CN112350365B - 一种提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法 - Google Patents

一种提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法，属于电力系统安全运行领域。本发明改进自同步控制风电机组的阻尼控制，将自同步控制风电机组内电势频率参考值与并网点端电压频率经带阻滤波器产生的信号作差，再将两者之差与阻尼系数相乘产生阻尼功率，阻尼功率通过功率同步控制，获得自同步控制风电机组的内电势频率参考值，内电势频率参考值与自同步控制风电机组机端电压参考值共同决定变流器驱动信号，从而驱动变流器以提升惯性响应效果，避免了自同步控制风电机组现有阻尼控制难以兼顾惯性响应与差模振荡阻尼效果的缺陷，保障了电力系统的安全稳定运行。

Description

一种提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法
技术领域
本发明属于电力系统安全运行领域，更具体地，涉及一种提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法。
背景技术
随着环境问题与能源问题的日益凸显，以风力发电为代表的新能源技术得到了广泛的应用和快速的发展。然而，风力发电在带来清洁能源的同时也带来了对电力系统安全稳定运行的挑战。传统的基于锁相同步的风电机组输出功率不响应电网频率变化，故不具备惯性响应能力。因此，风电机组逐步取代传统的火电机组将使得系统惯量下降，从而威胁系统的频率稳定。
在此背景下，自同步控制技术逐渐受到了学术界与工业界的重视。该技术通过模拟同步机的运行机制使风电机组自然具备了类似同步机的惯性与阻尼。然而现有的自同步控制技术仍存在缺陷，难以兼顾惯性响应与差模振荡阻尼效果。现有自同步控制技术中存在两种阻尼控制方式：前者将风机内电势频率参考值与电网额定频率作差，将两者之差与阻尼系数相乘得到阻尼功率；后者将风机内电势频率参考值与实测电网频率作差，将两者之差与阻尼系数相乘得到阻尼功率。前者带来的问题一方面在于：如果稳态时系统频率略微偏离电网额定频率，则风电机组实际输出的有功功率会偏离有功功率参考值，即产生稳态误差，从而使得风电机组偏离最佳运行点；另一方面在于：这种阻尼控制方式会降低差模振荡阻尼，使得系统更容易出现低频振荡，危害系统的功角稳定。后者将风机内电势频率参考值与实测电网频率作差，将两者之差与阻尼系数相乘得到阻尼功率，但这样会极大削弱惯性响应效果，从而给系统的频率稳定带来负面影响。因此，亟需对现有自同步控制技术进行优化，从而在不降低系统阻尼的同时提升风电机组惯性响应效果。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法，其目的在于在不降低系统阻尼的同时提升风电机组惯性响应效果。
为实现上述目的，本发明提供了一种提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法，包括：
S1.获取风电机组并网点当前时刻的交流电网频率；
S2.对交流电网频率进行滤波，将频率在风机惯性响应的频段内的信号滤除；
S3.将自同步控制风电机组当前时刻的内电势频率参考值与滤波后的信号作差，得到的差值与阻尼系数相乘得到当前时刻的阻尼功率；
S4.利用当前时刻的阻尼功率通过功率同步控制，获得自同步控制风电机组下一时刻的内电势频率参考值，当前时刻的端电压信号参考值与端电压信号进行PI控制后得到下一时刻自同步控制风电机组的机端电压参考值，下一时刻自同步控制风电机组的内电势频率参考值与机端电压参考值共同决定下一时刻自同步控制风电机组变流器的驱动信号，驱动风电机组变流器以提升惯性响应效果。
进一步地，步骤S2具体为，采用带阻滤波器对交流电网频率进行滤波，使频率在风机惯性响应的频段内的信号滤除。
进一步地，风机惯性响应的频段取值在0.05Hz至0.15Hz之间。
进一步地，带阻滤波器的下限频率低于风电机组的惯性响应的频段，上限频率低于风电机组接入的系统可能发生的低频振荡的频率。
进一步地，内电势频率参考值ωs计算公式为：
Figure BDA0002714283690000031
其中，TJ为虚拟惯量系数，s为拉普拉斯算子，
Figure BDA0002714283690000032
为有功功率参考值，Pe为有功功率，PD为阻尼功率。
进一步地，端电压信号参考值
Figure BDA0002714283690000033
计算公式为：
Figure BDA0002714283690000034
其中，Qref为无功功率参考值，Q为无功功率，kp_var、ki_var分别为对无功功率参考值Qref和无功功率Q进行PI控制的比例系数和积分系数。
进一步地，自同步控制风电机组为直驱风机或双馈风机。
进一步地，直驱风机变流器的驱动信号
Figure BDA0002714283690000035
计算公式为：
Figure BDA0002714283690000036
