CN114938031A - 一种利用有功-频率特性提高双馈风机暂态性能的控制方法 - Google Patents

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马腾宇
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Abstract

本发明针对双馈风力发电机在故障穿越过程中转子转速无法响应系统频率的变化，从而造成系统的等效转动惯性量呈现降低，不利于故障穿越的问题，提出一种利用有功‑频率特性提高双馈风机暂态性能的控制方法，在电网故障过程导致双馈风力发电机输出功率无法外送时，所述控制方法利用双馈风力发电机可实现异步化同步运行的特点，通过励磁来控制发电机的电磁转矩及转速，从原理上分析了三相短路时双馈风力发电机的暂态变化过程，根据其频率特性曲线提出双馈风力发电机的“有功功率暂态频率特性”。在其特有控制方式下有利于电机稳定，从而提升整个系统的稳定性。所述控制方法具有暂态性能好、易于实施的优点。

Description

一种利用有功-频率特性提高双馈风机暂态性能的控制方法
技术领域
本发明涉及双馈感应风力发电机(Doubly-fed induction generator,DFIG)逆变器控制领域，特别是涉及一种利用有功-频率特性提高DFIG暂态性能的控制方法。
背景技术
2021年，全国风电新增并网装机4757万千瓦，海上风电装机跃居世界第一。全国风电平均利用率96.9％，风能利用率及经济效益稳步提升。然而，在风电并网容量快速增加的同时，风电事故对电网安全构成的影响逐渐显现，包括英国8·9大停电、甘肃酒泉2·24风电脱网等均反映了风力发电自身稳定性较弱，基于控制主导的并网环节缺乏惯量支撑能力，导致连锁脱网，进而造成大范围电网故障。
传统DFIG的并网控制，多采用有功/无功解耦控制。其有功外环保证DFIG实现最大功率跟踪(Maximum power point tracking,MPPT)运行，保证风能利用效率。但随之而来的问题就是DFIG的转子转速无法响应系统频率的变化，从而造成系统的等效转动惯量呈现降低的趋势，这就会给电网的安全带来巨大不安全因素，从而增加电网的潜在风险，如英国8·9 大停电就是在电网电压故障过程中因DFIG的转子转速无法响应系统频率的变化，导致转子电流过大进而造成了霍恩风电场的风电机组脱网。
针对通过励磁控制提升DFIG暂态稳定性的工作，已有方法以非线性控制理论为基础，对发电机励磁系统进行优化，采用粒子群优化算法对发电机控制器相位参数进行优化，提出采用输出反馈设计非线性超螺旋滑膜励磁控制器，不断增强系统的稳定性，并给出了相应地稳定系统速度的建议。但同时，亦有研究分析了粒子群算法的缺点，采用交叉策略和自适应惯性权重策略相结合的改进粒子群算法，对同步发电机励磁控制系统进行改进控制。但基于算法的励磁控制，对控制器算力要求较高，不利于推广采用。
随着电网的发展，DFIG的运行工况逐渐复杂。有必要合理利用DFIG机组暂态有功-频率特性，改善机电耦合性能。
发明内容
鉴于此，本发明提出一种利用有功-频率特性提高DFIG暂态性能的控制方法。通过对DFIG机侧变流器励磁的控制，改变DFIG的电磁转矩，从而使DFIG在暂态过程中，主动吸收/释放能量；同时改变风能利用系数，提高暂态功率平衡能力。具体技术方案如下。
一种利用有功-频率特性提高DFIG暂态性能的控制方法，其特征在于，所述方法控制利用风轮机的有功-频率特性，通过励磁控制DFIG电磁转矩，在DFIG暂态过程中，主动调节DFIG转子动能和风能利用系数，平衡故障状态下的能量，实现DFIG电网故障下的穿越。
所述利用有功-频率特性提高DFIG暂态性能的控制方法包括步骤：
1)测量机端电压频率，当系统进入暂态过程中，系统频率因故障有功缺额而变化，其公式为：
Δf＝fn-f
其中Δf为系统频率偏差量，fn为系统额定频率，f为机端频率。
