CN113328457A - 一种提高并网友好性的风电机组虚拟控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高并网友好性的风电机组虚拟控制方法，具体为一种基于惯量阻尼系数自适应调整的风电机组变流器并网控制方法。本发明通过建立励磁绕组电磁动态方程和同步发电机的转子运动方程，得到适用于风电机组接入电网的变流器的虚拟同步发电机控制数学模型。本发明分析转动惯量和阻尼系数对系统稳定性的影响，建立虚拟同步闭环传递函数，优化风电变流器的励磁控制参数，求解得到系统平衡点，提高风电机组并网自适应虚拟同步控制性能，实现风电机组并网最大功率点跟踪及并网适应性，降低了风电机组功率波动性对电网不利影响，提高了高比例风电并网友好性。

Description

一种提高并网友好性的风电机组虚拟控制方法

技术领域

本发明涉及高比例新能源并网控制，更具体地，涉及一种提高并网友好性的风电机组虚拟控制方法。

背景技术

高比例风电通过电力电子器件比如整流器、变流器将电能并网或者输送到负荷，相比于运行成熟的传统发电设备(如同步发电机)，电力电子变换器具有响应迅速，控制灵活等优势，但是也有缺乏惯性和阻尼等缺点，从而为电力系统的稳定性带来了一系列的挑战。虚拟同步机技术是一种使得电力电子器件模拟出类似同步电机所具有的旋转惯量和阻尼特性的新型控制技术，为解决电网电力电子化程度不断加深所面临的一系列挑战提供了新的思路。

随着风电新能源占比不断提高，将致使系统惯性能力减弱，给系统的安全稳定运行带来严重威胁。因此，为保证电力系统正常运行，风力发电系统应当具有与传统发电机组类似的惯性和一次调频的电网辅助功能。

发明内容

为应对上述传统方法的不足，本发明一种提高并网友好性的风电机组虚拟控制方法，以通过风电机组并网变流器改善电力系统暂态稳定性和动态品质。该控制器构造的李雅普诺夫函数采用了递归的设计方法，并充分利用了虚拟同步机本身的暂态能量函数。

如图3所示，本发明的具体技术解决方案如下：

S10测量变流器输入输出端口的电压电流频率特征量，计算得到虚拟同步发电机输入及输出功率；

S20结合最大功率点跟踪建立背靠背风电机组并网系统的变流器的虚拟同步发电机的转子运动方程，得到变流器PWM调制波相角；

所述虚拟转子角速度ω及调制波信号相角δ计算公式如下：

S30建立虚拟同步机的虚拟励磁绕组电磁动态方程；

S40建立具有励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型并定义其平衡点：

所述具有励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型为：

所述平衡点代数方程为

S50结合步骤四所得模型和其平衡点，递归设计直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制器；

所述设计虚拟励磁控制律为：

式中k_Dω_r为直接补偿的虚拟同步机阻尼系数。

李雅普诺夫函数在该控制律条件下为正定，即说明所述系统在平衡点的一定邻域内渐进稳定，且该闭环控制系统在平衡点处是稳定的。并且

可推出ω_r＝0，e＝0。又由_e的定义可知ω_r＝0，e＝0可得到ΔV′_q＝0，根据平衡点的方程得到P_set＝a₁V′_qssinδ-a₂sin2δ，进而得到δ最终收敛于δ_s，其收敛速度取决于k_D、k_e的大小。根据拉萨尔不变集原理可知，系统在平衡点(δ_s,0,ΔV′_qs)处局部渐进稳定。且在平衡点处控制器的输出为稳态励磁控制bV′_qs-ccosδ_s＝V_set。

S60结合虚拟同步机转子运动方程得到的虚拟功角δ、变流器调制波电压幅值E得到用于变流器控制的PWM调制波信号，如图4所示。该调制波与载波作比较生成的脉冲信号用于控制风电机组并网的三相变流器，实现风电机组并网的虚拟同步发电机控制。

附图说明

图1是风电机组并网单元系统结构图。

图2是虚拟同步控制下变流器对应传统同步机示意图。

图3是本发明提出的控制方法流程图。

图4整体控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明提供一种提高并网友好性的风电机组虚拟控制方法，该方法实施流程图如图3所示，其步骤包括：

