CN116845924B - 基于相角自生成策略的构网型风电场电压源控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相角自生成策略的构网型风电场电压源控制方法，针对风机电压源提出网侧控制直流电压，机侧控转子动能、自适应减载的机网协调控制器，实现了风电机组相角自生成、惯性响应特性，有效解决了实际风电机组电容小能量存储少、有功ms级响应惯量的需求；为解决风机变桨系统调节速度较慢，风机机侧实际实现一次调频较困难的技术难题，提出风电机群协调控制系统及控制策略，结合风机本体一次调压能力，实现了整站电压源构网型风电场频率‑有功闭环、电压‑无功闭环控制。通过本发明提出的控制算法及装置系统，可以实现风电场整站构网性能，构建100％新能源新型电力系统，稳定支撑系统频率和电压。

Description

基于相角自生成策略的构网型风电场电压源控制方法

技术领域

本发明涉及风电场的构网型功能领域，具体是一种基于相角自生成策略的构网型风电场电压源控制方法。

背景技术

随着新能源装机占比的不断提高，电网安全稳定问题将更加严峻。我国电网将由同步发电机主导，逐步转变为新能源电力电子控制主导。但在同步发电机电源和新能源发电并存的交流电网中，“同步”依然是电网能够稳定运行的必要条件。因此，为保障我国更大规模新能源的发展及电网安全稳定运行需求，新能源自身也需具备对电网惯量、频率以及电压支撑能力，尤其是构建电力系统的能力，并共同与常规电源保证高比例新能源电力系统的稳定运行。

现阶段已有相关文献及专利提出了全功率型风机虚拟同步发电控制策略，但相关的技术主要存在两个问题，无法直接应用于现场实际。一是现有的虚拟同步发电技术仍采用锁相环控制，无法自生成相角，导致在弱交流系统中无法自主建立频率和电压，只能提供主动支撑能力，无法构建电网；二是现有的电压源策略未考虑实际风机直流电容较小，简单将其直流母线电容动态特性类比同步发电机的转子运动方程，实际中直流电容的物理惯量很小，导致直流电压随电网频率变化过低过高时会导致变换器出现过调制或增加功率器件电压应力。

同时，对于含自生成相角的电压源风机，一方面由于存在多机并联问题，需要对其进行协调控制，防止站内功率振荡；另一方面由于电压源风机变桨距比较慢，风机只有无功电压下垂特性，没有频率有功下垂，且常规新能源电站的一次调频调压为开环控制，做主电源时会产生静差，因此构网型风电场需要采用风电集群协调控制实现调频、调压，并采用闭环控制消除频率和电压静差。

发明内容

本发明为了解决上述难题，提出一种基于相角自生成策略的构网型风电场电压源控制方法，其采用网侧控制直流电压，机侧控制转子动能、自适应减载的机网协调控制器及风电机群整站电压源构网型风电场频率-有功闭环、电压-无功闭环控制，同时构建了宽频振荡监测与抑制系统，用来保护风电场电气设备；本发明能够满足风电场整站构网型功能要求，有效提高了能量利用率。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种基于相角自生成策略的构网型风电场电压源控制方法，包括以下步骤：

步骤一、采用机网协调控制器在网侧控制直流电压同步，在机侧控制转子动能以及自适应减载；

步骤二、对风电机群整站电压源构网型风电场频率-有功闭环、电压-无功闭环进行控制。

进一步的，步骤一中所述机网协调控制器包括直流电压自同步控制器和虚拟阻抗控制器，直流电压自同步控制器中的直流电压自同步算法的表达式表示为：

其中K_T及K_D为外环控制器PI参数，m_Q为无功-电压下垂系数，有功功率P_g以及无功功率Q_g的标幺值作为输入，ω_b＝2πf以及U_dc0为给定的基准角频率及直流母线电压，相位θ，角频率ω以及交流电压U_ref为外环控制器的输出，s为积分算子；

所述虚拟阻抗控制器进行虚拟阻抗控制的表达式为：

其中L_v及R为虚拟阻抗的电感及电阻，U_d及U_q为逆变器经过滤波电路后内部输出的d轴及q轴电压，I_d及I_q为逆变器经过滤波电路后内部输出的d轴及q轴电流。

进一步的，步骤一中在机侧控制转子动能以及自适应减载，由转子动能控制算法及自适应减载的改进MPPT控制算法构成，其中转子动能控制算法表示为：

式中，1/Ts+1为低通滤波器，T为时延常数，K_d为比例常数同时考虑±ΔP_max的机侧惯量功率支撑上下限值，Ps为机侧的电磁功率，P_D-MPPT为自适应减载的改进MPPT控制算法产生的有功功率给定值，自适应减载的改进MPPT控制算法的自适应减载算法曲线设定的策略为：加速过程比减速过程需要更长的时间。

