CN110071526A - 一种pmsg风机参与电网频率调节的自适应下垂控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PMSG风机参与电网频率调节的自适应下垂控制方法，包括：在传统RSC定功率控制中引入式所示的功率‑频率下垂控制，风机根据频率波动来存储或者释放转子旋转的动能，模拟同步发电机的一次调频；确定下垂系数K_d。本发明根据电网频率和风机自身的运行状态自动调节下垂系数；当中高风速时风机调频能力强，在满足频率调节的同时，减小风机偏移MPPT点，减少风能的损失，提高风能利用效率；当中低风速时，风机的调频能力弱，引入转速影响因子限制风机参与调频，能够避免风机过度利用动能参与调频而导致的停机脱网事故。

Description

一种PMSG风机参与电网频率调节的自适应下垂控制方法

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，特别是一种PMSG风机参与电网频率调节的自适应下垂控制方法。

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，永磁直驱风机(permanentmagnet synchronous generator，PMSG)通过电力电子变流器接入电网，而且为了捕获最大的风能，PMSG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。

有功-频率下垂控制在风机中广泛采用，它引入频率的偏差作为输入信号，其输出的附加功率与频率偏差成正比，可以让风机提供一次调频服务。然而当风机调频时，会使得风机偏离MPPT运行点，这必然会导致转速的改变。无论转速上升还是下降，风机捕获的风能都会减少(Li Y，Xu Z，Wong K P.Advanced control strategies of PMSG based windturbines for system inertia support.IEEE Transactions on Power Systems，2017)。此外，风机的调频能力与当前风速密切相关，风速大时转速高，可以释放的转子旋转动能多，提供一次调频的能力大；风速小时，风机的调频能力有限，若下垂系数设置过大可能会导风机在转速恢复过程中给频率带来二次扰动，而且过度释放转子的动能容易导致风机因转速低而被迫切除(刘巨，姚伟，文劲宇等.大规模风电参与系统频率调整的技术展望.电网技术，2014)。显然，下垂系数的选取尤为重要；设置太小，不能满足调频需求，设置过大，会严重影响风机的正常运行；较小的频率波动，会使风机偏移MPPT点很多，捕获的风能也会减少更多，经济性变差。然而现有研究大多都采用固定下垂系数，不适用于所有工况。因此研究PMSG风机参与电网频率调节的自适应下垂控制具有重要工程意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种PMSG风机参与电网频率调节的自适应下垂控制方法，针对PMSG风机接入弱电网的系统，让PMSG风机在满足调频需求的同时尽量减少损失的风能，以及避免风机过度利用动能而导致的停机脱网。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种PMSG风机参与电网频率调节的自适应下垂控制方法，包括以下步骤：

步骤1：在传统RSC定功率控制中引入下式所示的功率-频率下垂控制，风机根据频率波动来存储或者释放转子旋转的动能，模拟同步发电机的一次调频；

式中，P^* _ref为风机引入有功-频率下垂控制后新的有功参考值，P_MPPT为风机由MPPT控制获得的有功功率参考值，f₀为交流系统的额定频率，f为测量的交流频率，K_d为下垂系数；

步骤2：确定下垂系数K_d，所述下垂系数K_d的表达式如下式所示；

式中，|Δf|为频率偏差绝对值，Δf^d _min为频率偏差绝对值的最小值，Δf^d _max为频率偏差绝对值的最大值，K_min为下垂系数的最小值，K_max为下垂系数的最大值。

进一步的，所述下垂系数的最小值K_min设置为零。

进一步的，所述步骤2替换为：确定下垂系数K_d，所述下垂系数K_d的表达式如下式所示；

式中，|Δf|为频率偏差绝对值，Δf^d _min为频率偏差绝对值的最小值，Δf^d _max为频率偏差绝对值的最大值，K_min为下垂系数的最小值，K_max为下垂系数的最大值。

