CN109698522A - 一种转子动能最优利用的dfig参与调频的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于双馈风力发电机控制领域，具体涉及一种转子动能最优利用的DFIG参与调频的控制方法，通过频率偏差和频率偏差变化率来不断优化双馈风力发电机参与调频过程中的控制系数，能够充分利用双馈风力发电机的转子动能，能够加快转速恢复过程，避免了转速恢复过程中产生频率振荡的问题；考虑了不同风速下双馈风力发电机可释放转子动能的不同，通过整定不同风速下的转子动能最大利用系数并进行限幅，通过对转子动能的优化，使双馈风力发电机在频率下降的初期能短时间内释放尽可能多的动能来响应频率变化，在频率下降到最低之后减少动能释放，加快转速恢复，之后通过最大控制系数限幅来避免避免调频过程中转子动能释放过度导致的频率二次下降问题。

Description

一种转子动能最优利用的DFIG参与调频的控制方法
技术领域
本发明属于双馈风力发电机控制领域，具体涉及一种转子动能最优利用的DFIG参与调频的控制方法，改善双馈风力发电机参与调频的能力并避免转子动能释放过度，有效提高系统的稳定性。
背景技术
越来越突出的能源危机和气候问题使得风力发电得以迅速发展，但是传统的双馈异步风力发电机(DFIG)运行在最大功率点跟踪的控制方式下，使得其转子转速与电网频率不再具有耦合关系，不能响应系统频率变化。随着风力发电渗透率不断增大，系统惯性下降，负荷突变引起的频率变化加大，降低了系统的稳定性，因此需要研究双馈风力发电机的频率响应能力。
当前相关的控制策略主要是使双馈风力发电机能够参与系统调频，而缺少对DFIG参与调频过程的优化，导致存在双馈风力发电机调频能力发挥不充分以及转子动能释放过度引起频率二次下降的问题，甚至在频率恢复过程当中会产生振荡。
发明内容
本发明为解决现有的为双馈风力发电机调频能力发挥不充分以及转子动能释放过度引起频率二次下降，甚至在频率恢复过程当中会产生振荡的技术问题，提供一种转子动能最优利用的DFIG参与调频的控制方法；优化双馈风力发电机参与调频的能力，使双馈风力发电机能够具备响应系统频率变化的能力，并在最大程度参与系统调频的同时避免发生转子动能释放过度引起频率二次下降的问题，防止频率恢复过程当中产生频率振荡，保证在不同风速下以及调频过程中的不同阶段合理充分利用转子动能，有效提高系统的惯性和稳定性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种转子动能最优利用的DFIG参与调频的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
Ⅰ、实时测量电网频率并与额定频率作差得到频率偏差信号Δf；
Ⅱ、频率偏差信号Δf通过微分环节得到频率偏差变化率dΔf/dt；
Ⅲ、频率偏差信号Δf通过高通滤波环节，滤除小干扰波动；
Ⅳ、根据频率偏差和频率偏差变化率确定合适的控制系数Kpf；
V、测量风速，并根据风速整定不同风况下的转子动能最大利用控制系数Kpmax；
Ⅵ、控制系数Kpf经Kpmax限幅后得到最终的控制系数Kp；
Ⅶ、频率偏差信号Δf与控制系数Kp相乘，得到附加的功率控制信号：
ΔPΔf*Kp，
当电网频率下降时，附加的功率控制信号ΔP作用于DFIG的转子侧变流器，DFIG释放一部分转子动能参与系统调频。
进一步的，所述步骤Ⅰ中频率偏差的计算公式为：
Δf＝fref-fmea
其中fref为电网额定频率50Hz，fmea为实时测得的电网频率。
进一步的，步骤Ⅳ中控制系数Kpf确定方法具体为：在频率下跌的初期Δf增加较慢但dΔf/dt增加较快，为使双馈风力发电机尽可能多的释放转子动能参与调频，控制系数的公式为：
其中，K1，K2分别为给定的下垂调节系数和微分调节系数，为常数；
Kpf在频率下降初期就能迅速增大，并在dΔf/dt到达最大值时达到最大，之后频率变化率下降，但Δf继续增加，此时仍希望双馈风力发电机尽可能去参与频率调整，减小频率偏差，此时Kpf保持在最大值不变；
在频率下降到最低点时，Δf达到最大，之后频率回升dΔf/dt变为负值，此时希望减小DFIG参与调频的力度，加快转速恢复过程，同时避免频率恢复过程中的频率振荡，此时控制系数的公式为：
Kpf＝K1Δf，即控制系数随Δf减小而减小，与dΔf/dt无关；其中，K1为给定的下垂调节系数，为常数；
进一步的，所述步骤V、Ⅵ中转子动能最大利用系数Kpmax的计算公式为：
其中，ΔPw为不同风速下可以利用的最大功率，取不同风速下最大跟踪功率的20％。
通过对控制系数限幅避免转子动能释放过度。
