CN111277001B - 基于虚拟同步发电机参数自适应控制的风机并网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于虚拟同步发电机参数自适应控制的风机并网控制方法，在风电场输出的交流母线上并联控制系统，所述控制系统包括储能装置、逆变器、电压传感器、电流传感器、自适应有功‑频率控制模块、无功‑电压控制模块、虚拟阻抗控制模块和SVPWM控制模块，所述储能装置经逆变器并联在风电场输出的交流母线上，所述电压传感器、电流传感器分别采集控制系统与风电场并网端的电压和储能装置输出的电流，输入自适应有功‑频率控制模块、无功‑电压控制模块、虚拟阻抗控制模块和SVPWM控制模块进行计算，得到逆变器的驱动信号，控制储能装置的输出，以进行风机并网控制。该方法有利于提高风机并网控制的快速性和稳定性。

Description

基于虚拟同步发电机参数自适应控制的风机并网控制方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于虚拟同步发电机参数自适应控制的风机并网控制方法。

背景技术

近几年，随着对新能源发电技术的深入研究，风力发电正在以高渗透率的趋势接入到电网中，可为电网提供更加清洁持续的能源支持。但当新能源大规模接入电网时，由于基于电力电子逆变接口的风机几乎没有任何旋转动能，当其大规模接入到电网中时，系统的惯性将会随之减少，从而导致系统在遭到扰动后可能会出现严重的频率振荡问题；当系统功率发生波动时，频率可能发生振荡甚至导致频率崩溃，严重威胁系统的稳定运行。

专利201710191547.8公开了一种针对双馈风机的阻尼增强型控制方法，通过引入关于电网频率的附加阻尼项的方法增加双馈风机系统的阻尼，且该附加阻尼项不影响双馈风机的虚拟功角-转速平衡点和同步稳定裕度，避免双馈风机由于配置下垂系数以满足同步稳定裕度而引起的系统阻尼变弱，使频率下垂控制或虚拟同步机控制的双馈风机在具有期望的同步稳定裕度的同时，具有期望的阻尼特性，改善电网的动态特性与稳定性。该专利引入关于电网频率的附加阻尼项的方法增加双馈风机系统的阻尼，但是需要在每一台风机上进行改造，增加了制造成本。

专利201510257213.7公开了一种双馈风机虚拟惯量的控制方法及控制装置，该方法包括以下步骤：建立电力系统频率响应方程；获取系统惯性时间常数的估计值；获取扩张状态观测器的标准形式；设计扩张状态观测器；通过所述扩张状态观测器得到有功参考增量，以获取双馈风机虚拟惯量控制方程。该控制方法通过扩张状态观测器得到有功参考增量，从而获取双馈风机虚拟惯量控制方程，避免了微分器难以实现的难题，并且可以方便地考虑风电虚拟惯量控制对系统总惯量的相对贡献大小。该专利修改了双馈风机虚拟惯量控制方程，避免了微分器难以实现的难题，并且可以方便地考虑风电虚拟惯量控制对系统总惯量的相对贡献，但在针对负荷扰动时，由于步骤的复杂性，不能迅速做出反应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于虚拟同步发电机参数自适应控制的风机并网控制方法，该方法有利于提高风机并网控制的快速性和稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于虚拟同步发电机参数自适应控制的风机并网控制方法，在风电场输出的交流母线上并联控制系统，所述控制系统包括储能装置、逆变器、电压传感器、电流传感器、自适应有功-频率控制模块、无功-电压控制模块、虚拟阻抗控制模块和SVPWM控制模块，所述储能装置经逆变器并联在风电场输出的交流母线上，所述电压传感器、电流传感器分别采集控制系统与风电场并网端的电压U_abc和储能装置输出的电流I_abc，输入自适应有功-频率控制模块、无功-电压控制模块、虚拟阻抗控制模块和SVPWM控制模块进行计算，得到逆变器的驱动信号，控制储能装置的输出，以进行风机并网控制。

