CN111697595A - 一种虚拟同步风机的频率动态优化控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟同步风机的频率动态优化控制方法及系统，具体为在含虚拟同步风机的电力系统中，虚拟同步风机正常运行状态下，电力系统受负荷扰动影响频率发生变化，需要添加频率动态优化方法来优化电力系统在扰动后的频率动态。本发明只需要在虚拟同步风机的无功功率控制加上基于频率的前级控制，经过一个滤波环节、微分环节和比例环节；在电力系统发生扰动后将频率信号的变化传递到无功功率指令上，引起虚拟同步风机端电压的变化，最终会相应地引起电力系统的有功功率变化从而优化了电力系统的频率动态，保障了电力系统的安全稳定运行以及电网友好性。

Description

一种虚拟同步风机的频率动态优化控制方法及系统

技术领域

本发明属于电力系统安全运行领域，更具体地，涉及一种虚拟同步风机的频率动态优化控制方法及系统。

背景技术

随着以风力发电为代表的新能源发电技术的广泛应用和快速发展，新能源发电由于其在环境方面的优势在电力系统中的渗透水平不断提高，以同步发电机为主导发电装备的传统电力系统，面临着重要的变革。电力系统运行的基本目标在于为用户提供满足一定电压、频率指标的高品质电能，在新能源发电不断增加的同时，风力发电等新能源发电装备显著区别于传统同步机的动态特性，将深刻地改变着电力系统的电压及频率动态行为，对电力系统的安全稳定运行构成重大威胁。频率稳定问题是最重要的电网稳定问题之一。

随着以风电为代表的新能源发电在电力系统中逐步取代系统中部分常规同步电源，其显著区别于同步发电机的频率响应特性和静态出力特性无疑将深刻地影响着系统的频率动态行为，将致使系统惯性能力减弱，为电力系统的供电充裕性带来新的挑战，恶化系统频率动态，威胁系统的安全稳定运行，反过来也将限制风电等新能源发电的渗透率，制约其长远的可持续健康发展。因此，亟需对风机进行频率响应特性优化，增加新的频率优化控制方案。增强其对电网的频率动态支撑作用。

发明内容

针对现有技术的改进需求，本发明提供了一种虚拟同步风机的频率动态优化控制方法及系统，利用风机的无功功率功率调节能力，通过在系统频率变化时改变风机的机断电压，改善系统的频率动态，提高系统的安全稳定运行能力。

按照本发明的一方面，提供了一种虚拟同步风机的频率动态优化控制方法，包括如下步骤：

(1)采集直流输电系统逆变侧换流站的并网点三相电压U_abc和并网点三相电流i_abc以及直流电压U_dc和转子转速ω_r；

(2)对于并网点三相电压U_abc，通过锁相环获取直流输电系统逆变侧换流站所连接的交流电网频率f，根据交流电网频率f获得风机的附加无功功率参考值

对于并网点三相电压信号U_abc和并网点三相电流i_abc，通过瞬时功率计算获取风机输出的无功功率Q；

(3)无功功率参考值Q^ref，附加无功功率参考值

和无功功率Q通过PI控制得到端电压参考值

进一步计算得到驱动信号S_abc，并驱动风机的变流器以实现频率优化控制。

进一步地，根据交流电网频率f获得风机的无功功率参考值

具体包括：

将交流电网频率参考信号减去交流电网频率f后分为两路，一路先经过一个微分环节在经过一个比例环节，另一路经过一个低通滤波环节再经过一个比例环节，两路信号相加得到附加无功功率参考值

更进一步地，步骤(3)具体包括：

对无功功率参考值Q^ref，附加无功功率参考值

和无功功率Q进行PI控制后获得端电压信号参考值

其中，PI控制器包括比例系数k_{p_var}和积分系数k_{i_var}，实际系统中的这两个参数需根据实际系统进行调节，输入与输出的关系为：

其中，s为拉普拉斯算子。

对风机的有功功率参考值P_ref和有功功率P进行虚拟同步控制后获得频率参考值ω_s；其中，虚拟控制器包括虚拟惯量系数T_J，实际系统中的这个参数需根据实际系统进行调节，输入与输出的关系为：

