CN112910007A - 一种基于可释放动能的双馈风机虚拟惯性控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可释放动能的双馈风电机组虚拟惯性控制方法，涉及双馈风电机组并网控制策略研究领域。根据双馈风电机组转子中存储的动能来决定风电机组对系统惯性响应可提供的贡献。该策略根据转子转速调整双馈风电机组惯性控制策略中频率变化率和下垂回路的回路增益，使运行在较高转速下的双馈风电机组释放更多的动能，运行在较低转速下的双馈风电机组释放较少的动能。本发明通过引入转子动能系数调整惯性控制回路增益与机组转速相关联，为系统提供动态的有功支撑；本发明在提高系统频率响应能力的基础上能兼顾改善暂态功角稳定性，并避免了转子转速过低，保证了双馈风电机组在惯性控制过程中的稳定运行。

Description

一种基于可释放动能的双馈风机虚拟惯性控制方法

技术领域

本发明涉及双馈风电机组并网控制策略研究领域，具体为一种基于可释放动能的双馈风机虚拟惯性控制方法。

背景技术

风能资源在我国十分丰富，比如东部沿海以及西北地区，现如今电力系统中的风电渗透率逐渐增长，越来越多的风力发电必然会给电力系统的安全与稳定带来新的问题，因此风电接入对电力系统暂态稳定性的影响受到了广泛关注。目前占主导地位的变速风电系统为达到获取最大风能的效果，通常工作在最大功率跟踪模式。这也就使变速风电机组的转速与系统解耦，其旋转动能被“隐藏”起来，导致风力发电机组无法对系统提供惯性支撑功能。电网中如果出现大扰动，电力系统的频率以及暂态功角有较大概率发生失稳，进而影响风电机组的安全与稳定。为了解决该问题，多个国家在其风机并网规范中规定了风力发电场需要具备和常规发电厂类似的惯性支撑功能。

通过附加有功功率控制，双馈风电机组中的变换器能够以虚拟惯量的形式对系统提供惯性支撑能力，其耦合了频率及机组参数波动情况。有功控制通过测量频率变化使得风电机组具备了与同步机类似的频率响应特性，提高了其调频能力。但由于惯性的可控性，并网系统的暂态功角稳定性会伴随着惯性的变化出现不同程度的波动，系统故障时尤为明显。然而在目前通过附加虚拟惯性控制来改善系统频率特性的文献中，同时研究其对暂态功角稳定特性影响的较少。附加虚拟惯性控制的双馈风电机组频率响应特性与其暂态功角稳定问题密切相关，在研究频率控制的同时，也应注重于开发虚拟惯性控制策略在改善系统暂态功角稳定性方面的能力，使风电机组能够通过控制策略向系统提供更为灵活的功率支撑能力，对提高风电并网的暂态稳定性意义重大。

发明内容

本发明为了解决现有双馈风力发电机附加虚拟惯性控制策略后在兼顾频率响应及暂态功角稳定方面存在的不足，提供了一种基于可释放动能的双馈风电机组虚拟惯性控制方法。

鉴于双馈风电机组在不同风速下含有不同程度的可释放动能，提出了一种基于可释放动能的惯性控制方法，根据双馈风电机组转子中存储的动能来决定风电机组对系统惯性响应可提供的贡献。该方法根据转子转速调整双馈风电机组惯性控制策略中频率变化率和下垂回路的回路增益，使运行在较高转速下的双馈风电机组释放更多的动能，运行在较低转速下的双馈风电机组释放较少的动能。本发明具体是通过如下技术方案来实现的：一种基于可释放动能的双馈风电机组虚拟惯性控制方法，包括如下步骤：

1)可释放动能计算：

根据双馈风电机组转子中存储的动能来决定风电机组对系统惯性响应可提供的能量，根据转子转速调整双馈风电机组惯性控制方法中频率变化率和下垂回路的回路增益，双馈风电机组转子中储存的动能E₀为：

式中J为发电机的转动惯量，ω₀为双馈风电机组转子转速；

双馈风电机组可释放的动能由以下公式进行定义：

式中ω_min为双馈风电机组最小转速限制；由式(2)可以看出，双馈风电机组转子中可释放的动能除了与已知的发电机转动惯量J和最小转速限制有关外，主要是由转子转速决定的；

2)优化控制方法：

①双馈风机采用经典惯性控制后，双馈风电机组的控制系统包含了两个额外的控制回路：频率变化率df/dt回路和下垂Δf回路，K_df和K_pf分别表示频率变化率回路和下垂回路的增益；双馈风电机组转子侧变换器的有功输入由最大功率跟踪有功输出和两个惯性控制回路有功输出三部分组成，其中惯性控制回路通过测量系统频率并与额定频率做比较得出所在回路有功输出，故得到如下关系：

