CN112003323A - 一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法，包括步骤：1)建立风电一次调频下垂控制数学模型；2)建立模拟同步发电机数学模型、机械功率数学模型；3)设计自适应虚拟惯量和转速差控制函数；4)设计自适应阻尼系数和转速差控制函数；5)将自适应虚拟惯量和自适应阻尼系数应用于风力发电并网控制系统虚拟同步发电机控制系统中；6)建立风力发电输出功率数学表达式；7)对步骤6)求一阶、二阶导数；8)得到虚拟同步机参考输出功率表达式；9)计算步骤8)特征根；10)得到系统自然震荡转速和阻尼比；11)计算额定虚拟惯量取值范围；12)在考虑阻尼系数的基础上，设置额定阻尼系数。本发明提高了风电并网一次调频性能。

Description

一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法

技术领域

本发明涉及一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法，该方法利用自适应虚拟惯量和自适应阻尼系数来抑制风电并网一次调频过程中的功率震荡现象，提高风电并网一次调频性能，通过小信号模型分析额定虚拟参数的取值范围。

背景技术

为了使采用双馈式异步电机的风力发电并网系统具备参与电网一次调频的能力，需要在风电并网控制系统采用下垂控制方案，解耦有功功率和无功功率，控制有功功率输出来动态响应频率波动。常规下垂控制因为无惯性环节，无法抑制一次调频过程中频率突变引起的功率震荡现象。

虚拟同步机模仿传统同步发电机特性能够为系统提供惯性和阻尼支撑，实现一次调频过程中功率的平滑过渡。但常规虚拟转动惯量J为定值，J选值过小，系统响应时间可以减少但无法对功率震荡起到抑制作用；J选值过大，系统可以对功率波动起到抑制作用但增加了响应时间。同理，虚拟阻尼系数D选取也会影响功率震荡抑制性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法，具体应用自适应虚拟惯量和自适应阻尼系数来抑制风电并网一次调频过程中的功率震荡现象，该方法是对风电并网控制系统进行改进，在下垂控制后引入自适应虚拟同步机控制，实现提高风电并网一次调频性能的目的。

本发明采取如下技术方案来实现的：

一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法，包括以下步骤：

1)建立含有频率响应动作门槛值f_d的风电一次调频下垂控制数学模型；

2)建立风力发电并网控制系统模拟同步发电机数学模型、机械功率数学模型；

3)设计自适应虚拟惯量和转速差控制函数；

4)设计自适应阻尼系数和转速差控制函数；

5)将步骤3)、步骤4)得到的自适应虚拟惯量和自适应阻尼系数应用于风力发电并网控制系统虚拟同步发电机控制系统中；

6)建立风力发电输出功率数学表达式；

7)对步骤6)中风力发电输出功率数学表达式求一阶、二阶导数；

8)将步骤7)中风力发电输出功率一阶、二阶导数和步骤2)中风力发电并网控制系统机械功率数学模型带入步骤2)中风力发电并网控制系统虚拟同步发电机数学模型中，得到虚拟同步机参考输出功率表达式；

9)对步骤8)中虚拟同步机参考输出功率表达式建立小信号模型并进行拉氏变换，计算其特征根；

10)分析步骤9)虚拟同步机参考输出功率小信号模型和其特征根，得到系统自然震荡转速和阻尼比；

11)根据步骤10)中系统自然震荡转速和风机虚拟同步机转速波动范围，计算额定虚拟惯量取值范围；

12)根据析步骤10)中系统阻尼比，在考虑阻尼系数的基础上，设置额定阻尼系数。

本发明进一步的改进在于，步骤1)建立含有频率响应动作门槛值f_d的风电一次调频下垂控制数学模型为：

其中：P₀为风机一次调频输出功率初值；f_d为频率响应动作门槛值，f_d＝(50±0.1)Hz；m是有功功率对应下垂控制系数；f是下垂控制输出频率；

步骤2)的具体实现方法为：建立风力发电并网控制系统模拟同步发电机数学模型、机械功率数学模型为：

其中：J为同步机转动惯量；ω为目标频率对应同步机转子转速；P_m为同步机机械功率；P_e为同步机电磁功率即输出功率；D为阻尼系数；ω₀为初始频率对应同步机转子转速；δ为同步机虚拟功角；机械功率由给定功率和转速差构成：P_m＝P_ref-K(ω-ω₀)，其中：P_ref为同步机输出功率参考值，K为有功频静态系数。