对端电压参考值

频率内电势参考值ω_s通过计算后得到变流器的驱动信号S_abc。直驱风机的S_abc通过如下公式计算：

双馈风机的S_abc通过如下公式计算：

按照本发明的另一方面，提供了一种虚拟同步风机的频率动态优化控制系统，包括：

采集模块，用于采集直流输电系统逆变侧换流站的并网点三相电压U_abc和并网点三相电流i_abc；

功率获取模块，用于对并网点三相电压U_abc，通过锁相环获取直流输电系统逆变侧换流站所连接的交流电网频率f，根据交流电网频率f获得风机的附加无功功率参考值

对于并网点三相电压U_abc和并网点三相电流i_abc，通过瞬时功率计算获取风机输出的无功功率Q；

频率优化模块，用于对无功功率参考值Q^ref、无功功率参考值

和无功功率Q通过PI控制得到端电压参考值

进一步计算得到驱动信号S_abc，并驱动风机的变流器以实现频率优化控制。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，需要在风机控制系统的无功功率控制上加入基于频率的前级控制，将检测到的频率信号以及频率信号的微分引入到无功功率参考值上。在交流电网发生扰动后电网频率发生变化时，该控制方法将频率信号的变化传递到无功功率上，无功功率在变化时会相应的引起端电压变化，从而影响电网的频率动态，不仅能够保持风机的稳定运行，同时对其所连接的交流系统频率动态提供优化的效果，保障了含风机并网的电力系统的安全稳定运行以及电网友好性。

附图说明

图1是本发明实施例双馈风机的结构示意图；

图2是本发明实施例虚拟同步控制双馈风机的机侧变流器控制结构图；

图3是本发明实施例频率优化控制的控制结构图；

图4是本发明另一实施例直驱风机的结构示意图；

图5是本发明另一实施例虚拟同步控制双馈风机的网侧变流器控制结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加明白，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的虚拟同步风机频率优化控制方法包括如下步骤：

(1)采集直流输电系统逆变侧换流站的并网点三相电压U_abc和并网点三相电流i_abc以及直流电压U_dc和转子转速ω_r；

(2)对于并网点电压信号U_abc，计算得到端电压幅值U_t，并通过锁相环获取直流输电系统逆变侧换流站所连接的交流电网频率f，根据交流电网频率f获得风机的附加无功功率参考值

对于并网点三相电压信号U_abc和并网点三相电流i_abc，通过瞬时功率计算获取风机输出的无功功率Q；

(3)无功功率参考值Q^ref，附加无功功率参考值

和无功功率Q通过PI控制得到端电压参考值

进一步计算得到驱动信号S_abc，并驱动风机的变流器以实现频率优化控制。

其中，根据交流电网频率f获得风机的无功功率参考值

具体包括：

将交流电网频率参考信号减去交流电网频率f后分为两路，一路先经过一个微分环节在经过一个比例环节，另一路经过一个低通滤波环节再经过一个比例环节，两路信号相加得到附加无功功率参考值

更进一步地，步骤(3)具体包括：

对无功功率参考值Q^ref，附加无功功率参考值

和无功功率Q进行PI控制后获得端电压信号参考值

其中，PI控制器包括比例比例系数k_{p_var}和积分系数k_{i_var}，实际系统中的这两个参数需根据实际系统进行调节，输入与输出的关系为：

对风机的有功功率参考值P_ref和有功功率P进行虚拟同步控制后获得频率参考值ω_s；其中，虚拟控制器包括虚拟惯量系数T_J，实际系统中的这个参数需根据实际系统进行调节，输入与输出的关系为：

