CN109980691B - 一种计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制方法，属于风力发电技术领域。该方法具体包括：首先，针对双馈风电机组虚拟同步控制策略的结构，建立考虑虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数的双馈风电机组dq轴频域阻抗模型。其次，利用双馈风电机组的dq轴频域阻抗模型和电网模型，得到系统的回率矩阵和奈奎斯特曲线。最后，利用广义奈奎斯特判据分析双馈风电并网系统的稳定性，获得虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数的合理取值，从而实现计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制方法。该方法可有效提高基于虚拟同步控制的双馈风电机组对于弱电网的适应性，为提高双馈风电机组在弱电网下的并网稳定运行能力提供技术支撑。

Description

一种计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制 方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，涉及一种计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制方法。

背景技术

随着风电渗透率的不断增加，双馈风电系统引发的并网稳定性问题不断凸显，尤其是我国大部分风电场处于电网末端，需经长线路远距离输送，电网阻抗大，呈现为弱电网特性。双馈风电系统在弱电网条件下与电网交互作用带来的稳定性问题凸显。

近年以来，多个地区风力发电场发生了风电机群与弱电网相互作用而引发的次同步谐振，曾造成变压器异常振动和大量风机脱网或者大范围的功率振荡事故。现有研究表明通过将同步发电机的模型引入双馈风电机组的控制中，将双馈风电机组控制成同步发电机的外特性有望解决其在弱电网下的稳定性问题，于是虚拟同步发电机技术应运而生。虚拟同步控制中主要参数包括虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数，其参数的取值对于双馈风电机组运行性能影响很大，甚至可能导致其在弱电网下的并网失稳问题，因此急需研究计及关键参数对风电机组稳定性影响的虚拟同步控制方法，以提高基于虚拟同步控制的双馈风电机组在弱电网下的并网稳定运行能力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制方法，能够有效提高基于虚拟同步控制的双馈风电机组对于弱电网的适应性，为提高双馈风电机组在弱电网下的并网稳定运行能力提供技术支持。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制方法，该方法包括以下步骤：

S1：根据基于虚拟同步控制的双馈风电机组主电路参数和变流器控制参数建立双馈风电系统dq轴频域阻抗模型；

S2：根据弱电网等效电感参数计算弱电网的dq轴频域阻抗模型，得到系统的回率矩阵表达式，绘制系统的奈奎斯特曲线；

S3：利用广义奈奎斯特判据，分析不同虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数下，基于虚拟同步控制的双馈风电机组在弱电网下的并网稳定性；

S4：根据S3选取虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数，实现弱电网条件下计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制。

进一步，在步骤S1中，所述的基于虚拟同步控制的双馈风电机组主电路参数和变流器控制参数建立的双馈风电系统dq轴频域阻抗模型Z_out为：

其中，G_irs、G_irr分别表示定转子电压到转子电流的传递函数，G_sr、G_iss分别表示定子电压和转子电流到定子电流的传递函数，G_de表示延时环节传递函数，F_PQ表示虚拟同步控制环节传递函数，F₁表示转子电压同步控制环节传递函数，

分别表示有功、无功功率计算环节传递函数，E为二阶单位矩阵。

进一步，在双馈风电系统dq轴频域阻抗计算方程中G_irr、G_irs的表达式为：

ω₂＝ω_s-ω_r

为了表示方便，提取G_irr、G_irs中的同类项分别用a、b、c、d、k表示如下，

式中：ω_r为转子角速度，ω_s为同步角速度，ω₂为转差角速度，R_s，R_r，L_ss，L_rr，L_m分别为定、转子电阻，定、转子等效自感和互感，s表示拉普拉斯算子。

进一步，在双馈风电系统dq轴频域阻抗计算方程中G_sr、G_iss的表达式为：

为了表示方便，提取G_sr中的同类项用k₁表示如下，

进一步，在双馈风电系统dq轴频域阻抗计算方程中

的表达式为：

式中：U_sd、U_sq和I_sd、I_sq分别为双馈风电机组额定工作点的dq轴电压电流值。

进一步，在双馈风电系统dq轴频域阻抗计算方程中F_PQ、F₁、G_de的表达式为：

式中：ω_base为角速度的基准值，D为虚拟阻尼系数，T_j为虚拟惯性时间常数，U_r0、θ_r0分别为双馈风电机组额定工作点的转子电压幅值和相角，K_p和K_i为无功环比例积分控制参数，T_d＝1/f_s，其中f_s为开关频率。

进一步，在步骤S2中，弱电网的dq轴频域阻抗计算方程为：

式中，L_g为弱电网的等效电感值，ω₁为同步角频率。

进一步，在步骤S2中系统的回率矩阵计算方程为：

L_s＝Z_g/Z_out

式中，Z_g为电网dq轴频域阻抗模型，Z_out为基于虚拟同步控制的双馈风电机组dq轴频域阻抗模型。

本发明的有益效果在于：本发明通过建立基于虚拟同步控制的双馈风电机组及并网系统的dq轴频域阻抗模型，得到系统的回率矩阵，绘制系统的奈奎斯特曲线，利用广义奈奎斯特判据分析不同虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数取值下双馈风电并网系统的稳定性，得到虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数的合理取值，从而实现弱电网条件下计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制方法。本发明有效提高了基于虚拟同步控制的双馈风电机组对于弱电网的适应性，为提高双馈风电系统在弱电网下的并网稳定性提供技术支撑。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本申请的基于频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制系统框图；