本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：设计自适应虚拟惯量和转速差控制函数为：J＝k_j|ω-ω₀|+J₀，其中：k_j为虚拟惯量调节系数，该系数正负与

正负一致，J₀为额定虚拟惯量；

步骤4)的具体实现方法为：设计自适应阻尼系数和转速差控制函数为：D＝|k_d|(J₀-k_j|ω-ω₀|)+D₀；其中：

为阻尼惯性比，D₀为额定阻尼系数。

本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：将步骤3)、步骤4)得到的自适应虚拟惯量和自适应阻尼系数应用于风力发电并网控制系统虚拟同步发电机控制系统中，具体应用于下垂控制输出端，作为电压、电流双闭环控制环节的输入，参与到风力发电一次调频控制中。

本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：建立风力发电输出功率数学表达式为：

其中：U₀∠δ为风力发电系统输出电压；X_S为输电线路等效电抗，U_S∠0为负荷侧电压；因为电压相角δ很小，则有

风力发电输出功率又表示为：

本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：对步骤6)中风力发电输出功率数学表达式求一阶、二阶导数：

本发明进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法为：将步骤7)中风力发电输出功率一阶、二阶导数和步骤2)中风力发电并网控制系统机械功率数学模型带入步骤2)中风力发电并网控制系统虚拟同步发电机数学模型中，得到虚拟同步机参考输出功率表达式为：

本发明进一步的改进在于，步骤9)的具体实现方法为：对步骤8)中虚拟同步机参考输出功率表达式建立小信号模型并进行拉氏变换：

计算其特征根为：

本发明进一步的改进在于，步骤10)的具体实现方法为：分析步骤9)虚拟同步机参考输出功率小信号模型和其特征根，得到系统自然震荡转速和阻尼比：

本发明进一步的改进在于，步骤11)的具体实现方法为：根据步骤10)中系统自然震荡转速和风机虚拟同步机转速波动范围：0.628rad/s≤ω_S≤15.7rad/s，计算额定虚拟惯量取值范围为：

步骤12)的具体实现方法为：根据析步骤10)中系统阻尼比，在考虑阻尼系数的基础上，利用最优二阶系统分析法，取阻尼比ξ＝0.707，设置额定阻尼系数为：

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

1.本发明提出的自适应虚拟同步机控制策略可以有效抑制风电并网一次调频过程中的功率震荡问题。

2.本发明采用小信号模型分析得到的额定虚拟惯量、额定阻尼系数取值更为合理。

附图说明

图1为风力发电系统一次调频下垂控制曲线；

图2为风力发电虚拟同步机控制框图；

图3为同步机功率与转速变化曲线；

图4为风力发电与输电线路连接示意图；

图5为含有自适应虚拟同步机的风机控制系统仿真模型图；

图6为阶跃上扰输出功率仿真波形；

图7为阶跃下扰输出功率仿真波形；

图8为一次调频阶跃上扰自适应虚拟惯量调节系数变化曲线；

图9为一次调频阶跃上扰自适应阻尼系数变化曲线；

图10为一次调频阶跃下扰自适应虚拟惯量调节系数变化曲线；

图11为一次调频阶跃下扰自适应阻尼系数变化曲线。

具体实施方式

下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，风力发电系统通过模仿常规发电机组里同步发电机下垂外特性来对逆变器进行控制。在风力发电系统频率响应过程中因为逆变装置器死区的存在，需要设置频率响应动作门槛值f_d，通常f_d＝(50±0.1)Hz，当下垂控制输出频率49.9Hz≤f≤50.1Hz时，下垂控制系统不动作。根据逆变器的输出特性，在一次调频过程中风力发电系统输出有功功率调节范围为：±10％P₀，其中：P₀为风机一次调频输出功率初值，根据图1可以得到带死区的风电发电系统P-f下垂一次调频控制表达式为：

