CN110690725A - 一种采用改进虚拟同步控制的双馈型风电场黑启动方法 - Google Patents

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CN110690725A CN201910579470.0A CN201910579470A CN110690725A CN 110690725 A CN110690725 A CN 110690725A CN 201910579470 A CN201910579470 A CN 201910579470A CN 110690725 A CN110690725 A CN 110690725A
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叶杭冶
许国东
潘再平
朱凌燕
孙栋健
任静
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Abstract

本发明公开了一种采用改进虚拟同步控制的双馈型风电场黑启动方法。解决现有技术中缺少将风电场独立作为黑启动电源进行黑启动的问题。方法包括构建双馈型风电场黑启动系统，当电网因故障停电时将双馈型风电场与电网断开，切除所有负荷；选择合适双馈异步风电机组作为黑启动电源，等待直到检测到风速、温度满足设定值时，开始黑启动柴油发电机；在其稳定独立运行后断开柴油发电机；逐步接入负荷组；根据电位故障排除情况，逐步带动其他双馈异步风电机组启动。本发明实现黑启动通过在直流母线上加入电压源和改进双馈异步发电机组的控制策略，使得双馈异步风电机组具备自启动和独立运行的能力。

Description

一种采用改进虚拟同步控制的双馈型风电场黑启动方法
技术领域
本发明涉及电网黑启动技术领域，尤其是涉及一种采用改进虚拟同步控制的双馈型风电场黑启动方法。
背景技术
对于黑启动方案的制定，目前研究成果较多集中于使用能快速启动的水电机组和燃气、燃油发电机组等作为黑启动电源，达到恢复大电网的目的。黑启动电源是指机组在无外界帮助下,停运后能快速恢复发电,通过输电线输送启动功率带动其他机组的发电机组。然而将风电场纳入黑启动方案中考虑的则较少，将它作为黑启动电源则更为少见。将风能纳入黑启动电源的考虑范围会在制定黑启动方案的时候有更大的灵活性，特别是在风力资源丰富的偏远地区或海岛。并且随着电网中风能渗透率的增大，风电场也被要求具有主动调节频率的能力，而不只是依附于大电网。因此考虑采用双馈型风电机组进行优化控制，从而实现风电场的黑启动的目的。
发明内容
本发明主要是解决现有技术中缺少将风电场独立作为黑启动电源进行黑启动的问题，提供了一种采用改进虚拟同步控制的双馈型风电场黑启动方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种采用改进虚拟同步控制的双馈型风电场黑启动方法，包括以下步骤：
S1.构建双馈型风电场黑启动系统，系统包括柴油发电机、双馈型风电场、黑启动电源辅机系统，双馈型风电场包括风电场主控制器、风电场电压母线、若干双馈异步风电机组，双馈异步风电机组通过各自变压器连接到风电场电压母线上，电压母线通过变压器连接到电网传输线上，柴油发电机连接发电机侧AC/DC变流器，发电机侧AC/DC 变流器输出端连接到双馈异步风电机组中背靠背的PWM变流器之间的直流母线上，双馈异步风电机组包括风机辅机；
S2.当电网因故障停电时将双馈型风电场与电网断开，风电场电压母线上所有支路断开，并切除所有负荷；
S3.选择一双馈异步风电机组作为黑启动电源，等待直到检测到风速、温度满足设定值时，由风电场主控制器发出开始黑启动的指令；
S4.启动柴油发电机为黑启动双馈异步风电机组供电；