进一步地，所述风电场的风力发电机组为双馈异步风电机组。

进一步地，所述逆变器采用三相电压型逆变器进行能量的双向换流，其输出线路上设有滤波电感L_i、滤波电容C_i和线路电阻R_i。

进一步地，该方法具体包括以下步骤：

1)当电网受到负荷扰动时，实时采集控制系统与风电场并网端的电压U_abc和储能装置输出的电流I_abc；

2)电压U_abc通过旋转坐标模块计算得到dq分量U_dq，通过幅值运算

得到并网端电压幅值U_m，并通过功率计算模块计算得到有功功率P_e；

3)采集到的U_abc和I_abc分别通过功率和锁相环运算，得到电网实际的无功功率Q和角频率ω₀，然后通过自适应有功-频率控制模块输出相角θ，通过无功-电压控制模块输出励磁电势E₀；

4)将自适应有功-频率控制模块输出的相角θ、无功-电压控制模块输出的励磁电势E₀、采集到的I_abc、计算得到的电压分量U_dq作为虚拟阻抗控制模块的输入信号，计算得到并网电压指令值U*；

5)将并网电压指令值U*作为SVPWM调制信号波，通过SVPWM控制模块输出逆变器的控制信号；

6)通过逆变器控制储能装置发出或吸收的功率，进行风机并网控制。

进一步地，所述步骤3中，按如下方法设计所述自适应有功-频率控制模块：

同步发电机中的机械角速度和电角速度的运算关系ω＝pΩ，当极对数p为1时，功频控制方程为：

式中，P₀、P_e分别为同步发电机的机械功率和电磁功率，ω为经过功频控制器调整后的角频率，J为虚拟惯量，D为阻尼因子；基于同步发电机的调速器原理，增加一个有功-频率下垂控制环节，根据反馈频率变化率，补偿电力系统中的不平衡能量，下垂特性方程为：

式中，ω_ref为角频率参考值，K_ω为有功功率的下垂系数，反映了虚拟同步发电机VSG的频率调节能力；

联立式(1)、(2)，得到：

基于上式设计功频控制器，其控制过程为：当电网中负荷产生波动，输出转速与对应的参考转速相减，通过K_ω对输出的有功功率进行调节，与虚拟同步发电机输出的机械功率P₀相加得到原动机输出的参考功率；通过对电力系统负荷变化所引起的频率波动进行有差调节，得到调整后的实时角速度，进而得到相角θ；

在功频控制器加入自适应控制算法，得到自适应有功-频率控制模块，以在角速度变化量Δω、角速度的变化率dω/dt同号时增大虚拟惯量J，异号时减小虚拟惯量J，电力系统虚拟惯量和阻尼因子与频率偏移量的自适应控制按如下公式实现：

式中，J₀和D₀分别为虚拟同步发电机稳定运行时的转动惯量和阻尼系数，K_i和K_j分别为转动惯量和阻尼系数的调节系数，T_i和T_j为变化阈值，P_wind为风机输出的有功功率；

转动惯量和阻尼系数协同自适应控制过程为：在采集信号dω/dt，若

大于阈值，且

则输出信号都为1，那么D设定为稳态值D₀，参数J自适应变化；而若

大于阈值，且

则输出信号都为1，那么J设定为稳态值J₀，参数D自适应变化，从而实现J与D的交错控制。

进一步地，所述步骤3中，按如下方法设计所述无功-电压控制模块：

虚拟电势E₀由电压参考值U_ref与反馈电压幅值进行比较后经PI环节得到，U_ref表示为：

U_ref＝K_Q(Q_ref-Q)+U_N＝K_QΔQ+U_N＝ΔU+U_N (6)

