CN110120677A - 双馈可变速抽水蓄能机组的自适应动态虚拟惯量调频方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双馈可变速抽水蓄能机组的自适应动态虚拟惯量调频方法，适应于含有可变速抽水蓄能机组和风力发电机组的联合孤岛系统，通过惯性控制启动模块来启动可变速抽水蓄能机组惯性响应；通过检测频率偏差值变化率dΔf/dt，引入修正因子α改变控制系数，自动控制机组的有功输出，实现双馈可变速抽水蓄能机组对电网提供动态频率支撑；通过惯性控制停止模块来停止可变速抽水蓄能机组惯性响应；当系统频率事故发生时，较传统下垂控制和固定参数虚拟惯量控制，该发明通过动态补偿双馈变流器机侧参考功率，能有效提高系统频率跌落最低点、降低频率下跌速度，减小频率达到稳定的时间，具备对电力系统更好的惯性支撑能力和一次调频响应能力。

Description

双馈可变速抽水蓄能机组的自适应动态虚拟惯量调频方法

技术领域

本发明属于电力系统运行与控制技术领域，具体涉及一种含有可变速海水抽水蓄能机组和风力发电机组的联合孤岛系统的双馈可变速抽水蓄能机组的自适应动态虚拟惯量调频方法。

背景技术

近年来新能源发电技术得到快速发展，但新能源出力间歇性和波动性的特点降低了电力系统频率稳定性。当前，具有调峰填谷、调频调相、事故备用等多种功能的抽水蓄能系统，是确保电力系统安全稳定运行最经济有效的手段之一。

基于双馈控制技术的可变速抽水蓄能机组，相比于传统的同步发电机，具有控制灵活、响应迅速等优点。然而双馈变流器的功率解耦控制特性，使得可变速抽水蓄能机组中双馈电机的转子不能响应电网频率变化，对系统惯量贡献为零。为使可变速抽水蓄能机组能够像传统同步发电机一样自动参与系统频率调节，提高应对大规模新能源接入系统导致频率波动的能力，已有研究证明，对双馈机组施加虚拟惯量控制，能够有效提高系统频率稳定性。

现有方法的虚拟惯量控制多采用比例微分控制器，将微分控制环节和有功/频率下垂控制环节相结合，将控制指令叠加在机组的功率参考上。将虚拟惯量引入到双馈风机的控制中，使双馈风机能响应系统频率变化，提高系统的整体惯量。然而现有大量虚拟惯量控制的方法主要针对双馈风机，少量方法仅涉及到可变速抽水蓄能机组的虚拟惯量控制策略的可行性分析和建模。而已有的可变速抽水蓄能机组虚拟惯性控制方法也存出一些缺点。首先采用df/dt控制环节的虚拟惯性控制会存在负阻尼问题。其次采用固定控制系数的虚拟惯性控制，机组能在负荷扰动时模拟同步机组惯量特性，提供短时功率支撑，减缓系统频率下跌的速度，但忽视了机组运行工况的变化，不能充分利用可变速抽水蓄能机组的实时可用容量来发挥可变速抽水蓄能机组转速可调范围大的优点。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种双馈可变速抽水蓄能机组的自适应动态虚拟惯量调频方法。

本发明所采用的技术方案是：通过惯性控制启动模块来启动可变速抽水蓄能机组惯性响应；通过检测频率偏差值变化率dΔf/dt，引入修正因子α改变控制系数，自动控制机组的有功输出，实现双馈可变速抽水蓄能机组对电网提供动态频率支撑；通过惯性控制停止模块来停止可变速抽水蓄能机组惯性响应。

具体技术方案是：

一种双馈可变速抽水蓄能机组的自适应动态虚拟惯量调频方法，适应于含有可变速海水抽水蓄能机组和风力发电机组的联合孤岛系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1:当电力系统正常运行时，系统频率保持稳态同步,惯性控制启动条件不满足，双馈机组侧附加功率△P＝0，功率控制器输出值稳态电磁功率参考值P₀，此时水轮机调速器输出最优转速参考值，双馈可变速抽水蓄能机组工作在恒定功率状态；

步骤2:当电力系统发生功率缺额时，系统频率发生变化，通过设置系统频率偏差和频率变化率判断条件启动自适应动态虚拟惯性响应,启动自适应动态虚拟惯性响应的过程为:

当电力系统发生功率缺额时，频率发生变化，频率偏差和频率微分增大，当满足式1时，自适应虚拟惯性控制启动:

上式中，△f和d△f/dt分别为系统频率偏差和频率变化率，T_△f和Td_△f/dt分别为频率偏差启动阀值和频率变化率启动阀值；

步骤3:当步骤2满足时，通过设置系统频率微分判断区间，动态改变修正因子，改变虚拟惯量控制系数，动态输出附加电磁功率△P，总的电磁功率参考值为P_ref，双馈可变速抽水蓄能机组经过变流器模块和发电机模块跟踪响应P_ref并输出有功功率,其中，