S5.在双馈异步风电机组稳定独立运行后将其背靠背的PWM变流器的直流母线与发电机侧AC/DC变流器输出端断开，PWM变流器以改进虚拟同步控制策略对双馈异步风电机组输出电压和频率进行调节；
S6.在保持双馈异步风电机组电压幅值和频率稳定情况下，接入负荷组；接入负荷组与黑启动电源一起形成一个更稳定的独立系统。
S7.根据电位故障排除情况，逐步带动其他双馈异步风电机组启动。
本发明可以应用与电网大停电情况下的双馈型风电场，实现黑启动通过在直流母线上加入电压源和改进双馈异步发电机组的控制策略，使得双馈异步风电机组具备自启动和独立运行的能力。本发明提出了改进虚拟同步控制策略，使得双馈异步风电机组具有电压源特性，提升其电压及频率支撑能力以保证黑启动系统良好的电能质量，并且加入零起升压功能以防止变压器过励磁情况的发生。
作为一种优选方案，步骤S5中改进虚拟同步控制策略为，
通过模仿同步发电机的转动方程得到虚拟转动方程，得出双馈异步风机电组的输出电压幅值参考值和相位参考值，
虚拟转动方程如下，
Figure BDA0002112769660000031
θr＝∫ωslipdt
其中
Pe＝Pref-△P
Figure BDA0002112769660000032
PD＝D(ω-ω1)
ωslip＝ω1-ωr
公式中Pe、Pm分别为电磁功率的给定值和测量值；Pref为有功功率的给定值；△P为频率调节器的输出值，代表着f/P下垂的效果； PD为阻尼功率；m为下垂系数；D为阻尼系数；Jv为虚拟惯性常数，在本实施例中取10，ω为内电势角频率；ω1、ω0分别为微网电压额定、实际角频率；ωslip为转差角频率；ωbase为角频率的基值；
根据虚拟转动方程得到双馈异步风机电组的输出电压相位参考值；
通过定子电压实际幅值与给定幅值的参考值，再通过PI调节器得到双馈异步风机电组的输出电压幅值参考值。
通过模仿同步发电机的转动方程得到虚拟转动方程，使得缺乏惯性的双馈异步风电机组表现出类似于同步发电机组的惯性响应，得到双馈异步风机电组的输出电压幅值参考值和相位参考值，提升电压及频率的支撑能力。
作为一种优选方案，步骤S3中的具体过程为：
S31.选择一双馈异步风电机组作为黑启动电源；
S32.检测风速、温度是否满足设定值，若否返回步骤S31，若是由风电场主控制器发出开始黑启动的指令，启动双馈异步风电机组。
作为一种优选方案，步骤S4的具体过程为：
采用柴油发电机为黑启动电源辅机系统进行供电，同时柴油发电机通过网侧AC/DC变流器将电压加载在PWM变流器之间的直流母线上为双馈异步风电机组提供初始励磁，使双馈异步风电机组黑启动；利用柴油发电机经过网侧变流器输出直流电压，将其加载双馈异步风电机组背靠背PWM变流器之间的直流母线上以提供双馈异步风电机组黑启动所需的初始励磁电压，便捷且成本低。
作为一种优选方案，步骤S7的具体过程为：
检测电网故障是否被排除，
若是，黑启动系统对黑启动路径上的变压器、其他双馈异步风电机组的风机辅机供电，带动其他双馈异步风电机组启动；
若否，只给其他双馈异步风电机组的辅机供电，其他双馈异步风电机组不进行发电工作，进行偏航、变桨运动。
作为一种优选方案，双馈型风电场还包括第一变压器、第二变压器，各双馈异步风电机组分别通过第一变压器连接至风电场电压母线，第二变压器连接在电网传输线与风电场电压母线之间，在第二变压器与风电场电压母线之间连接有开关，第一变压器与双馈异步风电机组之间的路径上分别通过连接开关后连接有若干负载组。