P_ref＝P_opt+ΔP (3)

式中P_opt为双馈风电机组运行在最大功率跟踪模式下的有功输出；P_ref为输入到转子侧变换器控制环节的有功参考值；ΔP为惯性控制环节的有功增益；Δf为测量频率f与额定频率f_N的差值；

②同时考虑上双馈风电机组在运行中转子的转速约束，将双馈风电机组中所含转子动能与达到转速限制的最大、最小转子动能平均值之比定义为转子动能系数K，如式(5)所示：

式中，ω_max和ω_min为转子最大、最小转速限制；

在双馈风电机组控制器中构造了与传统惯性控制方法相同形式的两个控制回路，这两个控制回路的增益通过故障前的转子转速进行调整，优化后的附加惯性控制的有功功率表示为：

双馈风电机组转子在高转速时，其转速裕度较大，可调范围大；低转速时，其转速裕度小，可调范围小。当双馈风电机组转子转速较小即出力较低时，通过附加转子动能系数，其虚拟惯性控制输出的有功增益较小，在满足系统要求的基础上同时有利于自身机组的稳定；当双馈风电机组转子转速即出力较高时，通过附加转子动能系数，其虚拟惯性控制提供较大的有功增益，尽可能多的释放自身动能参与系统调节。引入动能系数K后，风电机组可释放动能在转速较低时略有减少，在转速较高时显著增多。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提出的一种基于可释放动能的双馈风电机组虚拟惯性控制方法，1)通过引入转子动能系数调整惯性控制回路增益与机组转速相关联，为系统提供动态的有功支撑；2)实验结果表明，本发明所提出的优化控制方法能够使运行在高转速状态即出力较高的风电机组能够在系统暂态响应中释放出较多的动能；使运行在低转速状态即出力较低的风电机组释放较少的动能，兼顾提高系统频率及暂态功角稳定性，维持机组稳定运行。

附图说明

图1为3机9节点系统风电场并网结构图。

图2为双馈风机传统惯性控制框图。

图3为双馈风电机组基于可释放动能虚拟惯性控制框图。

图4为计及转子动能系数K的可释放动能。

图5为高出力下负荷突增时系统仿真波形图。

图6为低出力下负荷突增时系统仿真波形图。

图7为风电机组不同出力时功角仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行说明。

本实施例在如下系统中运行，由双馈风电机组组成的风电场并入3机9节系统中，如图1所示。其中G1和G2为同步机组，其容量分别为240MW和190MW。风电场由20台5MW双馈风电机组组成。负荷LA、LB、LC分别为100，125，90MW。在风电机组出力较高和较低时，分别对传统惯性控制策略、基于可释放动能的惯性控制策略及无惯性控制下的频率响应和同步机组间相对功角稳定性进行仿真对比。

本实施例中的基于可释放动能的双馈风电机组虚拟惯性控制方法，包括如下步骤：

1)可释放动能计算：

根据双馈风电机组转子中存储的动能来决定风电机组对系统惯性响应可提供的能量，根据转子转速调整双馈风电机组惯性控制方法中频率变化率和下垂回路的回路增益，双馈风电机组转子中储存的动能E₀为：

式中J为发电机的转动惯量，ω₀为双馈风电机组转子转速；

双馈风电机组可释放的动能由以下公式进行定义：

式中ω_min为双馈风电机组最小转速限制；由式(2)可以看出，双馈风电机组转子中可释放的动能除了与已知的发电机转动惯量J和最小转速限制有关外，主要是由转子转速决定的；

2)优化控制方法：

通过虚拟惯性控制使双馈风电机组在系统频率突变时能够具备一定的可控惯性响应能力，参与系统调节。双馈风机的经典惯性控制如图2所示，双馈风电机组的控制系统包含了两个额外的控制回路：频率变化率df/dt回路和下垂Δf回路，K_df和K_pf分别表示频率变化率回路和下垂回路的增益。双馈风电机组转子侧变换器的有功输入由最大功率跟踪有功输出和两个惯性控制回路有功输出三部分组成，其中惯性控制回路通过测量系统频率并与额定频率做比较得出所在回路有功输出。

图2中P_opt为双馈风电机组运行在最大功率跟踪模式下的有功输出；P_ref为输入到转子侧变换器控制环节的有功参考值；ΔP为惯性控制环节的有功增益，故可得到以下关系：

P_ref＝P_opt+ΔP (3)