式中，K_Q为无功调压系数，Q_ref为无功功率参考值，Q为逆变器并网端输出的瞬时无功功率，U_N为额定电压值，ΔU为电压幅值的偏移量；

基于上式设计无功-电压控制模块，其控制过程为：当电网无功负荷产生波动，将无功功率的差值ΔQ在调压系数K_Q调节下，得到电压差值的幅值ΔU，将电压偏差值与额定电压值U_N作和，得到电压内环调节的电压参考值U_ref，电压参考值与反馈电压幅值进行比较后经PI环节得到励磁电势E₀。

进一步地，所述步骤4中，按如下方法设计所述虚拟阻抗控制模块：

同步发电机的运算方程为：

式中，

为定子端电压，

为同步发电机的电枢感应电势，

为电枢电流，R_a为同步发电机的电枢电阻，X_s为电抗值，ΔE为定子压降；

基于自适应有功-频率控制得到的相角θ和无功-电压控制得到的励磁电势E₀，结合式(7)设计得到虚拟同步发电机VSG的虚拟阻抗控制模块，其控制过程为：自适应有功-频率控制模块得出的相角θ，通过对相位取正弦函数得到正弦部分，然后与无功-电压控制模块得到的励磁电势E₀相乘，得到正弦的励磁电动势

然后将设定的虚拟电枢电阻与同步电抗值R_a+jX_s与电枢电流

相乘，得到定子压降ΔE；最后，将

与ΔE相减得到参考信号端电压

进行abc/dq变换，与实际端电压值进行比较，经PI控制器输出到SVPWM调制生成相应的逆变桥脉冲信号，完成整个系统的闭环控制。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：提供了一种基于虚拟同步发电机参数自适应控制的风机并网控制方法，该方法在不修改风机模型的情况下，根据频率的波动实时削峰填谷，减小功率波动；并通过构建虚拟惯量和阻尼与频率偏移量间的自适应关系，使系统可根据其暂态过程中不同阶段的系统特性来自由配置虚拟惯量和阻尼系数，提高风机并网控制的快速性和稳定性，具有很强的实用性和广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的控制原理图。

图2是本发明实施例中功频控制器的控制原理图。

图3是本发明实施例中自适应有功-频率控制模块的控制原理图。

图4是本发明实施例中无功-电压控制模块的控制原理图。

图5是本发明实施例中虚拟阻抗控制模块的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种基于虚拟同步发电机参数自适应控制的风机并网控制方法，如图1所示，在风电场输出的交流母线上并联控制系统，所述控制系统包括储能装置、逆变器、电压传感器、电流传感器、自适应有功-频率控制模块、无功-电压控制模块、虚拟阻抗控制模块和SVPWM控制模块，所述储能装置经逆变器并联在风电场输出的交流母线上，所述电压传感器、电流传感器分别采集控制系统与风电场并网端的电压U_abc和储能装置输出的电流I_abc，输入自适应有功-频率控制模块、无功-电压控制模块、虚拟阻抗控制模块和SVPWM控制模块进行计算，得到逆变器的驱动信号，控制储能装置的输出，以进行风机并网控制。其中，所述风电场的风力发电机组为双馈异步风电机组。所述逆变器采用三相电压型逆变器进行能量的双向换流，其输出线路上设有滤波电感L_i、滤波电容C_i和线路电阻R_i。

具体地，该方法按以下步骤实现风机并网控制：

1)当电网受到负荷扰动时，实时采集控制系统与风电场并网端的电压U_abc和储能装置输出的电流I_abc。

2)电压U_abc通过旋转坐标模块计算得到dq分量U_dq，通过幅值运算

得到并网端电压幅值U_m，并通过功率计算模块计算得到有功功率P_e。

3)采集到的U_abc和I_abc分别通过功率和锁相环运算，得到电网实际的无功功率Q和角频率ω₀，然后通过自适应有功-频率控制模块输出相角θ，通过无功-电压控制模块输出励磁电势E₀。

4)将自适应有功-频率控制模块输出的相角θ、无功-电压控制模块输出的励磁电势E₀、采集到的I_abc、计算得到的电压分量U_dq作为虚拟阻抗控制模块的输入信号，计算得到并网电压指令值U*。