作为一种优选方案，所述双馈异步风电机组包括LC滤波器、 PWM变流器、网侧控制器、转子侧控制器、直流母线电容、直流电压源和开关S1，PWM变流器包括网侧变流器和转子侧变流器，LC 滤波器一端连接至双馈异步风电机组定子侧，LC滤波器另一端连接至网侧变流器交流端，网侧变流器直流输出端与转子侧变流器直流输入端、网侧变流器直流输入端与转子侧变流器直流输出端之间分别通过直流母线连接，转子侧变流器交流端与双馈异步风电机组转子侧连接，直流电压源正极连接开关S1后连接到一直流母线上，直流电压源负极连接到另一直流母线上，直流母线电容连接在两直流母线之间，网侧控制器采集电网、双馈异步风电机组、直流母线侧信息，并发送指令到网侧变流器，转子侧控制器采集电网、双馈异步风电机组侧信息，并发送指令到转子侧变流器，其中PWM变流器的转子侧变流器以改进虚拟同步控制策略对双馈异步风电机组输出电压和频率进行调节。本方案中柴油发电机和发电机侧变流器共同构成了直流电压源，用以给网侧变流器和转子侧变流器，之间的直流母线上以提供双馈异步风电机组黑启动所需的初始励磁电压。转子侧变流器以改进虚拟同步控制策略对双馈异步风电机组输出电压和频率进行调节，以使得双馈异步风电机组输出电压及平率稳定。
因此，本发明的优点是：
1.可以应用与电网大停电情况下的双馈型风电场，实现黑启动通过在直流母线上加入电压源和改进双馈异步发电机组的控制策略，使得双馈异步风电机组具备自启动和独立运行的能力。
2.提出了改进虚拟同步控制策略，使得双馈异步风电机组具有电压源特性，提升其电压及频率支撑能力以保证黑启动系统良好的电能质量，并且加入零起升压功能以防止变压器过励磁情况的发生。
3.利用柴油发电机经过网侧变流器输出直流电压，将其加载双馈异步风电机组背靠背PWM变流器之间的直流母线上以提供双馈异步风电机组黑启动所需的初始励磁电压，便捷且成本低。
附图说明
图1是本发明中双馈型风电场的一种结构示意图；
图2是本发明中双馈异步风电机组一种结构示意图；
图3是本发明中改进虚拟同步控制策略的一种框图；
图4是本发明实施例中改进虚拟同步控制策略与传统虚拟同步控制策略、传统独立矢量控制策略在电压幅值方面的控制效果对比图；
图5是本发明实施例中改进虚拟同步控制策略与传统虚拟同步控制策略、传统独立矢量控制策略在频率方面的控制效果对比图；
图6是图4中在两次负载组接入时段的放大示意图；
图7是图5中在两次负载组接入时段的放大示意图。
1-第一变压器 2-第二变压器 3-双馈异步风机电组 4-电网传输线 5-风电场电压母线 6-负载组 7-LC滤波器 8-网侧变流器 9-转子侧变流器 10-网侧控制器 11-转子侧控制器。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本实施例一种采用改进虚拟同步控制的双馈型风电场黑启动方法，包括以下步骤：
S1.构建双馈型风电场黑启动系统，系统包括柴油发电机、双馈型风电场、黑启动电源辅机系统，双馈型风电场包括风电场主控制器、风电场电压母线、若干双馈异步风电机组，双馈异步风电机组通过各自变压器连接到风电场电压母线上，电压母线通过变压器连接到电网传输线上，柴油发电机连接发电机侧AC/DC变流器，发电机侧AC/DC 变流器输出端连接到双馈异步风电机组中背靠背的PWM变流器之间的直流母线上，双馈异步风电机组包括风机辅机；
双馈型风电场的具体结构如图1所示，双馈型风电场还包括第一变压器1、第二变压器2，各双馈异步风电机组3分别通过第一变压器连接至35kV风电场电压母线5，第二变压器连接在110kV电网传输线与风电场电压母线之间，在第二变压器与风电场电压母线之间连接有开关，第一变压器与双馈异步风电机组之间的路径上分别通过连接开关后连接有若干负载组6。
双馈异步风电机组3的具体结构如图2所示，包括LC滤波器7、 PWM变流器、网侧控制器10、转子侧控制器11、直流母线电容、直流电压源和开关S1，PWM变流器包括网侧变流器6和转子侧变流器 9，LC滤波器一端连接至双馈异步风电机组定子侧，LC滤波器另一端连接至网侧变流器交流端，网侧变流器直流输出端与转子侧变流器直流输入端、网侧变流器直流输入端与转子侧变流器直流输出端之间分别通过直流母线连接，转子侧变流器交流端与双馈异步风电机组转子侧连接，直流电压源正极连接开关S1后连接到一直流母线上，直流电压源负极连接到另一直流母线上，直流母线电容连接在两直流母线之间，网侧控制器采集电网、双馈异步风电机组、直流母线侧信息，并发送指令到网侧变流器，转子侧控制器采集电网、双馈异步风电机组侧信息，并发送指令到转子侧变流器，其中PWM变流器的转子侧变流器以改进虚拟同步控制策略对双馈异步风电机组输出电压和频率进行调节。
