低频或者高频的继电保护，所以，现有技术中存在风电并网系统的稳定性差，当电网频率跌落或者切换大功率负载时，会存在系统频率越限的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够避免频率越限的风电并网逆变器调频的控制方法及系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种风电并网逆变器调频的控制方法，所述控制方法应用于风电并网系统中的调频控制，所述控制方法包括：
所述风电并网系统采用输出电压外环和输出电流内环的双闭环控制策略，采用虚拟同步电机进行控制；
获取所述风电并网系统的运行频率；
判断所述运行频率是否在频率范围内，如果是，采用虚拟同步电机对所述风电并网系统进行一次调频；否则，采用虚拟同步电机对所述风电并网系统进行二次调频。
可选的，所述虚拟同步电机的转子运动方程模拟转动惯量和阻尼特性为：
Figure BDA0001946133730000021
其中，J为虚拟转动惯量；Dp为阻尼系数；ωref为频率参考；Pref为逆变器有功功率参考值；ωmg为逆变器输出频率；Pgf为逆变器输出有功功率。
可选的，所述二次调频具体包括：采用频率自恢复控制算法对所述风电并网系统调频；
所述频率自恢复控制算法的具体步骤为：
获取所述风电并网系统的参考频率与所述风电并网系统的逆变器的输出频率的差值，获得频率偏差值；
将所述频率偏差值采用积分反馈控制储能模块补偿功率差值；
将所述频率差值采用比例前馈修正输出频率；
增加积分反馈后，转矩方程为：
Figure BDA0001946133730000022
其中，kωi为二次调频控制中的积分系数；
增加比例前馈后，相角方程可表示为
Figure BDA0001946133730000023
其中，kωc为二次调频控制中比例系数；ω'mg为二次控制中逆变器实际输出频率；
所述风电并网系统的有功功率-频率特性为
Figure BDA0001946133730000031
通过调节比例系数kωc改变有功功率-频率特性的增益。
可选的，所述二次调频为通过比例环节对输出电压频率进行补偿；通过积分环节对输出功率进行补偿。
一种风电并网逆变器调频的控制系统，所述控制系统包括：
运行频率获取模块，用于获取所述风电并网系统的运行频率；
判断模块，用于判断所述运行频率是否在频率范围内；
一次调频模块，用于采用虚拟同步电机对所述风电并网系统进行一次调频；
二次调频模块，用于采用虚拟同步电机对所述风电并网系统进行二次调频。
可选的，所述控制系统还包括：虚拟同步电机模块，用于所述虚拟同步电机的转子运动方程模拟转动惯量和阻尼特性为：
Figure BDA0001946133730000032
其中，J为虚拟转动惯量；Dp为阻尼系数；ωref为频率参考；Pref为逆变器有功功率参考值；ωmg为逆变器输出频率；Pgf为逆变器输出有功功率。
可选的，所述二次调频模块具体包括：
频率偏差值计算单元，用于获取所述风电并网系统的参考频率与所述风电并网系统的逆变器的输出频率的差值，获得频率偏差值；
功率补偿单元，用于将所述频率偏差值采用积分反馈控制储能模块补偿功率差值；
输出频率修正单元，用于将所述频率差值采用比例前馈修正输出频率。
可选的，所述二次调频模块还包括：
比例环节单元，用于通过比例环节对输出电压频率进行补偿；
积分环节单元，用于通过积分环节对输出功率进行补偿。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种风电并网逆变器调频的控制方法及系统，通过对频率的偏差的判断实现了一次调频与二次调频的自动切换，而且由频率偏差双馈控制在实现了频率自恢复的同时，降低了功率波动，保证了在整个频率调节过程中不会产生越限的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的风电并网逆变器调频的控制方法的流程图；
图2为本发明提供的风力发电系统的调频控制原理图；
图3为本发明提供的虚拟同步电机控制频率阶跃响应波形图；
图4为本发明提供的基于双馈频率自恢复控制的虚拟同步电机的控制原理图；
图5为本发明提供的频率自恢复控制阶跃响应波形图；
图6为本发明提供的二次控制比例系数对功率环根轨迹的影响示意图；
图7为本发明提供的虚拟同步电机功率输出仿真波形；
图8为本发明提供的虚拟同步电机输出电压频率仿真波形；
图9为本发明提供的虚拟同步电机的输出功率仿真波形；