其中，Eg表示直驱风机机端电压参考值，
Figure BDA0002714283690000037
表示直驱风机的直流电压，ωs表示内电势频率参考值，s为拉普拉斯算子。
进一步地，双馈风机变流器的驱动信号
Figure BDA0002714283690000038
计算公式为：
Figure BDA0002714283690000039
其中，Er表示双馈风机机端电压参考值，
Figure BDA00027142836900000310
表示双馈风机的直流电压，ωr表示转子转速，ωs表示内电势频率参考值，s为拉普拉斯算子。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
本发明改进自同步风电机组的阻尼控制，将自同步控制风电机组内电势频率参考值与并网点端电压频率经带阻滤波器产生的信号作差，再将两者之差与阻尼系数相乘产生阻尼功率，阻尼功率通过功率同步控制，获得自同步控制风电机组的内电势频率参考值，内电势频率参考值与自同步控制风电机组机端电压参考值共同决定变流器驱动信号，从而驱动变流器以提升惯性响应效果，避免了自同步风电机组现有阻尼控制难以兼顾惯性响应与差模振荡阻尼效果的缺陷，保障了电力系统的安全稳定运行。
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是本发明实施例自同步控制双馈风机的机侧变流器控制结构图；
图3是本发明实施例带阻滤波器的幅频特性图；
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自同步控制直驱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、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例的提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法包括如下步骤：
S1.获取风电机组并网点当前时刻的交流电网频率；
采集自同步风电机组并网点三相电压Uabc，对于并网点三相电压Uabc，计算得到端电压幅值Ut，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ωpll；
S2.对交流电网频率进行滤波，使频率在风机惯性响应的频段内的信号滤除；
本发明中风机惯性响应的频段根据现场情况取值在0.05Hz至0.15Hz之间，滤波采用的带阻滤波器的下限频率应略低于风电机组的惯性响应的频段，上限频率应略低于风电机组接入的系统可能发生的低频振荡的频率。
S3.将自同步控制风电机组当前时刻的内电势频率参考值与滤波后的信号作差，得到的差值与阻尼系数相乘得到当前时刻的阻尼功率；
S4.利用当前时刻的阻尼功率通过功率同步控制，获得自同步控制风电机组下一时刻的内电势频率参考值，当前时刻的端电压信号参考值与端电压信号进行PI控制后得到下一时刻自同步控制风电机组的机端电压参考值，下一时刻自同步控制风电机组的内电势频率参考值与机端电压参考值共同决定下一时刻自同步控制风电机组变流器的驱动信号，驱动风电机组变流器以提升惯性响应效果；
内电势频率参考值ωs计算公式为：
Figure BDA0002714283690000051
其中，TJ为虚拟惯量系数，实际系统中的这个参数需根据系统的实际情况进行调节；Pe为风机输出的有功功率，对并网点三相电压Uabc和并网点三相电流iabc通过瞬时功率计算获取；
Figure BDA0002714283690000052
为有功功率参考值；PD为阻尼功率；
对无功功率参考值Qref和无功功率Q进行PI控制后获得端电压信号参考值
Figure BDA0002714283690000053
其中，PI控制器包括比例系数kp_var和积分系数ki_var，实际系统中的这两个参数需根据系统的实际情况进行调节，输入与输出的关系为：
Figure BDA0002714283690000054
其中，s为拉普拉斯算子。
对端电压参考值
Figure BDA0002714283690000055
内电势频率参考值ωs通过计算后得到变流器的驱动信号。
直驱风机变流器的驱动信号
Figure BDA0002714283690000056
通过如下公式计算：
Figure BDA0002714283690000057
Figure BDA0002714283690000061
其中，kp_v、ki_v分别为对端电压及端电压参考值进行PI控制的比例系数与积分系数。
双馈风机变流器的驱动信号
Figure BDA0002714283690000062
通过如下公式计算：
Figure BDA0002714283690000063
Figure BDA0002714283690000064