S2.当电网因故障停电时将双馈型风电场与电网断开，风电场电压母线上所有支路断开，并切除所有负荷；
S3.选择一双馈异步风电机组作为黑启动电源，等待直到检测到风速、温度满足设定值时，由风电场主控制器发出开始黑启动的指令；具体过程为：
S31.选择一双馈异步风电机组作为黑启动电源；
S32.检测风速、温度是否满足设定值，若否返回步骤S31，若是由风电场主控制器发出开始黑启动的指令，启动双馈异步风电机组。
S4.启动柴油发电机为黑启动双馈异步风电机组供电；具体过程为：
采用柴油发电机为黑启动电源辅机系统进行供电，同时柴油发电机通过网侧AC/DC变流器将电压加载在PWM变流器之间的直流母线上为双馈异步风电机组提供初始励磁，使双馈异步风电机组黑启动；
S5.在双馈异步风电机组稳定独立运行后将其背靠背的PWM变流器的直流母线与发电机侧AC/DC变流器输出端断开，PWM变流器以改进虚拟同步控制策略对双馈异步风电机组输出电压和频率进行调节；其中改进虚拟同步控制策略为，
通过模仿同步发电机的转动方程得到虚拟转动方程，得出双馈异步风机电组的输出电压幅值参考值和相位参考值，如图3所示
虚拟转动方程如下，
Figure BDA0002112769660000091
θr＝∫ωslipdt
其中
Pe＝Pref-△P
Figure BDA0002112769660000092
PD＝D(ω-ω1)
ωslip＝ω1-ωr
公式中Pe、Pm分别为电磁功率的给定值和测量值；Pref为有功功率的给定值；△P为频率调节器的输出值，代表着f/P下垂的效果； PD为阻尼功率；m为下垂系数；D为阻尼系数；Jv为虚拟惯性常数，在本实施例中取10，ω为内电势角频率；ω1、ω0分别为微网电压额定、实际角频率；ωslip为转差角频率；ωbase为角频率的基值；
根据虚拟转动方程得到双馈异步风机电组的输出电压相位参考值；
通过定子电压实际幅值与给定幅值的参考值，再通过PI调节器得到双馈异步风机电组的输出电压幅值参考值。
通过模仿同步发电机的转动方程得到虚拟转动方程，使得缺乏惯性的双馈异步风电机组表现出类似于同步发电机组的惯性响应，得到双馈异步风机电组的输出电压幅值参考值和相位参考值，提升电压及频率的支撑能力。
S6.在保持双馈异步风电机组电压幅值和频率稳定情况下，接入负荷组；
S7.根据电位故障排除情况，逐步带动其他双馈异步风电机组启动。具体过程为：
检测电网故障是否被排除，
若是，黑启动系统对黑启动路径上的变压器、其他双馈异步风电机组的风机辅机供电，带动其他双馈异步风电机组启动；
若否，只给其他双馈异步风电机组的辅机供电，其他双馈异步风电机组不进行发电工作，进行偏航、变桨运动。
本实施例可以在MATLAB/Simulink仿真软件上搭建系统图，为了检验方案的有效性，本实施例以考虑只启动一台2MW双馈异步分离发电机组的极端情况为例。如图1所示，双馈异步风电机组均通过第一变压器连接到双馈型风电场35kV电压母线上，再通过第二变压器连接到110kV的电网传输线上。在电网大停电的情况下双馈型风电场与电网之间断开。设置t＝2.5s第一个阻感性负载组接入，t＝3.5s第二阻感性负载组接入。
从图4和图5中可见，双馈异步风电机组的定子电压逐步建立，实现了零起升压，定子电压在0.5s后达到1p.u.，建立稳定的微网电压和频率，之后断开直流电压源对于定子电压并未有明显影响。并且，零起升压时间大于38ms，对发电机出口端接的箱式变压器起到零起升压的作用，防止过励磁。
