CN112332442A - 基于双馈风力发电场虚拟惯量控制策略优化 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于新能源技术领域的一种优化的双馈风电机组虚拟惯量控制策略，其中虚拟惯量控制系数根据风机旋转动能的分布提供惯量抑制频率波动；频率恢复时，修改控制系数极性，帮助系统频率快速恢复。下垂控制和一次频率调节都由超级电容器控制实现，将超级电容器经过双向DC/DC变换器与双馈风电机组的直流侧母线电容相连接，超级电容储能装置的充放电功率通过网侧变流器直接流向负荷侧。该策略使得风电场的风机能根据自身转子动能大小进行虚拟惯量控制，转子动能大的多提供虚拟惯量；转速恢复时，修改控制系数极性，帮助系统频率快速恢复。超级电容器作为备用功率用来进行一次调频，保证了备用功率下的经济效益、防止频率的二次跌落。

Description

基于双馈风力发电场虚拟惯量控制策略优化
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种适合双馈风电机组的虚拟惯量控制策略。
背景技术
环境污染、能源短缺问题日益突出，发展清洁且相对控制灵活、响应快的风电成为趋势。传统双馈感应风力发电机(DFIG)采用最大功率点跟踪(MPPT)运行方式，解耦控制下机组转速不受电网频率影响。随着风力发电在电网中占比的升高，系统总有效惯量减小，系统安全运行问题越发突出。世界主流的风电发达国家制定了相关的风电惯量及调频能力规范。国内外的专家学者，提出了不少控制方案来解决风机无法响应系统频率变化的问题，风电参与系统调频，考虑技术的实际应用难易，当前主流方式的基于频率的附加控制。主要有虚拟惯量控制、功率备用、附加储能、综合控制方式。
国内外针对风电机组的频率响应开展了较多研究，提出了一些成熟控制方法以满足电网友好型风电场的建设需求。例如在原MPPT运行基础上增加虚拟惯性和下垂控制，可提高风电系统的惯量支撑能力，但可能引起频率二次跌落现象。基于选择函数利用有限风电机组转子动能，增加系统等效转动惯量，避免传统控制所造成的功率二次跌落。根据电网频率变化修改控制参数控制机组有功输出，释放或吸收机组有效动能，对电网提供动态频率支撑。例如根据转子转速调整双闭环增益，释放更多的旋转动能，但是没有考虑过度的惯量支撑导致转速难以恢复。以上变虚拟惯量系数控制虽然适当增大了惯量支撑能力，也增加了恢复的时间，且不曾考虑到一次调频的需求。超速减载让转速越过最大功率运行点，为参与电网频率调节提供备用功率。同样，桨距角控制也是调节桨距角预留备用容量，通过桨距角的调节为系统频率调节提供功率支撑。预留功率备用的方法，虽然有效，但是超速减载调节裕度有限，桨距角调整速度慢、有机械损耗，均牺牲了风机的发电效益。有的将两者结合，一定程度上改善了调频性能，但是还是没有考虑发电效益。也有提出风电机组惯量调频时序协同控制策略，降低了风电机组退出调频时对电网频率带来的二次冲击，但靠风机旋转动能无法长时间进行调频控制。还有学者提出限负荷条件下的风电场一次调频策略，将风电机组按风速分组进行调频，但是风速多变、测量精度不高。而采用储能超级电容作为一次调频功率备用，但是其采用超级电容进行惯量和下垂控制，忽略了风机本身存在的惯量应用。不同转速的风电机组具有不同的旋转动能，也就具有不同的惯量支撑能力，如何兼顾风机转速控制和频率恢复是值得考虑的问题。
另外，仅靠虚拟惯量控制，风电机组难以参与后续的一次调频控制，将储能装置应用在风电场中作为备用容量，使得双馈风机能够参与系统调频。
发明内容
结合上述存在的问题，有必要将双馈风电机组的虚拟惯量控制和一次频率调节策略进行改进，本发明兼顾DFIG运行的经济性和系统频率稳定性，提出了基于双馈风力发电场虚拟惯量控制优化策略。该策略在最大功率跟踪模式的基础上进行改进，在频率下降(升高)时，根据旋转动能的分布提供惯量；频率恢复时，修改控制系数，帮助系统频率快速恢复。引入超级电容器作为一次调频的备用功率，保证了备用功率下的经济效益、防止频率的二次跌落。
附图说明
图1为传统风电场虚拟惯量响应控制图。
图2为优化虚拟惯量控制策略图。
图3为优化虚拟惯量控制流程图。
图4为基于超级电容器储能装置的风电机组惯量与一次调频策略框图。
具体实施方式
下面结合附图对发明进一步详细说明。附图1为传统风电场虚拟惯量响应控制图，为模拟常规同步发电机组惯量调节特性，添加基于虚拟惯量控制的DFIG控制环节。当功率低于额定功率时，控制器将叶片桨距角设定在零附近，此时风能利用系数Cp最大，并得到DFIG最大输出功率Pm。当电网频率变化时，系统频率变化率df/dt用作输入变量，DFIG所增加的电磁功率ΔP′为释放的转子动能。该过程响应速度快，可在频率发生突变的瞬态变化过程中提供短期频率支撑，提高了系统频率的瞬态稳定性。当系统中因负荷变化而发生了频率突变时，虚拟惯量控制和附加下垂控制环节动作，根据频率偏差和频率偏差变化率给出出力。
附图2为优化虚拟惯量控制策略图，针对不同风电场、不同风速(转速)，引入动能占比系数K。K取当前转动动能与额定转速和最小允许转速对应的转动动能平均值的比值，假设参与虚拟惯量调频的风电场转速为ωi，可得风机具备的转子动能，得到该转速对应的动能占比系数
Figure BSA0000217221100000031
风电机组的转速(标幺)范围为0.7～1.2，当转速低于0.7(高于1.2)时，针对频率降低(升高)，惯量控制下转速会先下降(升高)，再恢复升高(下降)，此时不利于转速的恢复，超过了运行的转速范围，所以当动能占比系数K要先根据当前转速和频率变化趋势进行选择。当负荷增加，系统频率降低，风机提供惯量支撑，转子转速降低，若转子转速(标幺)ω降低至小于0.7，调整转子动能占比系数K为0，不再让该风机进行惯量支撑，先进行转速恢复。同理，当负荷减小，系统频率升高，风机提供惯量支撑，转子转速升高，若转子转速(标幺)ω提高至大于1.2，则调整转子动能占比系数K为0，即不再让该风机进行惯量支撑，先进行转速恢复。
附图3即为优化虚拟惯量控制流程图，在系统频率波动幅度超过0.03Hz时，检测频率是升高或降低，针对频率降低的情况，风机转速会下跌，为了让风机更好地运行在规定的风速范围，转速低于0.7风机就不再参与系统的惯量调频，直接进行转速恢复。针对频率升高的情况，原理类似，不再赘述。
附图4即为基于超级电容器储能装置的风电机组惯量与一次调频策略框图。频率下降时，超级电容输出功率，进行放电；频率上升则对超级电容进行充电。超级电容加装在直流母线上，通过双向的DC/DC换流器与其上的电容相连。超级电容的充放电功率通过网侧变流器与负荷侧相连。功率备用有减载控制和加装储能装置，已有文献将超速减载和超级电容器储能的经济性进行对比，验证了超级电容器的经济性更好，并且详细介绍其容量配置，不再赘述。超级电容器控制灵活、功能模块化，可以提升单台风机的稳定性和发电效果，所以本发明采用超级电容器作为储能装置，适合现场已投运机组的升级改造。超级电容具有功率密度大，瞬时输出大的优点，同时能满足风电频率波动频繁，需要频繁充放电的需求。

