CN113852099A - 一种直驱风电机组快速频率响应控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电领域，具体公开了一种直驱风电机组快速频率响应控制系统及方法。一种直驱风电机组快速频率响应控制系统，包括依次相连的发电机、机侧变流器、直流母线电容、网侧变流器和风电机组并网点电源，风电机组并网点电源分别连接频率下垂控制器和母线电容储能快速频率响应控制器，频率下垂控制器和母线电容储能快速频率响应控制器都与直流母线电容相连，频率下垂控制器与机侧变流器相连，母线电容储能快速频率响应控制器与网侧变流器相连。本发明使频率下垂控制器控制机侧变流器转矩，母线电容储能快速频率响应控制器控制网侧变流器电压，从而避免了系统频率的二次变化。

Description

一种直驱风电机组快速频率响应控制系统及方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，具体涉及一种直驱风电机组快速频率响应控制系统及方法。

背景技术

随着风电渗透率的不断提高，工作在最大功率跟踪模式下的变速风电机组构成的大规模风电场替代传统同步发电机接入电网，导致电网等效惯量减小，当发生电源故障脱网或者负荷增大等扰动时，电力系统会出现更大的频率偏差和更快的频率下降速度，危害电网的频率稳定性。

调查发现，在风力发电传统最大功率跟踪控制的基础上，增加惯量支撑和一次调频功能，可以使风电机组表现出并网友好型特点。当前实现直驱风电机组惯量响应普遍是利用转子动能，通过增加辅助频率控制环由储存在转子中的动能提供短时功率支撑，提供类似于传统机组的虚拟惯量支撑。但是转子转速在惯量响应之后的恢复过程中会吸收/释放部分能量，容易造成系统频率的二次降低/升高。

发明内容

本发明提供的一种直驱风电机组快速频率响应控制系统及方法，以解决转子转速在惯量响应之后的恢复过程中会吸收/释放部分能量，容易造成系统频率的二次降低/升高的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种直驱风电机组快速频率响应控制系统，包括依次相连的发电机、机侧变流器、直流母线电容、网侧变流器和风电机组并网点电源，所述网侧变流器和风电机组并网点电源之间设有并网信息测量点，所述并网信息测量点信号输出端分别连接频率下垂控制器和母线电容储能快速频率响应控制器的第一信号输入端，所述直流母线电容信号输出端与频率下垂控制器和母线电容储能快速频率响应控制器的第二信号输入端相连，频率下垂控制器信号输出端与机侧变流器相连，控制机侧变流器，母线电容储能快速频率响应控制器信号输出端与网侧变流器信号输入端相连，控制网侧变流器。

本发明的进一步改进在于：所述发电机与风电机组叶轮相连，用于发电。

一种直驱风电机组快速频率响应控制方法，包括以下步骤：

获取并网点测量值；

获取直流母线电压值；

根据并网点测量值计算系统频率；

当系统频率小于电网额定频率并不在快速频率响应启动阈值范围内时，网侧变流器(4)根据母线电容储能快速频率响应控制策略减小母线电压给定值，减小直流母线电容(3)存储的能量，当母线电压调节量达到预设的最小限值时不再继续减小；

当系统频率大于电网额定频率并不在快速频率响应启动阈值范围内时，网侧变流器(4)根据母线电容储能快速频率响应控制策略增大母线电压给定值，增大母线电容存储能量，当母线电压调节量达到预设的最大限值时不再继续增大；

当直流母线电压到达预设的下限值且系统频率小于电网额定频率并不在快速频率响应启动阈值范围内时，机侧变流器根据频率下垂控制策略得到转矩调节增加量，并叠加到最大功率跟踪主控转矩给定上；

当直流母线电压到达上限值且系统频率大于电网额定频率并不在快速频率响应启动阈值范围内时，机侧变流器根据频率下垂控制策略得到转矩调节减少量，并叠加到最大功率跟踪主控转矩给定上；