本发明改进自同步控制风电机组的阻尼控制，将自同步控制风电机组内电势频率参考值与并网点端电压频率经带阻滤波器产生的信号作差，再将两者之差与阻尼系数相乘产生阻尼功率。采用带阻滤波器滤除频率在电力系统惯性响应频率与低频振荡频率之间的信号，目的在于：当系统处于稳态时或受到扰动时，本发明改进的阻尼控制方式类似于现有的后一种阻尼控制方式，从而不会产生稳态误差或降低差模振荡阻尼；当系统处于惯性响应阶段时，本发明改进的阻尼控制方式类似于现有的前一种阻尼控制方式，从而较大的提升自同步控制风电机组的惯性响应效果。由于带阻滤波器对处于通带内的信号几乎没有影响，当系统处于稳态时，经带阻滤波器滤波后的信号等于稳态时的电网频率，因而不会产生稳态误差。当系统处于惯性响应阶段时，由于带阻滤波器滤除了阻带内的信号，经带阻滤波器滤波后的信号变化非常缓慢，这使得阻尼功率变化非常缓慢，从而降低了自同步控制风电机组内电势频率参考值的变化速率，进而较大的提升了自同步控制风电机组的惯性响应效果。当系统出现扰动时，经带阻滤波器滤波的信号与实际电网频率基本一致，阻尼功率正比于自同步控制风电机组内电势频率参考值与实际电网频率之差，因而当自同步控制风电机组内电势频率受到扰动并略高于实际电网频率时，阻尼功率为正，使得自同步控制风电机组内电势频率有降低的趋势；反之当自同步控制风电机组内电势频率受到扰动并略低于实际电网频率时，阻尼功率为负，使得自同步控制风电机组内电势频率有上升的趋势，这保证了自同步控制风电机组对振荡的阻尼效果。因此，本发明避免了自同步风电机组现有阻尼控制难以兼顾惯性响应与差模振荡阻尼效果的缺陷，保障了电力系统的安全稳定运行。
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提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法进行详细说明。
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电网相连，转子通过背靠背变流器与电网相连。图中并网点交流三相电压Uabc、并网点交流三相电流iabc、转子转速ωr以及直流电压
Figure BDA0002714283690000071
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自同步控制双馈风机的控制结构图：该控制器包含功率同步控制、无功功率及端电压控制、阻尼控制。锁相环通过并网点交流三相电压Uabc计算得到交流电网频率ωpll和端电压幅值Ut。并网点交流三相电压Uabc利用CLARK变换得到并网点交流电压的α轴分量Uα、β轴分量Uβ，并网点交流三相电流iabc利用CLARK变换得到并网点交流电电流的α轴分量iα、β轴分量iβ，，并计算有功功率Pe和无功功率Q：
Figure BDA0002714283690000072
Figure BDA0002714283690000073
无功功率参考值Qref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
Figure BDA0002714283690000074
端电压参考值
Figure BDA0002714283690000075
与端电压Ut经过端电压的PI控制器得到机端电压参考值Er；自同步风机内电势频率参考值ωs与交流电网频率ωpll经带阻滤波器滤波后得到的信号作差，两者之差与阻尼系数相乘得到阻尼功率PD；风机的有功功率参考值
Figure BDA0002714283690000076
有功功率Pe以及阻尼功率PD进行功率同步控制后获得频率参考值ωs，减去转子转速ωr后得到滑差频率参考值ωslip，根据机端电压参考值Er和滑差频率参考值ωslip进行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示出了带阻滤波器的幅频特性，带阻滤波器应能基本滤除频率在风机惯性响应的频段内的信号。典型的带阻滤波器传递函数为：
Figure BDA0002714283690000081
其中G0为带阻滤波器的通带增益，ω0为带阻滤波器中心频率，ζ为带阻滤波器的阻尼系数。
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电网相连。图中并网点交流三相电压Uabc、并网点交流三相电流iabc以及直流电压
Figure BDA0002714283690000082
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自同步控制直驱风机的控制结构图：该控制器包含有功率同步控制、无功功率及端电压控制、阻尼控制。锁相环通过并网点交流三相电压Uabc计算得到交流电网频率ωpll和端电压幅值Ut。
并网点交流三相电压Uabc利用CLARK变换得到并网点交流电压的α轴分量Uα、β轴分量Uβ，并网点交流三相电流iabc利用CLARK变换得到并网点交流电电流的α轴分量iα、β轴分量iβ，，并计算有功功率Pe和无功功率Q：
Figure BDA0002714283690000083
Figure BDA0002714283690000084