图10为本发明提供的两台虚拟同步电机并联输出功率的波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种在无需增加硬件电路的基础上能够减小风电系统馈入电网的能量的波动的永磁直驱风电系统的控制方法及系统。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种风电并网逆变器调频的控制方法，所述控制方法应用于风电并网系统中的调频控制，所述控制方法包括：
所述风电并网系统采用输出电压外环和输出电流内环的双闭环控制策略，采用虚拟同步电机进行控制；
步骤100：获取所述风电并网系统的运行频率；
步骤200：判断所述运行频率是否在频率范围内；
如果是，步骤300：采用虚拟同步电机对所述风电并网系统进行一次调频；否则，步骤400：采用虚拟同步电机对所述风电并网系统进行二次调频。
所述虚拟同步电机的转子运动方程模拟转动惯量和阻尼特性为：
Figure BDA0001946133730000051
其中，J为虚拟转动惯量；Dp为阻尼系数；ωref为频率参考；Pref为逆变器有功功率参考值；ωmg为逆变器输出频率；Pgf为逆变器输出有功功率。
风电并网逆变器调频控制原理如图2所示，并网逆变器采用LCL型滤波器，iabcl、iabcc和iabco分别是逆变器侧电流、电容电流和输出电流，uabco和upcc分别为输出电压和交流母线电压。采用输出电压外环和输出电流内环的双闭环控制策略保证输出电压在并网运行和独立运行时的可控性。电压外环的电压参考由所述虚拟同步电机控制算法提供，其中输出功率Pgf与Qgf通过输出电压uabco和输出电流iabco计算，并作为所述虚拟同步电机的反馈信号。
当频率波动在频率阈值范围内，电力系统正常运行，由所述虚拟同步电机控制为系统提供惯性调频和一次调频。
如图3所示，虚拟同步电机控制频率阶跃响应的波形可知，当频率波动瞬间，调节虚拟转动惯量J能够抑制频率突变，实现暂态惯性调频，当所述风电并网系统稳定时，调节阻尼系数Dp能够调节频率稳态值，实现了稳态一次调频。
如图4所示的基于虚拟同步电机控制的有功功率-频率特性进行调节过程，频率越限前后分别采用一次调频和二次调频，实现了频率暂态和稳态调节，通过设定频率阈值判断频率是否越限，实现了一次调频和二次调频的自动切换，当负载功率大范围波动或者电网频率大幅度跌落时，虚拟同步电机输出电压频率超出频率阈值，为了防止频率越限，二次调频起作用，使频率恢复到额定频率。
所述二次调频具体包括：采用频率自恢复控制算法对所述风电并网系统调频；
所述频率自恢复控制算法的具体步骤为：
获取所述风电并网系统的参考频率与所述风电并网系统的逆变器的输出频率的差值，获得频率偏差值；
将所述频率偏差值采用积分反馈控制储能模块补偿功率差值；
将所述频率差值采用比例前馈修正输出频率；
增加积分反馈后，转矩方程为：
Figure BDA0001946133730000071
其中，kωi为二次调频控制中的积分系数；
增加比例前馈后，相角方程可表示为
Figure BDA0001946133730000072
其中，kωc为二次调频控制中比例系数；ω'mg为二次控制中逆变器实际输出频率；
所述风电并网系统的有功功率-频率特性为
Figure BDA0001946133730000073
通过调节比例系数kωc改变有功功率-频率特性的增益。
为了在有功功率变化时，调节比例系数kωc能够抑制频率变化并且不改变频率变化的方向，则比例系数kωc应在[0,1]范围内取值。当kωc＝0时，系统类似于传统频率自恢复控制。当kωc＝1时，系统频率输出为一个恒值，不随功率波动而波动，能够解决频率恢复控制中的短时越限问题。
通过自恢复控制阶跃响应对上述理论进行验证，如图6所示。引入积分环节通过频率偏差补偿功率，实现频率自恢复。但是仅有积分环节调节(对应kωc＝0)，频率波动较大，频率恢复过程中仍可能短时越限。而调节比例系数kωc通过频率偏差修正输出频率，有效地降低了频率波动幅值，kωc＝1时频率输出恒定，解决了二次调频中的频率短时越限问题。
当线路阻抗呈感性时，逆变器馈送给负载功率表示为
Figure BDA0001946133730000081
其中：δ为输出电压和交流母线电压功角差值；X为线路感抗。
在式(4)中引入小信号可以得到式(5)
Figure BDA0001946133730000082
联立式(4)和式(6)，可以得到功率环小信号模型
Figure BDA0001946133730000083
其中，
Figure BDA0001946133730000084
为功率环比例系数。
根据式(7)可以绘制出功率环根轨迹，如图7所示，增大二次控制中的比例系数kωc，功率环的根轨迹向实轴靠近，有效抑制功率幅值波动。
所述风电并网系统频率调制工作过程如图4所示，其中一次调频与二次调频切换过程可以表述为：