5)将并网电压指令值U*作为SVPWM调制信号波，通过SVPWM控制模块输出逆变器的控制信号。

6)通过逆变器控制储能装置发出或吸收的功率，进行风机并网控制，以提高电力系统稳定性。

以下对本发明涉及的自适应有功-频率控制模块、无功-电压控制模块以及虚拟阻抗控制模块等的设计方法及控制过程作进一步说明。

自适应有功-频率控制模块：

同步发电机中的机械角速度和电角速度的运算关系ω＝pΩ，当极对数p为1时，功频控制方程为：

式中，P₀、P_e分别为同步发电机的机械功率和电磁功率，ω为经过功频控制器调整后的角频率，J为虚拟惯量，D为阻尼因子；基于同步发电机的调速器原理，增加一个有功-频率下垂控制环节，根据反馈频率变化率，补偿电力系统中的不平衡能量，下垂特性方程为：

式中，ω_ref为角频率参考值，K_ω为有功功率的下垂系数，反映了虚拟同步发电机VSG的频率调节能力；

联立式(1)、(2)，得到：

基于上式设计功频控制器，如图2所示，其控制过程为：当电网中负荷产生波动，输出转速与对应的参考转速相减，通过K_ω对输出的有功功率进行调节，与虚拟同步发电机输出的机械功率P₀相加得到原动机输出的参考功率；通过对电力系统负荷的快速变化所引起的频率波动进行快速的有差调节，得到调整后的实时角速度，进而得到相角θ，很好地模拟了同步发电机组对电网频率的一次调频。

以上的VSG控制策略中由于其惯性和阻尼因子都是定值，无法使得电网的快速性和稳定性皆达到最优。即当虚拟惯量J选择过大时，虽能减小电网频率波动幅值，但却增大了响应时间，并且还需要提高电力系统的储能容量；而惯性数值选择过小时，电网调整的快速性大大提高，但电力系统却可能在遭受大干扰后而崩溃。同理，阻尼因子D选择不当时，电力系统功率超调和调整时间都会受到影响，同时还会影响P-ω的下垂特性，进而影响整个电力系统。

为了优化VSG的控制性能，在功频控制器加入自适应控制算法，得到自适应有功-频率控制模块，以在角速度变化量Δω、角速度的变化率dω/dt同号时增大虚拟惯量J，异号时减小虚拟惯量J，使J、D实时变化，电力系统虚拟惯量和阻尼因子与频率偏移量的自适应控制按如下公式实现：

式中，J₀和D₀分别为虚拟同步发电机稳定运行时的转动惯量和阻尼系数，K_i和K_j分别为转动惯量和阻尼系数的调节系数，T_i和T_j为变化阈值，P_wind为风机输出的有功功率。

转动惯量和阻尼系数协同自适应控制原理如图3所示。转动惯量和阻尼系数协同自适应有功-频率控制过程为：在采集信号dω/dt，若

大于阈值，且

则输出信号都为1，那么D设定为稳态值D₀，参数J自适应变化；而若

大于阈值，且

则输出信号都为1，那么J设定为稳态值J₀，参数D自适应变化，从而实现J与D的交错控制。

无功-电压控制模块：

无功的平衡才能保持电压的稳定，无功-电压控制模块通过无功调压环节能够合理分配无功和稳定电压，保证电网输出电压在合理范围内。虚拟电势E₀由电压参考值U_ref与反馈电压幅值进行比较后经PI环节得到，U_ref表示为：

U_ref＝K_Q(Q_ref-Q)+U_N＝K_QΔQ+U_N＝ΔU+U_N (6)

