CN110011356A - 一种pmsg风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法，通过建立直流电压与交流频率的耦合关系，加入直流惯性控制，让储存在直流电容中的静电能量提供虚拟惯性；为解决工程造价增加和换流站体积增大的问题，加入虚拟电容控制，其能够在背靠背变流器中提供一个比实际电容大很多的虚拟电容，为交流系统提供更多的虚拟惯性支撑；在RSC定功率控制中加入有功‑频率下垂控制，使得PMSG风机提供一次调频服务，提供连续的有功功率支持。采用本发明方法，PMSG风机能够同时利用直流电容中的静电能和转子中的旋转动能来提供一次调频和虚拟惯性支撑。

Description

一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统稳定与控制、新能源并网领域，具体是一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法。

背景技术

近年来，由于能源危机、气候变化与环境污染等问题，风能作为清洁能源发展迅速，在电力系统中的渗透率不断增加。与同步发电机不同，永磁直驱(permanent magnetsynchronous generator，PMSG)风机通过电力电子变流器接入电网，而且为了捕获最大的风能，风机输出的功率通常由最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)控制，这导致风机的转速与电网频率呈现出解耦状态，风机转子的旋转惯量被隐藏了。随着风电接入比例的不断增加，传统的同步发电机将会被PMSG风机部分替代，电力系统的惯量将会减少，这给电力系统的频率稳定与控制带来了严重的挑战(Y.Li,L.He,F.Liu,Y.Tan,Y.Cao,L.Luo and M.Shahidehpour,“A dynamic coordinated control strategy ofWTG-ES combined system for short-term frequency support,”Renew.Energy,vol.119,pp.1–11,Apr.2018)。PMSG风机中直流电容中的静电能和转子中的旋转动能都能为交流系统提供调频服务，然而现有技术对协调二者的研究涉及比较少，因此研究利用PMSG风机直流电容中的静电能和转子中的旋转动能来提供一次调频和虚拟惯性的协调控制具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法，针对PMSG风机接入弱电网的系统，通过本控制方法，能够让风机提供惯性响应和一次调频服务；此外，本控制方法不需要额外的储能设备。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法，包括步骤：

对PMSG风机接入弱电网的系统，加入直流惯性控制，让风机的直流电容中储存的静电能量为交流系统提供虚拟惯性支撑；在所述直流惯性控制中，虚拟惯性时间常数H_dc和定直流电压控制参考值V^* _dc分别为：

式中，C_dc为PMSG风机的直流电容值，f₀为交流系统的额定频率，V_dc0为背靠背变流器直流电压的额定值，S_WT为风机的额定容量，Δf_max为交流频率最大允许的偏差值，ΔV_max为直流电压最大允许的偏差值，f为测量的交流频率。

进一步的，所述直流惯性控制中，定直流电压控制参考值V^* _dc替换为：

式中，C_dc为PMSG风机的直流电容值，f₀为交流系统的额定频率，V_dc0为背靠背变流器直流电压的额定值，S_WT为风机的额定容量，f为测量的交流频率，H_dc为虚拟惯性时间常数。

进一步的，还包括步骤：

加入虚拟电容控制，使得PMSG风机能够像同步发电机惯性响应那样提供快速、瞬态的功率支撑，减缓频率变化的速率，提供大于风机实际电容的虚拟电容；

在背靠背变流器中利用风机转子旋转动能提供虚拟电容，具体为：

式中，P_ref为新的有功功率参考值，C_vir定义为虚拟直流电容，V_dc为直流电压，P_MPPT为风机由MPPT控制获得的有功功率参考值，ΔP_vir定义为PMSG风机由虚拟电容控制而输出的附加功率；

当采用虚拟电容控制后，从转子侧变流器(rotor side converter，RSC)流向直流电容C_dc新的输入功率P'_in为，

式中，P_in为加入虚拟电容控制前，RSC流向直流电容C_dc方向的功率。

进一步的，还包括步骤：

在转子侧变流器定功率控制中加入有功-频率下垂控制，使得PMSG风机提供一次调频服务，提供连续的有功功率支持；

所述有功-频率下垂控制的公式具体为：其中，风机由有功-频率下垂控制而输出的附加功率ΔP_R＝-K_R(f-f₀)；

式中，P^* _ref为风机采用有功-频率下垂控制和虚拟电容控制后新的有功参考值，K_R为下垂控制系数，P_ref为风机由加入虚拟电容控制后获得的有功功率参考值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过直流惯性控制，让风机的直流电容中储存的静电能量为交流系统提供虚拟惯性支撑；为在正常容量的直流电容下提供更多的虚拟惯性支撑，提出了虚拟电容控制，能让PMSG风机像同步发电机惯性响应那样提供快速、瞬态的功率支撑，减缓频率变化的速率，提供大于风机实际电容的虚拟电容；有功-频率下垂控制，能让PMSG风机提供一次调频服务，能提供连续的有功功率支持，防止交流频率的连续下降和减小频率的最大偏差；结合三种控制的优点，能够让风机提供惯性响应和一次调频服务，且不需要额外的储能设备。

