CN112332440A - 一种基于转子动能的双馈风电机组惯量支撑频率控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于转子动能的双馈风电机组惯量支撑频率控制方法，该策略不仅可有效缓解转子动能退出惯量响应时所造成的频率二次跌落或二次升高，同时也能降低转速恢复过程中的功率减少量。当系统负荷增大或减小导致频率波动时，双馈风电机组进入惯量支撑阶段，其转子动能响应频率变化率、提供功率支撑；当双馈风电机组实际意义上不再具有惯量支撑能力，即其输出功率开始低于/高于(对应负荷增大/减少工况)稳态运行点功率，转子动能退出惯量响应；在转速恢复阶段，采用所提出的转速‑功率曲线取代最大功率跟踪曲线作为功率参考值，以避免转速恢复过快造成的机械冲击。

Description

一种基于转子动能的双馈风电机组惯量支撑频率控制方法
技术领域
本发明属于风力发电领域，具体涉及一种基于转子动能的双馈风力发电机组惯量支撑频率控制方法。
背景技术
风电资源作为可再生能源的重要组成部分，已成为除水电外的第二大清洁能源，截止到2019年为止，其装机容量占全国总量的10.4％，发电量占比5.5％。风电渗透率的不断提高，对电网的安全、稳定运行也带来了较大的隐患，尤其是并网风机不具备频率调节能力，在面对电网频率波动时，将会表现出弱致稳性。双馈风力发电机组(Doubly-FedInduction Generators，DFIG)作为目前风电市场的主流机型之一，为了达到经济效益的最大化，通常运行在最大功率跟踪模式(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，其转子转速与电网频率完全解耦、转子动能被“隐藏”，因此不能像同步发电机组一样响应电网频率的变化。
针对风电机组不具备惯量支撑的问题，已有相关研究通过增设虚拟惯量响应环节，使风机转子转速与系统频率变化率和频率偏差量耦合，及时释放或吸收转子动能参与频率调节。然而风机转子所储存的动能有限，不能无限制的提供功率支撑，因此其在惯量支撑结束后，需返回最大功率跟踪点以便下次惯量支撑过程的实现。现有的频率控制方法在双馈风力发电机的转速恢复阶段，均采用最大功率曲线作为输出有功功率的参考值，其控制方式虽然简单，却可能在转子动能退出瞬间导致频率二次跌落或频率二次升高现象的发生。此外，转速恢复期间机械功率与MPPT功率的差值将不能有效输出，而是全部用于转子加速，不仅会导致过快的转速恢复、对风电机组轴系机械部分产生冲击，还会造成输出有功功率的减少。因此，有必要对现有的惯量支撑频率控制方法进行改进，解决上述转速恢复过程中所存在的问题。
发明内容
针对传统虚拟惯量频率控制策略存在的问题，本发明提供了一种基于转子动能的双馈风电机组惯量支撑频率控制方法。在量化分析过风电机组转子动能的调节能力后，提出仅利用转子动能响应系统频率变化率、提供惯量支撑的控制方法。正常状况下，双馈风电机组运行在最大功率跟踪状态；当系统负荷增大或减小导致频率波动时，转子转速即刻响应频率变化率，释放或吸收转子动能以阻止频率的上升或下降；当具有惯量响应能力的双馈风电机组实际意义上已不再具有功率支撑的功能时，转子动能及时退出惯量支撑，保证输出有功功率的最大化。在转速恢复期间，采用所提出的转速-功率跟踪曲线取代传统MPPT曲线作为有功功率参考值，以缓解惯量退出瞬间所造成的频率二次跌落或二次上升，降低该阶段所造成的输出功率减少量。
所述双馈风电机组转子动能的量化是为了分析其功率支撑能力与支撑时间。依据不同风速下双馈风电机组稳态运行转速可计算出其蕴含的转子动能，进而得到转子动能在不同功率调节量下的支撑能力。由于转子动能参与惯量响应过程中风电机组机械功率不再保持恒定，故在量化其惯量支撑时间时，需考虑机械功率变化造成的转子动能损失。