进一步的，还包括步骤3：引入转速影响因子ξ，所述转速影响因子ξ如下式所示；

式中，ω₁为风机不参与频率调节对应的最大转速，ω₂为开始限制风机参与频率调节对应的转速，ω_r为风机转速；引入转速影响因子ξ后，风机新的下垂系数为：

K′_d＝ξ·K_d

进一步的，所述步骤3替换为：引入转速影响因子ξ，所述转速影响因子ξ如下式所示；

式中，ω₁为风机不参与频率调节对应的最大转速，ω₂为开始限制风机参与频率调节对应的转速，ω_r为风机转速；引入转速影响因子ξ后，风机新的下垂系数为：

K′_d＝ξ·K_d

与现有技术相比，本发明的有益效果是：自适应下垂控制能根据电网频率和风机自身的运行状态自动调节下垂系数；当中高风速时，风机调频能力强，在满足频率调节的同时，该下垂控制能减小风机偏移MPPT点，减少风能的损失，提高风能利用效率。当中低风速时，风机的调频能力弱，该下垂控制引入转速影响因子限制风机参与调频，能够避免风机过度利用动能参与调频而导致的停机脱网事故。

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是下垂系数随频率偏差变化的控制特性；

图3是转速影响因子的控制特性；

图4是自适应下垂控制框图；

图5是中高风速时不同控制方式下系统的响应；

图6是中低风速时不同控制方式下系统的响应。

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。

采用如图1所示的PMSG风机接入弱交流电网的系统仿真模型，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)控制无功功率和风机输出的功率，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、功率-频率下垂控制

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，但该控制下风机不能参与电网的调频。通过在RSC定功率控制中引入如式(1)所示的功率-频率下垂控制，风机能够根据频率波动来存储或者释放转子旋转的动能，模拟同步发电机的一次调频。

式中，P^* _ref为风机引入有功-频率下垂控制后新的有功参考值，P_MPPT为风机由MPPT控制获得的有功功率参考值，f₀为交流系统的额定频率，f为测量的交流频率，K_d为下垂系数。

二、自适应下垂控制

当风机提供一次调频服务时，会使得风机偏离MPPT运行点，这必然会导致转速的改变，无论转速上升还是下降，风机捕获的风能都会减少。此外，风机的调频能力与当前风速密切相关，风速大时转速高，可以释放的转子旋转动能多，提供一次调频的能力大；风速小时，风机的调频能力有限，若下垂系数设置过大可能会导风机在转速恢复过程中给频率带来二次扰动，而且过度释放转子的动能容易导致风机因转速低而被迫切除。显然，下垂系数的选取尤为重要；设置太小，频率调节能力不足，设置过大，会严重影响风机的正常运行，较小的频率波动，会使风机偏移MPPT点很多，捕获的风能也会减少更多，经济性变差。本发明根据频率偏差大小和风机的转速而自动调整下垂系数，追求以下两个目标：

1)满足频率调节的要求同时，应尽量减小风机偏移MPPT点，减少损失的风能，提高风能利用效率；

2)在低风速时，应限制风机参与调频的能力，不能让风机因其参与频率调节导致转速过低而被迫切除。

频率偏差小时，说明系统的不平衡功率小，需要风机提供的附加功率少，此时，可将下垂系数设置为较小的值，反之频率偏差大时，说明电网自身调频能力不足，需要风机提供的附加功率多，下垂系数应设置较大的值。为了实现目标1)，设计下垂系数跟随频率偏差变化的自适应下垂控制，下垂系数表达式为式(2)所示，其特性如图2所示。

式中，|Δf|为频率偏差绝对值，Δf^d _min为频率偏差绝对值的最小值，Δf^d _max为频率偏差绝对值的最大值，K_min为下垂系数的最小值，K_max为下垂系数的最大值。

图2中，K_min可以设置为零，表示当|Δf|<Δf^d _min时，风机不参与频率调节。为保证风机的稳定运行，下垂系数不应过大，当|Δf|>Δf^d _max时，需要对下垂系数进行限制，使其不超过风机允许的最大值K_max。式(2)为分段函数，控制器不易设计，可将其改写为式(3)。

为实现目标2)，引入如式(4)所示的转速影响因子，其特性如图3所示。

式中，ω₁为风机不参与频率调节对应的最大转速，转速低于或等于这个值，风机将不参与频率调节；ω₂为开始限制风机参与频率调节对应的转速，风机转速大于这个值，将不会限制风机参与频率调节；，ω_r为风机转速。

式(4)为分段函数，可改写为式(5)。

引入转速影响因子后，风机新的下垂系数为：

K′_d＝ξ·K_d (6)