否则，机侧变流器始终跟随最大功率跟踪主控转矩给定值。

本发明的进一步改进在于：所述并网点测量值包括并网点电压与并网点电流。

本发明的进一步改进在于：所述快速频率响应启动阈值为一次调频死区，范围是49.95Hz-50.05Hz

本发明的进一步改进在于：所述母线电容储能快速频率响应控制策略具体包括以下步骤：

先计算母线电压调节量ΔU_dc：

ΔU_dc＝(f-f_d)*K_dc

式中：f_d为快速频率响应启动阈值；

f为系统频率；

K_dc为母线电压调节系数，为预设数值；

ΔU_dc为母线电压调节量，母线电压调节量ΔU_dc小于母线电压调节量最大值ΔUmax，大于母线电压调节量最小值ΔUmin；

再计算母线电压最终给定值U_{dc_ref}：

U_{dc_ref}＝ΔU_dc+U_dc0

式中：U_dc0为预设的初始母线电压给定值；

U_{dc_ref}为母线电压最终给定值；

本发明的进一步改进在于：所述频率下垂控制策略具体包括以下步骤：

先计算转矩调节量ΔT：

ΔT＝-(f-f_d)*(K_T)

式中：K_T为预设的频率调节系数；

ΔT为转矩调节量；

f_d为快速频率响应启动阈值；

f为系统频率；

再计算机侧变流器的转矩给定量T_ref：

T_ref＝ΔT+T_MPPT

式中：T_MPPT为风电机组最大功率跟踪产生的转矩。

本发明的进一步改进在于：所述直流母线电压给定最大值满足直流母线电容(4)和半导体开关器件耐压条件。

本发明的进一步改进在于：所述直流母线电压给定最小值

式中：U_n为获取的风电机组并网点电压有效值；

为直流母线电压给定最小值。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1、本发明将频率下垂控制器与机侧变流器相连，母线电容储能快速频率响应控制器与网侧变流器相连；使频率下垂控制器控制机侧变流器转矩，母线电容储能快速频率响应控制器控制网侧变流器电压，从而避免了系统频率的二次变化。

2、本发明利用直流母线电容能量，实现风电机组快速频率响应功能，若直流母线电容吞吐能量到达极限，则联合频率下垂控制策略共同参与快速频率响应，减轻转速波动的程度，有效降低了系统频率的二次降低/升高的风险。

3、本发明给出了直流母线电压给定的最大值与最小值的约束条件，避免了直流母线电压给定值过大或过小导致系统损坏。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种直驱风电机组快速频率响应控制方法中直流母线电容储能快速频率响应控制框图；

图2为本发明一种直驱风电机组快速频率响应控制方法中机侧频率下垂控制策略启动逻辑流程图；

图3为本发明一种直驱风电机组快速频率响应控制系统的结构连接示意图；

图中：1、发电机；2、机侧变流器；3、直流母线电容；4、网侧变流器；5、并网信息测量点；6、风电机组并网点电源；7、母线电容储能快速频率响应控制器；8、频率下垂控制器。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

实施例1

如图3所示，一种直驱风电机组快速频率响应控制系统，包括依次相连的发电机1、机侧变流器2、直流母线电容3、网侧变流器4和风电机组并网点电源6，网侧变流器4和风电机组并网点电源6之间设有并网信息测量点5，并网信息测量点信号输出端分别连接频率下垂控制器8和母线电容储能快速频率响应控制器7的第一信号输入端，直流母线电容3信号输出端与频率下垂控制器8和母线电容储能快速频率响应控制器7的第二信号输入端相连，频率下垂控制器8信号输出端与机侧变流器2相连，控制机侧变流器2，母线电容储能快速频率响应控制器7信号输出端与网侧变流器4信号输入端相连，控制网侧变流器4。

并网信息测量点5位于网侧变流器4和风电机组并网点电源6之间。

母线电容储能快速频率响应控制器7获取风电机组并网点电源6的电压电流值，计算得到系统频率；

母线电容储能快速频率响应控制器7根据系统频率值判定是否启动母线电容储能快速频率响应控制策略。

母线电容储能快速频率响应控制器7控制网侧变流器4；

频率下垂控制器8和母线电容储能快速频率响应控制器7获取直流母线电容3电压测量值，直流母线电容3电压测量值参与闭环控制，稳定直流母线电容3电压。

频率下垂控制器8与电压电流测量5连接，同时获取风电机组并网点电源6的电压电流值，计算得到系统频率；

频率下垂控制器8根据系统频率判定是否启动频率下垂控制策略。

频率下垂控制器8控制机侧变流器2；

发电机1与风电机组叶轮相连产生电能。

如图1所示，母线电容储能快速频率响应控制器7中母线电容储能快速频率响应控制策略具体包括以下步骤：

获取并网点测量值；

并网点测量值包括并网点电流和并网点电压；

根据并网点测量值计算系统频率；

当系统频率小于电网额定频率并不在快速频率响应启动阈值范围内时，网侧变流器4根据母线电容储能快速频率响应控制策略减小母线电压给定值，减小直流母线电容3存储的能量，当母线电压调节量达到最小限值时不再继续减小；