进一步的，步骤二具体包括以下步骤：

步骤2.1：风电机群整站电压源频率-有功闭环控制

场站协控装置根据并网点频率，按照公式(4)进行闭环频率-有功控制并计算场站有功功率目标功率值ΔP，经过场站协调控制装置考虑网损后，发给风机能量管理平台以及逆变器，实现有功功率的快速调节：

其中：f_N为系统额定频率，通常为50Hz；f_PCC为并网点频率，单位Hz；K_f为频率闭环比例下垂系数，K_i为频率积分下垂系数；s为积分算子；

步骤2.2：风电机群整站电压源电压-无功闭环控制

通过调度AVC主站下发的电压目标指令值，根据电压下垂变换控制，计算风机场无功目标值ΔQ，根据无功目标值调节35kV母线上的SVG的无功出力；场站电压满足调度指令后，逐步利用风机的无功调节能量，置换SVG的无功出力，当并网点电压U_pcc大于设定的电压偏差上下死区U_d+、U_d-时，执行公式(5)：

其中U_N为AVC电压指令值；U_pcc为并网点电压；Q_N为场站额定最大无功容量，为全部风机、逆变器以及SVG设备无功上限之和；K_q为无功-比例下垂系数，K_qi为无功-积分下垂系数。

进一步的，还包括设置风电机群整站宽频振荡抑制系统，所述风电机群整站宽频振荡抑制系统包括宽频测量装置、宽频监控服务器、振荡抑制模块；

所述宽频测量装置，用于对电压电流信号进行采集并处理分解，得到各波动信号频段；

所述宽频监控服务器，用于对从宽频测量装置测算到的各波动信号频段进行存储、计算及分析，判断是否超过初设阈值；

所述振荡抑制模块，用于计算分析下发风机能量管理平台的功率指令执行值，进而实现场站宽频振荡抑制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所提出的风电机组网侧控制直流电压，机侧控转子动能、自适应减载的机网协调控制器，可以风电机组相角自生成、惯性响应特性，有效解决了实际风电机组电容小能量存储少、有功ms级响应惯量的需求；

(2)通过本发明提出的一种风电机群协调控制系统及控制策略，实现了整站电压源构网型风电场频率-有功闭环、电压-无功闭环控制，同时构建了宽频振荡监测与抑制系统，用来保护风电场电气设备；

(3)通过本发明提供的方法，能够避免因风机一次调频动作慢导致系统频率失控的危害，可以实现风电场整站构网性能，构建100％新能源新型电力系统，稳定支撑系统频率和电压。

附图说明

图1网侧控直流电压同步控制；

图2机侧转子动能及自适应减载控制；

图3自动低频减载曲线；

图4场站有功控制算法流程图；

图5场站无功控制算法流程图；

图6场站网络拓扑架构图；

图7场站监控系统；

图8构网型风电场并离网切换瞬间及功率扰动实测波形；

图9构网型风电场功率扰动实测波形。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于相角自生成策略的构网型风电场电压源控制方法，包括以下步骤：

步骤一、采用机网协调控制器在网侧控制直流电压同步，在机侧控制转子动能以及自适应减载；

其中，如图1所示，所述机网协调控制器包括直流电压自同步控制器和虚拟阻抗控制器，直流电压自同步控制器中的直流电压自同步算法的表达式表示为：

其中K_T及K_D为外环控制器PI参数，m_Q为无功-电压下垂系数，有功功率P_g以及无功功率Q_g的标幺值作为输入，ω_b＝2πf以及U_dc0为给定的基准角频率及直流母线电压，相位θ，角频率ω以及交流电压U_ref为外环控制器的输出，s为积分算子。

对于虚拟阻抗控制器，其进行虚拟阻抗控制的表达式为：

其中L_v及R为虚拟阻抗的电感及电阻，U_d及U_q为逆变器经过滤波电路后内部输出的d轴及q轴电压，I_d及I_q为逆变器经过滤波电路后内部输出的d轴及q轴电流，图1中其余部分为典型的常规双环控制策略，在此不详细展开。

