CN113098070B - 一种用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法及系统 - Google Patents

一种用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法及系统，属于风力发电机组控制技术领域。通过对双风轮机组两机侧的协调控制实现机组有功功率/无功功率的灵活调节，可以在提高风电机组的运行效率的基础上，改善风力发电机组的并网性能，实现对有功功率和无功功率的无差控制，在电网幅值和频率异常时，可以提供惯性和一次调节功能。并且使风力发电机组通过有功/无功功率调节实现频率响应、电压响应并具备惯量响应和阻尼控制等功能，进一步提高电力系统的动态稳定性。同时，本发明充分利用两风轮机组的协调出力特性，控制逻辑简单，易于实现。

Description

一种用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法及系统
技术领域
本发明属于风力发电机组控制技术领域，具体涉及一种用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法及系统。
背景技术
目前，随着新能源发电装机容量的快速上升，新能源发电量占比越来越大，风力发电作为新能源发电的重要组成部分，装机规模也已经非常庞大。
相比于应用最为广泛但发电效率较低的单风轮风力发电装置，发电效率高、低风速风能资源利用效率高的双风轮风力发电装置的开发越来越受到研究者的关注，其对风能资源的高效率开发利用具有非常重要的意义。电机的效率和功率因数也明显地改善。相对传统单转子风力发电机，双转子直驱永磁风力发电机有两套风轮，大幅提高了工作风速范围和风能利用系数。
然而与传统大型同步发电机相比，风力发电等新能源发电采用常规的电力电子变流器控制的并网方式缺乏传统发电机所具有的惯性和阻尼，无法像传统发电机一样参与电网调节，导致电网系统频率和电压的抗扰性下降，尤其是风力发电并网规模越来越大时，大量分散的电力电子逆变器并网装置给大电网的安全可靠稳定运行带来了较大影响。由于风力发电出力随风速变化波动，而风速为不可控量，这就导致了风电渗透率高与电网频率/电压稳定性之间的矛盾。在风力发电量占比高的地区，有必要使风力发电机组参与电网调频，保证风力发电提供优质电能。
为改善并网逆变器的性能，国内外学者借鉴同步发电机的优势提出了虚拟同步机(virtual synchronous machine，VSM)技术，即通过控制并网逆变器模拟同步发电机的运行机理，使并网逆变器在运行机制和外特性上与传统同步发电机相比拟，受到学者们的普遍关注。然而目前尚未有针对双风轮风力发电机组并网虚拟同步控制技术的研究，对于风力发电虚拟同步技术的研究主要集中在在电力电子并网变流器中虚拟同步控制策略本身，功能较为单一，未能充分发挥电力电子装置控制灵活的优点。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法及系统，在保证机组运行效率及稳定性的同时，使风力发电机组具备参与电网频率调节、电压调节、惯量响应和阻尼控制等功能，进一步提高电力系统的动态稳定性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法，包括以下步骤：
S1：提取电网电压与电流基波正序分量，根据电网电压与电流基波正序分量计算风电机组输出的实际有功功率以及实际无功功率；获取电网系统中发出的有功功率调节指令，并将有功功率调节指令与实际有功功率进行做差比较，得到有功功率偏差；获取电网系统中发出的无功功率调节指令，并将无功功率调节指与实际无功功率进行做差比较得到无功功率偏差；
S2：将S1中的有功功率偏差分别与预先设定的第一有功功率偏差阈值和第二有功功率偏差阈值进行比较；将S1中的无功功率偏差分别与预先设定的第一无功功率偏差阈值、第二无功功率偏差阈值进行比较；
S3：根据比较结果，由风电机组中的第一风轮机组和/或第二风轮机组响应电网系统中的有功功率调节、无功功率调节指令。
优选地，对于第二风轮机组额定功率大于第一风轮机组的双风轮风电机组，S3具体为：
若有功功率偏差不大于第一有功功率偏差阈值，且无功功率偏差不大于第一无功功率偏差阈值，则由风电机组中的第一风轮机组响应电网系统中的有功功率调节、无功功率调节指令；
若有功功率偏差大于第一有功功率偏差阈值，或无功功率偏差大于第一无功功率偏差阈值，同时有功功率偏差不大于第二有功功率偏差阈值，并且所述无功功率偏差不大于第二无功功率偏差阈值，则由风电机组中的第二风轮机组响应电网系统中的有功功率调节、无功功率调节指令；
若有功功率偏差大于第二有功功率偏差阈值，或者无功功率偏差大于第二无功功率偏差阈值，则由风电机组中的第一风轮机组、第二风轮机组同时响应电网系统中的有功功率调节、无功功率调节指令。
优选地，S1中，提取电网电压与电流基波正序分量时，将采集到的电网电压与电流信号，先通过滤波环节过滤掉信号中的高频干扰信号，保留低频基波分量并提取电压与电流信号中基波正序分量。