式中，K_Q为无功调压系数，Q_ref为无功功率参考值，Q为逆变器并网端输出的瞬时无功功率，U_N为额定电压值，ΔU为电压幅值的偏移量。其中无功调压系数K_Q能够准确反映无功功率变化时电压幅值的偏移量，无功功率变化增大时，无功调压系数使得电压偏移量减小。无功功率变化增大时，正常情况下会使得电压变化大，通过乘以K_Q(一般很小，如0.0001)，使得幅值变化小。

基于上式设计无功-电压控制模块，如图4所示，其控制过程为：当电网无功负荷产生波动，将无功功率的差值ΔQ在调压系数K_Q调节下，得到电压差值的幅值ΔU，将电压偏差值与额定电压值U_N作和，得到电压内环调节的电压参考值U_ref，电压参考值与反馈电压幅值进行比较后经PI环节得到励磁电势E₀，作用于虚拟阻抗控制模块中。

虚拟阻抗控制模块：

同步发电机的运算方程为：

式中，

为定子端电压，

为同步发电机的电枢感应电势，

为电枢电流，R_a为同步发电机的电枢电阻，X_s为电抗值，ΔE为定子压降；

基于自适应有功-频率控制得到的相角θ和无功-电压控制得到的励磁电势E₀，结合式(7)设计得到虚拟同步发电机VSG的虚拟阻抗控制模块，如图5所示，其控制过程为：自适应有功-频率控制模块得出的相角θ，通过对相位取正弦函数得到正弦部分，然后与无功-电压控制模块得到的励磁电势E₀相乘，得到正弦的励磁电动势

然后将设定的虚拟电枢电阻与同步电抗值R_a+jX_s与电枢电流

相乘，得到定子压降ΔE；最后，将

与ΔE相减得到参考信号端电压

进行abc/dq变换，与实际端电压值进行比较，经PI控制器输出到SVPWM调制生成相应的逆变桥脉冲信号，完成整个系统的闭环控制。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于虚拟同步发电机参数自适应控制的风机并网控制方法，其特征在于，在风电场输出的交流母线上并联控制系统，所述控制系统包括储能装置、逆变器、电压传感器、电流传感器、自适应有功-频率控制模块、无功-电压控制模块、虚拟阻抗控制模块和SVPWM控制模块，所述储能装置经逆变器并联在风电场输出的交流母线上，所述电压传感器、电流传感器分别采集控制系统与风电场并网端的电压U_abc和储能装置输出的电流I_abc，输入自适应有功-频率控制模块、无功-电压控制模块、虚拟阻抗控制模块和SVPWM控制模块进行计算，得到逆变器的驱动信号，控制储能装置的输出，以进行风机并网控制；

该方法具体包括以下步骤：

1)当电网受到负荷扰动时，实时采集控制系统与风电场并网端的电压U_abc和储能装置输出的电流I_abc；

2)电压U_abc通过旋转坐标模块计算得到dq分量U_dq，通过幅值运算

得到并网端电压幅值U_m，并通过功率计算模块计算得到有功功率P_e；

3)采集到的U_abc和I_abc分别通过功率和锁相环运算，得到电网实际的无功功率Q和角频率ω₀，然后通过自适应有功-频率控制模块输出相角θ，通过无功-电压控制模块输出励磁电势E₀；

4)将自适应有功-频率控制模块输出的相角θ、无功-电压控制模块输出的励磁电势E₀、采集到的I_abc、计算得到的电压分量U_dq作为虚拟阻抗控制模块的输入信号，计算得到并网电压指令值U*；

5)将并网电压指令值U*作为SVPWM调制信号波，通过SVPWM控制模块输出逆变器的控制信号；

6)通过逆变器控制储能装置发出或吸收的功率，进行风机并网控制；

所述步骤3中，按如下方法设计所述自适应有功-频率控制模块：

同步发电机中的机械角速度和电角速度的运算关系ω＝pΩ，当极对数p为1时，功频控制方程为：

式中，P₀、P_e分别为同步发电机的机械功率和电磁功率，ω为经过功频控制器调整后的角频率，J为虚拟惯量，D为阻尼因子；基于同步发电机的调速器原理，增加一个有功-频率下垂控制环节，根据反馈频率变化率，补偿电力系统中的不平衡能量，下垂特性方程为：