对端电压参考值

频率内电势参考值ω_s通过计算后得到变流器的驱动信号S_abc。对端电压参考值

频率内电势参考值ω_s通过计算后得到变流器的驱动信号S_abc。直驱风机的S_abc通过如下公式计算：

双馈风机的S_abc通过如下公式计算：

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明的一种虚拟同步风机频率优化控制方法进行详细说明。

实施例一

图1示出了双馈风机的结构图：双馈风机的定子直接与并网变压器相连，转子通过背靠背变流器与并网变压器相连，变压器另一端与电网相连。图中并网点交流三相电压U_abc、并网点交流三相电流i_abc、转子转速ω_r以及直流电压U_dc，是与本发明实施例相关的需要采集的信号。

图2示出了本发明实例提供的带频率优化控制的虚拟同步双馈风机的控制结构图：该控制器包含有功功率控制、无功功率及端电压控制和频率优化控制。锁相环通过并网点交流三相电压U_abc计算得到交流电网频率f和，频率优化控制器通过交流电网频率f得到附加无功功率参考值

并网点交流三相电压U_abc利用CLARK变换得到并网点交流电压的α轴分量U_α、β轴分量U_β，并网点交流三相电流i_abc利用CLARK变换得到并网点交流电电流的α轴分量i_α、β轴分量i_β，，并计算有功功率P和无功功率Q：

无功功率参考值Q^ref，附加无功功率参考值

和无功功率Q经过无功功率控制的PI控制器得到端电压参考值

端电压参考值

与端电压U_t经过端电压的PI控制器得到机端电压参考值U_r；风机的有功功率参考值P_ref和有功功率P进行虚拟同步控制后获得频率参考值ω_s，减去转子转速ω_r得到滑差频率参考值ω_slip，机端电压参考值U_r和滑差频率参考值ω_slip计算后得到变流器驱动信号，驱动双馈风机机侧变流器。

图3示出了频率优化控制器的具体控制结构图。在图2中可以看到，频率优化控制器在无功功率控制器的前级。将交流电网频率参考信号减去交流电网频率f后分为两路，一路先经过一个微分环节在经过一个比例环节，另一路经过一个低通滤波环节再经过一个比例环节，两路信号相加得到附加无功功率参考值

频率优化控制器的输入输出关系为：

低通滤波环节作用为滤去交流电网的频率f的高频信号，微分环节用一个高通滤波器替代，增益环节可调节实际的频率优化效果。频率优化控制器根据交流电网的频率f的变化调节附加无功功率参考值

双馈风机的机侧控制会根据无功功率参考值的变化调节实际的机端电压，从而能够在端电压产生相应的电压变化改变电网的功率，最终优化频率动态。

实施例二

图4示出了直驱风机的结构图：直驱风机的定子通过背靠背变流器与并网变压器相连，变压器另一端与电网相连。图中并网点交流三相电压U_abc、并网点交流三相电流i_abc以及直流电压U_dc，是与本发明实施例相关的需要采集的信号。

图5示出了本发明实例提供的带频率优化控制的虚拟同步直驱风机的控制结构图：该控制器包含有功功率控制、无功功率及端电压控制和频率优化控制。其中频率优化控制器的具体控制框图在图3中示出。锁相环通过并网点交流三相电压U_abc计算得到交流电网频率f和，频率优化控制器通过交流电网频率f得到附加无功功率参考值

图3示出了频率优化控制器的具体控制结构图。在图2中可以看到，频率优化控制器在无功功率控制器的前级。将交流电网频率参考信号减去交流电网频率f后分为两路，一路先经过一个微分环节在经过一个比例环节，另一路经过一个低通滤波环节再经过一个比例环节，两路信号相加得到附加无功功率参考值

频率优化控制器的输入输出关系为：

低通滤波环节作用为滤去交流电网的频率f的高频信号，微分环节用一个高通滤波器替代，增益环节可调节实际的频率优化效果。频率优化控制器根据交流电网的频率f的变化调节附加无功功率参考值