图4为自适应下垂控制的控制框图。当转速大于ω₂时，转速影响因子ξ为1，自适应下垂系数仅仅与交流频率有关，下垂系数根据频率偏差按照图6所示的特性变化；当风机转速低于ω₂时，转速影响因子ξ开始起作用，限制风机参与频率调节，转速越低，ξ越小，当转速等于或者小于ω₁时，ξ为零，风机将不会参与频率调节。目标2)的优先级高于目标1)，通常PMSG风机运行时，其转速变化范围为0.6-1.4p.u.。ω₁要比最小允许转速略高，目的是留有一定的稳定裕度；ω₂应比ω₁高0.05–0.1p.u.，目的是留有一定的限制调频的转速裕度。现有技术指出风机转子转速最低值应保持在0.7p.u.以上，当转速低于0.7p.u.时，风机不再参与系统频率控制，因此可以设置ω₁＝0.7p.u.，ω₂＝0.75p.u.。

三、准确性验证

为验证本发明PMSG风机参与电网频率调节的自适应下垂控制方法的准确性，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8MW+0.8Mvar，可变负荷为0.4MW+0.04Mvar；自适应下垂控制参数：Δf^d _min＝0.2Hz，Δf^d _max＝0.5Hz，K_min＝0.2MW/Hz，K_max＝1MW/Hz，ω₁＝0.7p.u.，ω₂＝0.75p.u.。为制造频率扰动，10s时投入可变负荷。

采用频率变化率绝对值的最大值|ROCOF|_max、频率最低值f_nadir和扰动后的稳定频率f_final作为评估恒定风速下所提控制方法的性能。|ROCOF|_max和f_nadir可以表示频率的动态特性，f_final可以表示扰动后频率的稳态特性。

表1 PMSG风机主要参数

表2同步发电机主要参数

为了验证所提自适应下垂控制的有效性，采用5种不同的控制方式进行对比分析，分别为：Case1：无附加控制；Case2：下垂系数最大K_max的下垂控制；Case3：下垂系数最小K_min的下垂控制；Case4：所提的自适应下垂控制；Case5：仅考虑频率偏差而不引入转速影响因子ξ的自适应下垂控制。图5为10.2m/s的中高风速下系统的响应对比图，该风速下的频率响应特性如表3所示。图6为6.4m/s的中低风速下系统的响应对比图，该风速下的频率响应特性如表4所示。图5(c)和6(c)中面积S₁(Case1的曲线与Case3的曲线围成的面积)表示下垂系数取K_min时PMSG风机因参与频率调节损失的风能；面积S₂(Case1的曲线与Case4的曲线围成的面积)表示所提自适应下垂控制而损失的风能；面积S₃(Case1的曲线与Case2的曲线围成的面积)表示下垂系数取K_max时损失的风能；面积S₄(Case1的曲线与Case5的曲线围成的面积)表示仅考虑频率偏差而不引入转速影响因子ξ的自适应下垂控制损失的风能。特别的，在图5(c)中，由于风机转速大于ω₁，转速影响因子ξ为1，Case4和Case5曲线重合，因此，S₄＝S₂。

表3中高风速时不同控制方式下频率的响应特性

表4中低风速时不同控制方式下频率的响应特性

中高速风速时，由于PMSG风机转速大于ω₂，转速影响因子ξ不会限制风机参与频率调节，此时自适应下垂系数仅与频率偏差有关。从图5和表3可以看出下垂系数越大，f_nadir提升越明显，但PMSG风机转速下降更多，这是因为下垂系数越大利用风机转子动能越多。转速下降后，导致风机捕获的风能减少，由图5(c)可以看出，当下垂系数取最大K_max时，损失的风能最多，为51.0848×10^-3MW·s(面积S₃)。采用本发明所提的自适应下垂控制，从图5(e)可以观察到下垂系数随着频率偏差而调整，频率偏差越大，下垂系数越大，风机提供的额外功率越多，频率偏差减小，下垂系数也随着减小，提供的额外功率也随着减少。此外，从图5(c)可以看出，自适应下垂控制损失的风能为11.8519×10^-3MW·s(面积S₂)，明显小于K_max时损失的风能(面积S3＝51.0848×10^-3MW·s)。虽然自适应下垂控制损失的风能比K_min时的3.1917×10^-3MW·s(面积S₁)多，但自适应下垂控制相对K_min的f_nadir提高了0.0574Hz，仅仅比K_max的低0.0241Hz。

