CN109995077B - 一种基于pmsg风机的系统惯性支持级联控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PMSG风机的系统惯性支持级联控制方法。当系统遭受干扰时，若系统频率偏差在较小范围内，仅仅利用DC‑link电容储存的能量提供系统惯性支持；当DC‑link电压在大系统频率干扰事件中到达其极限时，首先消耗DC‑link电容中储存的能量，然后再利用PMSG风机转子动能提供系统惯性支持；最后设计总体级联控制策略，使系统自动依次利用DC‑link电容能量和PMSG风机转子动能提供系统惯性支持。本发明为遭受干扰的PMSG风机系统提供惯性支持，稳定系统频率，提高并网电能质量，增强系统的运行可靠性，同时最小化对风能捕获的控制影响，具有很大的经济意义。

Description

一种基于PMSG风机的系统惯性支持级联控制方法

技术领域

本发明涉及一种系统惯性支持控制方法，尤其是涉及一种基于PMSG风机 的系统惯性支持级联控制方法。

背景技术

随着风电在电网中的普及率不断提高，减小惯性响应已经引起了电力系统 运营商的广泛关注。与传统电厂不同的是，变速风电机组通过电力电子变流器 与电网连接，其主要功能是实现最大功率点跟踪算法，进而实现风能的最大捕 获，保证电能高效可靠地传输到电网。由于机电系统控制解耦，故有效防止了 风机组对系统频率变化的响应。因此，在相同的干扰下，系统频率的变化率在 最初几秒内随着高渗透风能的增加而迅速增加。

在变速风能转换系统中，存在三种能源被用于提供系统惯性支持：一是利 用风机存储的能量补偿系统频率，然而这种控制将迫使风机偏离MPPT运行点， 牺牲更多捕获的风能用于提供系统支持；二是利用风机的旋转动能调节系统频 率，当检测到系统频率偏差时，有功功率控制改变风机的功率设定值，风机将 存储的旋转动能从旋转质量释放到电网，或者通过加速转子转速吸收多余的风 能；三是利用DC-link电容中的能量实现惯性支持，可通过临时改变DC-link电 压，释放或吸收DC电容中的部分能量用于提供系统支持。目前，现有研究大多 侧重于通过两个虚拟惯性源分别提供系统惯性支持，即旋转质量或DC-link电 容。如何设计一种协调这两种虚拟惯性源的系统惯性支持控制策略，使得系统 在更加有效地提供惯性支持的同时，能够最小化控制系统对风能捕获的影响， 便成为了目前亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于PMSG风机的系统惯性支持级联控 制方法，使系统自动依次利用DC-link电容能量和PMSG风机转子动能提供系 统惯性支持，以达到稳定系统频率，提高电能质量，能源高效利用的目的。

