CN110380451B - 一种具有主动惯量响应能力的双馈风电机组 - Google Patents

一种具有主动惯量响应能力的双馈风电机组 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有主动惯量响应能力的双馈风电机组，其包括：网侧变流器惯性同步控制模块以及转子侧变流器虚拟同步控制模块；其中，所述网侧变流器惯性同步控制模块包括：调制波频率生成模块以及调制波幅值生成模块；所述转子侧变流器虚拟同步控制模块包括：同步控制环、下垂控制环、励磁控制环以及预同步控制环。本发明的具有主动惯量响应能力的双馈风电机组，能够避免系统发生严重的频率二次跌落，并且在较大的负载投切过程中仍能保持稳定，能够在惯量响应的过程中仍保持对于转速的直接控制。

Description

一种具有主动惯量响应能力的双馈风电机组
技术领域
本发明涉及发电机控制技术领域，特别涉及一种具有主动惯量响应能力的双馈风电机组。
背景技术
随着近期以风力发电、光伏发电为代表的清洁能源的飞速发展，电力系统正在经历从集中式发电到分布式发电系统的转变，绝大多数的风力发电机通过电力电子变流器和电网进行能量的交互，电网频率和发电机转速以及机组有功功率之间不存在耦合，在电网频率波动时，发电机无法提供额外的功率支撑，避免电网频率进一步跌落，而传统的同步发电机由于发电机转子惯量的存在，能够主动响应电网频率的变化，提供惯量响应与频率支撑，因此如何对双馈风机进行虚拟同步电机(Virtual Synchronous Generator，VSG)控制，使得双馈风机具有和同步发电机类似的惯量响应和同步特性成为了下一步双馈风机控制的主要发展方向。
在目前存在的几种主流的虚拟同步方式中，通过对于双馈风电机组转子侧变流器控制策略的改造，能够使其体现出同步发电机的外特性，从一定程度上来说能够起到频率响应与惯量支撑，但是其问题在于，传统的虚拟控制方法不能够实现对于发电机转速的直接控制，在惯量响应的过程中，发电机的转速实际上处于一个失控的状态，当发电机转速跌落至下限值时，为了保护风电机组，附加功率将强制性切除，这将导致电网频率发生严重的频率二次跌落。不仅如此，在传统的虚拟同步控制中，对于某一特定的风速，存在最大的负载域度，当投入的负载大于此域度时，风电机组将不可避免的振荡发散，因此目前双馈风电机组的惯量响应能力不是无限的，如何扩大双馈风电机组的最大负载域度，使其在较大的负载投切过程中仍保持稳定，并且能够在惯量响应的过程中仍保持对于转速的直接控制，成为目前虚拟同步控制方面的主要难点。
现有的技术中，比如申请(专利)号201811120046.1的发明申请，公开了一种风力发电系统的虚拟同步机控制方法及装置，该专利能够实现在中等风速稳态情况下的虚拟同步控制，但是该方法无法有效解决低风速情况下的电网频率二次跌落问题，仍存在较大的局限性。又如，申请(专利)号为201810307473.4的发明申请，公开了一种双馈风力发电机超速减载控制变参数虚拟惯量控制方法，但其运行过程中需要人为减少所能发出的最大功率，从经济性角度上分析造成了极大的浪费。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种具有主动惯量响应能力的双馈风电机组，能够避免系统发生严重的频率二次跌落，并且在较大的负载投切过程中仍能保持稳定，能够在惯量响应的过程中仍保持对于转速的直接控制。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种具有主动惯量响应能力的双馈风电机组，其包括：网侧变流器惯性同步控制模块以及转子侧变流器虚拟同步控制模块；所述网侧变流器惯性同步控制模块用于控制双馈风电机组的网侧变流器，控制所述网侧变流器的无功功率并将电网频率的变化反应到直流母线电压的变化上；转子侧变流器改进型虚拟同步控制模块用于控制双馈风电机组的转子侧变流器，使得所述双馈发电机具备类似同步发电机的外特性，以及惯量响应与频率支撑的能力，并同时具备对于发电机转速的直接控制能力；其中，
