CN114142539B - 一种新能源发电装备快速频率响应控制方法 - Google Patents

一种新能源发电装备快速频率响应控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新能源发电装备快速频率响应控制方法，属于新能源发电装备主动频率支撑领域，包括：通过锁相环实时获取电网角频率偏差信号；角频率偏差信号经频率控制环节和超前补偿环节处理得到q轴补偿电压信号，锁相环原始q轴电压信号与该补偿电压信号作差后的误差信号重新经过锁相环计算，得到锁相角信号；新能源发电装备的控制回路基于该锁相角信号产生控制信号，实现新能源发电装备对电网频率的快速频率支撑。本发明通过超前补偿和控制器参数优化，降低了惯性响应期间滤波延时的影响，提升了频率支撑的响应速度和支撑效果，适用于传统矢量控制下包含锁相环的各种新能源发电设备。

Description

一种新能源发电装备快速频率响应控制方法
技术领域
本发明属于新能源发电装备频率支撑领域，更具体地，涉及一种新能源发电装备快速频率响应控制方法。
背景技术
构建新能源为主体的新型电力系统成为未来电力系统发展的必然趋势。但是，随着电力系统中新能源渗透率的提升，电力系统的频率动态急剧恶化，威胁电力系统的稳定运行。异于同步机主导的电力系统，新能源主导的新型电力系统中同步机比例逐渐降低，以致无法满足频率扰动期间系统有功调节的需求。为此，新的新能源并网标准对惯性响应和一次调频能力提出明确要求。
现有的新能源发电装备常通过外加储能装置实现对电网频率的主动支撑，但是，通过增加外部装备极大的增加了系统运行的成本。为此，通过利用新能源发电装备自身储备的能量实现主动频率支撑成为一种具备发展前景的替代方案。以双馈风机为例，双馈风机的储能环节主要在其由浆距角变化引起的能量变化和转子动能。一些研究直接针对双馈风电机组的机械部分特性优化，功率跟踪曲线和浆距角备用运行成为双馈风机参与系统调频重要方式，但是，直接针对机械特性的优化会导致响应系统频率变化的调节时间过长。
另一方面，部分学者通过对风机控制环节进行优化，通过控制环节对频率扰动的响应带动机械部分的变化实现对电网频率的支撑。典型控制方式是在传统的矢量控制的基础上在外环添加与频率相关的辅助控制环节实现惯性响应和一次调频。但是，因为这些控制方式通常在外环实施，响应速度较慢，此外，针对惯性控制，频率微分项需要引入滤波环节，极大地影响频率扰动期间装备响应时间。
尽管有部分学者通过降低锁相环和电流环的带宽使得新能源发电装备能够提供频率支撑能力，但这些方式较大地牺牲了电力电子期间快速性的优势，无法兼顾新能源装备风机的其它工况。因而，如何快速响应频率扰动成为频率响应期间亟需解决地问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新能源发电装备快速频率响应控制方法，旨在解决现有电网频率响应速度较慢的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种新能源发电装备快速频率响应控制方法，包括：
通过新能源发电设备的锁相环获取电网实时角频率偏差信号，使所述角频率偏差信号经过频率控制环节和超前补偿环节，得到新的q轴电压补偿信号；
将锁相环q轴原始电压信号与q轴电压补偿信号作差，经过闭环调节，得到新的锁相角信号；
所述新能源发电设备的控制环路基于所述新的锁相角信号，产生对新能源发电设备的控制信号，实现新能源发电设备对电网频率的主动支撑。
进一步地，所述超前补偿环节具体为：
对所述角频率偏差信号，通过频率控制环节、超前补偿环节得到补偿得到q轴电压补偿角信号vqa；
对所述q轴电压补偿信号vqa和坐标变换得到的q轴电压信号作差，得到补偿后的q轴电压信号，经过锁相环闭环计算获得新的锁相信号θpll。
本发明的进一步有益效果是：使得锁相环的输出相角与电网角频率偏差量相关，增加或减小了锁相环的输出相角，使得新能源发电装备能够提供快速频率支撑能力。
进一步地，所述频率控制环节式中，J为惯性系数，T为滤波常数，D为阻尼系数，s表示复参数。
进一步地，所述超前补偿环节式中，α为放大系数，T1为超前补偿环节滤波常数，s表示复参数。