S10测量变流器输入输出端口的电压电流频率特征量，计算得到虚拟同步发电机输入及输出功率；图1为适用于该方法的风电机组并网系统结构图。图中风电机组输出的频率幅值变化的交流电通过三相整流器得到幅值恒定的直流电，类似地，该三相整流器也可以采用虚拟同步电动机的控制策略；接着再经DC/AC变流器输出，通过LCL滤波环节后输送到电网。控制变流器内电力电子器件导通和关断的PWM脉冲由本发明控制方法得到的调制波信号E∠δ产生，以实现风电机组并网的VSG控制。

S20结合最大功率点跟踪建立背靠背风电机组并网系统的变流器的虚拟同步发电机的转子运动方程，如图4的上半部分所示，其中MPPT控制算法是通过结合有功/频率下垂控制器的下垂系数的调节信号,通过对下垂系数的改变,使得虚拟拖动转矩的指令值等于MPPT指令值,然后根据虚拟转轴的机械运动特性实现调速器功能。再由虚拟同步发电机的转子运动方程得到变流器PWM调制波相角；

S30建立虚拟同步机的虚拟励磁绕组电磁动态方程；

S40建立具有励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型并定义其平衡点：

具体地，该步骤包括：参照图2，结合步骤二、步骤三得到的转子运动方程、电磁动态方程，推导出虚拟同步发电机控制下的变流器系统数学模型表达式。根据虚拟同步发电机控制下的变流器系统数学模型表达式，定义具有励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统平衡点，并通过解非线性代数方程得到系统平衡点，用于虚拟励磁控制器的设计。

S50结合步骤四所得模型及其平衡点，如图4所示，结合前面的有功频率控制模型得出的ω_r、P_set、δ等参数，通过构造李雅普诺夫函数，递归设计直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制器，即通过图4中递归计算得到用于控制风电机组并网变流器的PWM调制波信号幅值。

S60根据S50所设计的控制律，得到用于变流器控制的调制波信号幅值E，如图4所示。结合S20得到的虚拟功角δ，即可生成调制波信号E∠δ。该信号与载波作比较，生成的脉冲信号用于控制风电机组变流器开关管的导通和关断。

Claims (8)

1.一种提高并网友好性的风电机组虚拟控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取变流器输入输出端口的电压电流频率特征量，计算得到虚拟同步发电机输入及输出功率；

(2)结合最大功率点跟踪建立背靠背风电机组并网系统的变流器的虚拟同步发电机的转子运动方程，得到变流器PWM调制波相角；

(3)建立虚拟同步机的虚拟励磁绕组电磁动态方程；

(4)建立具有励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型并定义其平衡点；

(5)递归设计直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制器；

(6)结合虚拟同步机转子运动方程得到的虚拟功角δ、变流器调制波电压幅值E得出变流器调制信号，实现风电机组并网的虚拟同步发电机控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述虚拟同步发电机输出到电网端的电压电流以及电网频率，根据所测电压电流计算虚拟同步机输出功率，包括：

(1)获取虚拟同步机输出电压电流及电网频率：

通过电压电流互感器测量风电机组并网变流器在三相abc坐标系下的输出侧电压U_abc及输出电流I_abc；通过锁相环(PLL)模块测量电网频率。

(2)计算虚拟同步机输出功率：

利用前述所测输出电压电流，可直接计算虚拟同步机在abc坐标系输出功率，也可以将电压电流转换到dq坐标系再进行计算：

P_out＝U_aI_a+U_bI_b+U_cI_c＝U_dI_d+U_qI_q (1)

式中U_d、U_q，I_d、I_q分别为母线电压和母线电流在d轴和q轴分量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据最大功率点跟踪(MPPT)建立背靠背风电机组并网系统的变流器的虚拟同步发电机的转子运动方程，得到变流器PWM调制波相角，包括：

(1)根据当前风速和风电机组的转子转速计算获得的MPPT指令值,结合有功频率下垂控制器的下垂系数的调节信号,通过对下垂系数的改变,使得虚拟拖动转矩的指令值等于MPPT指令值,然后根据虚拟转轴的机械运动特性实现调速器功能：

对于有功-频率下垂控制环节，即

式中，P_set为虚拟同步控制下变流器的参考有功输入(可为上层调度指令)；D_p为下垂控制系数(由MPPT指令值决定)；ω_ref为角速度参考值。

(2)建立虚拟同步机的转子运动特性方程为：

式中，δ[rad]为变流器虚拟功角，表示无穷大母线电压与变流器出口电压之间的夹角；K_d为阻尼系数；ω_r[p.u.]为虚拟转子角速度与同步角速度的偏差；ω_s＝2πf为同步角速度；P_set[p.u.]为虚拟同步控制下变流器的参考功率指令(可为上层调度指令)，对应于传统同步机的机械功率P_m；P_e[p.u.]为变流器输出电磁功率。