所述网侧变流器惯性同步控制模块包括：调制波频率生成模块以及调制波幅值生成模块；
所述调制波频率生成模块用于控制双馈风电机组的直流母线电压，使得直流母线电压的实际值快速跟踪其指令；
所述调制波幅值生成模块用于控制网侧变流器的无功功率，使得双馈风电机组的网侧变流器实现单位功率因数运行；
所述转子侧变流器虚拟同步控制模块包括：同步控制环、下垂控制环、励磁控制环以及预同步控制环；其中，
所述同步控制环用于模拟传统同步发电机的转子运动方程，实现最大功率跟踪并提供惯量响应；
所述下垂控制环用于根据直流母线电压动态修改下垂控制系数来提高双馈风电机组的稳态运行的稳定域度；
所述励磁控制环用于通过控制双馈风电机组的转子磁链幅值来控制双馈风电机组的无功功率；
所述预同步控制环用于对转子侧变流器并网之前的相角进行预同步。
较佳地，所述转子侧变流器虚拟同步控制模块还包括：转速直接控制环，其用于直接控制双馈风电机组的发电机转速。
较佳地，所述双馈风电机组的整机控制中还包括：浆距角控制环，其用于通过改变风轮叶片的浆距角将发电机转速维持在预设值。
较佳地，所述下垂控制环、所述转速直接控制环以及所述浆距角控制环三者中，
在预设的中等风速范围内时，所述下垂控制环其作用；
在低于预设的中等风速范围时，所述下垂控制环以及所述转速直接控制环同时起作用；
在高于预设的中等风速范围时，所述下垂控制环以及所述浆距角控制环同时起作用。
较佳地，所述下垂控制环中根据直流母线电压动态修改下垂控制系数具体为：将直流母线电压实际值与其额定值之差，倍乘一个比例系数，叠加到下垂控制系数上，在电网频率跌落的过程中，下垂系数相应减小，从而避免系统振荡失稳。
相较于现有技术，本发明实施例具有以下优点：
(1)本发明提供的具有主动惯量响应能力的双馈风电机组，通过网侧变流器做惯性同步控制，对外体现为电压源，能够将电网频率的波动反应在直流母线电压上，提高风电机组的弱网运行稳定性；
(2)本发明提供的具有主动惯量响应能力的双馈风电机组，通过转子侧变流器做虚拟同步控制，模拟传统的同步发电机，对外体现为电压源，能够主动响应电网频率的波动，提供惯量响应与频率支撑；
(3)本发明提供的具有主动惯量响应能力的双馈风电机组，由于转子侧变流器采用虚拟同步控制，网侧变流器做惯性同步控制，二者均不需要锁相环实现与电网的同步，并且在控制的过程中不涉及对于电流的直接控制，因此二者均是典型的电压源型控制方法。转子侧虚拟同步控制配合网侧惯性同步控制，风电机组整体上体现为电压源性质，弱网运行稳定性最强；
(4)本发明提供的具有主动惯量响应能力的双馈风电机组，在低风速段，通过在虚拟同步控制的有功环中增加转速控制闭环，从而使得双馈风电机组具备对于发电机转速的直接控制能力，避免系统发生严重的频率二次跌落；
(5)本发明提供的具有主动惯量响应能力的双馈风电机组，在中风速段，通过动态修改虚拟同步控制中的有功-频率下垂系数，扩大双馈风电机组的稳定域度；
(6)本发明提供的具有主动惯量响应能力的双馈风电机组，在高风速段，通过变桨控制结合改进型下垂控制，实现对于发电机转速的精准控制。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明的一实施例的网侧变流器惯性同步控制模块的控制框图；
图2为本发明的一实施例的转子侧变流器虚拟同步控制模块的控制框图；
图3为本发明的一较佳实施例的全风速范围内转子侧变流器虚拟同步控制模块的控制示意图；