当系统频率大于电网额定频率并不在快速频率响应启动阈值范围内时，网侧变流器4根据母线电容储能快速频率响应控制策略增大母线电压给定值，增大母线电容存储能量，当母线电压调节量达到最大限值时不再继续增大；

母线电压调节量最大限值和最小限值皆为预设数据。

获取直流母线电压测量值：

直流母线电压测量值参与闭环控制，稳定直流母线电压。

母线电容储能快速频率响应控制策略如下式：

ΔU_dc＝(f-f_d)*K_dc

式中：

f_d为快速频率响应启动阈值，50±0.05Hz；

K_dc为母线电压调节系数，为预设数值；

ΔU_dc为母线电压调节量，所述母线电压调节量最大值为ΔUmax，最小值为ΔUmin；

由此得到直流母线电压给定量：

U_{dc_ref}＝ΔU_dc+U_dc0

式中：

U_dc0为预设的初始母线电压给定值；

U_{dc_ref}为母线电压最终给定值；

所述直流母线电压给定最大值受直流母线电容4和半导体开关器件耐压条件约束；

所述直流母线电压给定最小值受风电机组并网点电压条件约束，如下式；

式中

U_n为风电机组并网点线电压有效值，为测量值；

直驱风电机组网侧变流器采集风电机组并网点电压、电流信息，通过计算得到系统频率。根据直流母线快速频率响应控制策略，得到网侧变流器所需的直流母线调节量，然后将其叠加到直流母线电压给定指令上。采集直流母线电压实际值，参与母线电压闭环控制，稳定直流母线电压。

如图2所示，频率下垂控制器8中机侧频率下垂控制策略具体包括以下步骤：

获取直流母线电压值；

获取风并网点测量值：

并网点测量值包括并网点电压量、电流量信息：

并网点电压量、电流量输出给风电机组机侧变流器，计算得到系统频率；

当直流母线电压到达下限值且系统频率依然小于电网额定频率并不在快速频率响应启动阈值范围内时，机侧变流器2根据频率下垂曲线得到转矩调节增加量，并叠加到最大功率跟踪主控转矩给定上；

当直流母线电压到达上限值且系统频率依然大于电网额定频率并不在快速频率响应启动阈值范围内时，机侧变流器2根据频率下垂曲线得到转矩调节减少量，并叠加到最大功率跟踪主控转矩给定上；

否则，机侧变流器不启动频率下垂控制策略，始终跟随最大功率跟踪主控转矩给定值。机侧变流器频率下垂控制策略如下式：

ΔT＝-(f-f_d)*(K_T)

式中：

K_T为频率调节系数；

ΔT为转矩调节量，也为一次调频调节量；

由此得到机侧变流器2的转矩给定量T_ref：

T_ref＝ΔT+T_MPPT

T_MPPT为风电机组最大功率跟踪产生的转矩；

直驱风电机组机侧变流器采集风电机组并网点电压、电流信息，通过计算得到系统频率。当机侧变流器检测到直流母线电压已经到达调节上限或下限时，如果系统频率依然处于一次调频死区以外，则依靠频率下垂控制策略，得到风电机组所需的一次调频调节量，然后将一次调频调节量叠加到主控转矩给定指令上，控制发电机输出转矩，实现利用转子动能的一次调频功能。

实施例2

一种直驱风电机组快速频率响应控制控制方法，包括以下步骤：

当系统频率大于或小于电网额定频率且系统频率不在快速频率响应启动阈值范围内时，母线电容储能快速频率响应控制器7调节直流母线电压给定值，控制网侧变流器4稳定直流母线电容3的电压；