双馈风机的机侧控制会根据无功功率参考值的变化调节实际的机端电压，从而能够在端电压产生相应的电压变化改变电网的功率，最终优化频率动态。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种虚拟同步风机的频率动态优化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采集直流输电系统逆变侧换流站的并网点三相电压U_abc和并网点三相电流i_abc；

(2)对于所述并网点三相电压U_abc，通过锁相环获取直流输电系统逆变侧换流站所连接的交流电网频率f，根据所述交流电网频率f获得风机的附加无功功率参考值

对所述并网点三相电压U_abc和所述并网点三相电流i_abc，通过瞬时功率计算获取风机输出的无功功率Q；

(3)无功功率参考值Q^ref、无功功率参考值

和无功功率Q通过PI控制得到端电压参考值

进一步计算得到驱动信号S_abc，并驱动风机的变流器以实现频率优化控制。

2.根据权利要求1所述的虚拟同步风机的频率动态优化控制方法，其特征在于，根据所述交流电网频率f获得风机的无功功率参考值

具体包括：

将交流电网频率参考信号减去所述交流电网频率f后分为两路，一路依次经过一个微分环节和一个比例环节、另一路依次经过一个低通滤波环节和一个比例环节后，两路信号相加得到附加无功功率参考值

3.根据权利要求1所述的虚拟同步风机的频率动态优化控制方法，其特征在于，步骤(3)具体包括：

对无功功率参考值Q^ref、附加无功功率参考值

和无功功率Q进行PI控制后获得端电压信号参考值

对风机的有功功率参考值P_ref和有功功率P进行虚拟同步控制后获得内电势频率参考值ω_s；

对所述端电压参考值

和所述频率内电势参考值ω_s进行计算后得到变流器的驱动信号S_abc。

4.根据权利要求3所述的虚拟同步风机的频率动态优化控制方法，其特征在于，所述驱动信号S_abc的计算分为两种情况：

直驱风机的驱动信号S_abc通过如下公式计算：

双馈风机的S_abc通过如下公式计算：

其中，ω_s为内电势频率参考值，ω_r为转子转速。

5.一种虚拟同步风机的频率动态优化控制系统，其特征在于，包括：

采集模块，用于采集直流输电系统逆变侧换流站的并网点三相电压U_abc和并网点三相电流i_abc；

功率获取模块，用于对所述并网点三相电压U_abc，通过锁相环获取直流输电系统逆变侧换流站所连接的交流电网频率f，根据所述交流电网频率f获得风机的附加无功功率参考值

对于所述并网点三相电压U_abc和所述并网点三相电流i_abc，通过瞬时功率计算获取风机输出的无功功率Q；

频率优化模块，用于对无功功率参考值Q^ref、无功功率参考值

和无功功率Q通过PI控制得到端电压参考值

进一步计算得到驱动信号S_abc，并驱动风机的变流器以实现频率优化控制。

6.根据权利要求1所述的虚拟同步风机的频率动态优化控制系统，其特征在于，根据所述交流电网频率f获得风机的无功功率参考值

具体包括：

将交流电网频率参考信号减去所述交流电网频率f后分为两路，一路依次经过一个微分环节和一个比例环节、另一路依次经过一个低通滤波环节和一个比例环节后，两路信号相加得到附加无功功率参考值

7.根据权利要求1所述的虚拟同步风机的频率动态优化控制系统，其特征在于，所述频率优化模块对无功功率参考值Q^ref、附加无功功率参考值

和无功功率Q进行PI控制后获得端电压信号参考值

对风机的有功功率参考值P_ref和有功功率P进行虚拟同步控制后获得内电势频率参考值ω_s；

对所述端电压参考值

和所述频率内电势参考值ω_s进行计算后得到变流器的驱动信号S_abc。

8.根据权利要求7所述的虚拟同步风机的频率动态优化控制系统，其特征在于，所述驱动信号S_abc的计算分为两种情况：

直驱风机的驱动信号S_abc通过如下公式计算：

双馈风机的S_abc通过如下公式计算：

其中，ω_s为内电势频率参考值，ω_r为转子转速。

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