CN110994685B - 一种基于自适应虚拟惯性参数的优化控制方法 - Google Patents

一种基于自适应虚拟惯性参数的优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应虚拟惯性参数的优化控制方法，其步骤包括：1、采集系统并网点的频率变化率及频率偏移量，结合相应判据对防误动作系数和符号项取值，获得虚拟惯性系数；2、将附加有功指令与风机总控下达的实时功率指令叠加，获得总有功指令；3、将总有功指令与风机有功检测值的偏差量输入PI调节器，得到有功、无功电流指令；4、比较有功、无功电流指令与实际有功、无功电流，并将得到的电流偏差分别输入PI调节器得到有功、无功电压指令，从而由SVPWM环节进行调制，生成机侧变流器开关管控制信号。本发明能根据并网点的频率波动平滑调整系统的虚拟惯性系数，从而减少频率响应的超调及调节时间、优化系统的惯量支撑能力。

Description

一种基于自适应虚拟惯性参数的优化控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种增强优化风电并网机组惯量支撑能力的控制方法。
背景技术
风能作为一种无污染且分布广泛的新能源之一，越来越引起人们重视并被广泛利用。近年来我国风电行业发展迅速，风电装机容量跃居全球第一，大规模风电接入电网对电网的频率稳定带来新的挑战：传统电网下发电机组直接经升压变压器接入电网，因机组具有较大的转动惯量，当电网频率短时波动时，机组能自发吸收或释放部分有功功率，支撑电网频率使其稳定，即惯量调频；而风电机组经变流器接入电网，按指令发出有功无功，当电网频率异常波动时，采用电力电子接口形式的风电机组变流器很难及时满足相应的有功需求，甚至可能脱网加剧电网失稳问题。
针对风电机组经变流器并网在频率支撑方面的难题，在全功率永磁直驱风力发电系统中，现有的解决方案是在机侧变流器的功率指令中，引入与虚拟惯性系数Kv相关的附加功率指令，通过释放风机桨叶中的动能以提升系统的惯量支撑能力。虚拟惯性系数形式多样，现有的有常数形式，即Kv＝Kd；Bang-Bang控制形式,即Kv根据系统频率波动情况在有限的两种数值切换；这两种方案中，系统的工作状态均不够灵活，且在采用Bang-Bang控制形式的系统中，因虚拟惯性系数切换带来的控制波动在所难免在系统频率波动时，总体来说难以满足频率响应快速性与平稳性两方面的要求；优化风电机组的频率响应性能势在必行。
发明内容
本发明为克服现有技术存在的不足之处，提出一种基于自适应虚拟惯性参数的优化控制方法，以期能根据系统并网点的频率波动情况较为平滑地调整系统的虚拟惯性系数，从而能减少风电系统频率响应的超调及调节时间、优化系统的惯量支撑能力。
本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
本发明一种基于自适应虚拟惯性参数的优化控制方法的特点是应用于由风机总控、永磁同步风机、机侧变流器所组成的全功率永磁直驱风力发电系统中，并按如下步骤进行：
步骤1、采集并网点PCC的频率变化率，并经过低通滤波器的处理后，得到滤波后的频率变化率，再与给定阈值N进行比较，若滤波后的频率变化率大于等于N，则令防误动作系数A为“1”，否则，令防误动作系数A为“0”；
步骤2、利用式(1)得到系统的虚拟惯性系数Kv：
Kv＝A·B·K·(|df/dt|)m+Kd (1)
式(1)中，f为并网点PCC的实际频率，K为大于零的常数，m为正指数幂，Kd为系统的虚拟惯性常数，B为符号项，并有：
Figure GDA0002855211560000021
式(2)中，Δf为系统的频率偏移量，且Δf＝f-f0；f0为电网频率的给定值；
步骤3、利用式(3)得到系统的附加有功指令PVIC：
Figure GDA0002855211560000022
式(3)中，Ki为比例系数；
步骤4、将所述附加有功指令PVIC与风机总控下达的实时功率指令PMPPT进行叠加，获得优化的有功指令P* WT；
步骤5、将优化的有功指令P* WT与风机有功的检测值PWT进行比较，获得偏差信号ΔPWT，并经过PI调节器后得到有功电流指令
Figure GDA0002855211560000023
同时，令无功电流指令
Figure GDA0002855211560000024
为0；
步骤6、检测永磁同步风力发电机的定子三相电流Isabc和转子相角θr，将定子三相电流Isabc经过Park变换后获得实际有功电流iq与实际无功电流id；
步骤7、将有功电流指令
Figure GDA0002855211560000025
与实际有功电流iq进行比较，获得有功电流偏差Δiq后输入PI调节器，从而获得有功电压指令
Figure GDA0002855211560000026