附图说明

图1是PMSG直驱风机模型接入电网的拓扑结构；

图2是H_dc与C_dc、ΔV_max和Δf_max的关系图；

图3是Δf_max＝2Hz时H_dc与C_dc、ΔV_max和的关系图；

图4是本发明整体控制方法示意图；

图5是背靠背直流电容功率平衡图；

图6是负荷突然增加时不同控制策略下系统的响应图。

具体实施方式

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，采用的仿真模型是PMSG风机接入弱交流电网的系统，PMSG风机通过背靠背变换器接入电网，转子侧变流器(rotor side converter，RSC)控制风机输出的有功功率和无功功率，电网侧变流器(grid side converter，GSC)控制控制直流电压和与交流电压幅值。

一、直流惯性控制

直流控制方法主要利用直流电容存储的能量为交流系统提供虚拟惯性。对于交流系统，交流频率可以反映发电机出力与负荷的功率平衡关系，典型的同步发电机转子运动方程为

式中，H_g为同步发电机的惯性时间常数，f₀为交流系统的额定频率，f为测量的交流频率，P_M和P_E分别为同步发电机输入的机械功率和输出的电磁功率，ΔP₁为当发电机转速变化时，同步发电机由于惯性响应而释放或者吸收的转子旋转动能。

对于背靠背变流器，直流电压可以像交流频率一样反映变流器输入与输出功率的平衡关系。忽略变流器的功率损耗，与式(1)类似的直流电容动态方程如式(2)所示。当直流电容的电压产生偏差时，直流电容将会充电或者放电，对变流器输出的有功功率进行补偿。

式中，C_dc为PMSG风机的直流电容值，V_dc为直流电压，S_WT为风机的额定容量，P_RS为RSC输入到直流电容的有功功率，P_GS为直流电容输出到GSC的有功功率，ΔP₂为直流电压变化时直流电容存储或释放的静电功率。

令ΔP₁＝ΔP₂，建立交流频率与直流电压的耦合关系：

式中，H_dc为直流电容提供的虚拟惯性时间常数。

同时对式(3)两边求积分可得：

式中，V_dc0为背靠背变流器直流电压的额定值。

由式(5)可以推导出直流惯性控制的虚拟惯性时间常数H_dc和定直流电压控制新的参考值V^* _dc。

式中，ΔV_max为直流电压最大允许的偏差值，Δf_max为交流频率最大允许的偏差值。

由式(7)可知，直流惯性控制是一个非线性控制方法，而电网稳定运行的频率偏差不能超过2％，故可以在频率额定运行点，用泰勒公式展开式(7)，并略去二阶及其以上的高阶项，可得：

对于表1中PMSG风机的参数，虚拟惯性时间常数H_dc与C_dc、ΔV_max和Δf_max的关系如图2所示。图2表明，H_dc随着C_dc和ΔV_max的增大或Δf_max的减小而增大，故可以通过调整这三个参数来增大直流电容提供的虚拟惯性。但最大允许的频率偏差值Δf_max是由电力系统中的发电机、负荷、输电网络等设备决定的。本例中交流系统为弱交流系统，故Δf_max选取为2Hz。同时还需要注意增大C_dc、V_dc0会增大变流器的成本和体积，增大ΔV_max可能带来绝缘和PWM调制问题。从图3可以看出，即使C_dc增大到400mF(通常为100mF)，ΔV_max＝0.4kV(0.2pu，通常不超过0.15pu)，直流电容提供的虚拟惯性时间常数仍然小于1s，比同步发电机的小(同发发电机的惯性时间常数通常为2s-10s)。因此需安装很大容量的直流电容来提供所需的虚拟惯性时间常数，这显然是不经济的也没有必要。图4是本发明整体协调控制示意图，包括直流惯性控制。