进一步的，所述步骤Ⅵ中，限幅时，若控制系数Kpf≥Kpmax，控制系数Kp取Kpmax；若Kpf＜Kpmax，控制系数Kp取Kpf。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过频率偏差和频率偏差变化率来不断优化双馈风力发电机参与调频过程中的控制系数，能够充分利用双馈风力发电机的转子动能，并且能够加快转速恢复过程，同时避免了转速恢复过程中产生频率振荡的问题。
(2)本发明考虑了不同风速下双馈风力发电机可释放转子动能的不同，通过整定不同风速下的转子动能最大利用系数并进行限幅，通过对转子动能的优化，使双馈风力发电机在频率下降的初期能短时间内释放尽可能多的动能来响应频率变化，在频率下降到最低之后减少动能释放，加快转速恢复，之后通过最大控制系数限幅来避免避免调频过程中转子动能释放过度导致的频率二次下降问题。
附图说明
图1所示为本发明一种转子动能最优利用的DFIG参与调频控制方法的流程图。
图2所示为传统转子动能利用的控制模型示意图。
图3所示为本发明实施例提供的一种转子动能最优利用的控制模型示意图。
图4所示为调频过程中频率偏差和频率偏差变化率的变化示意图。
图5所示为本发明实施例所提供的系统频率变化仿真结果示意图。
图6所示为本发明实施例所提供的电机转速变化仿真结果示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
为了使双馈风力发电机能够响应系统频率变化，需要重新将双馈风力发电机的转速与电网频率建立联系，在电网频率下降时可以通过释放转子动能来响应频率变化，通过优化转子动能的利用过程使双馈风力发电机能更好地参与系统调频，提高系统的稳定性。
本发明实施例提供了一种转子动能最优利用的DFIG参与调频的控制方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
Ⅰ、实时测量电网频率并与额定频率做差得到频率偏差信号Δf，计算公式为：
Δf＝fref-fmea
其中fref为电网额定频率50Hz，fmea为实时测得的电网频率。
Ⅱ、频率偏差信号通过微分环节得到频率偏差变化率dΔf/dt，需要通过Δf和dΔf/dt两个实时信号来优化转子动能的利用；
Ⅲ、频率偏差信号Δf通过高通滤波环节，滤除小干扰波动，提高系统的稳定性；
Ⅳ、根据频率偏差和频率偏差变化率确定合适的控制系数Kpf；
与传统控制策略中电机转速与电网频率建立联系的方式不同，传统策略中通过使频率偏差信号和频率偏差率信号经过比例放大环节直接得到附加功率，其比例放大环节的系数为常数，不能在保证系统稳定的前提下最大程度利用转子动能。
本发明控制系数Kpf的确定方法为：由图4可以看出负荷突增时，频率会产生跌落，在频率下跌的初期，即区域A，Δf增加较慢，dΔf/dt增加较快。在这一时期，应使双馈风力发电机尽可能多的释放转子动能参与调频，此时控制系数的公式为：
其中，K1，K2分别为给定的下垂调节系数和微分调节系数，为常数；本实施例中K1取85，K2取25。
Kpf在频率下降初期就能迅速增大，并在dΔf/dt到达最大值时达到最大。之后频率变化率下降，但Δf继续增加，即图4区域B，此时仍希望双馈风力发电机尽可能去参与频率调整，减小频率偏差，此时Kpf保持在最大值不变，即在区域B内Kpf一直保持为点M时候的值。
在频率下降到最低点时，Δf达到最大，之后在区域C频率回升，dΔf/dt变为负值，此时希望减小DFIG参与调频的力度，尽可能保留转子动能，加快转速恢复过程，同时避免频率恢复过程中的频率振荡，此时控制系数的公式为：
即控制系数随Δf减小而减小，与dΔf/dt无关。其中，K1为给定的下垂调节系数，为常数；本实施例中K1取85。
V、测量风速，并根据风速整定不同风况下的转子动能最大利用系数Kpmax，转子动能最大利用系数Kpmax的计算公式为：
其中，ΔPw为不同风速下可以利用的最大功率，取不同风速下最大跟踪功率的20％。
通过对控制系数限幅避免转子动能释放过度。
不同风速下电机的转速不同，可以利用的转子动能也不同，转速越高，可以用来调节频率的转子动能越多，但是如果释放能量过多会导致电机失速，引起频率二次下降，严重时可能导致风机退出运行；
Ⅵ、输出信号Kpf经Kpmax限幅后得到最终的控制系数Kp，通过最大利用系数限幅避免转子动能释放过度；限幅时，若控制系数Kpf≥Kpmax，控制系数Kp取Kpmax；若Kpf＜Kpmax，控制系数Kp取Kpf。
Ⅶ、频率偏差信号Δf与控制系数Kp相乘，得到附加的功率控制信号
ΔP＝Δf*Kp
本发明附加的功率控制信号计算方法与传统方法不同。
传统转子动能利用中附加功率的公式为：
式中控制系数Kp、Kd为常数。
本发明中附加功率的公式为：
ΔP＝KpΔf