式(1)中：m是有功功率对应下垂控制系数；f是下垂控制输出频率。

如图2所示，风力发电并网控制系统模拟同步发电机模型，机械方程为：

式(2)中：J为同步机转动惯量；ω为目标频率对应同步机转子转速；P_m为同步机机械功率；P_e为同步机电磁功率即输出功率；D为阻尼系数；ω₀为初始频率对应同步机转子转速；δ为同步机虚拟功角。

机械功率由给定功率和转速差构成：

P_m＝P_ref-K(ω-ω₀) (3)

式(3)中：P_ref为同步机输出功率参考值，K为有功频静态系数。

传统一次调频过程中，风机转动惯量为定值，J选值过小，系统响应时间可以减少但无法对功率震荡起到抑制作用；J选值过大，系统可以对功率波动起到抑制作用但大大增加了响应时间。同理，阻尼系数D选取也会影响功率震荡抑制性能。

如图3所示，当发生功率震荡时，转速增加阶段ω>ω₀，其中a阶段dω/dt<0，c阶段dω/dt>0，转速增加阶段需要增加转子惯量J来限制转子偏移量的增加；转速减少阶段ω<ω₀，其中b阶段dω/dt<0，d阶段dω/dt>0，转速减少阶段需要减少转子惯量J使功率尽快恢复至稳定值。

基于此，本发明提出一种在转速增加阶段，增加转子惯量J同时适当减少阻尼系数D；在转速减少阶段，减少转子惯量J同时适当增加阻尼系数D的自适应控制方案。该方案在加速阶段通过减少阻尼系数来保证系统响应速度，在减速阶段通过增加阻尼系数，加快功率至稳定值。

自适应虚拟惯量和转速差控制函数为：

J＝k_j|ω-ω₀|+J₀ (4)

式(4)中：k_j为虚拟惯量调节系数，该系数正负与

正负一致，J₀为额定虚拟惯量。

自适应阻尼系数和转速差控制函数为：

D＝|k_d|(J₀-k_j|ω-ω₀|)+D₀ (5)

式(5)中：

为阻尼惯性比，D₀为额定阻尼系数。

如图4所示，风力发电系统输出电压可表示为U₀∠δ，输电线路等效电抗为X_S，负荷侧电压可表示为U_S∠0。风力发电输出功率可表示为：

因为电压相角δ很小，则有

式(6)又可以表示为：

对式(7)分别求一阶、二阶导数：

将式(8)、式(3)带入式(2)中可得：

对式(9)建立其小信号模型并进行拉氏变换可得：

特征根为：

为了保证控制系统稳定，需要两个特征根都位于复平面的左半部分，又因为虚拟同步机阻尼系数D恒为正，为保证特征根实部为负，需保持虚拟惯量J≥0。在功率震荡过程中，虚拟同步机输出功率响应特性可等效为一个典型的二阶传递函数，根据式(10)可以得到系统自然震荡转速和阻尼比为：

风机虚拟同步机转速波动范围为：0.628rad/s≤ω_S≤15.7rad/s，则额定虚拟惯量为：

在风机虚拟同步机控制系统中，为了获得较快响应速度和较少超调量，在考虑阻尼系数的基础上，利用最优二阶系统分析法，取阻尼比ξ＝0.707，设置额定阻尼系数为：

如图5所示，在Matlab/Simulink下搭建风机控制系统仿真模型，控制系统采用电压、电流双闭环控制。仿真系统主要参数为：额定功率为20kW、直流母线电压为380V、开关频率等于采样频率为10kHz、电网额定电压为150V、逆变器侧电感为1.5mH、网侧电感为1mH、直流母线侧电容为4700μF、滤波电容为10μF、逆变器侧电阻为5Ω、网侧电阻为1.5Ω。