图4为采用本发明的一实施例的改进型控制方法与采用常规控制方法的电网频率实验对比图；
图5为采用本发明的一实施例的改进型控制方法与采用常规控制方法的双馈风电机组的有功功率实验对比图；
图6为采用本发明的一实施例的改进型控制方法与采用常规控制方法的直流母线电压实验对比图；
图7a为在低风速下采用本发明的一实施例的改进型控制方法与采用常规控制方法的电网频率实验对比图；
图7b为在低风速下采用本发明的一实施例的改进型控制方法与采用常规控制方法的发电机转速实验对比图；
图7c为在低风速下采用本发明的一实施例的改进型控制方法与采用常规控制方法的△Pωr对比图；
图8a为在高风速下采用本发明的一实施例的改进型控制方法与采用常规控制方法的发电机转速实验对比图；
图8b在高风速下采用本发明的一实施例的改进型控制方法与采用常规控制方法的浆距角实验对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。以下实施例中没有详细说明的部分，可以直接采用现有技术实现。
如图1所示为本发明的一实施例的网侧变流器惯性同步控制模块的控制框图；如图2所示为本发明的一实施例的转子侧变流器虚拟同步控制模块的控制框图。
请参考图1-图2，本实施例的具有主动惯量响应能力的双馈风电机组包括：网侧变流器惯性同步控制模块以及转子侧变流器虚拟同步控制模块，在传统的控制方式中二者没有关联，在本发明专利中，当网侧变流器采用惯性同步控制之后，直流母线电压具备了反映电网频率变化的能力，在此基础之上转子侧变流器利用直流母线电压的变化进而动态修改下垂系数，进一步提高系统的稳定范围。网侧变流器惯性同步控制模块用于控制双馈风电机组的网侧变流器，控制网侧变流器的无功功率并将电网频率的变化反应到直流母线电压的变化上；转子侧变流器改进型虚拟同步控制模块用于控制双馈风电机组的转子侧变流器，使得双馈发电机具备类似于同步发电机的外特性，以及惯量响应与频率支撑的能力，并同时具备对于发电机转速的直接控制能力。
具体的，网侧变流器惯性同步控制模块包括：调制波频率生成模块以及调制波幅值生成模块，前者负责生成调制波的频率，而后者主要负责生成调制波的幅值，在得到调制波的频率信息以及幅值信息之后就能够产生用于控制网侧变流器的调制波信号；网侧变流器惯性同步控制模块用于控制双馈风电机组的直流母线电压并同时控制网侧变流器的无功功率，使得双馈风电机组的网侧变流器能够实现单位功率因数运行。
转子侧变流器虚拟同步控制模块包括：同步控制环、下垂控制环、励磁控制环以及预同步控制环；其中，同步控制环用于模拟传统同步发电机的转子运动方程，实现最大功率跟踪并提供惯量响应；下垂控制环用于根据直流母线电压动态修改下垂控制系数来提高双馈风电机组的稳态运行的稳定域度；励磁控制环用于通过控制双馈风电机组的转子侧变流器的转子磁链幅值来控制双馈风电机组的无功功率；预同步控制环用于对转子侧变流器并网之前的相角进行预同步。本实施例中，转子侧变流器虚拟同步控制模块还包括：转速直接控制环，其用于直接控制双馈风电机组的发电机转速。转速直接控制环与同步控制环的控制对象相同，都是通过影响双馈风电机组等效功角的值去改变发电机的有功功率，并最终影响发电机转速，从而实现对于发电机转速的直接控制。
同步控制环的输出的是类似于同步发电机的等效功角，同步控制环包括了模拟同步发电机下垂特性的下垂控制环，传统虚拟同步控制中，下垂控制环的下垂系数kp都是一个恒定的值，这导致了下垂控制的效果无法根据电网频率的变化而动态改变，从而限制了双馈风电机组的稳定域度，本发明创造性提出在网侧变流器惯性同步控制的前提下，将直流母线电压信号作为输入，根据直流母线电压的大小动态修改下垂控制系数，从而使得双馈风电机组能够在较大的负载投入后仍能够稳定运行。具体地为：将直流母线电压实际值与其额定值之差，倍乘一个比例系数，叠加到下垂控制系数上，当较大的负荷投入系统后，在电网频率跌落的过程中，下垂系数相应减小，从而避免系统振荡失稳。