通过频率反馈与频率参考的差值判断频率是否越限，从而判断是否启动二次调频率。当频率越限后，一方面通过比例环节对输出电压频率ωmg进行补偿，另一方面通过积分环节对功率进行补偿。积分环节作用缓慢，在频率波动瞬间，无法补偿足够的功率。而相比于积分环节，比例环节动作更快，所以在频率波动瞬间，比例环节先对频率进行修正，然后随着积分环节功率补偿增加，频率反馈与频率参考差值逐渐缩小。直到频率在频率阈值范围内，比例环节退出调频率，积分环节持续补偿功率，直到频率ωmg恢复到频率参考ωref，此时积分环节退出调频率。
所述二次调频为通过比例环节对输出电压频率进行补偿；通过积分环节对输出功率进行补偿。
逆变器控制采用双馈频率自恢复控制带10kW功率负载稳定运行，通过切换负载验证控制效果。频率阈值(ωN±ωlim)设定为(50±0.1)Hz，通过判断由切换负载功率引起的频率波动是否越限，将系统频率调制分为两种模式：
模式一：VSG控制实现惯性调频响应和一次调频响应
当切换负载功率较小，频率变化在阈值范围(50±0.1)Hz内，代表电力系统正常运行状态。此时由VSG控制为系统提供虚拟惯性和阻尼特性，从而抑制暂态频率的快速波动和实现稳态频率的一次调制。
模式二：双馈频率自恢复控制实现二次调频响应
当切换负载较大时，频率变化超出阈值范围(50±0.1)Hz，代表电力系统异常运行状态。此时由双馈频率自恢复控制启动储能模块，积分环节控制储能为系统提供的功率差额，从而实现频率自恢复。在控制启动后的一段时间内，功率补偿较小，可能导致频率短时越限，此时由比例环节进行频率前馈，从而修正输出频率，使得系统输出频率始终在阈值范围内波动。当功率补偿使得频率恢复到阈值范围内后，比例环节退出调频，积分环节持续作用，直到频率恢复到参考频率时，双馈频率自恢复控制退出调频。
为了验证模式一和模式二的调频效果，进行仿真验证：在0.2s和0.3s切入和切除2kW(0.2pu)负载，代表电力系统正常运行时的扰动。在0.4s和0.5s切入和切除4kW(0.4pu)负载，代表电力系统异常运行状态。
图8为VSG功率输出仿真波形，图9为VSG输出电压频率仿真波形。从图中看出，0.2s和0.3s切换0.2pu负载时，频率波动没有超过阈值，系统运行在模式一。可以看出虚拟惯性抑制了频率的快速波动，阻尼特性实现了频率稳定运行在49.1Hz。0.4s和0.5s切换0.4pu负载时，超出电力系统的调节能力，输出频率跌落，0.41s时小于49.9Hz，此时系统由模式一切换到模式二，双馈频率自恢复控制开始作用。在(0.41,0.425)s内，积分环节控制储能模块实现功率补偿，但功率补偿值不足以防止频率越限，此时由比例环节修正输出频率，使得系统频率一直运行在49.9Hz。在0.425s之后，功率补偿值足够大，功频-频率特性中，频率恢复至49.9Hz以上，则比例环节退出动作，积分环节持续作用，直至频率恢复为50Hz。
图10为两台VSG并联输出功率波形，VSG1、VSG2分别带10kW和20kW功率负载稳定运行，在0.15s和0.3s切入和切除6kW(0.2pu)负载，在0.45s和0.65s切入和切除12kW(0.4pu)负载。可以看出，切换0.2pu负载时，系统运行在模式一；在切换0.4pu负载，系统运行在模式二。与传统频率自恢复控制相比(即kωc＝0)，双馈频率自恢复控制(即kωc＝1)能够明显降低功率波动。
因此，双馈频率自恢复控制实现了暂态的惯性调频和稳态的一次调频和二次调频，针对不同的频率偏差实现了运行模式的自动切换，解决了二次调频中的频率短时越限问题，抑制了切换负载引起的功率波动，提高了电力系统的稳定性。
一种风电并网逆变器调频的控制系统，所述控制系统包括：
运行频率获取模块，用于获取所述风电并网系统的运行频率；
判断模块，用于判断所述运行频率是否在频率范围内；
一次调频模块，用于采用虚拟同步电机对所述风电并网系统进行一次调频；
二次调频模块，用于采用虚拟同步电机对所述风电并网系统进行二次调频。
所述控制系统还包括：虚拟同步电机模块，用于所述虚拟同步电机的转子运动方程模拟转动惯量和阻尼特性为：
Figure BDA0001946133730000101
其中，J为虚拟转动惯量；Dp为阻尼系数；ωref为频率参考；Pref为逆变器有功功率参考值；ωmg为逆变器输出频率；Pgf为逆变器输出有功功率。
所述二次调频模块具体包括：
频率偏差值计算单元，用于获取所述风电并网系统的参考频率与所述风电并网系统的逆变器的输出频率的差值，获得频率偏差值；
功率补偿单元，用于将所述频率偏差值采用积分反馈控制储能模块补偿功率差值；
输出频率修正单元，用于将所述频率差值采用比例前馈修正输出频率。
所述二次调频模块还包括：
比例环节单元，用于通过比例环节对输出电压频率进行补偿；