下垂控制参数为：m为1.5×10^-5。自适应虚拟惯量控制参数为：J₀为100、D₀为310、k_j为250、k_d为3.15。

如图6所示，当频率变换由50Hz→50.2Hz，即频率阶跃上扰仿真工况，风电机组输出功率下降，其中采用常规下垂控制得到的输出功率出现大范围波动，功率波动峰值较高，功率震荡严重，需要10s功率才能稳定至目标值；采用下垂控制+虚拟同步机控制得到的输出功率波形相较于常规下垂控制得到的输出功率波形功率波动减少很多，功率波动峰值相应减少，可更快稳定至功率目标值；采用下垂控制+自适应虚拟惯量控制得到的输出功率波形相较于前两种控制方法得到的输出功率波形，功率波动峰值进一步减少，功率震荡趋近于0，调节时间进一步缩短，更适用于风机一次调频控制中。

如图7所示，当频率变换由50Hz→49.85Hz，即频率阶跃下扰仿真工况，风电机组输出功率上升，采用下垂控制得到的输出功率波动峰值最大达到额定功率的110％，功率震荡严重，极易引起风机脱网；采用下垂控制+虚拟同步机控制得到的输出功率波形相较于常规下垂控制得到的输出功率波形功率波动减少很多，波形更为平滑；采用下垂控制+自适应虚拟惯量控制得到的输出功率波形相较于前两种控制方法得到的输出功率波形几乎无超调，很快稳定至目标功率。

如图8所示，本发明所提自适应虚拟惯量调节系数J可以随一次调频功率变换而自适应调节，功率波动偏差增大，J绝对值相应增大；功率波动偏差减小，J绝对值相应减小。自适应虚拟参数调节具有连续光滑特性，可以减少一次调过程中的功率震荡问题，加快功率稳定至目标值，有效提高了系统的暂态稳定性能。

如图9所示，本发明所提自适应虚拟阻尼系数D可以随一次调频功率变换而自适应调节，功率波动偏差增大，D绝对值相应增大；功率波动偏差减小，D绝对值相应减小。自适应虚拟参数调节具有连续光滑特性，可以减少一次调过程中的功率震荡问题，加快功率稳定至目标值，有效提高了系统的暂态稳定性能。

如图10所示，本发明所提自适应虚拟惯量调节系数J可以随一次调频功率变换而自适应调节，功率波动偏差增大，J绝对值相应增大；功率波动偏差减小，J绝对值相应减小。自适应虚拟参数调节具有连续光滑特性，可以减少一次调过程中的功率震荡问题，加快功率稳定至目标值，有效提高了系统的暂态稳定性能。

如图11所示，本发明所提自适应虚拟阻尼系数D可以随一次调频功率变换而自适应调节，功率波动偏差增大，D绝对值相应增大；功率波动偏差减小，D绝对值相应减小。自适应虚拟参数调节具有连续光滑特性，可以减少一次调过程中的功率震荡问题，加快功率稳定至目标值，有效提高了系统的暂态稳定性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立含有频率响应动作门槛值f_d的风电一次调频下垂控制数学模型；

2)建立风力发电并网控制系统模拟同步发电机数学模型、机械功率数学模型；

3)设计自适应虚拟惯量和转速差控制函数；

4)设计自适应阻尼系数和转速差控制函数；

5)将步骤3)、步骤4)得到的自适应虚拟惯量和自适应阻尼系数应用于风力发电并网控制系统虚拟同步发电机控制系统中；

6)建立风力发电输出功率数学表达式；

7)对步骤6)中风力发电输出功率数学表达式求一阶、二阶导数；

8)将步骤7)中风力发电输出功率一阶、二阶导数和步骤2)中风力发电并网控制系统机械功率数学模型带入步骤2)中风力发电并网控制系统虚拟同步发电机数学模型中，得到虚拟同步机参考输出功率表达式；