本发明的技术方案采用如下步骤：

1)当系统遭受干扰时，若系统频率偏差在DC-link电压可调节范围内，仅 仅利用DC-link电容储存的能量提供系统惯性支持；

2)当DC-link电压在大系统频率干扰事件中到达其极限时，首先消耗 DC-link电容中储存的能量，然后再利用PMSG风机转子动能提供系统惯性支持；

3)最后设计总体级联控制策略，使系统自动依次利用DC-link电容能量和 PMSG风机转子动能提供系统惯性支持。

所述的步骤1)中的由DC-link电容提供的等效虚惯性常数H_DC与系统频率 f的关系采用以下公式1表示：

其中，C_DC和C分别为系统总电容和等效电容，V_DC和V_DCn分别为DC-link 的实际电压和标称电压，S_B为系统基值；

将DC-link电压约束设为±0.1p.u.，则在平衡点附近可以采用以下公式2线性 化DC-link电压并对其实现下垂控制：

其中，V_DC0和f₀分别为DC-link电压和系统频率的标称值，K_DC为控制参数； V_DC ^*为基于PMSG风机的DC-link电压新参考值；

则DC-link电容提供的等效虚惯性常数H_DC与控制参数K_DC的关系采用以下 公式3表示：

所述的步骤2)中的由PMSG风机转子动能提供的系统惯性常数H_R与系统 频率f的关系采用以下公式4表示；

其中，H_s为总机械惯性常数，H_t和H_g分别为涡轮机和发电机的惯性常数， ω_r为当前转子速度，P_loss为实现风机惯性控制时的风电损失；

在系统初始运行点线性化系统状态并采用以下公式5表示由PMSG风机转 子动能提供的系统惯性常数H_R为：

其中，ω_r0为系统遭受干扰前的初始风机转子速度，E_loss为实现基于PMSG 风机惯性控制时的风能损失。

所述的步骤3)中的为级联DC-link电压下垂控制和风机惯性支持控制所设 计的AC系统频率死区可采用以下公式6表示：

其中，Δf_WT为改进的基于PMSG风机的RSC控制系统频率偏差，f’为截止 频率；

为设计的DC-link电压死区；

当DC-link电压到达其极限时，截止频率f’可采用以下公式7进行描述：

则由单个PMSG风机提供的总虚惯性常数可采用以下公式8进行表示：

本发明具有的有益的效果是：

为遭受干扰的PMSG风机系统提供惯性支持，稳定系统频率，提高并网电 能质量，增强系统的运行可靠性，同时最小化对风能捕获的控制影响，具有很 大的经济意义。

附图说明

图1为本发明基于的PMSG风机控制框图。

图2为本发明方法的级联控制框图；

图3为本发明测试系统图。

图4为实施例负荷骤增下系统各性能指标的实验截图。

图5为实施例负荷骤减下系统各性能指标的实验截图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

正常运行时的基于PMSG风机的控制框图如图1所示，RSC控制产生的有 功功率，GSC用于保持DC-link电压，系统正常运行时，由风机产生的有功功 率通过MPPT算法和节距角控制。本发明基于一质量模型，在此控制框图基础 上，提出了一种基于PMSG风机的系统惯性支持级联控制方法。

如图2所示，本发明包括以下步骤：

1)当系统遭受干扰时，若系统频率偏差在DC-link电压可调节范围内，仅 仅利用DC-link电容储存的能量提供系统惯性支持；

2)当DC-link电压在大系统频率干扰事件中到达其极限时，首先消耗 DC-link电容中储存的能量，然后再利用PMSG风机转子动能提供系统惯性支持；

3)最后设计总体级联控制策略，使系统自动依次利用DC-link电容能量和 PMSG风机转子动能提供系统惯性支持。

所述的步骤1)中的DC-link电容电压反映了注入到RSC的功率P_WT和传输 到电网的功率P_g之间的平衡，本发明忽略背靠背变流器中的功率损耗，则可采 用以下公式1描述DC-link电压V_DC：

其中，C_DC和C分别为系统总电容和等效电容，V_DC和V_DCn分别为DC-link 的实际电压和标称电压，S_B为系统基值；

在电力系统中，负荷与发电量之间的任何不平衡都会引起系统频率的变化， 同步发电机本质上是利用其机械惯性来平滑频率偏差，可采用以下公式2表示：

其中，H为SG惯性常数，f为系统频率，ΔP为SG的机械功率和电功率之 差；

为了模拟公式2中的惯性，本发明将公式1中的P_WT和P_g视为输入到SG 中的机械功率和电功率，则DC-link电压与系统频率f的关系采用以下公式3表 示：

其中，H_DC为由DC-link电容提供的等效虚惯性常数；

将DC-link电压约束设为±0.1p.u.，则在平衡点附近可以对公示3两边积分， 并采用以下公式4线性化DC-link电压并对其实现下垂控制：

其中，V_DC0和f₀分别为DC-link电压和系统频率的标称值，K_DC为控制参数； V_DC ^*为基于PMSG风机的DC-link电压新参考值；

则DC-link电容提供的等效虚惯性常数H_DC与控制参数K_DC的关系采用以下 公式5表示：

所述的步骤2)中的一个新的风机有功功率参考值可采用以下公式6表示， 以使风机更好的调整有功功率，应对系统频率变化：

其中，P_WT ^*为基于PMSG风机的新的有功功率参考值，P_ad为附加功率偏差， 本发明采用比例控制器模拟P_ad，P_MPPT为MPPT算法确定的有功功率参考值；

由于PMSG的有功功率可以通过RSC快速地调节至新值，则改进的转子运 动方程可以采用以下公式7表示：

其中，H_s为总机械惯性常数，H_t和H_g分别为涡轮机和发电机的惯性常数， ω_r为当前转子速度，P_wind为风机捕获的风电功率，H_R为由PMSG风机转子动能 提供的系统惯性常数，P_WT0为系统遭受干扰前的风机初始输出功率；

当系统遭受干扰时，基于PMSG风机的转速改变会引起叶尖速比λ的改变， 可用以下公式8表示这一过程引起的风能捕获损失P_loss：

P_WT0＝P_wind+P_loss (8)

因此由PMSG风机转子动能提供的系统惯性常数H_R与系统频率f的关系采 用以下公式9表示；

在系统初始运行点线性化系统状态并采用以下公式10表示由PMSG风机转 子动能提供的系统惯性常数H_R为：

其中，ω_r0为系统遭受干扰前的初始风机转子速度，E_loss为实现基于PMSG 风机惯性控制时的风能损失。

所述的步骤3)中的为级联DC-link电压下垂控制和风机惯性支持控制所设 计的AC系统频率死区可采用以下公式11表示：

其中，Δf_WT为改进的基于PMSG风机的RSC控制系统频率偏差，f’为截止 频率；

为设计的DC-link电压死区；

当DC-link电压到达其极限时，截止频率f’可采用以下公式12进行描述：

则由单个PMSG风机提供的总虚惯性常数可采用以下公式13进行表示：

本发明的步骤3)中可以看出，DC-link电容中存储的能量总是先用于系统 惯性支持，而风机惯性只有在系统频率偏差仍然存在时才施加，有效避免了风 机惯性的频繁利用，将成为商业风电场的节能策略。此外，由于对系统频率设 计了合适的死区，消除了风机输出功率的稳态误差，因此，风机在受到干扰后 可以恢复到MPPT状态，成功地解决了风能捕获和提供惯性支持之间的矛盾。