积分环节单元，用于通过积分环节对输出功率进行补偿。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种风电并网逆变器调频的控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于风电并网系统中的调频控制，所述控制方法包括：
所述风电并网系统采用输出电压外环和输出电流内环的双闭环控制策略，采用虚拟同步电机进行控制；
获取所述风电并网系统的运行频率；
判断所述运行频率是否在频率范围内，如果是，采用虚拟同步电机对所述风电并网系统进行一次调频；否则，采用虚拟同步电机对所述风电并网系统进行二次调频；
所述虚拟同步电机的转子运动方程模拟转动惯量和阻尼特性为：
Figure FDA0002489659040000011
其中，J为虚拟转动惯量；Dp为阻尼系数；ωref为频率参考；Pref为逆变器有功功率参考值；ωmg为逆变器输出频率；Pgf为逆变器输出有功功率；θmg为功角；
所述二次调频具体包括：采用频率自恢复控制算法对所述风电并网系统调频；
所述频率自恢复控制算法的具体步骤为：
获取所述风电并网系统的参考频率与所述风电并网系统的逆变器的输出频率的差值，获得频率偏差值；
将所述频率偏差值采用积分反馈控制储能模块补偿功率差值；
将所述频率偏差值采用比例前馈修正输出频率；
增加积分反馈后，转矩方程为：
Figure FDA0002489659040000012
其中，kωi为二次调频控制中的积分系数；
增加比例前馈后，相角方程表示为：
Figure FDA0002489659040000021
其中，kωc为二次调频控制中比例系数；ω'mg为二次控制中逆变器实际输出频率；
所述风电并网系统的有功功率-频率特性为：
Figure FDA0002489659040000022
通过调节比例系数kωc改变有功功率-频率特性的增益；
所述二次调频为通过比例环节对输出电压频率进行补偿；通过积分环节对输出功率进行补偿；
在频率波动瞬间，所述比例环节首先对输出电压频率进行修正，然后随着所述积分环节功率补偿增加，频率反馈与频率参考差值逐渐缩小，直到频率在频率阈值范围内，所述比例环节退出调频，所述积分环节持续补偿功率，直到逆变器输出频率ωmg恢复到频率参考ωref，此时所述积分环节退出调频。
2.一种风电并网逆变器调频的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：
运行频率获取模块，用于获取风电并网系统的运行频率；
判断模块，用于判断所述运行频率是否在频率范围内；
一次调频模块，用于采用虚拟同步电机对所述风电并网系统进行一次调频；
二次调频模块，用于采用虚拟同步电机对所述风电并网系统进行二次调频；
所述控制系统还包括：虚拟同步电机模块，用于根据所述判断模块的判断结果，控制所述一次调频模块或所述二次调频模块对所述风电并网系统进行一次调频或二次调频；所述虚拟同步电机的转子运动方程模拟转动惯量和阻尼特性为：
Figure FDA0002489659040000023
其中，J为虚拟转动惯量；Dp为阻尼系数；ωref为频率参考；Pref为逆变器有功功率参考值；ωmg为逆变器输出频率；Pgf为逆变器输出有功功率；θmg为功角；
所述二次调频模块具体包括：
频率偏差值计算单元，用于获取所述风电并网系统的参考频率与所述风电并网系统的逆变器的输出频率的差值，获得频率偏差值；
功率补偿单元，用于将所述频率偏差值采用积分反馈控制储能模块补偿功率差值；
输出频率修正单元，用于将所述频率差值采用比例前馈修正输出频率；
所述二次调频模块还包括：
比例环节单元，用于通过比例环节对输出电压频率进行补偿；
积分环节单元，用于通过积分环节对输出功率进行补偿；
增加积分反馈后，转矩方程为：
Figure FDA0002489659040000031
其中，kωi为二次调频控制中的积分系数；
增加比例前馈后，相角方程表示为：
Figure FDA0002489659040000032
其中，kωc为二次调频控制中比例系数；ω'mg为二次控制中逆变器实际输出频率；
风电并网系统的有功功率-频率特性为：
Figure FDA0002489659040000033
通过调节比例系数kωc改变有功功率-频率特性的增益；
在频率波动瞬间，所述比例环节单元首先通过比例环节对输出电压频率进行修正补偿，然后随着所述积分环节功率补偿增加，频率反馈与频率参考差值逐渐缩小，直到频率在频率阈值范围内，所述比例环节单元退出调频，所述积分环节单元通过积分环节持续补偿功率，直到逆变器输出频率ωmg恢复到频率参考ωref，此时所述积分环节单元退出调频。
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