(3)基于上式(2)(3)，建立有功频率控制模型，得到虚拟转子角速度及调制波信号相角为：

式中δ[rad]为变流器虚拟功角，也即控制变流器的PWM调制波信号相角。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟同步机的虚拟励磁绕组电磁动态方程，包括：

(1)采用与同步机励磁绕组电磁动态方程中参数相对应的方式，建立虚拟同步发电机励磁绕组电磁动态方程为：

式中，K′_d是励磁绕组的时间常数(s)；V_set[p.u.]为对应于系统稳态运行时的给定励磁电压；u_f为对应于励磁电压的调节量；V_q是变流器出口电压，对应于发电机空载感应电动势；

是暂态电势，根据定义V_q与V′_q存在关系为：

其中，x_vir表示虚拟定子电抗，可用虚拟阻抗方法进行模拟；x′_vir表示虚拟暂态同步电抗，同样可用虚拟阻抗方法模拟；I_d为母线电流d轴分量，可表示为：

其中，U为无限大系统的母线电压，可看作常数，x′_d∑＝x′_vir+x_l表示为虚拟定子暂态电抗与线路电抗之和。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立具有励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型并定义其平衡点，包括：

(1)根据虚拟同步机虚拟励磁绕组电磁动态方程，将(7)代入(8)可得到V_q与V′_q之间有如下关系成立：

(2)根据虚拟同步机电磁功率方程，可得到虚拟同步机有功功率表达式。

已知电动势、电压和电流的关系为

将(10)代入(1)得到虚拟同步机送入无穷大系统的有功功率表达式为：

(3)根据虚拟同步机转子运动方程(1)和虚拟励磁绕组电磁动态方程(2)，最终建立具有励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型为：

(4)权利要求2中所述具有励磁控制的虚拟同步发电机单机无穷大系统数学模型简写为：

其中，

u＝V_set+u_f

(5)根据控制理论中对系统平衡点的定义，即系统

的平衡点是指满足f(x)≡0的点。定义系统(13)的状态变量为δ，ω_r，V′_q，并且其平衡点用(δ_s,ω_rs,V′_qs)表示。根据该定义，系统(13)的平衡点应满足如下条件：

当给定变流器预设功率P_set和虚拟励磁电压V_set时，可通过求解(14)非线性代数方程得到系统平衡点。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直接补偿阻尼系数的虚拟励磁控制器的递归设计方案，具体包括：

(1)考虑化简后的系统模型(13)中的子系统(δ,ω_r)，并将暂态电势V′_q表示为V′_q＝V′_qs+ΔV′_q，则定义ΔV′_q＝V′_q-V′_qs，子系统(δ,ω_r)可写为

其中P_e0＝a₁V′_qssinδ-a₂sin2δ、M＝2H。

(2)将ΔV′_q看作该子系统的虚拟控制律，希望通过调节变流器虚拟励磁使q轴暂态电势的变化ΔV′_q满足a₁ΔV′_qsinδ＝M·k_Dω_r，由于存在调节误差，定义调节误差为：

e＝M·k_Dω_r-a₁ΔV′_qsinδ (16)

其中，k_D为自定义变量且k_D＞0，Mk_D理想补偿变流器虚拟阻尼系数。由此可得：

定义

构造李雅普诺夫函数为

对上式求导得到：

选取控制律r为：

r＝-ω_sω_r-k_ee (20)

其中k_e为自定义变量且大于零，则

满足

由此，可得到直接改善虚拟同步机阻尼系数的励磁控制律_u为：

7.根据权利要求3中得到的控制风电机组并网变流器的PWM调制波信号相角δ；再将控制律u代入式(9)(10)，通过递归计算可得变流器出口电压参考值V_q，变流器调制波电压幅值E可由(23)求出：

V_q＝V_dc·E (23)

从而得到变流器调制波电压幅值E。即可得到PWM调制波信号E∠δ，作用于风电机组并网变流器，实现风电机组并网的虚拟同步发电机控制。

8.根据权利要求3，分析转动惯量和阻尼系数对系统稳定性的影响，建立虚拟同步闭环传递函数，优化风电变流器的励磁控制参数，求解得到系统平衡点，提高风电机组并网自适应虚拟同步控制性能。

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