2)当系统频率偏差为0.033Hz内时，系统被认为是正常频率变化；只有系统频率偏差大于0.033Hz，暂态提升控制使能。计算暂态提升控制使能信号switch，其判断条件为：
Figure BDA0003695461980000021
3)计算故障状态DFIG功率差额，其中，功率差额为DFIG机端频率的函数，若频率增加，可通过功率附加控制，使DFIG转子加速吸收无法外送的能量，同时降低风能利用系数，减少机械输入功率；若故障清除，系统频率恢复，DFIG通过MPPT控制，自动回归到MPPT运行点，考虑到频率下垂控制和虚拟惯量控制，附加控制参考功率为：
ΔP＝KE(dΔf/dt)+KGΔf
其中，ΔP为DFIG在暂态过程中的功率差额，即附加频率控制的参考功率；KE为虚拟惯量控制增益，KG为频率下垂控制增益。
4)将功率控制环节输出的功率参考值，输入电流控制环节，经PI控制器生成转子直轴电流Ird，其中，总功率参考值为：
Pref＝PMPPT+ΔP
其中，PMPPT为风机最大功率跟踪控制参考功率。
5)根据转子电流信号，通过瞬时无功理论计算，获得转子电压参考值，进而生成调制信号经功放驱动IGBT工作，实现有功-频率暂态控制以提高DFIG暂态性能。
所述控制结构包括：信号采集电路、锁相环环节、电流参考计算环节、频率控制环节、输出电压双闭环控制环节、矢量调制环节(SVPWM)。
本发明的有益效果是：当电网故障过程导致DFIG输出功率无法外送时，所述控制方法利用DFIG的异步化同步运行特点，根据DFIG的“有功-频率暂态特性”，通过转子电压来控制DFIG的转速，从而提升DFIG的暂态稳定性。所述控制方法具有暂态性能好、易于实施的优点。
附图说明
图1为DFIG暂态提升总体控制结构图；
图2暂态提升控制器结构；
图3为吸收/释放能量区域图；
图4为暂态提升控制过程图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1展示了暂态提升总体控制结构图。在电网正常运行下，风机处于MPPT控制下，其励磁电流的大小和频率由MPPT算法决定；当电网出现故障，DFIG进入暂态过程中，其励磁电流计算经由判断器选择至暂态提升控制中。
图2为暂态提升控制器结构，其作用是计算故障状态DFIG功率差额，其中，功率差额为DFIG机端频率的函数，若频率增加，可通过功率附加控制，使DFIG转子加速吸收无法外送的能量，同时降低风能利用系数，减少机械输入功率；若故障清除，系统频率恢复， DFIG通过MPPT控制，自动回归到MPPT运行点，考虑到频率下垂控制和虚拟惯量控制，附加控制参考功率为：
ΔP＝KE(dΔf/dt)+KGΔf
其中，ΔP为DFIG在暂态过程中的功率差额，即附加频率控制的参考功率；KE为虚拟惯量控制增益，KG为频率下垂控制增益。
将功率控制环节输出的功率参考值，输入电流控制环节，经PI控制器生成转子直轴电流Ird，总功率参考值为：
Pref＝PMPPT+ΔP
其中PMPPT为风机最大功率跟踪控制参考功率。
图3为暂态特性能量吸收/释放区域图，DFIG具有“有功功率暂态频率特性”，在转子速度超过适中值后，就会出现原动机机械功率PT减小的情况。当减速面积defg小于加速面积abcd，发电机转子继续加速的同时，输入到发电机的机械功率PT降低，相当于减小了加速面积，增加了减速面积，从而达到了一个新的平衡点。
对于DFIG，吸收的转子动能与风电机组稳态运行时的转速有关，而转子转速运行范围一般在0.7-1.2pu，代入公式可得到不同转速下风电机组可吸收的转子动能。可以看出，在最低转速下，即使在升速到较低的转速(0.8pu)，风电机组也能吸收1.57MJ的转子动能，与同步发电机组相当，因而DFIG可以在短时间内增加转子转速吸收大量动能。当DFIG分别以 10％和15％额定功率跌落时，其所吸收的转子动能而提供的暂态功率支撑时间如表1所示。即使在15％额定功率下，风电机组也可以提供不少于5s的暂态支撑能力。