优选地，S2中，第一有功功率偏差阈值和第二有功功率偏差阈值是根据机组内各设备的承受过载能力确定的。
进一步优选地，第一有功功率偏差阈值为第一风轮机组输出额定功率的0.05～0.2倍；第二有功功率偏差阈值为第二风轮机组输出额定功率的0.05～0.2倍。
优选地，S2中，第一无功功率偏差阈值和第二无功功率偏差阈值是根据机组内各设备的承受过载能力确定的。
进一步优选地，第一无功功率偏差阈值为第一风轮机组输出额定功率的0.2～0.4倍；第二无功功率偏差阈值为第二风轮机组输出额定功率的0.2～0.4倍。
本发明公开了一种实现上述用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法的系统，包括并网侧控制单元、第一机侧控制单元和第二机侧控制单元；
并网侧控制单元用于接收电网调节指令，并向第一机侧控制单元和第二机侧控制单元发送有功功率/无功功率调节指令，同时在并网侧控制单元完成有功功率调频和无功功率的调压；
第一机侧控制单元用于控制第一风轮机组响应并网侧控制单元传递的有功功率/无功功率调节指令；
第二机侧控制单元用于控制第二风轮机组响应并网侧控制单元传递的有功功率/无功功率调节指令。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法，通过对双风轮机组两机侧的协调控制实现机组有功功率/无功功率的灵活调节，可以在提高风电机组的运行效率的基础上，改善风力发电机组的并网性能，实现对有功功率和无功功率的无差控制，在电网幅值和频率异常时，可以提供惯性和一次调节功能。并且使风力发电机组通过有功/无功功率调节实现频率响应、电压响应并具备惯量响应和阻尼控制等功能，进一步提高电力系统的动态稳定性。同时，本发明充分利用两风轮机组的协调出力特性，控制逻辑简单，易于实现。
进一步地，有功/无功功率调节指令值较小时，只需由第一风轮机组响应调节指令，第二风轮机组可以保证最大发电出力；调节指令值稍大时，可以由第二风轮机组响应调节指令，第一风轮机组保持最大发电出力；只有当调节指令值较大时，才由两风轮机组同时进行调节响应。合理利用了资源，保证机组的最大出力。
进一步地，滤波环节能够抑制或滤除采样信号中的纹波和毛刺，保证采样信号的准确性。
进一步地，第一有功功率偏差阈值和第二有功功率偏差阈值的取值范围，能够确保风轮机组的有功功率调节范围在风轮机组的合理运行范围之内，又可以保证系统具备充分的有功功率调节能力。
进一步地，第一无功功率偏差阈值和第二无功功率偏差阈值的取值范围，能够确保风轮机组的无功功率调节范围在风轮机组的合理运行范围之内，又可以保证系统具备充分的无功功率调节能力。
本发明公开了一种风电机组控制系统，由网侧控制单元与第一机侧控制单元、第二机侧控制单元组成，系统构建简单，可以在提高风电机组的运行效率的基础上，改善风力发电机组的并网性能，实现对有功功率和无功功率的无差控制，在电网幅值和频率异常时，可以提供惯性和一次调节功能。
附图说明
图1是本发明的用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1，为本发明的用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法流程图，包括以下步骤：
S1：提取电网电压与电流基波正序分量，将采集到的电网电压与电流信号，先通过滤波环节过滤掉信号中的高频干扰信号，保留低频基波分量并提取电压与电流信号中基波正序分量；根据电网电压与电流基波正序分量计算风电机组输出的实际有功功率以及实际无功功率；获取电网系统中发出的有功功率调节指令，并将有功功率调节指令与实际有功功率进行做差比较，得到有功功率偏差；获取电网系统中发出的无功功率调节指令，并将无功功率调节指与实际无功功率进行做差比较得到无功功率偏差。
S2：将S1中的有功功率偏差分别与预先设定的第一有功功率偏差阈值和第二有功功率偏差阈值进行比较；其中，第一有功功率偏差阈值和第二有功功率偏差阈值是根据风电机组及变流器等系统设备的承受过载能力确定的。一般地，第一有功功率偏差阈值为第一风轮机组输出额定功率的0.05～0.2倍；第二有功功率偏差阈值为第二风轮机组输出额定功率的0.05～0.2倍。
第一无功功率偏差阈值和第二无功功率偏差阈值是根据变流器等系统设备的承受过载能力确定的。一般地，第一无功功率偏差阈值为第一风轮机组输出额定功率的0.2～0.4倍；第二无功功率偏差阈值为第二风轮机组输出额定功率的0.2～0.4倍。
然后将S1中的无功功率偏差分别与预先设定的第一无功功率偏差阈值、第二无功功率偏差阈值进行比较。