Figure BSA0000217196730000021
Figure BSA0000217196730000022
式中ΔEk为双馈风电机组所蕴含的转子动能，E0为初始转速ω0所对应的转子动能，E1为机组参与惯量响应后转子转速ω1对应的转子动能，Jr和Jg分别为风电机组传动链中叶轮和发电机组等效转动惯量，Δt为惯量支撑时间，Pm为机械功率，Pk为功率调节量。
双馈风力发电机组转速运行范围一般在0.7pu-1.2pu，故当转速降至0.7pu时，风电机组具有最大的转子动能。依据上述公式可以计算出某2MW双馈风电机组的转子动能储能，以及在10％额定功率调节量下的支撑时间，如表1所示。通过实际计算数据可以得出，转子动能仅能够提供5-10s的短时功率支撑，若要其模拟下垂特性并提供长时间的一次调节，则能量远远不足。故所述惯量支撑频率控制方法仅将转子转速与系统频率变化率耦合，使转子动能响应频率变化率以提供惯量调节。
表1某2MW双馈风力发电机组在不同转速下的功率支撑能力
Figure BSA0000217196730000023
所述基于转子动能的双馈风电机组惯量支撑频率控制方法下，转子动能的功率支撑时间一般在5-6s左右，符合风电机组对惯量调节的要求。该控制策略可从正常工况、惯量支撑阶段与转速恢复阶段这三个时期进行说明。正常工况下，双馈风电机组为了实现风电效率的最大化，运行在最大功率跟踪状态，其转速-功率曲线如下：
Figure BSA0000217196730000024
式中Pref为有功功率参考值，PMPPT为最大功率跟踪曲线，ρ为空气密度，R为风机叶片半径，v为风速，Cp max为最大风能利用系数。
当负荷增加或减少导致系统变化时，双馈风电机组利用转子动能提供惯量支撑，将转子转速与频率变化率耦合，使其具有类似同步发电机组的惯量特性。在惯量支撑阶段风电机组的转速-功率曲线为：
Figure BSA0000217196730000031
式中f为系统频率，H为惯性时间常数。
在双馈风电机组转子动能退出惯量支撑，恢复至稳态运行点期间，风电机组的转速-功率跟踪曲线为稳态运行点(终点A)和惯量退出运行点(起点E/H)所构成的直线。相较于传统的最大功率跟踪曲线，所提出的转速-功率曲线可以减缓转速恢复速度，降低功率减少量，缓解惯量支撑退出瞬间的频率二次跌落或上升现象。由于当负荷增加导致频率降低时，转子会降低转速、释放转子动能提供惯量响应，在恢复期间其转子转速会升高；当负荷减少导致频率升高时，转子会增加转速、吸收转子动能提供惯量响应，在恢复期间其转子转速会降低。因此转速恢复期间，转速-功率跟踪曲线可分为负荷增加和负荷减少两种情况，表达式如下。
Figure BSA0000217196730000032
式中A为正常工况下的稳态运行点，ω0和PA分别为该运行点下的转子转速和输出功率；E为释放转子动能后风电机组退出惯量支撑运行点，ω1和PE分别为该运行点下的转子转速和输出功率；H为吸收转子动能后风电机组退出惯量支撑运行点，ω2和PH分别为该运行点下的转子转速和输出功率。
所述转子动能退出惯量支撑的运行点，即惯量支撑阶段与转速恢复阶段的交点E与H，由风电机组输出功率和稳态运行点的功率决定。对于负荷增大的情况，惯量支撑期间双馈风电机组增发有功功率参与频率调节，当风电机组输出功率开始小于稳态运行点功率PA时，其实际意义上已不再具有惯量支撑功率，因此为了维持输出功率的最大化，转子动能应及时退出惯量支撑。负荷减小的情况同理。通过判断风电机组的输出功率和稳态功率，即可得到E、H点转子转速的大小。而对于E、H点的输出功率，由于其不仅决定转子转速的恢复时间，也会影响转速恢复过程中的功率减少量，且两者处于相互矛盾的状态，因此应根据不同的运行工况仿真确定该功率值。
Figure BSA0000217196730000033
附图说明