将无功电流指令
Figure GDA0002855211560000027
与实际无功电流id进行比较，获得无功电流偏差Δid后输入PI调节器，从而获得无功电压指令
Figure GDA0002855211560000028
步骤8、将所述有功电压指令
Figure GDA0002855211560000029
与无功电压指令
Figure GDA00028552115600000210
下达给SVPWM环节进行调制，生成的开关管PWM控制信号输出给所述机侧变流器，以优化系统的惯量支撑能力。
与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：
1、本发明提出一种采用虚拟惯性常数Kd与附加函数叠加的虚拟惯性系数Kv表达形式，具有良好的自适应性，在频率跌落时相比于常规控制策略响应更加迅速，在频率发生超调时减少了虚拟惯量以缩短系统频率响应调节时间。
2、本发明在虚拟惯性系数Kv的附加函数中结合已有的Bang-Bang控制形式，并将以频率变化率df/dt为底数的指数函数引入，得到的虚拟惯性系数随系统频率波动平滑变化，减小了系统频率响应的控制波动，且能在较宽的频率波动范围内自适应地调整系统的惯量支撑力度以维持系统频率稳定。
附图说明
图1为本发明永磁直驱风力发电系统中自适应虚拟惯性系数Kv的运算结构图。
图2为本发明虚拟惯性系数Kv作用于机侧变流器控制的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本实施例中，一种基于自适应虚拟惯性参数的优化控制方法，是应用于由风机总控、永磁同步风机、机侧变流器所组成的全功率永磁直驱风力发电系统中，用于增强优化风电并网机组的频率支撑能力，并按如下步骤进行：
步骤1、采集图2所示并网点PCC的频率变化率df/dt，如图1所示，取其绝对值并经过低通滤波器LPF的处理后，得到滤波后的频率变化率，目的是滤除频率检测信号中的高频噪声，减弱环境因素对信号检测的干扰，再与给定阈值N进行比较，若滤波后的频率变化率大于等于N，则令防误动作系数A为“1”，否则，令防误动作系数A为“0”，这里给定阈值取正值，目的是避免系统因微小的频率波动而误动作，只有当频率波动超过允许的阈值时，自适应调节才产生作用以优化系统的惯量支撑；
步骤2、利用式(1)得到系统的虚拟惯性系数Kv：
Kv＝A·B·K·(|df/dt|)m+Kd (1)
式(1)中，f为图2所示并网点PCC的实际频率，K为大于零的常数，m为正指数幂，Kd为系统的虚拟惯性常数，B为符号项，并有：
Figure GDA0002855211560000031
式(2)中，Δf为系统的频率偏移量，且Δf＝f-f0；f0为电网频率的给定值；
图1即为步骤1、2所得虚拟惯性系数Kv的算法流程图，这里虚拟惯性系数Kv采用虚拟惯性常数Kd附加指数形式的虚拟惯性系数的形式，在指数项前乘以符号项B是为了实现在系统并网点的频率变化率df/dt及频率偏移量Δf同号的极端情况下大幅度调整虚拟惯性系数的取值以抑制频率波动，Kv含指数函数形式则有利于控制的平滑性。
步骤3、利用式(3)得到系统的附加有功指令PVIC：
Figure GDA0002855211560000041
式(3)中，Ki为比例系数；
步骤4、如图2所示，将附加有功指令PVIC与风机总控下达的实时功率指令PMPPT进行叠加，获得优化的有功指令P* WT；
步骤5、将优化的有功指令P* WT与风机有功的检测值PWT进行比较，获得偏差信号ΔPWT，并经过PI调节器得到有功电流指令
Figure GDA0002855211560000042
同时，令无功电流指令
Figure GDA0002855211560000043
为0；
步骤6、检测永磁同步风力发电机的定子三相电流Isabc和转子相角θr，将定子三相电流Isabc经过Park变换后获得实际有功电流iq与实际无功电流id；
步骤7、将有功电流指令
Figure GDA0002855211560000044
与实际有功电流iq进行比较，获得有功电流偏差Δiq后输入PI调节器，从而获得有功电压指令
Figure GDA0002855211560000045
将无功电流指令
Figure GDA0002855211560000046
与实际无功电流id进行比较，获得无功电流偏差Δid后输入PI调节器，从而获得无功电压指令
Figure GDA0002855211560000047
步骤8、将有功电压指令
Figure GDA0002855211560000048
与无功电压指令
Figure GDA0002855211560000049
下达给SVPWM环节进行调制，生成的开关管PWM控制信号输出给机侧变流器，以优化系统的惯量支撑能力。