从图6(a)可见在2.5s附近，采用传统独立矢量控制、传统虚拟同步控制策略、改进虚拟同步控制的电压幅值最低点分别为 0.988p.u.，0.9893p.u.，0.99p.u.，都在-1.5％以内。由图6(b) 可见在3.5s附近当较大负载组投入时，使用以上三种控制策略的电压幅值负向波动最低点分别为0.9661p.u.，0.9697p.u.，0.9704 p.u.，波动率分别为5.45％、1.2％、1.07％，使用矢量控制时还略有正向波动。在三种控制策略中，采用改进虚拟同步控制时电压幅值波动不论从正向还是负向来看都较小，也就是说其电压幅值控制能力更好。
由图7(b)可见，在2.5s和3.5s负荷突然接入时，采用传统独立矢量控制的双馈异步风力发电机定子电压频率分别降至49.83Hz 和49.41Hz，采用传统虚拟同步控制策略的频率分别降至49.81Hz和 49.44Hz，而采用改进虚拟同步控制时，频率分别只降至49.85Hz和49.58Hz。即改进虚拟同步控制相对于前两种控制策略的频率跌落分别减小了28.8％和25％，并且正向波动也明显减小，表明虚拟同步控制策略频率支撑能力更强。另外，改进的虚拟同步控制使得频率更快地回到给定值。
通过以上仿真结果对比图可以看出：本发明提出的双馈型风电场黑启动方案，能够利用风电场原有的备用柴油发电机，通过改变控制策略可以减小黑启动过程中电压及频率波动，为保障风电场自身安全提供稳定的电压，为将来使用风电场进一步启动大电网打下基础，具有便捷性、经济性。
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。
尽管本文较多地使用了转子,定子、穿线开口、空腔、驱动轴等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (7)

1.一种采用改进虚拟同步控制的双馈型风电场黑启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.构建双馈型风电场黑启动系统，系统包括柴油发电机、双馈型风电场、黑启动电源辅机系统，双馈型风电场包括风电场主控制器、风电场电压母线、若干双馈异步风电机组，双馈异步风电机组通过各自变压器连接到风电场电压母线上，电压母线通过变压器连接到电网传输线上，柴油发电机连接发电机侧AC/DC变流器，发电机侧AC/DC变流器输出端连接到双馈异步风电机组中背靠背的PWM变流器之间的直流母线上，双馈异步风电机组包括风机辅机；
S2.当电网因故障停电时将双馈型风电场与电网断开，风电场电压母线上所有支路断开，并切除所有负荷；
S3.选择一双馈异步风电机组作为黑启动电源，等待直到检测到风速、温度满足设定值时，由风电场主控制器发出开始黑启动的指令；
S4.启动柴油发电机为黑启动双馈异步风电机组供电；
S5.在双馈异步风电机组稳定独立运行后将其背靠背的PWM变流器的直流母线与发电机侧AC/DC变流器输出端断开，PWM变流器以改进虚拟同步控制策略对双馈异步风电机组输出电压和频率进行调节；
S6.在保持双馈异步风电机组电压幅值和频率稳定情况下，接入负荷组；
S7.根据电位故障排除情况，逐步带动其他双馈异步风电机组启动。
2.根据权利要求1所述的一种采用改进虚拟同步控制的双馈型风电场黑启动方法，其特征是步骤S5中改进虚拟同步控制策略为，
通过模仿同步发电机的转动方程得到虚拟转动方程，得出双馈异步风机电组的输出电压幅值参考值和相位参考值，
虚拟转动方程如下，
Figure FDA0002112769650000021
θr＝∫ωslipdt
其中
Pe＝Pref-△P
Figure FDA0002112769650000022
PD＝D(ω-ω1)
ωslip＝ω1-ωr