滤波常数T根据工程实践经验常被设置为1～2s。阻尼系数D根据系统稳定性分析可知应在0～1范围内选取。为提升频率响应的效果及保证系统的稳定性，惯性系数J设置范围为：超前补偿环节滤波常数T1应设置为：T1≤T/5，放大系数α应设置为：
本发明的进一步有益效果是：本方法通过相较超前补偿降低了频率控制环节中滤波环节引起地惯性响应较慢的问题。依据所述控制参数，可进一步提升快速频率响应能力及保证新能源系统的稳定性。
本发明还提供一种新能源发电装备的控制方法，包括：
采集电网实时角频率偏差信号，其由新能源发电装备的锁相环的PI控制输出得到；
基于所述角频率偏差信号，采用所述的一种快速频率响应控制方法，得到锁相角信号θpll；
基于锁相环信号θpll，采用矢量控制，控制新能源发电装备向电网输出有功功率、无功功率。
本发明的有益效果是：本发明的新能源发电装备的控制方法，采用如上所述的改进锁相环，通过底层控制的方式，一方面使得发电设备实现快速频率响应，另一方面能够实现稳定可靠的发电任务。
进一步地，所述新能源发电设备为：双馈风机、直驱风机或光伏并网逆变器。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行如上所述的一种新能源发电装备快速频率响应控制方法和/或如上所述的一种新能源发电装备的控制方法。
本发明对新能源发电装备的锁相环进行改进，将电网角频率偏差经过频率控制环节和超前补偿环节反馈到锁相环的q轴电压信号中，重新进行闭环得到锁相环的输出相角，使得新能源发电装备具备快速频率响应能力，具体地，包括：首先通过锁相环获取电网实时角频率偏差信号；其次是将角频率偏差信号经过补偿环节得到q轴电压补偿信号；最后与q轴电压作差，重新闭环得到新的锁相角信号θpll，新能源发电设备的控制环路基于该信号产生新的控制信号。因此，本发明方法可实现对电网频率主动支撑以及快速频率响应的控制目标，简单可行，具有通用性，适用于传统矢量控制下包含锁相环的各种新能源发电装备，可以在无需投入任何硬件装置的前提下可高效减缓系统频率的变化，还可有效降低因引入滤波环节导致地频率响应缓慢问题，移植性强。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种新能源发电装备快速频率响应控制方法的流程框图；
图2为本发明实施例一提供的双馈风机主电路拓扑结构；
图3为本发明实施例一提供的改进的新能源发电装备锁相环示意图；
图4为图3对应的新能源发电装备的上层控制示意图；
图5为本发明实施例一提供的在突增负载后不采用本发明方法和采用本发明方法的功率响应仿真效果图；
图6为本发明实施例一提供的在突减负载后不采用本发明方法和采用本发明方法的功率响应仿真效果图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为采样处理单元，2为改进的锁相环，3为功率计算单元，4为坐标变换单元，5为转速无功控制环，6为转子电流控制环，7为空间矢量调制器，8为双馈风电机组主电路中转子侧变流器。
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。
实施例一
一种新能源发电设备快速频率响应控制方法100，如图1所示，包括：
步骤110、通过新能源发电设备的锁相环获取电网实时角频率偏差信号，使角频率偏差信号经过频率控制环节和超前补偿环节，得到q轴电压补偿信号；
步骤120、将坐标变换的q轴电压信号和q轴电压补偿信号作差，将误差信号经过锁相环闭环调节，得到新的锁相角信号；
步骤130、新能源发电设备的控制环路基于新的锁相角信号，产生对电网的控制信号，实现新能源发电设备快速频率支撑。
当检测到电网频率偏移额定值时，补偿环节输出q轴电压补偿信号，将补偿信号引入原始锁相环q轴电压信号中进行闭环计算，得到输出相角信号，进而可以使新能源发电装备在电网频率扰动期间提供快速频率支撑，降低系统频率偏离额定值的程度。
其中，获取锁相环新的相位信号的方法具体为：