Claims (1)

1.一种基于自适应虚拟惯性参数的优化控制方法，其特征是应用于由风机总控、永磁同步风力发电机、机侧变流器所组成的全功率永磁直驱风力发电系统中，并按如下步骤进行：
步骤1、采集并网点PCC的频率变化率，并经过低通滤波器的处理后，得到滤波后的频率变化率，再与给定阈值N进行比较，若滤波后的频率变化率大于等于N，则令防误动作系数A为“1”，否则，令防误动作系数A为“0”；
步骤2、利用式(1)得到系统的虚拟惯性系数Kv：
Kv＝A·B·K·(|df/dt|)m+Kd (1)
式(1)中，f为并网点PCC的实际频率，K为大于零的常数，m为正指数幂，Kd为系统的虚拟惯性常数，B为符号项，并有：
Figure FDA0002855211550000011
式(2)中，Δf为系统的频率偏移量，且Δf＝f-f0；f0为电网频率的给定值；
步骤3、利用式(3)得到系统的附加有功指令PVIC：
Figure FDA0002855211550000012
式(3)中，Ki为比例系数；
步骤4、将所述附加有功指令PVIC与风机总控下达的实时功率指令PMPPT进行叠加，获得优化的有功指令P* WT；
步骤5、将优化的有功指令P* WT与风机有功的检测值PWT进行比较，获得偏差信号ΔPWT，并经过PI调节器后得到有功电流指令
Figure FDA0002855211550000013
同时，令无功电流指令
Figure FDA0002855211550000014
为0；
步骤6、检测永磁同步风力发电机的定子三相电流Isabc和转子相角θr，将定子三相电流Isabc经过Park变换后获得实际有功电流iq与实际无功电流id；
步骤7、将有功电流指令
Figure FDA0002855211550000015
与实际有功电流iq进行比较，获得有功电流偏差Δiq后输入PI调节器，从而获得有功电压指令
Figure FDA0002855211550000016
将无功电流指令
Figure FDA0002855211550000017
与实际无功电流id进行比较，获得无功电流偏差Δid后输入PI调节器，从而获得无功电压指令
Figure FDA0002855211550000018
步骤8、将所述有功电压指令
Figure FDA0002855211550000019
与无功电压指令
Figure FDA00028552115500000110
下达给SVPWM环节进行调制，生成的开关管PWM控制信号输出给所述机侧变流器，以优化系统的惯量支撑能力。
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