CN110098624A - 一种优化系统频率动态的双馈风机附加控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种优化系统频率动态的双馈风机附加控制方法及系统，方法包括获取系统频率相关指标；系统频率相关指标经过信号处理器得到频率校正信号；将频率校正信号附加在双馈风机转子侧变换器q轴控制支路中，控制双馈风机等效电压源的相角位置，使得双馈风机有助于平衡系统有功功率，抑制系统频率的变化。系统包括系统频率校正信号产生模块，用于构成频率校正信号；系统频率响应优化模块，用于利用所述频率校正信号附加到双馈风机转子侧变换器q轴控制支路中，优化系统频率的动态过程。本发明通过在无功支路上附加频率矫正信号来优化系统频率动态特性，不会对双馈风机的机械系统造成冲击，在实现调节的同时避免了对装备的负面影响。

Description

一种优化系统频率动态的双馈风机附加控制方法及系统
技术领域
本发明属于电力系统频率稳定控制领域，更具体地，涉及一种优化系统频率动态的双馈风机附加控制方法及系统。
背景技术
近年来，随着风力发电在电力系统中的比例日益升高，已经逐渐成为决定系统动态行为的核心因素，而控制器是决定风力发电机动态特性的核心因素。
频率动态问题主要是研究系统在大的负荷或故障扰动等情况下，系统频率能否在接受范围之内。系统频率变化的快慢由系统总惯量决定。双馈风机作为一种广泛使用的风机类型，在经典控制下对系统惯量的贡献几乎为零。因此为了抑制含大规模双馈风机电网电压的频率变化率增加，一种有效的措施是改进风力发电机的控制，使其具备惯性支撑的能力。其中一种改进控制的思路是增加附加控制。
现有的附加控制设计思路均来源于同步发电机的转子运动，不平衡有功功率与频率变化率之间的比值即为惯量。基于这个基本思想，利用电网频率的变化率信号调节双馈风机的有功功率指令或有功电流指令，让双馈风机产生额外的有功功率或电磁转矩就可以控制双馈风机在系统动态过程中提供惯性响应。但在动态过程中，改变双馈风机的有功功率或有功电流指令不可避免地会对风机的机械系统造成冲击。除此之外，不同于同步机，双馈风机内电势的频率变化不只与有功功率有关，因此完全借鉴同步机转子运动的基本思想设计附加控制器存在一定的局限性。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种优化系统频率动态的双馈风机附加控制方法及系统，旨在解决现有技术局限于改变有功功率或有功电流指令信号，对风机机械系统造成冲击的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种优化系统频率动态的双馈风机附加控制方法，包括：
通过双馈风机锁相环作为频率测量装置获取系统频率相关指标；
系统频率相关指标经过信号处理器得到频率校正信号；
将频率校正信号附加在双馈风机转子侧变换器q轴控制支路中,双馈风机等效的电压源弥补系统有功功率缺额，抑制系统频率的变化。
其中，由于双馈风机的内电势的相位受转子侧变换器d,q轴控制支路耦合影响，因此只改变q轴控制信号就可以改变内电势的相位。在系统发生频率变化时，合理的频率矫正信号可以使内电势向有助于抑制频率变化的方向运动，系统频率动态过程得到优化。
优选地，系统频率相关指标包括系统频率f、系统频率变化Δf或者系统频率变化率
优选地，信号处理器包括增益放大器、高通滤波器或者补偿矫正器。
优选地，频率校正信号fctrl为：
fctrl＝k1Δf或或
其中，Δf为系统频率变化，f是系统频率，为系统频率变化率，k1为增益放大器参数，k2、k3为高通滤波器参数，s为微分算子；当无频率变化时，即Δf＝0时，所述频率校正信号处于非工作状态，当频率发生变化时，即Δf≠0时，所述频率校正信号处于工作状态。
优选地，双馈风机转子侧变换器q轴控制支路为端电压控制支路、无功功率控制支路、无功电流控制支路中的任一支路。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述优化系统频率动态的双馈风机附加控制方法的系统，包括：
系统频率校正信号产生模块，用于利用系统频率相关指标构成频率校正信号；
系统频率响应优化模块，用于利用频率校正信号附加到双馈风机转子侧变换器q轴控制支路中，优化系统频率的动态过程。
优选地，频率校正信号通过所述系统频率相关指标通过增益放大、滤波或者微分得到。
优选地，优化系统频率的动态过程通过将所述频率校正信号附加在双馈风机的无功支路中得到。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明区别于在并网变换器的有功功率/有功电流指令上附加频率矫正信号，通过在端电压/无功功率/无功电流指令上附加频率矫正信号来优化系统频率动态特性的方法不会对双馈风机的机械系统造成冲击，在实现调节的同时避免了对装备的负面影响；
2、本发明通过在并网变换器的端电压/无功功率/无功电流指令上附加频率矫正信号来优化系统频率动态特性的方法，可以在不改变双馈风机有功功率指令的情况下，改善系统在遭受大的负荷扰动或故障时的频率动态过程，一方面减小频率波动的幅度，另一方面减缓频率波动的速度，从而使系统频率维持在合理的运行区间。
附图说明
图1是本发明提供的优化系统频率动态的双馈风机附加控制框图；
图2是本发明实施例提供的含双馈风机的三机系统结构示意图；
图3是本发明实施例提供的双馈风机附加控制框图；
图4是本发明实施例提供的双馈风机附加控制原理图；