图1是双馈风力发电机组转速-功率跟踪曲线。
图2是基于转子动能的惯量支撑频率控制框图。
图3是双馈风力发电机组的频率控制策略流程图。
图4是双馈风力发电机组结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。图1是负荷增加或减少时双馈风力发电机组的转速-功率跟踪曲线：正常情况下，为了实现风电经济效益的最大化双馈风力发电机组会运行在最大功率跟踪状态，即稳态运行点A；当负荷增大或减小导致系统频率波动时，转子转速立刻响应系统频率变化率，释放或吸收转子动能以增加或减少风电机组输出功率来提供功率支撑，阻值频率波动；若风电机组的转子动能实际意义上已不再具有惯量支撑功能，其输出功率开始低于或超出稳态运行点功率PA，即图中的C点和G点，则惯量支撑阶段结束；转速恢复阶段，采用E-A或H-A曲线作为转速-功率跟踪曲线既可缓解转速变化过快造成的机械冲击，同时也可有效降低输出功率的减少量(即机械功率与输出功率的差值)。以上，得到了整个转子动能参与惯量支撑过程的响应曲线。
对于惯量支撑阶段的结束点C与G，可通过对双馈风电机组的输出功率和稳态运行点A的功率比较获取。由于A点的转速与功率在某一固定风速下是确定的，因此通过判断输出功率是否等于稳态运行功率以确定转子动能退出惯量支撑的时刻，进而得到C、G两点的转速。对于转速恢复阶段跟踪曲线E-A和H-A的起点E与H，其转速分别与C、G相同，功率分别由ΔPCE和ΔPGH确定。由于ΔPCE和ΔPGH不仅会影响到转速恢复时间(ΔPCE和ΔPGH越大，机械功率与输出功率偏差越大，转速恢复越快)，还会影响输出有功功率的减少量(ΔPCE和ΔPGH越大，功率减小量越多)，因此在确定E、G两点的功率时，应根据不同的运行工况，提前仿真确定该功率值。并且该点功率选取的准则为：在降低输出功率减小量的同时，尽可能缩短转速恢复时间。
图2为基于转子动能的惯量支撑频率控制框图，该图表明控制系统共包含三个阶段，分别是正常工况、惯量支撑阶段与转速恢复阶段。不同阶段下，双馈风电机组的有功功率参考值分别如下公式。对于不同阶段的控制策略转换，其触发条件分别示于图2。正常工况到惯量支撑阶段的转换是由系统频率变化率所触发，当负荷变化导致系统频率波动时，双馈风力发电机组释放或吸收转子动能提供功率支撑。而惯量支撑阶段到转速恢复阶段的转换则由稳态运行点功率所触发，若系统负荷增加，则当风电机组输出功率开始小于稳态运行点功率时进入转速恢复阶段；若系统负荷减少，则当风电机组输出功率开始大于稳态运行点输出功率时结束惯量支撑阶段。
Figure BSA0000217196730000051
图3显示了双馈风力发电机组频率控制策略的流程图，其具体步骤如下：1)判断系统是否处于正常运行状态，若是则保持双馈风力发电机组运行在最大功率跟踪点，否则转到步骤2；2)判断系统负荷是否增大或减小，若是则双馈风电机组进入惯量响应阶段，输出有功功率
Figure BSA0000217196730000052
3)若系统负荷增加，判断DFIG输出功率是否小于稳态点功率PA，若是转到步骤4，否则继续步骤2；同理若系统负荷减小，判断DFIG输出功率是否大于稳态点功率PA；4)进入转速恢复阶段，负荷增大时，依据
Figure BSA0000217196730000053
输出有功功率；负荷减小时，依据
Figure BSA0000217196730000054
输出有功，直至恢复至稳态运行点。
以上是双馈风力发电机组转子侧变流器中有功功率的控制方式，而对于无功功率及网侧变流器的控制方式，如图4所示。转子侧变流器采用传统功率外环、电流内环的方式实现对输出有功与无功的平稳控制，保证双馈风电机组的输出功率及时跟随控制策略的转换而变化，而无功功率的参考值则设为0，使风机运行在单位功率因数状态。对于网侧变流器的控制则采用传统电压外环与电流内环的控制方式，目的在于维持直流母线电压的稳定。