式中，ω_ref为角频率参考值，K_ω为有功功率的下垂系数，反映了虚拟同步发电机VSG的频率调节能力；

联立式(1)、(2)，得到：

基于上式设计功频控制器，其控制过程为：当电网中负荷产生波动，输出转速与对应的参考转速相减，通过K_ω对输出的有功功率进行调节，与虚拟同步发电机输出的机械功率P₀相加得到原动机输出的参考功率；通过对电力系统负荷变化所引起的频率波动进行有差调节，得到调整后的实时角速度，进而得到相角θ；

在功频控制器加入自适应控制算法，得到自适应有功-频率控制模块，以在角速度变化量Δω、角速度的变化率dω/dt同号时增大虚拟惯量J，异号时减小虚拟惯量J，电力系统虚拟惯量和阻尼因子与频率偏移量的自适应控制按如下公式实现：

式中，J₀和D₀分别为虚拟同步发电机稳定运行时的转动惯量和阻尼系数，K_i和K_j分别为转动惯量和阻尼系数的调节系数，T_i和T_j为变化阈值，P_wind为风机输出的有功功率；

转动惯量和阻尼系数协同自适应控制过程为：在采集信号dω/dt，若

大于阈值，且

则输出信号都为1，那么D设定为稳态值D₀，参数J自适应变化；而若

大于阈值，且

则输出信号都为1，那么J设定为稳态值J₀，参数D自适应变化，从而实现J与D的交错控制；

所述步骤3中，按如下方法设计所述无功-电压控制模块：

虚拟电势E₀由电压参考值U_ref与反馈电压幅值进行比较后经PI环节得到，U_ref表示为：

U_ref＝K_Q(Q_ref-Q)+U_N＝K_QΔQ+U_N＝ΔU+U_N (6)

式中，K_Q为无功调压系数，Q_ref为无功功率参考值，Q为逆变器并网端输出的瞬时无功功率，U_N为额定电压值，ΔU为电压幅值的偏移量；

基于上式设计无功-电压控制模块，其控制过程为：当电网无功负荷产生波动，将无功功率的差值ΔQ在调压系数K_Q调节下，得到电压差值的幅值ΔU，将电压偏差值与额定电压值U_N作和，得到电压内环调节的电压参考值U_ref，电压参考值与反馈电压幅值进行比较后经PI环节得到励磁电势E₀；

所述步骤4中，按如下方法设计所述虚拟阻抗控制模块：

同步发电机的运算方程为：

式中，

为定子端电压，

为同步发电机的电枢感应电势，

为电枢电流，R_a为同步发电机的电枢电阻，X_s为电抗值，ΔE为定子压降；

基于自适应有功-频率控制得到的相角θ和无功-电压控制得到的励磁电势E₀，结合式(7)设计得到虚拟同步发电机VSG的虚拟阻抗控制模块，其控制过程为：自适应有功-频率控制模块得出的相角θ，通过对相位取正弦函数得到正弦部分，然后与无功-电压控制模块得到的励磁电势E₀相乘，得到正弦的励磁电动势

然后将设定的虚拟电枢电阻与同步电抗值R_a+jX_s与电枢电流

相乘，得到定子压降ΔE；最后，将

与ΔE相减得到参考信号端电压

进行abc/dq变换，与实际端电压值进行比较，经PI控制器输出到SVPWM调制生成相应的逆变桥脉冲信号，完成整个系统的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机参数自适应控制的风机并网控制方法，其特征在于，所述风电场的风力发电机组为双馈异步风电机组。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步发电机参数自适应控制的风机并网控制方法，其特征在于，所述逆变器采用三相电压型逆变器进行能量的双向换流，其输出线路上设有滤波电感L_i、滤波电容C_i和线路电阻R_i。

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