公式中Pe、Pm分别为电磁功率的给定值和测量值；Pref为有功功率的给定值；△P为频率调节器的输出值，代表着f/P下垂的效果；PD为阻尼功率；m为下垂系数；D为阻尼系数；Jv为虚拟惯性常数，在本实施例中取10，ω为内电势角频率；ω1、ω0分别为微网电压额定、实际角频率；ωslip为转差角频率；ωbase为角频率的基值；
根据虚拟转动方程得到双馈异步风机电组的输出电压相位参考值；
通过定子电压实际幅值与给定幅值的参考值，再通过PI调节器得到双馈异步风机电组的输出电压幅值参考值。
3.根据权利要求1所述的一种采用改进虚拟同步控制的双馈型风电场黑启动方法，其特征是步骤S3中的具体过程为：
S31.选择一双馈异步风电机组作为黑启动电源；
S32.检测风速、温度是否满足设定值，若否返回步骤S31，若是由风电场主控制器发出开始黑启动的指令，启动双馈异步风电机组。
4.根据权利要求1所述的一种采用改进虚拟同步控制的双馈型风电场黑启动方法，其特征是步骤S4的具体过程为：
采用柴油发电机为黑启动电源辅机系统进行供电，同时柴油发电机通过网侧AC/DC变流器将电压加载在PWM变流器之间的直流母线上为双馈异步风电机组提供初始励磁，使双馈异步风电机组黑启动。
5.根据权利要求1所述的一种采用改进虚拟同步控制的双馈型风电场黑启动方法，其特征是步骤S7的具体过程为：
检测电网故障是否被排除，
若是，黑启动系统对黑启动路径上的变压器、其他双馈异步风电机组的风机辅机供电，带动其他双馈异步风电机组启动；
若否，只给其他双馈异步风电机组的辅机供电，其他双馈异步风电机组不进行发电工作，进行偏航、变桨运动。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种采用改进虚拟同步控制的双馈型风电场黑启动方法，其特征是双馈型风电场还包括第一变压器、第二变压器，各双馈异步风电机组分别通过第一变压器连接至风电场电压母线，第二变压器连接在电网传输线与风电场电压母线之间，在第二变压器与风电场电压母线之间连接有开关，第一变压器与双馈异步风电机组之间的路径上分别通过连接开关后连接有若干负载组。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种采用改进虚拟同步控制的双馈型风电场黑启动方法，其特征是所述双馈异步风电机组包括LC滤波器、PWM变流器、网侧控制器、转子侧控制器、直流母线电容、直流电压源和开关S1，PWM变流器包括网侧变流器和转子侧变流器，LC滤波器一端连接至双馈异步风电机组定子侧，LC滤波器另一端连接至网侧变流器交流端，网侧变流器直流输出端与转子侧变流器直流输入端、网侧变流器直流输入端与转子侧变流器直流输出端之间分别通过直流母线连接，转子侧变流器交流端与双馈异步风电机组转子侧连接，直流电压源正极连接开关S1后连接到一直流母线上，直流电压源负极连接到另一直流母线上，直流母线电容连接在两直流母线之间，网侧控制器采集电网、双馈异步风电机组、直流母线侧信息，并发送指令到网侧变流器，转子侧控制器采集电网、双馈异步风电机组侧信息，并发送指令到转子侧变流器，其中PWM变流器的转子侧变流器以改进虚拟同步控制策略对双馈异步风电机组输出电压和频率进行调节。
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CN114825453A (zh) * 2022-06-30 2022-07-29 中国电力科学研究院有限公司 一种基于电压源型储能的离网型风储荷控制方法及系统
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CN116317523A (zh) * 2023-05-25 2023-06-23 京清数电(北京)技术有限公司 储能变流器黑启动控制方法及系统、电子设备及存储介质

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