其中，在机侧控制转子动能以及自适应减载如图2所示，该部分主要由转子动能控制算法及自适应减载的改进MPPT控制算法构成，其中转子动能控制算法表示为：

式中，1/Ts+1为低通滤波器，T为时延常数，K_d为比例常数同时考虑±ΔP_max的机侧惯量功率支撑上下限值，Ps为机侧的电磁功率。P_D-MPPT为自适应减载的改进MPPT控制算法产生的有功功率给定值，其自适应减载算法曲线如图3所示。

图3描述了整个频率调节过程。输入功率沿2-4-2波动，而输出功率沿2-3-4-2波动。转子减速时产生的动能由区域S1表示，而转子加速时吸收的动能则由区域S2表示。这条减载曲线设定了一个策略，即加速过程比减速过程需要更长的时间。这样做的好处是，既可以完全利用备用容量参与系统的初级频率调节，又可以释放转子动能来分享系统突然变化的动力。当系统频率快速增加时，根据图3中的曲线，转子最初加速，然后减速，然后在调谐过程中恢复到平衡点。

步骤二、对风电机群整站电压源构网型风电场频率-有功闭环、电压-无功闭环进行控制，具体包括以下步骤：

步骤2.1：风电机群整站电压源频率-有功闭环控制

场站协控装置根据并网点频率，按照公式(4)进行闭环频率-有功控制并计算场站有功功率目标功率值，经过场站协调控制装置考虑网损后，发给风机能量管理平台以及逆变器，实现有功功率的快速调节：

其中：f_N为系统额定频率，通常为50Hz；f_PCC为并网点频率，单位Hz；K_f为频率闭环比例下垂系数，K_i为频率积分下垂系数；s为积分算子。

场站有功控制的算法流程图如图4所示，其中P₀为输出有功功率初值，单位MW；P_AGC为调度AGC指令值，单位MW；P_D-wind为风机能量管理平台有功功率目标值，单位MW；P_D-e为储能逆变器有功功率目标值，单位MW。

快速频率响应系统应与AGC控制相协调，新能源场站有功功率的控制目标值应为调度AGC指令值P_AGC与快频相应调节量ΔP的代数和。当电网频率超出50±0.1Hz时，构网型风电场站闭环频率响应功能应闭锁AGC反向调节指令。

步骤2.2：风电机群整站电压源电压-无功闭环控制

通过调度AVC主站下发的电压目标指令值，根据电压下垂变换控制，计算风机场无功目标值，根据无功目标值调节35kV母线上的SVG的无功出力；场站电压满足调度指令后，逐步利用风机的无功调节能量，置换SVG的无功出力。无功指令发送给风机能量管理平台进行调节，场站无功控制算法流程如图5所示。

当并网点电压大于设定的电压偏差上下死区U_d+、U_d时，执行公式(5)，其中U_N为AVC电压指令值；U_pcc为并网点电压；Q_N为场站额定最大无功容量，为全部风机、逆变器以及SVG设备无功上限之和；K_q为无功-比例下垂系数，K_qi为无功-积分下垂系数。

本发明实施例还提供一种风电机群整站宽频振荡抑制系统，具体包含以下四个模块：

a)宽频测量装置：

所述宽频测量装置用于对电压电流信号进行采集并处理分解，得到各波动信号频段；具体的，对风电场电压、电流、功率的次同步/超同步振荡进行测量；对风电场电压、电流0～2500Hz谐波进行测量；对风电场电压、电流、有功/无功、频率等遥测量进行测量。

b)宽频监控服务器

所述宽频监控服务器用于对从宽频测量装置测算到的各波动信号频段进行存储、计算及分析，判断是否超过初设阈值。具体的，利用图形化界面，实现对风电场并网点35kV侧集电线路的电压、电流、功率次同步/超同步振荡的实时监控；利用图形化界面，实现风电场电压、电流0～2500Hz谐波实时监控；利用图形化界面，实现对风电场暂态录波文件的展示和分析；利用实时数据库，实现对次同步/超同步振荡数据以及谐波数据的存储，实现对暂态录波文件的存储。

c)振荡抑制模块

所述振荡抑制模块，用于计算分析下发风机能量管理平台的功率指令执行值，进而实现场站宽频振荡抑制。具体的，通过宽频带振荡防御控制算法，通过振荡分量，同时结合调度AGC指令值，计算风机有功功率调节量，并通过调节量快速调节风机和光伏逆变器的有功出力实现新能源场站振荡抑制。风机计算总调节量，指令下发给风机能量管理平台。场站网络拓扑架构图如图6所示，场站监控系统如图7所示。