式中Δf为测量频率f与额定频率f_N的差值。

由上述分析可得，当系统频率突变时，附加的惯性控制回路能够根据其测量频率和额定频率响应频率变化，通过控制转子侧变换器输入的有功信号，调节风电机组对系统注入或吸收的有功功率，故风电机组可以在系统发生扰动时惯性响应。但风电机组在此控制方法下动态响应系统状态的过程中，无法考虑到其工作在不同区间的初始工况即转子转速情况。当系统因故障频率跌落时，风电机组会以增加有功输出的方式来响应频率变化，发电机转速因此降低。在最大功率跟踪模式下，不同的风速对应于不同的发电机转速。该控制方案只考虑频率变化情况，未将运行在不同风速下的发电机转速信息考虑在内，无法针对性地对运行在不同工况下的双馈风电机组设置惯性控制增益。

考虑到双馈风电机组在运行中转子的转速约束，本发明将其所含转子动能与达到转速限制的最大、最小转子动能平均值之比定义为转子动能系数K，如式(5)所示：

式中，ω_max和ω_min为转子最大、最小转速限制。

在双馈风电机组控制器中构造了与图2相同形式的两个控制回路，这两个控制回路的增益可以通过故障前的转子转速进行调整，如图3所示。优化后的附加惯性控制的有功功率表示为：

双馈风电机组转子在高转速时，其转速裕度较大，可调范围大；低转速时，其转速裕度小，可调范围小。当双馈风电机组转子转速较小即出力较低时，通过附加转子动能系数，其虚拟惯性控制输出的有功增益较小，在满足系统要求的基础上同时有利于自身机组的稳定；当双馈风电机组转子转速即出力较高时，通过附加转子动能系数，其虚拟惯性控制提供较大的有功增益，尽可能多的释放自身动能参与系统调节。如图4所示，引入动能系数K后，风电机组可释放动能在转速较低时略有减少即图中阴影面积S_L，在转速较高时显著增多即图中阴影面积S_H。

根据上述分析可得，风电机组运行于最大功率跟踪模式，不同风速下机组具有不同转速，通过转速信号计算得出转子动能系数K的大小并附加到虚拟惯性控制回路中。高风速下的机组具备较高转速，其回路增益也较大，从而能够释放较多的转子动能；低风速下的机组转速较低，其回路增益较小，使其释放较少的动能，避免触发最小转速限制，保持机组运行稳定。

图5、6、7分别是风电场在高、低出力时仿真系统发生负荷突增、三相短路故障时的不同控制策略下的相关参数的仿真波形对比。从图中可以看出，在本发明所提优化控制方法下，系统的暂态稳定性能表现的更好。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于可释放动能的双馈风电机组虚拟惯性控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)可释放动能计算：

根据双馈风电机组转子中存储的动能来决定风电机组对系统惯性响应可提供的能量，根据转子转速调整双馈风电机组惯性控制方法中频率变化率和下垂回路的回路增益，双馈风电机组转子中储存的动能E₀为：

式中J为发电机的转动惯量，ω₀为双馈风电机组转子转速；

双馈风电机组可释放的动能由以下公式进行定义：

式中ω_min为双馈风电机组最小转速限制；由式(2)可以看出，双馈风电机组转子中可释放的动能除了与已知的发电机转动惯量J和最小转速限制有关外，是由转子转速决定的；

2)优化控制方法：

①双馈风机采用经典惯性控制后，双馈风电机组的控制系统包含了两个额外的控制回路：频率变化率df/dt回路和下垂Δf回路，K_df和K_pf分别表示频率变化率回路和下垂回路的增益；双馈风电机组转子侧变换器的有功输入由最大功率跟踪有功输出和两个惯性控制回路有功输出三部分组成，其中惯性控制回路通过测量系统频率并与额定频率做比较得出所在回路有功输出，故得到如下关系：

P_ref＝P_opt+ΔP (3)

式中P_opt为双馈风电机组运行在最大功率跟踪模式下的有功输出；P_ref为输入到转子侧变换器控制环节的有功参考值；ΔP为惯性控制环节的有功增益；Δf为测量频率f与额定频率f_N的差值；

②同时考虑上双馈风电机组在运行中转子的转速约束，将双馈风电机组中所含转子动能与达到转速限制的最大、最小转子动能平均值之比定义为转子动能系数K，如式(5)所示：

式中，ω_max和ω_min为转子最大、最小转速限制；

在双馈风电机组控制器中构造了与传统惯性控制方法相同形式的两个控制回路，这两个控制回路的增益通过故障前的转子转速进行调整，优化后的附加惯性控制的有功功率表示为：

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