二、虚拟电容控制

直流惯性控制的本质是通过建立交流系统频率与直流电压的关系，当交流系统受扰频率产生偏移时，存储在直流电容中能量为交流系统提供惯性支撑。如果没有其他控制，在交流频率偏移增大的过程中，GSC会持续增加输出的功率，导致直流电压偏移的不断增加。这就需要安装更大的直流电容，但这会增加工程成本和体积。

PMSG风机转子中储存的动能远比直流电容中存储的能量多，但风机正常运行时，通常由MPPT控制，捕获最大的风能，实现经济最优，在该控制下风机不能参与电网的调频。故有必要在RSC中引入适当的控制策略，虚拟出比实际电容大的虚拟电容，为交流系统提供更大的惯性支撑。

图5为直流电容功率平衡图，对于图5中所示直流电容C_dc，存在如式(9)所示的电流与电压关系：

式中，i_in为RSC流向直流电容C_dc方向的电流，i_out为直流电容C_dc流向GSC方向的电流。

对式(9)两边同时乘以直流电压V_dc，便可以得到受到扰动时的电容电压变化与不平衡功率之间的关系：

式中P_in为RSC流向直流电容C_dc方向的功率，P_out为直流电容C_dc流向GSC方向的功率。

由式(10)可知，直流电容值越大，系统在功率扰动瞬间，电压的变化率dV_dc/dt就越小，直流电容提供的虚拟惯性越多。然而实际工程中直流电容比较小，故提供的虚拟惯性有限。

因此提出如式(11)所示的虚拟电容控制，在背靠背变流器中利用风机转子旋转动能提供一个虚拟电容，控制框图如图4中所示。

式中，P_ref为新的有功功率参考值，C_vir定义为虚拟直流电容。

当采用虚拟电容控制后，从RSC流向直流电容C_dc新的输入功率P'_in为：

将式(13)带入式(10)，用P'_in替换式(10)中的P_in，整理得

由此可知，采用虚拟电容控制后，可以认为在直流电容C_dc旁边并联了一个虚拟电容C_vir(图5中的虚线)，而且虚拟电容的大小可以根据所需的惯性而调整。

对式(8)两边对时间求导数，可得

由式(11)和(15)可以，虚拟电容控制让风机输出的附加功率与交流频率之间的耦合关系：

通常，直流电压的偏差非常小(±0.1pu之内)，故直流电压约等于额定直流电压(V_dc≈V_dc0)，式(16)可简写成

式中，H_vir为采用虚拟电容控制后，风机转子提供的虚拟惯性时间常数。

将式(6)带入式(18)，可得，

三、有功-频率下垂控制

由式(16)可知，采用虚拟电容控制后，风机输出的附加功率与交流频率变化的斜率(rate of change of frequency，ROCOF)成正比，所以在扰动初始时刻，他能提供较多的惯性支撑，但是当频率偏差最大时，ROCOF为零，附加功率也为零。

为解决这个问题，让风机持续提供功率支撑，在RSC定功率控制中引入如式(1)所示的功率-频率下垂控制，风机输出的附加功率ΔP_R如式(21)所示，控制框图如图4中所示。

ΔP_R＝-K_R(f-f₀) (21)

式中P^* _ref为风机采用有功-频率下垂控制和虚拟电容控制后新的有功参考值，K_R为下垂控制系数。

四、协调控制

图4为所提的综合协调控制图，以频率降低为例，直流惯性控制首先降低直流电压释放在存储在直流电容中的静电能。与此同时，RSC检测到直流电压降低，虚拟电容控制开始释放储存在转子中的选择动能，提供一个虚拟电容，为交流系统提供虚拟惯性支撑。随着频率偏差的增加，有功-频率下垂控制也开始释放存储在转子中的旋转动能，让PMSG风机参与交流系统的频率调节。通过上述一系列协调控制，风机可以提供像同步发电机那样提供惯性响应和一次调频服务能够有效的改善ROCOF和提高频率的最低点，改善频率的动态特性。

三、准确性验证

为验证本发明所提方法的准确性，在PSCAD/EMTDC中搭建如图1所示的PMSG风机接入弱交流电网的系统。弱交流电网由固定负荷和可切负荷组成。PMSG风机参数如表1所示。同步发电机采用七阶模型，其参数如表2所示。固定负荷为6MW+0.6Mvar，可变负荷为0.6MW+0.06Mvar。风速10.1m/s，为了制造频率扰动，10s时投入可变负荷。