如图2所示，双馈风机主电路拓扑结构，图2中，DFIG表示双馈风机，S1、S2、S3为转子侧变换器逆变器驱动信号；RSC表示转子侧变换器；Udc表示直流母线电压；Itabc表示定子侧输出三相电流，ωr表示转子角速度，θr转子旋转角度。如图3所示的本方法改进的锁相环，锁相环工作过程具体为：采集新能源发电装备接入电网的端口电压信号Vtabc；通过坐标变换将三相静止坐标系下的端口电压信号Vtabc变换为两相静止坐标系下的端口电压Vαβ；通过坐标变换将两相静止坐标系下的端口电压信号Vαβ变换为两相旋转坐标系下的端口电压vd和vq，其中，坐标变换角度信号θpll由锁相环输出相位信号提供；将q轴电压信号vq输入PIPLL控制器，得到系统实时角频率ω和额定角频率ω0的角频率偏差信号ωerr＝ω-ω0，当角频率偏差信号偏离额定值，补偿环节作用，输出q轴电压补偿信号vqa，q轴电压补偿信号与坐标变换得到的q轴电压信号作差后所得误差信号重新经过锁相环闭环计算得到新的锁相角θpll。
另外，如图4所示，步骤130具体可为：
首先，采集新能源发电装备端口电压信号Vtabc，定子电流信号Itabc，转子电流信号Irabc以及转子位置角信号θr；使用上述得到的θpll进行坐标变换将三相静止坐标系下的端口电压信号Vtabc，定子电流信号Itabc变换至两相旋转坐标系下的d轴定子电压信号vd和q轴定子电压信号vq，d轴定子电流信号itd和q轴定子电流信号itq，并根据变换后的信号计算定子有功功率Ps和无功功率Qs；使用上述得到的相位信息θpll以及转子位置角信号θr进行坐标变换，将三相静止坐标系下的转子电流信号Irabc变换至两相旋转坐标系下的电流信号ird和irq。
其次，根据转速参考信号和采集到的双馈风机的实时转速信号ωr作差，将两者的偏差信号/>输入转速PI控制器并对输出结果进行限幅得到转子d轴电流参考信号/>将无功功率参考信号/>和实时无功功率Qs相减，将两者的偏差信号/>输入端口电压PI控制器并对输出结果进行限幅得到转子q轴电流参考信号/>
最后，在获得转子电流d、q轴参考电流指令后后，根据转子d轴电流指令转子q轴电流指令/>分别和实际转子d轴电流ird、q轴电流irq进行相减运算，获得d轴误差信号ierrd、q轴误差信号ierrq，其中，/>对d轴误差信号ierrd和q轴误差信号ierrq分别进行闭环处理，获得变流器d轴电压需求信号Vrd、变流器q轴电压需求信号Vrq；根据转子d轴电流ird和q轴电流irq生成d轴前馈信号Vrdc、q轴前馈信号Vrqc；其中，前馈信号Vrdc、Vrqc由解耦前馈项-ω2σLrirq、ω2σLrird和感应电动势前馈项Erd、Erq两部分组成，ω2为转差角，σ为漏感系数，Lr为转子自感，Erd为转子侧感应电动势的d轴分量，Erq为转子侧感应电动势的q轴分量；根据前馈信号Vrdc、Vrqc和变流器d轴电压需求信号Vrd、变流器q轴电压需求信号Vrq，获得调制信号/>其中，对转子调制信号/>根据相位信息θpll和转子位置角θr进行反坐标变换得到两相静止坐标系下转子调制电压/>对调制信号/>进行SVPWM调制，获得转子侧变流器开关管的PWM控制信号S1、S2、S3。
需要说明的是，以双馈风机作为新能源发电设备为例，本实施例方法可以作为基于典型矢量控制下能源发电装备的控制系统，包括：采样处理单元1、改进的锁相环2、功率计算单元3、坐标变换单元4、转速无功控制环5、转子电流控制环6、空间矢量调制器7以及双馈风电机组主电路中转子侧变流器8，其中，采样处理单元1的输入端连接至双馈电机定转子侧，用于采集定转子电压电流信号、电机转子角信号和转子角速度信号，其输出端中的定子电压测量量连接至锁相环2的输入端；其输出端中的定子电压、电流测量量连接至功率计算单元3的输入端；其输出端中的定子电压、转子电流、电机转子角测量量连接至坐标变换单元4的输入端；其输出端中的转子角速度测量量连接至转速无功控制环5的反馈输入端；其输出端中的电机转子角测量量空间矢量调制器7的坐标变换输入端；锁相环2根据所述的定子电压测量计算出系统的相位基准信号，其输出端连接至功率计算单元3、坐标变换单元4和空间矢量调制器7的坐标变换输入端；功率变换单元3输出端的无功功率连接至转速无功控制环5的反馈输入端，坐标变换单元4输出端的d、q转子电流连接至转子电流控制环6的反馈输入端；转速无功控制环5通过所述的参考指令和反馈测量量进行闭环调节来计算出输入转子电流控制环6的d、q轴电流参考指令；转子电流控制环6通过所述的转子电流指令和转子测量量进行闭环调节来计算出调制电压信号，其输出端连接至空间矢量调制器7的调制输入端；空间矢量调制器7用于通过空间矢量调制来生成得到控制转子侧变流器开关管的PWM控制信号，其输出端连接至转子侧变流器8的开关信号输入端。