当机侧变流器2检测到直流母线电容电压大于母线电压调节量最大值或小于母线电压调节量最小值时，频率下垂控制器8判断是否启动机侧频率下垂控制策略；当系统频率不在快速频率响应启动阈值范围内时，机侧频率下垂控制器8产生转矩调节量，叠加到风电机组最大功率跟踪产生的转矩上；

f_d为快速频率响应启动阈值，fd为给定数值49.95-50.05Hz；

快速频率响应启动阈值为一次调频死区。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直驱风电机组快速频率响应控制系统，其特征在于，包括依次相连的发电机(1)、机侧变流器(2)、直流母线电容(3)、网侧变流器(4)和风电机组并网点电源(6)，所述网侧变流器(4)和风电机组并网点电源(6)之间设有并网信息测量点(5)，所述并网信息测量点信号输出端分别连接频率下垂控制器(8)和母线电容储能快速频率响应控制器(7)的第一信号输入端，所述直流母线电容(3)信号输出端与频率下垂控制器(8)和母线电容储能快速频率响应控制器(7)的第二信号输入端相连，频率下垂控制器(8)信号输出端与机侧变流器(2)相连，控制机侧变流器(2)，母线电容储能快速频率响应控制器(7)信号输出端与网侧变流器(4)信号输入端相连，控制网侧变流器(4)。

2.根据权利要求1所述的一种直驱风电机组快速频率响应控制系统，其特征在于，所述发电机(1)与风电机组叶轮相连，用于发电。

3.一种直驱风电机组快速频率响应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取并网点测量值；

获取直流母线电压值；

根据并网点测量值计算系统频率；

当系统频率小于电网额定频率并不在快速频率响应启动阈值范围内时，网侧变流器(4)根据母线电容储能快速频率响应控制策略减小母线电压给定值，减小直流母线电容(3)存储的能量，当母线电压调节量达到预设的最小限值时不再继续减小；

当系统频率大于电网额定频率并不在快速频率响应启动阈值范围内时，网侧变流器(4)根据母线电容储能快速频率响应控制策略增大母线电压给定值，增大母线电容存储能量，当母线电压调节量达到预设的最大限值时不再继续增大；

当直流母线电压到达预设的下限值且系统频率小于电网额定频率并不在快速频率响应启动阈值范围内时，机侧变流器(2)根据频率下垂控制策略得到转矩调节增加量，并叠加到最大功率跟踪主控转矩给定上；

当直流母线电压到达上限值且系统频率大于电网额定频率并不在快速频率响应启动阈值范围内时，机侧变流器(2)根据频率下垂控制策略得到转矩调节减少量，并叠加到最大功率跟踪主控转矩给定上；

否则，机侧变流器(2)始终跟随最大功率跟踪主控转矩给定值。

4.根据权利要求3所述的一种直驱风电机组快速频率响应控制方法，其特征在于，所述并网点测量值包括并网点电压与并网点电流。

5.根据权利要求4所述的一种直驱风电机组快速频率响应控制方法，其特征在于，所述快速频率响应启动阈值为一次调频死区，范围是49.95Hz-50.05Hz。

6.根据权利要求5所述的一种直驱风电机组快速频率响应控制方法，其特征在于，所述母线电容储能快速频率响应控制策略具体包括以下步骤：

先计算母线电压调节量ΔU_dc：

ΔU_dc＝(f-f_d)*K_dc

式中：f_d为快速频率响应启动阈值；

f为系统频率；

K_dc为母线电压调节系数，为预设数值；

ΔU_dc为母线电压调节量，母线电压调节量ΔU_dc小于母线电压调节量最大值ΔUmax，大于母线电压调节量最小值ΔUmin；

再计算母线电压最终给定值U_{dc_ref}：

U_{dc_ref}＝ΔU_dc+U_dc0

式中：U_dc0为预设的初始母线电压给定值；

U_{dc_ref}为母线电压最终给定值。

7.根据权利要求5所述的一种直驱风电机组快速频率响应控制方法，其特征在于，所述频率下垂控制策略具体包括以下步骤：

先计算转矩调节量ΔT：

ΔT＝-(f-f_d)*(K_T)

式中：K_T为预设的频率调节系数；

ΔT为转矩调节量；

f_d为快速频率响应启动阈值；

f为系统频率；

再计算机侧变流器(2)的转矩给定量T_ref：

T_ref＝ΔT+T_MPPT

式中：T_MPPT为风电机组最大功率跟踪产生的转矩。

8.根据权利要求6所述的一种直驱风电机组快速频率响应控制方法，其特征在于，所述直流母线电压给定最大值满足直流母线电容(4)和半导体开关器件耐压条件。

9.据权利要求6所述的一种直驱风电机组快速频率响应控制方法，其特征在于，所述直流母线电压给定最小值

式中：U_n为获取的风电机组并网点电压有效值；

为直流母线电压给定最小值。

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