S3：根据比较结果，由风电机组中的第一风轮机组和/或第二风轮机组响应电网系统中的有功功率调节、无功功率调节指令。对于第二风轮机组额定功率大于第一风轮机组的双风轮风电机组，具体地：若有功功率偏差不大于第一有功功率偏差阈值，且无功功率偏差不大于第一无功功率偏差阈值，则由风电机组中的第一风轮机组响应电网系统中的有功功率调节、无功功率调节指令；若有功功率偏差大于第一有功功率偏差阈值，或无功功率偏差大于第一无功功率偏差阈值，同时有功功率偏差不大于第二有功功率偏差阈值，并且所述无功功率偏差不大于第二无功功率偏差阈值，则由风电机组中的第二风轮机组响应电网系统中的有功功率调节、无功功率调节指令；若有功功率偏差大于第二有功功率偏差阈值，或者无功功率偏差大于第二无功功率偏差阈值，则由风电机组中的第一风轮机组、第二风轮机组同时响应电网系统中的有功功率调节、无功功率调节指令。
实现上述的用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法的系统，主要包括并网侧控制单元、第一机侧控制单元和第二机侧控制单元；
并网侧控制单元用于接收电网调节指令，并向第一机侧控制单元和第二机侧控制单元发送有功功率/无功功率调节指令，同时在并网侧控制单元完成有功功率调频和无功功率的调压；
第一机侧控制单元用于控制第一风轮机组响应并网侧控制单元传递的有功功率/无功功率调节指令；
第二机侧控制单元用于控制第一风轮机组响应并网侧控制单元传递的有功功率/无功功率调节指令。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提取电网电压与电流基波正序分量，根据电网电压与电流基波正序分量计算风电机组输出的实际有功功率以及实际无功功率；获取电网系统中发出的有功功率调节指令，并将有功功率调节指令与实际有功功率进行做差比较，得到有功功率偏差；获取电网系统中发出的无功功率调节指令，并将无功功率调节指与实际无功功率进行做差比较得到无功功率偏差；
S2：将S1中的有功功率偏差分别与预先设定的第一有功功率偏差阈值和第二有功功率偏差阈值进行比较；将S1中的无功功率偏差分别与预先设定的第一无功功率偏差阈值、第二无功功率偏差阈值进行比较；
S3：根据比较结果，由风电机组中的第一风轮机组和/或第二风轮机组响应电网系统中的有功功率调节、无功功率调节指令；
对于第二风轮机组额定功率大于第一风轮机组的双风轮风电机组，S3具体为：
若有功功率偏差不大于第一有功功率偏差阈值，且无功功率偏差不大于第一无功功率偏差阈值，则由风电机组中的第一风轮机组响应电网系统中的有功功率调节、无功功率调节指令；
若有功功率偏差大于第一有功功率偏差阈值，或无功功率偏差大于第一无功功率偏差阈值，同时有功功率偏差不大于第二有功功率偏差阈值，并且所述无功功率偏差不大于第二无功功率偏差阈值，则由风电机组中的第二风轮机组响应电网系统中的有功功率调节、无功功率调节指令；
若有功功率偏差大于第二有功功率偏差阈值，或者无功功率偏差大于第二无功功率偏差阈值，则由风电机组中的第一风轮机组、第二风轮机组同时响应电网系统中的有功功率调节、无功功率调节指令。
2.根据权利要求1所述的用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法，其特征在于，S1中，提取电网电压与电流基波正序分量时，将采集到的电网电压与电流信号，先通过滤波环节过滤掉信号中的高频干扰信号，保留低频基波分量并提取电压与电流信号中基波正序分量。
3.根据权利要求1所述的用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法，其特征在于，S2中，第一有功功率偏差阈值和第二有功功率偏差阈值是根据机组内各设备的承受过载能力确定的。
4.根据权利要求3所述的用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法，其特征在于，第一有功功率偏差阈值为第一风轮机组输出额定功率的0.05~0.2倍；第二有功功率偏差阈值为第二风轮机组输出额定功率的0.05~0.2倍。
5.根据权利要求1所述的用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法，其特征在于，S2中，第一无功功率偏差阈值和第二无功功率偏差阈值是根据机组内各设备的承受过载能力确定的。
6.根据权利要求5所述的用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法，其特征在于，第一无功功率偏差阈值为第一风轮机组输出额定功率的0.2~0.4倍；第二无功功率偏差阈值为第二风轮机组输出额定功率的0.2~0.4倍。
7.一种实现权利要求1~6任意一项所述的用于双风轮风电机组的虚拟同步机控制方法的系统，其特征在于，包括并网侧控制单元、第一机侧控制单元和第二机侧控制单元；
并网侧控制单元用于接收电网调节指令，并向第一机侧控制单元和第二机侧控制单元发送有功功率/无功功率调节指令，同时在并网侧控制单元完成有功功率调频和无功功率的调压；
第一机侧控制单元用于控制第一风轮机组响应并网侧控制单元传递的有功功率/无功功率调节指令；
第二机侧控制单元用于控制第二风轮机组响应并网侧控制单元传递的有功功率/无功功率调节指令。
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