Claims (3)

1.一种基于双馈风力发电场虚拟惯量优化控制策略，其特征在于，从风电场级出发，面对系统频率变化(上升或下降)，不同转速、不同旋转动能的风电机组提供不同的虚拟惯量。不同转速的风机具有不同的旋转动能，将动能占比K引入虚拟惯量控制对其系数进行修正，使得高转速机组多提供惯量，低转速的机组少提供惯量。防止动能小的机组过度参与，防止动能大的机组没有物尽其用。
2.一种基于双馈风力发电场虚拟惯量优化控制策略，其特征在于，在频率恢复阶段，修改虚拟控制系数极性，使得频率更快恢复。若频率减小，风电机组进行虚拟惯量控制，增大系统惯量，可以有效抑制频率的下降。而频率恢复阶段，改变虚拟惯量系数极性，可以适当减小惯量，较小对频率恢复的抑制作用，使得频率更快恢复至正常水平。
3.一种基于双馈风力发电场虚拟惯量优化控制策略，其特征在于，使用超级电容器进行下垂和一次调节控制。当负荷增大，超级电容器放电提供备用电能；当负荷减小，超级电容器充电来吸收双馈风电机组所发出多余的电能，在此基础上，使得双馈风电机组能运行在最大功率跟踪模式，保证了发电效益。
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