Claims (5)

1.一种基于转子动能的双馈风电机组惯量支撑频率控制方法，其特征在于，提供了转子动能量化的方法，同时在计算转子动能功率支撑能力时，考虑到了风电机组机械功率变化所造成的能量损失。以实际数据说明了转子动能的功率支撑时间一般在10s之内，仅能满足对风电机组提供惯量调节的需求。
Figure FSA0000217196720000011
Figure FSA0000217196720000012
式中ΔEk为双馈风电机组所蕴含的转子动能，E0为初始转速ω0所对应的转子动能，E1为机组参与惯量响应后转子转速ω1对应的转子动能，Jr和Jg分别为风电机组传动链中叶轮和发电机组等效转动惯量，Δt为惯量支撑时间，Pm为机械功率，Pk为功率调节量。
2.一种基于转子动能的双馈风电机组惯量支撑频率控制方法，其特征在于，将转子转速与频率变化率耦合，当负荷增大或减少导致系统频率波动时，利用转子动能提供惯量支撑、响应系统频率变化。在惯量支撑阶段，双馈风电机组的有功功率表达式为：
Figure FSA0000217196720000013
式中Pref为有功功率参考值，PMPPT为最大功率跟踪曲线，f为系统频率，H为惯性时间常数。
当双馈风电机组实际意义上不再具有惯量支撑功能，即负荷增大时风电机组输出功率开始小于稳态运行点功率，负荷减少时风电机组输出功率开始大于稳态运行点功率，转子动能退出惯量响应，进入转速恢复阶段。
3.根据权利要求2所述的转速恢复阶段，其特征在于，采用所提出的转速-功率跟踪曲线来替代传统的最大功率跟踪曲线作为有功功率参考值，其不仅能在转子动能退出惯量支撑瞬间减缓频率二次跌落或二次升高现象，还能在转速恢复过程中缓解转速变化过快造成的机械冲击，以及降低部分机械功率不能有效输出所造成的功率减少量。
4.根据权利要求3所述的转速-功率跟踪曲线，其特征在于，是由转子动能退出惯量支撑的运行点(起点E、H)和稳态运行点(终点A)所构成的直线跟踪曲线，该曲线表达式如下：
Figure FSA0000217196720000014
式中A为正常工况下的稳态运行点，ω0和PA分别为该运行点下的转子转速和输出功率；E为释放转子动能后风电机组退出惯量支撑运行点，ω1和PE分别为该运行点下的转子转速和输出功率；H为吸收转子动能后风电机组退出惯量支撑运行点，ω2和PH分别为该运行点下的转子转速和输出功率。
对于稳态运行点A，当系统风速为某一固定值时，它是机械功率与最大功率跟踪曲线的交点，且其转速和功率可由故障前运行状态获得。对于E/H点的转速，可通过对风电机组的实际输出功率和稳态功率进行比较判断获得，判断公式如下。以负荷增加为例，当实际输出功率开始小于稳态功率时，该运行点的转速即为E点转速。而对于E/H点的功率，其选取准则为在尽可能缩短转速恢复时间的前提下，降低转速恢复过程中的输出功率减少量，且该值应根据不同的工况仿真获取。
Figure FSA0000217196720000021
。
5.根据权利要求书1所述的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)正常工况下，双馈风电机组运行在最大功率跟踪状态；2)当系统负荷增大或减小导致频率波动时，风电机组释放或吸收转子动能，提供惯量支撑；3)若风电机组实际意义上已不再具有惯量支撑功能，即负荷增加时其输出的功率开始低于稳态运行点功率，或负荷减少时输出功率开始高于稳态运行点功率，转子动能退出惯量支撑，进入转速恢复阶段；4)依据所提出的转速-功率跟踪曲线，双馈风电机组缓慢升高或降低转速，恢复到唯一的稳态运行点。
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