在本发明实施例中，采样处理单元1包括：采样单元，用于采集双馈电机的定子交流电压信号Vtabc、定子交流信号Itabc、转子交流信号Irabc；编码器单元，用于获得双馈电机的转子角θr和转子角速度ωr；
锁相环2包括：Park坐标变换单元，用于将三相静止坐标系下的定子电压信号Vtabc变换为两相旋转坐标系下的定子d轴电压vd、q轴电压vq；控制器单元，用于根据q轴电压计算系统角频率偏差信号；补偿单元，用于根据系统频率偏差程度产生q轴电压补偿信号；加法器单元，用于叠加系统额定角频率信号得到系统实时角频率信号；积分器单元，用于根据对系统实时角频率信号积分获得出并网点电压的相位角。
功率计算单元3包括：Park坐标变换单元，用于将三相静止坐标系下的定子电压信号Vtabc和定子电流信号Itabc变换为两相旋转坐标系下的定子d轴电压vd、q轴电压vq、定子d轴电流itd、q轴电流itq；乘法器，用于计算定子有功功率Ps、定子无功功率Qs。
坐标变换单元4包括：Park坐标变换单元，用于将三相静止坐标系下的转子电流信号Irabc变换为两相旋转坐标系下的转子d轴电流ird、q轴转子电流irq；
转速电压控制环5包括：减法器单元，用于对参考信号和反馈信号作差得到误差信号；控制器单元，转速控制器用于对转速进行闭环处理得到转子d轴电压参考信号、无功控制器用于对无功功率进行闭环处理得到转子q轴电压参考信号；
转子电流控制环6包括：前馈单元，通过转子d轴电流ird、q轴电流irq来计算获得前馈补偿信号Vrdc、Vrqc；控制器单元，根据转子d轴电流指令q轴电流指令/>和实际转子d轴电流ird、q轴电流irq，计算得到d轴误差信号ierrd、q轴误差ierrq，其中，第一控制器用于将d轴误差信号ierrd进行闭环调节获得变流器d轴电压需求信号Vrd，第二控制器用于将q轴误差信号ierrq进行闭环调节获得变流器q轴电压需求信号Vrq；调制信号生成单元，其中第一加法器用于将d轴误差信号ierrd和d轴前馈补偿信号Vrdc相加获得d轴调制信号/>第二加法器用于将q轴误差信号ierrq和q轴前馈补偿信号Vrqc相加获得q轴调制信号/>
空间矢量调制器7用于对调制信号进行SVPWM调制来获得转子侧变流器开关管的PWM控制信号S1、S2、S3，该PWM控制信号S1、S2、S3用于控制转子侧变流器中开关管的导通与关断，进而来调控转子侧变流器的输出电压信号。
本发明的进一步有益效果是：降低了惯性响应期间滤波延时的影响，使得新能源发电装备能够提供快速频率支撑能力。
通过对频率控制环节进行超前补偿，改善新能源发电装备快速频率支撑能力，具体地，包括：对所述角频率偏差信号，通过频率控制环节、超前补偿环节得到补偿得到q轴电压补偿角信号vqa；对所述q轴电压补偿信号vqa和坐标变换得到的q轴电压信号作差，得到补偿后的q轴电压信号，经过锁相环闭环计算获得新的锁相信号θpll。系统其它控制环节基于该信号产生新的控制信号。因此，本发明方法可实现对电网频率主动支撑以及快速频率响应的控制目标，简单可行，具有通用性，适用于传统矢量控制下包含锁相环的各种新能源发电装备，可以在无需投入任何硬件装置的前提下可高效减缓系统频率的变化，还可有效降低因引入滤波环节导致地频率响应缓慢问题，移植性强。
具体地，所述锁相环的补偿环节，具体为：
基于角频率偏差信号，通过频率控制环节、超前补偿环节得到补偿得到q轴电压补偿角信号vqa；
对所述q轴电压补偿信号vqa和坐标变换得到的q轴电压信号作差，得到补偿后的q轴电压信号，经过锁相环闭环计算获得新的锁相信号θpll。
具体地，所述超前补偿环节α为放大系数，T1为超前补偿环节滤波常数，s表示复参数。