修正因子α改变的算法为式2:

上式中，α₁为固定值，k为比例系数，K₁和K₂为dΔf/dt的区间值；

附加电磁功率△P为式3:

上式中K_p、K_d分别为虚拟惯量控制的比例系数和微分系数；

总电磁功率参考值P_ref为式4:

步骤4:当系统频率随着自适应动态虚拟惯性响应的进行恢复到稳定值时，系统通过设置的惯性控制的系统频率微分判断区间停止惯性响应，此时双馈可变速抽水蓄能机组转速逐渐恢复到稳定值，机组回到恒定功率状态，停止惯性响应的过程为:

当系统频率恢复到稳定值时，频率偏差保持稳定，频率微分接近于0，当满足式5时，自适应虚拟惯性控制停止:

上式中，Td_△f/dt为频率变化率停止阀值。

与现有的传统下垂控制和固定参数虚拟惯量控制技术相比，本发明的有益效果是：1、当系统频率事故发生时，该发明通过动态补偿双馈变流器机侧参考功率，能有效提高系统频率跌落最低点、降低频率下跌速度，减小频率达到稳定的时间，具备对电力系统更好的惯性支撑能力和一次调频响应能力；2、本发明无自激振荡问题，在稳定运行约束范围内更有力地对电网提供动态功率支撑，降低频率下跌速度，具备对电力系统更好的惯性支撑能力；3、本发明通过动态补偿双馈变流器机侧参考功率，有效提高系统频率跌落最低点、减小频率达到稳定的时间，具备更灵活一次调频响应能力。

附图说明

图1为发电模式下双馈可变速抽水蓄能机组结构图。

图2为虚拟惯量控制环节。

图3为含双馈可变速抽水蓄能机组的孤岛系统模型图。

图4为自适应动态虚拟惯量控制策略修正因子变化曲线。

图5为自适应动态虚拟惯量控制和固定系数虚拟惯量控制的机组频率和功率响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

发电模式下双馈可变速抽水蓄能机组结构如图1所示。双馈电机根据功率参考指令，采用定子磁链定向控制实现对电磁功率的控制；水泵水轮机根据机组参考功率P*和水头H*计算最优转速n_r*，通过调速器对机械导叶的调节实现对机组转速的控制。其中，P_ref为机侧有功给定；Q_ref、Q_g分别为机侧、网侧无功给定；U_dc为直流母线电压；ΔP为控制策略附加功率。

通过在双馈可变速抽水蓄能机组转子侧变流器有功参考值上附加ΔP，系统频率变化时释放存储在转子内的动能来主动响应系统频率变化，即可模拟常规发电机的频率响应特性，增大系统惯性。虚拟惯量控制环节如图2所示。其中，f为系统频率，f_ref为额定频率，Δf为频率偏差，P_ref为转子侧变流器有功参考，K_p、K_d分别为比例和微分系数。

双馈可变速抽水蓄能机组的自适应动态虚拟惯量调频方法，包括以下步骤：

步骤1:当电力系统正常运行时，系统频率保持稳态同步,惯性控制启动条件不满足，双馈机组侧附加功率输出△P＝0，功率控制器输出值稳态电磁功率参考值Po，此时速度控制器输出最优转速参考值，双馈可变速抽水蓄能机组工作在恒定功率状态；

步骤2:当电力系统发生功率缺额时,系统频率发生变化，频率偏差和频率微分增大，通过设置系统频率偏差判断条件启动自适应动态虚拟惯性响应，当满足式壹时，自适应虚拟惯性控制启动:

上式中，△f和d△f/dt分别为系统频率偏差和频率变化率，T_△f和Td_△f/dt分别为频率偏差启动阀值和频率变化率启动阀值。

根据式壹，自适应动态虚拟惯性控制启动条件为频率变化率和频率偏差达到启动阀值。为区别于系统正常运行时频率扰动，设置Td_△f/dt＝0.01Hz/s，T_△f＝0.02Hz；

步骤3:当步骤2满足时，惯性控制启动后，进入惯性响应过程，通过设置系统频率微分判断区间动态改变修正因子α，

修正因子α改变的算法为式贰:

上式中，α1为固定值，k为比例系数，K₁和K₂为dΔf/dt的区间值；K₁是为了避免测量带来的误差导致的系数振荡，保证稳态时系统的稳定性，K₂是为了限制dΔf/dt过大导致的机组过度响应，造成功率振荡。

通过改变修正因子改变虚拟惯量控制系数，动态输出附加电磁功率△P，附加电磁功率△P为式叁:

上式中K_p、K_d分别为虚拟惯量控制的比例系数和微分系数；

总的电磁功率参考值为P_ref,双馈可变速抽水蓄能机组经过变流器模块和发电机模块跟踪响应该值并输出有功功率；总电磁功率参考值为式肆:

步骤4:，当系统频率随着自适应动态虚拟惯性响应的进行恢复到稳定状态时，频率偏差保持稳定，频率微分接近于0，当满足式伍时，自适应虚拟惯性控制停止:

上式中，Td_△f/dt为频率变化率停止阀值。

双馈可变速抽水蓄能机组转速逐渐恢复，机组回到恒定功率状态。

在Matlab/Simulink中搭建了含100MW风电场G₁、10MW小型柴油机G₂、2台100MW双馈可变速抽水蓄能电站G₃和G₄及负荷L₁和L₂的孤网运行电力系统，如图3所示。

仿真事件设置为：初始运行时接入负荷100MW，风速保持10m/s不变，系统稳定运行。在1s时，20MW冲击负荷投入，导致频率下降，分别对双馈可变速抽水蓄能机组采用小惯量控制、自适应动态虚拟惯量控制和大惯量控制；

修正因子α变化曲线如附图4所示。α经历了从迅速增大到逐渐衰减至稳态的动态过程，在频率下跌阶段dΔf/dt迅速增大，虚拟惯量控制迅速响应，通过增大α来补偿功率给定值，进而增大系统虚拟惯量。频率下跌到最低点后进入频率稳定阶段，dΔf/dt较小，通过减小α来减小等效惯量使得频率快速稳定。趋于稳定阶段，dΔf/dt接近0，α趋向于1，虚拟惯量控制响应过程结束。

采用固定系数虚拟惯量控制和自适应动态虚拟惯量控制的频率和功率响应曲线如图5所示。其中，三种惯量控制的比例系数K_p都为1/0.05，小惯量微分系数K_d1＝15，大惯量微分系数K_d2＝30，自适应动态虚拟惯量控制微分系数K_d3＝15；频率初始下跌阶段(t＝1s-4.5s)，小惯量策略机组最大出力为29.5MW，自适应动态虚拟惯量控制，机组出力为34MW，增加了15.25％；自适应动态虚拟惯量控制为系统提供了更大的瞬时有功支撑，对系统频率下跌的抑制效果更明显，效果接近大惯量控制；频率从频率最低点恢复到稳定值阶段(t＝4.5s-10s)，大惯量策略频率最低值为49.73Hz，自适应动态虚拟惯量控制方法将FN提高到了49.76Hz；通过动态减小惯量，避免了机组过度响应而产生的振荡，同时频率调整时间变短，加速了系统频率的恢复。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种双馈可变速抽水蓄能机组的自适应动态虚拟惯量调频方法，适应于含有可变速海水抽水蓄能机组和风力发电机组的联合孤岛系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1:当电力系统正常运行时，系统频率保持稳态同步,惯性控制启动条件不满足，双馈机组侧附加功率△P＝0，功率控制器输出值稳态电磁功率参考值P₀，此时水轮机调速器输出最优转速参考值，双馈可变速抽水蓄能机组工作在恒定功率状态；

步骤2:当电力系统发生功率缺额时，系统频率发生变化，通过设置系统频率偏差和频率变化率判断条件启动自适应动态虚拟惯性响应,启动自适应动态虚拟惯性响应的过程为:

当电力系统发生功率缺额时，频率发生变化，频率偏差和频率微分增大，当满足式1时，自适应虚拟惯性控制启动:

上式中，△f和d△f/dt分别为系统频率偏差和频率变化率，T_△f和Td_△f/dt分别为频率偏差启动阀值和频率变化率启动阀值；

步骤3:当步骤2满足时，通过设置系统频率微分判断区间，动态改变修正因子，改变虚拟惯量控制系数，动态输出附加电磁功率△P，总的电磁功率参考值为P_ref，双馈可变速抽水蓄能机组经过变流器模块和发电机模块跟踪响应P_ref并输出有功功率,其中，

修正因子α改变的算法为式2:

上式中，α₁为固定值，k为比例系数，K₁和K₂为dΔf/dt的区间值；

附加电磁功率△P为式3:

上式中K_p、K_d分别为虚拟惯量控制的比例系数和微分系数；

总电磁功率参考值P_ref为式4:

步骤4:当系统频率随着自适应动态虚拟惯性响应的进行恢复到稳定值时，系统通过设置的惯性控制的系统频率微分判断区间停止惯性响应，此时双馈可变速抽水蓄能机组转速逐渐恢复到稳定值，机组回到恒定功率状态，停止惯性响应的过程为:

当系统频率恢复到稳定值时，频率偏差保持稳定，频率微分接近于0，当满足式5时，自适应虚拟惯性控制停止:

上式中，Td_△f/dt为频率变化率停止阀值。