中低风速下，当PMSG风机转速小于ω₂时，转速影响因子ξ开始限制风机参与频率调节，此时自适应下垂系数不仅与频率偏差有关，还与风机自身的转速有关。与之前分析类似，下垂系数越大，f_nadir提升越明显，风机转速下降越多，捕获的风能减小越多。从图6可以看出，转速低时，风机参与调频的能力明显减弱。若下垂系数仍然取K_max，虽然在频率降低阶段可以增加输出的附加功率，但是转速下降至了0.6341p.u.，风机存在停机脱网的风险；此外，在转速恢复过程中，风机输出的额外功率减少更多，给频率带来二次扰动，频率达到稳定值所需的时间更长。控制方法Case4与Case5相比，加入了转速影响因子ξ，虽然调频能力减弱了，但是风机转速没有低于0.7p.u.(ω₁)，且损失的风能最小，为19.7524×10^-3MW·s(面积S₂)，比下垂系数取K_min时的36.4498×10^-3MW·s(面积S₁)还小。但这并不意味着所提的自适应下垂控制的调频能力比下垂系数取K_min时低。从图6(a)、(b)、(e)可以看出，在频率偏差增大过程中，下垂系数大于0.2MW/Hz(K_min)，输出的额外功率比K_min的多，故自适应下垂控制的f_nadir比K_min的f_nadir高。

因此自适应下垂控制能根据电网频率和风机自身的运行状态自动调节PMSG风机参与调频的能力。当风机转速高时(大于ω₂)，转速影响因子ξ不起作用，自适应下垂系数仅根据频率偏差调整，在满足频率调节的同时，尽量减小风机偏移MPPT点，减少风能的损失，提高风能利用效率。当转速低于ω₂时，转速影响因子ξ限制风机参与调频，避免风机过度利用动能而导致的停机脱网事故。

Claims (5)

1.一种PMSG风机参与电网频率调节的自适应下垂控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在传统RSC定功率控制中引入式(1)所示的功率-频率下垂控制，风机根据频率波动来存储或者释放转子旋转的动能，模拟同步发电机的一次调频；

式中，P^* _ref为风机引入有功-频率下垂控制后新的有功参考值，P_MPPT为风机由MPPT控制获得的有功功率参考值，f₀为交流系统的额定频率，f为测量的交流频率，K_d为下垂系数；

步骤2：确定下垂系数K_d，所述下垂系数K_d的表达式如式(2)所示；

式中，|Δf|为频率偏差绝对值，Δf^d _min为频率偏差绝对值的最小值，Δf^d _max为频率偏差绝对值的最大值，K_min为下垂系数的最小值，K_max为下垂系数的最大值。

2.如权利要求1所述的一种PMSG风机参与电网频率调节的自适应下垂控制方法，其特征在于，所述下垂系数的最小值K_min设置为零。

3.如权利要求1所述的一种PMSG风机参与电网频率调节的自适应下垂控制方法，其特征在于，所述步骤2替换为：确定下垂系数K_d，所述下垂系数K_d的表达式如式(3)所示；

式中，|Δf|为频率偏差绝对值，Δf^d _min为频率偏差绝对值的最小值，Δf^d _max为频率偏差绝对值的最大值，K_min为下垂系数的最小值，K_max为下垂系数的最大值。

4.如权利要求1或2或3所述的一种PMSG风机参与电网频率调节的自适应下垂控制方法，其特征在于，还包括步骤3：引入转速影响因子ξ，所述转速影响因子ξ如式(4)所示；

式中，ω₁为风机不参与频率调节对应的最大转速，ω₂为开始限制风机参与频率调节对应的转速，ω_r为风机转速；

引入转速影响因子ξ后，风机新的下垂系数为：

K′_d＝ξ·K_d。

5.如权利要求4所述的一种PMSG风机参与电网频率调节的自适应下垂控制方法，其特征在于，所述步骤3替换为：引入转速影响因子ξ，所述转速影响因子ξ如式(5)所示；

式中，ω₁为风机不参与频率调节对应的最大转速，ω₂为开始限制风机参与频率调节对应的转速，ω_r为风机转速；

引入转速影响因子ξ后，风机新的下垂系数为：

K′_d＝ξ·K_d。