图2为本申请的基于频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制方法实现流程；

图3为基于虚拟同步控制的双馈风电系统的dq轴频域阻抗模型波特图；

图4为对应不同虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数参数下系统回率矩阵奈奎斯特曲线；

图5为不同虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数参数下双馈风电机组弱电网并网系统仿真波形对比图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本申请的基于频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制系统框图，图2为本申请的基于频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制方法实现流程图。以2MW风力发电机组为研究对象，利用仿真验证所提一种计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制方法的效果。

如图1所示，基于频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制系统包括同步参数选取模块、双馈风电机组转子侧虚拟同步控制模块和主电路部分，其中：同步参数选取模块通过建立基于虚拟同步控制的双馈风电系统和弱电网的dq轴频域阻抗模型，利用广义奈奎斯特判据，分析选取合理的虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数。转子侧虚拟同步控制模块利用同步参数选取模块得到的虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数值，将同步发电机的数学模型引入变流器的控制中，实现双馈风电机组的虚拟同步控制。主电路部分包括双馈感应电机、电网等效阻抗和无穷大电源，以及转子侧变流器部分。

如图2所示，本申请的计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制方法实现流程，具体为：

S1：根据基于虚拟同步控制的双馈风电机组主电路参数和变流器控制参数计算双馈风电系统dq轴频域阻抗模型；

S2：根据弱电网等效电感参数计算弱电网的dq轴频域阻抗模型，得到系统的回率矩阵表达式，绘制系统的奈奎斯特曲线；

S3：利用广义奈奎斯特判据，分析不同虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数下，基于虚拟同步控制的双馈风电机组在弱电网下的并网稳定性；

S4：根据S3选取合理的虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数，实现弱电网条件下计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制方法。

图3为基于虚拟同步控制的双馈风电系统的dq轴频域阻抗模型波特图；

图4为对应不同虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数参数下系统回率矩阵的奈奎斯特曲线；可以看到当惯性时间参数为10，虚拟阻尼系数为100时，双馈风电系统并网稳定，当惯性时间常数为5，虚拟阻尼系数为100时，双馈风电系统并网不稳定。当惯性时间常数为10，虚拟阻尼系数为10时，双馈风电系统并网也不稳定。

图5为不同虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数参数下双馈风电机组弱电网并网系统仿真波形对比图，当虚拟惯性时间常数为5时，双馈风电机组输出电磁功率逐渐振荡发散，当虚拟惯性时间常数为10、20等值时，双馈风电机组输出电磁功率能够稳定；当虚拟阻尼系数为10时，双馈风电机组输出电磁功率发散失稳，当虚拟阻尼系数为20、50等值时，双馈风电机组输出电磁功率可以稳定。由此对比可以看出本申请提出的一种计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制方法通过合理选择虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数的取值，有效提高了双馈风电系统在弱电网下的稳定性。

根据图的仿真可得出以下结论：

1)在所提控制方法下，双馈风电系统稳定性提高。

2)当虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数参数选择不合理时，双馈风电系统失去稳定，采用一种计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制方法后，通过选择合理的虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数的取值，双馈风电机组并网系统能够稳定运行，说明本发明提出的一种计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制方法的有效性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：根据基于虚拟同步控制的双馈风电机组主电路参数和变流器控制参数建立双馈风电系统dq轴频域阻抗模型；

双馈风电机组dq轴频域阻抗模型Z_out为：

其中，G_irs、G_irr分别表示定转子电压到转子电流的传递函数，G_sr、G_iss分别表示定子电压和转子电流到定子电流的传递函数，G_de表示延时环节传递函数，F_PQ表示虚拟同步控制环节传递函数，F₁表示转子电压同步控制环节传递函数，

分别表示有功、无功功率计算环节传递函数，E为二阶单位矩阵；

其中，G_irr、G_irs的表达式为：

ω₂＝ω_s-ω_r

提取G_irr、G_irs中的同类项分别用a、b、c、d、k表示如下，

式中：ω_r为转子角速度，ω_s为同步角速度，ω₂为转差角速度，R_s，R_r，L_ss，L_rr，L_m分别为定、转子电阻，定、转子等效自感和互感，s表示拉普拉斯算子；

G_sr、G_iss的表达式为：

提取G_sr中的同类项用k₁表示如下，

的表达式为：

式中：U_sd、U_sq和I_sd、I_sq分别为双馈风电机组额定工作点的dq轴电压电流值；

F_PQ、F₁、G_de的表达式为：

式中：ω_base为角速度的基准值，D为虚拟阻尼系数，T_j为虚拟惯性时间常数，U_r0、θ_r0分别为双馈风电机组额定工作点的转子电压幅值和相角，K_p和K_i为无功环比例积分控制参数，T_d＝1/f_s，其中f_s为开关频率；

S2：根据弱电网等效电感参数计算弱电网的dq轴频域阻抗模型，得到系统的回率矩阵表达式，绘制系统的奈奎斯特曲线；

弱电网的dq轴频域阻抗计算方程为：

式中，L_g为弱电网的等效电感值，ω₁为同步角频率；

回率矩阵计算方程为：

L_s＝Z_g/Z_out

式中，Z_g为弱电网dq轴频域阻抗模型，Z_out为基于虚拟同步控制的双馈风电机组dq轴频域阻抗模型；

S3：利用广义奈奎斯特判据，分析不同虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数下，基于虚拟同步控制的双馈风电机组在弱电网下的并网稳定性；

S4：根据S3选取虚拟惯性时间常数和虚拟阻尼系数，实现弱电网条件下计及频域阻抗稳定性分析的双馈风电机组虚拟同步控制。

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