表1PMSG风机主要参数

表2同步发电机主要参数

为了验证所提协调控制策略的有效性，采用5种不同的控制策略进行对比分析，如表3所示，仿真结果在图6和表3中给出。

表3不同控制策略的参数*和仿真

*参数：

直流惯性控制:C_dc＝100mF,Δf_max＝2Hz,ΔV_max＝0.1pu,H_dc＝0.105s。

虚拟电容控制:C_vir＝3810mF,H_vir＝4s。

有功-频率下垂控制l:K_R＝0.5。

*f_nadir为频率最低点。

*|ROCOF|_max为频率变化斜率绝对值的最大值。

从图6和表3可知，仿真结果表明，可变负荷突然投入，无附加控制时，PMSG风机的直流电压和转速在整个暂态过程中保持不变，风机不参与频率调节，频率下降的速率最大，频率的最低点也最大。采用虚拟电容控制，风机可以通过释放存储在直流电容中的静电能量来为交流系统提供虚拟惯性。然而，由于直流电容值相对较小，因此提供的惯性支撑有限，对频率的改善较小。Case3与Case2相比，采用虚拟电容控制，由于提供了比实际电容大很多的虚拟电容，频率下降明显变缓，但是频率最低点提升不明显。同时从图6(c)注意到在频率恢复阶段，风机转子会吸收部分功率用于转速恢复，这是因为虚拟电容输出的附加功率与ROCOF成正，这表明虚拟电容模拟的是同步发电机的惯性响应。从图6(a)、(b)注意到采用有功-频率下垂控制后，与虚拟电容相比，频率最低点提高更多，但是在扰动的初始阶段ROCOF提高并不多。此外，下垂控制输出的附加功率与频率偏差成正比，模拟同步发电机的一次调频。所提的协调控制结合了直流惯性控制、虚拟电容控制和下垂控制的优点，能够有效改善ROCOF和提高频率最低点，表明所提协调控制能够让PMSG风机提供惯性响应和一次调频服务，这对于高比例风电接入的电力系统具有重要意义。

Claims (4)

1.一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法，其特征在于，包括步骤：

对PMSG风机接入弱电网的系统，加入直流惯性控制，让风机的直流电容中储存的静电能量为交流系统提供虚拟惯性支撑；在所述直流惯性控制中，虚拟惯性时间常数H_dc和定直流电压控制参考值V^* _dc分别为：

式中，C_dc为PMSG风机的直流电容值，f₀为交流系统的额定频率，V_dc0为背靠背变流器直流电压的额定值，S_WT为风机的额定容量，Δf_max为交流频率最大允许的偏差值，ΔV_max为直流电压最大允许的偏差值，f为测量的交流频率。

2.如权利要求1所述的一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法，其特征在于，所述直流惯性控制中，定直流电压控制参考值V^* _dc替换为：

式中，C_dc为PMSG风机的直流电容值，f₀为交流系统的额定频率，V_dc0为背靠背变流器直流电压的额定值，S_WT为风机的额定容量，f为测量的交流频率，H_dc为虚拟惯性时间常数。

3.如权利要求1所述的一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法，其特征在于，还包括步骤：

加入虚拟电容控制，使得PMSG风机能够像同步发电机的惯性响应那样提供快速、瞬态的功率支撑，减缓频率变化的速率，提供大于风机实际电容的虚拟电容；

在背靠背变流器中利用风机转子旋转动能提供虚拟电容，具体为：

式中，P_ref为新的有功功率参考值，C_vir定义为虚拟直流电容，V_dc为直流电压，P_MPPT为风机由MPPT控制获得的有功功率参考值，ΔP_vir定义为PMSG风机由虚拟电容控制而输出的附加功率；

当采用虚拟电容控制后，从转子侧变流器流向直流电容C_dc新的输入功率P'_in为，

式中，P_in为加入虚拟电容控制前，转子侧变流器流向直流电容C_dc方向的功率。

4.如权利要求1或2或3所述的一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法，其特征在于，还包括步骤：

在转子侧变流器定功率控制中加入有功-频率下垂控制，使得PMSG风机提供一次调频服务，提供连续的有功功率支持；

所述有功-频率下垂控制的公式具体为：其中，风机由有功-频率下垂控制而输出的附加功率ΔP_R＝-K_R(f-f₀)；

式中，P^* _ref为风机采用有功-频率下垂控制和虚拟电容控制后新的有功参考值，K_R为下垂控制系数，P_ref为风机由加入虚拟电容控制后获得的有功功率参考值。