较佳实施例中，双馈风电机组的整机控制中还包括：浆距角控制环，其用于通过改变风轮叶片的浆距角将发电机转速维持在预设值，从而保护风电机组。
较佳实施例中，下垂控制环、转速直接控制环以及浆距角控制环三者中，在预设的中等风速范围内时，下垂控制环起作用；在低于预设的中等风速范围的低风速范围内时，下垂控制环以及所述转速直接控制环同时起作用；在高于预设的中等风速范围的高风速范围内时，下垂控制环以及浆距角控制环同时起作用。如图3所示为低风速、中等风速、高风速范围内的控制示意图，本实施例的双馈风电机组是一种在全风速范围内具有主动惯量响应能力的双馈风电机组。
下面通过具体实例来对本发明的双馈风电机组进行详细描述，其是通过采用本发明的双馈风电机组的改进型控制方法以及采用常规的双馈风电机组的控制方法进行比较来说明本发明的优势。
实例1：预设的中等风速范围内的比较
在预设的中等风速范围(如：7m/s～11m/s)内，转速直接控制环以及浆距角控制环均将不具备其工作的条件，此时下垂控制环将起到主要的控制效果，通过根据直流母线电压动态修改下垂控制系数来提高双馈风电机组的稳态运行的稳定域度。
在网侧变流器惯性同步控制中，惯性同步控制的调制波频率生成模块接收直流母线电压的实际值，并与额定值进行比较，二者相除的结果经过一个积分器得到调制波的相角，等效于产生调制波的频率；于此同时，调制波幅值生成模块接收网侧变流器输出的无功功率，与额定值比较之后，二者之差经过一个比例-积分控制器，加上额定的调制波幅值，得到最终的网侧变流器调制波幅值信息，在最终的触发脉冲调制模块中，其接收调制波的相角信息以及幅值信息，生成PWM脉冲信号，控制网侧变流器。
在转子侧变流器虚拟同步控制中，励磁控制环用于控制转子磁链，通常采用双闭环的控制方法，将转子磁链的q轴分量控制为零，通过控制转子磁链的d轴分量满足转子侧变流器无功功率的控制要求。下垂控制环用于根据直流母线电压动态修改下垂控制系数来提高双馈风电机组的稳态运行的稳定域度，同步控制环用于模拟传统同步发电机的转子运动方程，实现最大功率跟踪并提供惯量响应。控制过程中，功率的偏差将通过转子运动方程反应到双馈风电机组的滑差角θslip的变化上，直到机组功率到达一个稳定的状态。预同步控制环通过一个积分器控制定子电压的d轴分量为零，用来实现并网之前的相角同步。
在传统的虚拟同步控制方式中，下垂控制系数始终是一个固定的值，因此不具备动态自适应的能力，在较大的临时负载投入的情况下极易发生功率以及电网频率的振荡，为了验证本发明中所提的控制策略的有效性，在RTDS仿真仪中进行实验仿真，将常规的虚拟同步惯量传递控制与本发明提出的改进型虚拟同步惯量传递控制之间进行对比，在系统稳定运行时将1.5MW的临时负载投入系统中，并观察风电机组的各项参数对于该负载的影响，如图4、5、6所示分别为采用本发明的双馈风电机组的改进型控制方法与采用常规的控制方法的电网频率、有功功率、直流母线电压的实验结果对比图。
实验结果表明，当1.5MW的负载投入之后，传统的常规控制方法将发生明显的功率振荡以及电网频率振荡，本发明中所提的改进型控制方法能够有效的维持系统稳定，在同样的负载投入情况下扩展系统的稳定域度。
实例2：低风速范围内的比较
在小于预设的中等风速范围的低风速范围内，本发明的下垂控制环以及直接转速控制环将同时起作用，控制效果将主要体现在当转速下降至设定的最低值0.75pu时，转速直接控制能够将发电机转速稳定在最低值，从而避免由于附加功率的瞬间切除而导致的电网频率二次跌落。如图7a、7b、7c所示分别为采用本发明的双馈风电机组的改进型控制方法与采用常规的控制方法的电网频率、发电机转速、△Pωr的实验结果对比图，其中△Pωr表示转速直接控制环的附加功率输出。