9)对步骤8)中虚拟同步机参考输出功率表达式建立小信号模型并进行拉氏变换，计算其特征根；

10)分析步骤9)虚拟同步机参考输出功率小信号模型和其特征根，得到系统自然震荡转速和阻尼比；

11)根据步骤10)中系统自然震荡转速和风机虚拟同步机转速波动范围，计算额定虚拟惯量取值范围；

12)根据析步骤10)中系统阻尼比，在考虑阻尼系数的基础上，设置额定阻尼系数。

2.根据权利要求1所述的一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法，其特征在于，步骤1)建立含有频率响应动作门槛值f_d的风电一次调频下垂控制数学模型为：

其中：P₀为风机一次调频输出功率初值；f_d为频率响应动作门槛值，f_d＝(50±0.1)Hz；m是有功功率对应下垂控制系数；f是下垂控制输出频率；

步骤2)的具体实现方法为：建立风力发电并网控制系统模拟同步发电机数学模型、机械功率数学模型为：

其中：J为同步机转动惯量；ω为目标频率对应同步机转子转速；P_m为同步机机械功率；P_e为同步机电磁功率即输出功率；D为阻尼系数；ω₀为初始频率对应同步机转子转速；δ为同步机虚拟功角；机械功率由给定功率和转速差构成：P_m＝P_ref-K(ω-ω₀)，其中：P_ref为同步机输出功率参考值，K为有功频静态系数。

3.根据权利要求2所述的一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：设计自适应虚拟惯量和转速差控制函数为：J＝k_j|ω-ω₀|+J₀，其中：k_j为虚拟惯量调节系数，该系数正负与

正负一致，J₀为额定虚拟惯量；

步骤4)的具体实现方法为：设计自适应阻尼系数和转速差控制函数为：D＝|k_d|(J₀-k_j|ω-ω₀|)+D₀；其中：

为阻尼惯性比，D₀为额定阻尼系数。

4.根据权利要求3所述的一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：将步骤3)、步骤4)得到的自适应虚拟惯量和自适应阻尼系数应用于风力发电并网控制系统虚拟同步发电机控制系统中，具体应用于下垂控制输出端，作为电压、电流双闭环控制环节的输入，参与到风力发电一次调频控制中。

5.根据权利要求4所述的一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：建立风力发电输出功率数学表达式为：

其中：U₀∠δ为风力发电系统输出电压；X_S为输电线路等效电抗，U_S∠0为负荷侧电压；因为电压相角δ很小，则有

风力发电输出功率又表示为：

6.根据权利要求5所述的一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：对步骤6)中风力发电输出功率数学表达式求一阶、二阶导数：

7.根据权利要求6所述的一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法，其特征在于，步骤8)的具体实现方法为：将步骤7)中风力发电输出功率一阶、二阶导数和步骤2)中风力发电并网控制系统机械功率数学模型带入步骤2)中风力发电并网控制系统虚拟同步发电机数学模型中，得到虚拟同步机参考输出功率表达式为：

8.根据权利要求7所述的一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法，其特征在于，步骤9)的具体实现方法为：对步骤8)中虚拟同步机参考输出功率表达式建立小信号模型并进行拉氏变换：

计算其特征根为：

9.根据权利要求8所述的一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法，其特征在于，步骤10)的具体实现方法为：分析步骤9)虚拟同步机参考输出功率小信号模型和其特征根，得到系统自然震荡转速和阻尼比：

10.根据权利要求9所述的一种利用自适应虚拟参数提高风电并网一次调频性能的方法，其特征在于，步骤11)的具体实现方法为：根据步骤10)中系统自然震荡转速和风机虚拟同步机转速波动范围：0.628rad/s≤ω_S≤15.7rad/s，计算额定虚拟惯量取值范围为：

步骤12)的具体实现方法为：根据析步骤10)中系统阻尼比，在考虑阻尼系数的基础上，利用最优二阶系统分析法，取阻尼比ξ＝0.707，设置额定阻尼系数为：

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