图5是本发明实施例提供的双馈风机附加控制结果比较图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种优化系统频率动态的双馈风机附加控制方法，包括：
通过双馈风机锁相环作为频率测量装置获取系统频率相关指标；
系统频率或变化的指标通过信号处理器得到频率校正信号；
将频率校正信号附加在双馈风机转子侧变换器q轴控制支路中,双馈风机等效的电压源弥补系统有功功率缺额，抑制系统频率的变化。
其中，由于双馈风机的内电势的相位受转子侧变换器d,q轴控制支路耦合影响，因此只改变q轴控制信号就可以改变内电势的相位。在系统发生频率变化时，合理的频率矫正信号可以使内电势向有助于抑制频率变化的方向运动，系统频率动态过程得到优化。
具体地，系统频率相关指标包括系统频率f、系统频率变化Δf或者系统频率变化率
具体地，信号处理器包括增益放大器、高通滤波器或者补偿矫正器。
具体地，频率校正信号fctrl为：
fctrl＝k1Δf或或
其中，Δf为系统频率变化，f是系统频率，为系统频率变化率，k1为增益放大器参数，k2、k3为高通滤波器参数，s为微分算子；当无频率变化时，即Δf＝0时，所述频率校正信号处于非工作状态，当频率发生变化时，即Δf≠0时，所述频率校正信号处于工作状态。
具体地，双馈风机转子侧变换器q轴控制支路为端电压控制支路、无功功率控制支路、无功电流控制支路中的任一支路。
图1为本发明所设计的双馈风机附加控制框图，该附加控制可适用于采取端电压或无功功率控制的双馈风机，附加信号可施加在q轴控制支路的任一支路上。
图2为本发明实施例应用于含双馈风电场的三机系统结构示意图，实际应用并不限于此结构和此参数；其中1，2为同步发电机组，3为由一台双馈风机等值的双馈风电场，4～6为发电设备并网变压器，7～12为负荷1至负荷6,13为附加负荷，在100s时投入，14～19为π型等效线路。
图3为本发明实施例提供的优化系统频率动态的双馈风机的转子侧变流器q轴控制支路及所设计的附加控制环节，双馈风机采取端电压控制，附加控制以实际系统频率与额定系统频率之间的差值作为输入，输出的附加信号附加在端电压指令上。
图4本发明实施例提供的附加控制方式的原理，图中xy为正交的以系统额定频率旋转的坐标系，在系统稳定运行时，双馈风机端电压U0与x轴重合，内电势E0与x轴夹角为δ0当附加负荷13突然投入时时，系统发生有功功率缺额时，系统频率下降，双馈风机端电压旋转矢量减速，由初始的U0移动至U。在无q轴支路附加控制时，两者夹角维持δ0不变，等效内电势随端电压减速而减速，由初始的E0移动至E。q轴支路的附加控制可以通过调节内电势相角δ，使得内电势维持在原来的位置EC，而不随端电压的减速而减速。此时，内电势与端电压夹角变大，使得双馈风机等效的电压源输出更多的有功功率，弥补系统有功功率缺额，抑制系统频率的变化，实现优化系统频率的效果。
图5为加入双馈风机附加控制与未加入双馈风机附加控制时，动态过程中系统频率的变化曲线。其中扰动为在100s负荷3处突然增加15MW的有功功率负荷。可见所设计的附加控制能够有效减小动态过程中系统频率变化率及变化幅度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种优化系统频率动态的双馈风机附加控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取系统频率相关指标；
所述系统频率相关指标经过信号处理器得到频率校正信号；
将所述频率校正信号附加在双馈风机转子侧变换器q轴控制支路中，控制双馈风机等效电压源的相角位置，使得双馈风机有助于平衡系统有功功率，抑制系统频率的变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述系统频率相关指标包括系统频率、系统频率变化或者系统频率变化率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号处理器包括增益放大器、高通滤波器或者补偿矫正器。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率校正信号fctrl为：
fctrl＝k1Δf或或
其中，Δf为系统频率变化，f是系统频率，为系统频率变化率，k1为增益放大器参数，k2、k3为高通滤波器参数，s为微分算子；当系统频率无变化时，所述频率校正信号处于非工作状态，当系统频率发生变化时，所述频率校正信号处于工作状态。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双馈风机转子侧变换器q轴控制支路为端电压控制支路、无功功率控制支路、无功电流控制支路中的任一支路。
6.一种基于权利要求1至5任一项所述的方法的系统，其特征在于，包括：
系统频率校正信号产生模块，用于利用系统频率相关指标构成频率校正信号；
系统频率响应优化模块，用于利用所述频率校正信号附加到双馈风机转子侧变换器q轴控制支路中，优化系统频率的动态过程。
7.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述频率校正信号通过所述系统频率相关指标通过增益放大、滤波或者微分得到。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述优化系统频率的动态过程通过将所述频率校正信号附加在双馈风机的无功支路中得到。
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