无功功率参考值Qref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
Figure BDA0002714283690000085
端电压参考值
Figure BDA0002714283690000086
与端电压Ut经过端电压的PI控制器得到机端电压参考值Eg；自同步风机内电势频率参考值ωs与交流电网频率ωpll经带阻滤波器滤波后得到的信号作差，两者之差与阻尼系数相乘得到阻尼功率PD；风机的有功功率参考值
Figure BDA0002714283690000091
和有功功率Pe以及阻尼功率PD进行虚拟同步控制后获得内电势频率参考值ωs，根据机端电压参考值Eg和内电势频率参考值ωs进行计算后得到变流器驱动信号，驱动直驱风机网侧变流器。
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 (9)

1.一种提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法，其特征在于，包括：
S1.获取自同步控制风电机组并网点当前时刻的交流电网频率；
S2.对交流电网频率进行滤波，使频率在风机惯性响应的频段内的信号滤除；
S3.将自同步控制风电机组当前时刻的内电势频率参考值与滤波后的信号作差，得到的差值与阻尼系数相乘得到当前时刻的阻尼功率；
S4.利用当前时刻的阻尼功率通过功率同步控制，获得自同步控制风电机组下一时刻的内电势频率参考值，当前时刻的端电压信号参考值与端电压信号进行PI控制后得到下一时刻自同步控制风电机组的机端电压参考值，下一时刻自同步控制风电机组的内电势频率参考值与机端电压参考值共同决定下一时刻自同步控制风电机组变流器的驱动信号，驱动风电机组变流器以提升惯性响应效果。
2.根据权利要求1所述的一种提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法，其特征在于，步骤S2具体为，采用带阻滤波器对交流电网频率进行滤波，使频率在风机惯性响应的频段内的信号滤除。
3.根据权利要求1或2所述的一种提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法，其特征在于，风机惯性响应的频段在0.05Hz至0.15Hz之间。
4.根据权利要求2所述的一种提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法，其特征在于，带阻滤波器的下限频率低于风电机组的惯性响应的频段，上限频率低于风电机组接入的系统可能发生的低频振荡的频率。
5.根据权利要求1所述的一种提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法，其特征在于，内电势频率参考值ωs计算公式为：
Figure FDA0003536286280000021
其中，TJ为虚拟惯量系数，s为拉普拉斯算子，
Figure FDA0003536286280000022
为有功功率参考值，Pe为有功功率，PD为阻尼功率。
6.根据权利要求1所述的一种提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法，其特征在于，端电压信号参考值
Figure FDA0003536286280000023
计算公式为：
Figure FDA0003536286280000024
其中，Qref为无功功率参考值，Q为无功功率，kp_var、ki_var分别为对无功功率参考值Qref和无功功率Q进行PI控制的比例系数和积分系数。
7.根据权利要求1所述的一种提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法，其特征在于，自同步控制风电机组为直驱风机或双馈风机。
8.根据权利要求7所述的一种提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法，其特征在于，直驱风机变流器的驱动信号
Figure FDA0003536286280000025
计算公式为：
Figure FDA0003536286280000026
其中，Eg表示直驱风机机端电压参考值，
Figure FDA0003536286280000027
表示直驱风机的直流电压，ωs表示内电势频率参考值，s为拉普拉斯算子。
9.根据权利要求7所述的一种提升自同步控制风电机组惯性响应效果的方法，其特征在于，双馈风机变流器的驱动信号
Figure FDA0003536286280000028
计算公式为：
Figure FDA0003536286280000029
其中，Er表示双馈风机机端电压参考值，
Figure FDA00035362862800000210
表示双馈风机的直流电压，ωr表示转子转速，ωs表示内电势频率参考值，s为拉普拉斯算子。
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