式中控制系数Kp随Δf与dΔf/dt变化而变化。
当电网频率下降时，附加的功率控制信号ΔP作用于DFIG的转子侧变流器，DFIG释放一部分转子动能参与系统调频。通过对转子动能的优化，使双馈风力发电机在频率下降的初期能短时间内释放尽可能多的动能来响应频率变化，在频率下降到最低之后减少动能释放，加快转速恢复，之后通过最大控制系数限幅来避免转子动能释放过度引起的频率二次下降。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
本发明实例基于MATLAB/simulink仿真平台搭建，建立一个由双馈异步风力发电机和柴油机以及两个有功负荷组成的仿真模型，电网系统频率为50Hz，风力发电机的极对数为2，空气密度为1.225kg/m3，最佳叶尖速比为8。
在恒定风速下进行仿真，在0.6s时突加恒定有功负荷，分别在DFIG不参与系统调频、传统转子动能控制参与调频以及本发明优化DFIG参与调频控制的方式下进行仿真。
系统频率变化如图5所示，采用传统转子动能控制策略与DFIG不参与调频相比，频率最低点得到提高，但与此同时，在频率恢复的过程中产生了振荡。而所发明实施例的控制策略下，频率最低点进一步提高，而且加快了频率稳定的速度，减小了频率振荡，起到了很好的一次调频效果。
图6为双馈风力发电机转速变化波形，双馈风力发电机不参与系统调频时，系统频率变化前后，其转速基本没有变化。传统调频控制策略下，双馈风力发电机释放转子动能参与调频，但转速恢复较慢，本发明所提方法下，电机转速在频率发生突变前期下降速度快，迅速释放转子动能，之后能快速平滑地恢复到稳定转速，有效提高系统的惯性和稳定性。
综上所述，本发明提供的一种转子动能最优利用的DFIG参与系统调频的方法对于提高DFIG参与调频的能力有较为良好的作用，能够快速响应系统频率变化，在调频过程中根据实时采集的信号优化转子动能的控制系数，提高双馈风力发电机参与调频的能力并提高系统的惯性和稳定性，具有较强的实用性。

Claims (5)

1.一种转子动能最优利用的DFIG参与调频的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
Ⅰ、实时测量电网频率并与额定频率作差得到频率偏差信号Δf；
Ⅱ、频率偏差信号Δf通过微分环节得到频率偏差变化率dΔf/dt；
Ⅲ、频率偏差信号Δf通过高通滤波环节，滤除小干扰波动；
Ⅳ、根据频率偏差和频率偏差变化率确定合适的控制系数Kpf；
V、测量风速，并根据风速整定不同风况下的转子动能最大利用控制系数Kpmax；
Ⅵ、控制系数Kpf经Kpmax限幅后得到最终的控制系数Kp；
Ⅶ、频率偏差信号Δf与控制系数Kp相乘，得到附加的功率控制信号：
ΔP＝Δf*Kp，
当电网频率下降时，附加的功率控制信号ΔP作用于DFIG的转子侧变流器，DFIG释放一部分转子动能参与系统调频。
2.根据权利要求1所述的一种转子动能最优利用的DFIG参与调频的控制方法，其特征在于，
所述步骤Ⅰ中频率偏差的计算公式为：
Δf＝fref-fmea
其中fref为电网额定频率50Hz，fmea为实时测得的电网频率。
3.根据权利要求1所述的一种转子动能最优利用的DFIG参与调频的控制方法，其特征在于，步骤Ⅳ中控制系数Kpf确定方法具体为：在频率下跌的初期Δf增加较慢但dΔf/dt增加较快，为使双馈风力发电机尽可能多的释放转子动能参与调频，控制系数的公式为：
其中，K1，K2分别为给定的下垂调节系数和微分调节系数，为常数；
Kpf在频率下降初期就能迅速增大，并在dΔf/dt到达最大值时达到最大，之后频率变化率下降，但Δf继续增加，此时仍希望双馈风力发电机尽可能去参与频率调整，减小频率偏差，此时Kpf保持在最大值不变；
在频率下降到最低点时，Δf达到最大，之后频率回升dΔf/dt变为负值，此时希望减小DFIG参与调频的力度，加快转速恢复过程，同时避免频率恢复过程中的频率振荡，此时控制系数的公式为：
Kpf＝K1Δf，即控制系数随Δf减小而减小，与dΔf/dt无关；其中，K1为给定的下垂调节系数，为常数。
4.根据权利要求1所述的一种转子动能最优利用的DFIG参与调频的控制方法，其特征在于，所述步骤V、Ⅵ中转子动能最大利用系数Kpmax的计算公式为：
其中，ΔPw为不同风速下可以利用的最大功率，取不同风速下最大跟踪功率的20％。
5.根据权利要求1所述的一种转子动能最优利用的DFIG参与调频的控制方法，其特征在于，所述步骤Ⅵ中，限幅时，若控制系数Kpf≥Kpmax，控制系数Kp取Kpmax；若Kpf＜Kpmax，控制系数Kp取Kpf。
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