图4为暂态特性提升过程，当系统发生接地或三相突然短路故障，双馈感应发电机出现10％，30％，60％的额定功率差额时，发电机转子将加速，加速过程按指数规律变化，达到一定值后，发电机最终稳定在这个转速值上运行；这时如果调速控制系统发挥作用，则减小风门(或阀门)的方式，使发电机转子转速又恢复到故障前的转速运行状态。随着暂态功率阶跃值ΔP的增大，发电机转子转速变化量也相应增加，当惯性时间常数取T＝8s，频率特性取KG＝25时，60％PN的暂态功率阶跃，发电机转子转速变化率Δω<1.2，过渡过程t<2s。
当电网故障过程导致DFIG输出功率无法外送时，所述控制方法利用DFIG可实现异步化同步运行的特点，通过励磁来控制发电机的转速，从原理上分析了三相短路时DFIG 的暂态变化过程，根据其频率特性曲线提出DFIG的“有功功率暂态频率特性”。在其特有控制方式下有利于电机稳定，从而提升整个系统的稳定性。所述控制方法具有暂态性能好、易于实施的优点。
如上所述，对本发明进行了详细的说明，显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种利用有功-频率特性提高DFIG暂态性能的控制方法，其特征在于，所述方法控制利用风轮机的有功-频率特性，通过励磁控制DFIG电磁转矩，在DFIG暂态过程中，主动调节DFIG转子动能和风能利用系数，平衡故障状态下的能量，实现DFIG电网故障下的穿越，所述暂态性能提升控制方法包括步骤：
1)测量机端电压频率，当系统进入暂态过程中，系统频率因故障有功缺额而变化，其公式为：
Δf＝fn-f
其中Δf为系统频率偏差量，fn为系统额定频率，f为机端频率；
2)当系统频率偏差为0.033Hz内时，系统被认为是正常频率变化；只有系统频率偏差大于0.033Hz，暂态提升控制使能；计算暂态提升控制使能信号switch，其判断条件为：
Figure FDA0003695461970000011
3)计算故障状态DFIG功率差额，其中，功率差额为DFIG机端频率的函数，若频率增加，可通过功率附加控制，使DFIG转子加速吸收无法外送的能量，同时降低风能利用系数，减少机械输入功率；若故障清除，系统频率恢复，DFIG通过MPPT控制，自动回归到MPPT运行点，考虑到频率下垂控制和虚拟惯量控制，附加控制参考功率为：
ΔP＝KE(dΔf/dt)+KGΔf
其中，ΔP为DFIG在暂态过程中的功率差额，即附加频率控制的参考功率；KE为虚拟惯量控制增益，KG为频率下垂控制增益；
4)将功率控制环节输出的功率参考值，输入电流控制环节，经PI控制器生成转子直轴电流Ird，其中，总功率参考值为：
Pref＝PMPPT+ΔP
其中，PMPPT为风机最大功率跟踪控制参考功率；
5)根据转子电流信号，通过瞬时无功理论计算，获得转子电压参考值，进而生成调制信号经功放驱动IGBT工作，实现有功-频率暂态控制以提高DFIG暂态性能。
2.根据权利要求1所述一种利用有功-频率特性提高DFIG暂态性能的控制方法，其特征在于，控制结构包括：信号采集电路、锁相环环节、电流参考计算环节、频率控制环节、输出电压双闭环控制环节、矢量调制环节(SVPWM)。
3.根据权利要求2所述一种利用有功-频率特性提高DFIG暂态性能的控制方法，其特征在于，当电网故障过程导致DFIG输出功率无法外送时，所述控制方法利用DFIG的异步化同步运行特点，根据DFIG的“有功-频率暂态特性”，通过转子电压来控制DFIG的转速，从而提升DFIG的暂态稳定性；所述控制方法具有暂态性能好、易于实施的优点。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117394421A (zh) * 2023-09-28 2024-01-12 陕西理工大学 基于超螺旋滑模观测器的储能变流器改进自抗扰控制方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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