从图中可以看出，在常规的控制方式中，一旦双馈风电机组的发电机转速低于了设置的0.75pu，为了保护发电机，额外的附加功率将立刻切除，转速快速恢复的同时也将导致电网频率发生二次跌落，而改进的转速直接控制方法能够在转速低于0.75pu后转换为对于发电机转速的直接控制，将发电机转速稳定在0.75pu，从而能够避免电网频率发生明显的二次跌落。
实例3：高风速范围内的比较
在高于预设的中等风速范围的高风速范围内，本发明的浆距角控制环与下垂控制环同时起作用，主要体现为风电机组的变桨控制，在系统稳定运行的过程中将1MW的负载从系统中切除，功率之间的不平衡将导致双馈风电机组的发电机转速明显上升，如果浆距角控制不使能，这将使得发电机转速始终维持在一个较高的状态，浆距角控制则能够通过提高风轮叶片的浆距角将发电机转速维持在设定值，从而保护风电机组，如图8a、8b所示分别为采用本发明的双馈风电机组的改进型控制方法与采用常规的控制方法的发电机转速、浆距角的实验结果对比图。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (1)

1.一种具有主动惯量响应能力的双馈风电机组，其特征在于，包括：网侧变流器惯性同步控制模块以及转子侧变流器虚拟同步控制模块；所述网侧变流器惯性同步控制模块用于控制双馈风电机组的网侧变流器，控制所述网侧变流器的无功功率并将电网频率的变化反应到直流母线电压的变化上；转子侧变流器改进型虚拟同步控制模块用于控制双馈风电机组的转子侧变流器，使得所述双馈风电机组具备类似同步发电机的外特性，以及惯量响应与频率支撑的能力，并同时具备对于发电机转速的直接控制能力；其中，
所述网侧变流器惯性同步控制模块包括：调制波频率生成模块以及调制波幅值生成模块；
所述调制波频率生成模块用于控制双馈风电机组的直流母线电压，使得直流母线电压的实际值快速跟踪其指令；
所述调制波幅值生成模块用于控制网侧变流器的无功功率，使得双馈风电机组的网侧变流器实现单位功率因数运行；
所述转子侧变流器虚拟同步控制模块包括：同步控制环、下垂控制环、励磁控制环以及预同步控制环；其中，
所述同步控制环用于模拟传统同步发电机的转子运动方程，实现最大功率跟踪并提供惯量响应；
所述下垂控制环用于根据直流母线电压动态修改下垂控制系数来提高双馈风电机组的稳态运行的稳定域度；
所述励磁控制环用于通过控制双馈风电机组的转子磁链幅值来控制双馈风电机组的无功功率；
所述预同步控制环用于对转子侧变流器并网之前的相角进行预同步；
所述下垂控制环中根据直流母线电压动态修改下垂控制系数具体为：将直流母线电压的实际值与其额定值之差，倍乘一个比例系数，叠加到下垂控制系数上，在电网频率跌落的过程中，下垂控制系数相应减小，从而避免系统振荡失稳；
所述转子侧变流器虚拟同步控制模块还包括：转速直接控制环，其用于直接控制双馈风电机组的发电机转速；
所述双馈风电机组的整机控制中还包括：浆距角控制环，其用于通过改变风轮叶片的浆距角将发电机转速维持在预设值；
所述下垂控制环、所述转速直接控制环以及所述浆距角控制环三者中，
在预设的中等风速范围内时，所述下垂控制环起作用；
在低于预设的中等风速范围时，所述下垂控制环以及所述转速直接控制环同时起作用；
在高于预设的中等风速范围时，所述下垂控制环以及所述浆距角控制环同时起作用。
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大型风电机组惯量控制研究现状与展望;邵昊舒等;《上海交通大学学报》;20181030;第52卷(第10期);全文 *

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