具体地，滤波常数T根据工程实践经验常被设置为1～2s。阻尼系数D根据系统稳定性分析可知应在0～1范围内选取。为提升频率响应的效果及保证系统的稳定性，惯性系数J设置范围为：超前补偿环节滤波常数T1应设置为：T1≤T/5，放大系数α应设置为：/>
对频率控制环节级联超前校正环节，相对于补偿方法，具备结构简单、移植性强，在一定程度上增强了新能源发电装备的主动频率支撑以及快速频率响应能力，降低了引入滤波导致的响应速度较慢的问题。
例如，当系统角频率偏差信号不为0时，系统角频率偏差信号ωerr经过补偿环节后得到q轴电压补偿信号vqa，所述超前校正环节为：其中：α为放大系数，T1为超前补偿环节滤波常数，s表示复参数，将q轴电压补偿信号vqa与原始q轴电压信号vq作差，经过锁相环闭环得到新的相位信息θpll。
为了更好地说明本实施本例方法的效果，现以由50台1.5MW典型双馈风机组成的风电场为例，进行了仿真研究。故障发生前，系统频率为额定频率，双馈机组以0.53p.u.的功率稳定输出，100s时，系统突增负载，不使用及使用本实施例提出控制方法得到风机输出功率如图5所示，100s时，系统突减负载，不使用及使用本实施例提出控制方法得到风机输出功率如图6所示。根据功率仿真效果图可知，系统的功率响应速度和响应效果显然得到改善。
实施例二
一种新能源发电装备的控制方法，包括：
采集电网实时角频率偏差信号，其由新能源发电装备的锁相环的PI控制输出得到；
基于所述角频率偏差信号，采用如上实施例一所述的一种新能源发电装备快速频率响应控制方法，得到锁相角信号θpll；
基于锁相环信号θpll，采用矢量控制，控制新能源发电装备向电网输出有功功率、无功功率。
采用如上所述的改进锁相环，在通过PI控制得到角频率偏差信号后，经过频率控制环节和超前补偿环节得到q轴电压补偿信号，与原始锁相环的坐标变换q轴电压信号作差，重新经过锁相环闭环计算，得到考虑电网频率扰动的坐标变换角度信号并用于设备功率传输的矢量控制中，这种通过底层控制的方式，一方面使得发电设备具备快速频率响应能力，另一方面能够实现稳定可靠的发电任务。
具体地，新能源发电设备为：双馈风机、直驱风机或光伏并网逆变器。
相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。
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 (4)

1.一种新能源发电装备快速频率响应控制方法，其特征在于，包括：
通过新能源发电设备的锁相环获取电网实时角频率偏差信号，使所述角频率偏差信号经过频率控制环节和超前补偿环节，得到新的q轴电压补偿信号；所述超前补偿环节具体为：对经过频率控制后的角频率偏差信号进行超前补偿得到q轴电压补偿角信号vqa，用公式表示为：式中，α为放大系数，T1为超前补偿环节滤波常数，s表示复参数；放大系数α设置为：/>其中，D为阻尼系数，0≤D≤1，T1为超前补偿环节滤波常数，T 1≤T/5，T为滤波常数，1≤T≤2，J为惯性系数，/>将锁相环q轴原始电压信号与所述q轴电压补偿信号作差，经过闭环调节，得到新的锁相角信号；
所述新能源发电设备的控制环路基于所述新的锁相角信号，产生对新能源发电设备的控制信号，实现新能源发电设备对电网频率的主动支撑。
2.一种新能源发电装备控制方法，其特征在于，包括：
采集电网实时角频率偏差信号，其由新能源发电装备的锁相环的PI控制输出得到；
基于所述角频率偏差信号，采用如权利要求1所述的快速频率响应控制方法，得到锁相角信号θpll；
基于锁相环信号θpll，采用矢量控制，控制新能源发电装备向电网输出有功功率、无功功率。
3.根据权利要求2所述的一种新能源发电装备控制方法，其特征在于，所述新能源发电设备为：双馈风机、直驱风机或光伏并网逆变器。
4.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行如权利要求1所述的一种新能源发电装备快速频率响应控制方法和/或如权利要求2或3所述的一种新能源发电装备的控制方法。
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