本发明的具体实施例：

利用如图3所示的仿真系统对本发明提出的级联控制方法进行了实验。实 验参数如下表1所示。

表1

根据附图图4-5可知：

(1)负载骤增时的实验结果如图4所示，在t＝10s时接通备用负载P_L2+Q_L2。 由图4(a)和图4(b)可以看出，由于本发明所提的级联控制方法采用了较大 的下垂参数，提供了更多的惯性支持，所以其ROCOF的绝对值是最小的。如图 4(d)所示，DC-link电压到达其极限后就不再为系统提供惯性支持，改为风机 提供惯性支持，因此造成了图4(e)中的有功功率曲线不平滑。图4(f)和图 4(h)表明通过降低风机转速释放动能，使得来自RSC的有功功率输出增加。 从图4(g)可以看出，在系统遭受干扰后，采用本发明所提出的的级联控制方法所造成的风能损失为0.0561，是最少的，再一次有效验证了本发明所提方法 的能源高效利用的特点。

(2)负载骤减时的实验结果如图5所示，在t＝10s时切断备用负载P_L2+Q_L2。 由图5(d)可以看出，由于本发明所提的级联控制方法采用了较大的下垂控制 参数，DC-link电压会迅速地到达其极限，然后换由风机提供惯性支持，因此造 成了图5(e)中的PMSG有功功率曲线不平滑。如图5(f)所示，本发明所提 出的级联控制方法使得系统在遭受干扰后，RSC功率输出能够很快恢复。从图5 (g)和图5(h)可以看出，本发明所提出的的级联控制方法在有效提供频率支 持的同时，能够捕获更多的风能，具有很大的经济效益。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本 发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落 入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于PMSG风机的系统惯性支持级联控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)当系统遭受干扰时，若系统频率偏差在DC-link电压可调节范围内，仅仅利用DC-link电容储存的能量提供系统惯性支持；

2)当DC-link电压在大系统频率干扰事件中到达其极限时，首先消耗DC-link电容中储存的能量，然后再利用PMSG风机转子动能提供系统惯性支持；

3)最后设计总体级联控制策略，使系统自动依次利用DC-link电容能量和PMSG风机转子动能提供系统惯性支持；

所述的步骤2)中的由PMSG风机转子动能提供的系统惯性常数H_R与系统频率f的关系采用以下公式1表示；

其中，H_s为总机械惯性常数，H_t和H_g分别为涡轮机和发电机的惯性常数，ω_r为当前转子速度，P_loss为实现风机惯性控制时的风电损失；

在系统初始运行点线性化系统状态并采用以下公式2表示由PMSG风机转子动能提供的系统惯性常数H_R为：

其中，ω_r0为系统遭受干扰前的初始风机转子速度，E_loss为实现基于PMSG风机惯性控制时的风能损失。

2.根据权利要求1所述的一种基于PMSG风机的系统惯性支持级联控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中的由DC-link电容提供的等效虚惯性常数H_DC与系统频率f的关系采用以下公式3表示：

其中，C_DC和C分别为系统总电容和等效电容，V_DC和V_DCn分别为DC-link的实际电压和标称电压，S_B为系统基值；

将DC-link电压约束设为±0.1p.u.，则在平衡点附近可以采用以下公式4线性化DC-link电压并对其实现下垂控制：

其中，V_DC0和f₀分别为DC-link电压和系统频率的标称值，K_DC为控制参数，V_DC ^*为基于PMSG风机的DC-link电压新参考值；

则DC-link电容提供的等效虚惯性常数H_DC与控制参数K_DC的关系采用以下公式5表示：

3.根据权利要求1所述的一种基于PMSG风机的系统惯性支持级联控制方法，其特征在于：所述的步骤3)中的为级联DC-link电压下垂控制和风机惯性支持控制所设计的AC系统频率死区可采用以下公式6表示：

其中，Δf_WT为改进的基于PMSG风机的RSC控制系统频率偏差，f’为截止频率；

为设计的DC-link电压死区；V_DC0和f₀分别为DC-link电压和系统频率的标称值；

当DC-link电压到达其极限时，截止频率f’可采用以下公式7进行描述：

其中，K_DC为控制参数；

则由单个PMSG风机提供的总虚惯性常数可采用以下公式8进行表示：

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