本发明所提出的网侧变流器控制直流电压的相角、电压自生成控制策略，是从风电机组内电容器能量流动角度出发的：

由于常规风电机组为了减小成本，并且降低因风电机侧电磁转矩与机械转矩由于电容惯性环节导致的不平衡力矩，通常采用较小的直流电容。因此若采用机侧控直流母线电压，网侧采用常规转子运动方程的虚拟同步算法风机将无法实现。基于变流器和同步机在结构和特性上的相似和对偶性，建立变流器直流电压和同步机转速之间的对应匹配关系，从而可利用直流电容的惯性实现变流器的同步并网，其能量流动的过程可表示为：

上式中，C为电容值，P_in及P_out分别为输入输出功率，J为转动惯量。从上式中可以看到电容与转动惯量在机理上具有一致性。

因此本发明公式(1)利用其特性，开展网侧控直流母线电压，并类似转子运动方程自生成相角。本发明公式(2)通过虚拟阻抗正定输出幅频特性。

图8为湖北随州某构网型风电场并离网切换瞬间及功率扰动实测波形。从图中可以看出在与主网断开瞬间，将由电压源机组自行建立相角和电压，同时在负荷突变时，并网点频率、电压和功率均十分稳定。

由图9可知，基于相角自生成策略的构网型风电场在有功功率波动在1MW以内时，均能保证频率(±0.1Hz)和电压(±0.05标幺值)在合理范围以内，保证整个区域内频率和电压稳态特性。

为了解决风机变桨系统调节速度较慢，风机机侧实际实现一次调频较困难的技术难题，本发明提出了一种基于相角自生成策略的构网型风电场电压源控制方法，结合风机本体一次调压能力，实现了整站电压源构网型风电场频率-有功闭环、电压-无功闭环控制，同时构建了宽频振荡监测与抑制系统，用来保护风电场电气设备。通过本发明提出的控制算法及装置系统，可以实现风电场整站构网性能，构建100％新能源新型电力系统，稳定支撑系统频率和电压。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于相角自生成策略的构网型风电场电压源控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采用机网协调控制器在网侧控制直流电压同步，在机侧控制转子动能以及自适应减载；

步骤二、对风电机群整站电压源构网型风电场频率-有功闭环、电压-无功闭环进行控制；

步骤一中所述机网协调控制器包括直流电压自同步控制器和虚拟阻抗控制器，直流电压自同步控制器中的直流电压自同步算法的表达式表示为：

其中K_T及K_D为外环控制器PI参数，m_Q为无功-电压下垂系数，有功功率P_g以及无功功率Q_g的标幺值作为输入，ω_b＝2πf以及U_dc0为给定的基准角频率及直流母线电压，相位θ，角频率ω以及交流电压U_ref为外环控制器的输出，s为积分算子；

所述虚拟阻抗控制器进行虚拟阻抗控制的表达式为：

其中L_v及R为虚拟阻抗的电感及电阻，U_d及U_q为逆变器经过滤波电路后内部输出的d轴及q轴电压，I_d及I_q为逆变器经过滤波电路后内部输出的d轴及q轴电流；

步骤一中在机侧控制转子动能以及自适应减载，由转子动能控制算法及自适应减载的改进MPPT控制算法构成，其中转子动能控制算法表示为：

式中，1/Ts+1为低通滤波器，T为时延常数，K_d为比例常数同时考虑±ΔP_max的机侧惯量功率支撑上下限值，Ps为机侧的电磁功率，P_D-MPPT为自适应减载的改进MPPT控制算法产生的有功功率给定值，自适应减载的改进MPPT控制算法的自适应减载算法曲线设定的策略为：加速过程比减速过程需要更长的时间。

2.如权利要求1所述的基于相角自生成策略的构网型风电场电压源控制方法，其特征在于：步骤二具体包括以下步骤：

步骤2.1：风电机群整站电压源频率-有功闭环控制

场站协控装置根据并网点频率，按照公式(4)进行闭环频率-有功控制并计算场站有功功率目标功率值ΔP，经过场站协调控制装置考虑网损后，发给风机能量管理平台以及逆变器，实现有功功率的快速调节：

其中：f_N为系统额定频率，通常为50Hz；f_PCC为并网点频率，单位Hz；K_f为频率闭环比例下垂系数，K_i为频率积分下垂系数；s为积分算子；

步骤2.2：风电机群整站电压源电压-无功闭环控制

通过调度AVC主站下发的电压目标指令值，根据电压下垂变换控制，计算风机场无功目标值ΔQ，根据无功目标值调节35kV母线上的SVG的无功出力；场站电压满足调度指令后，逐步利用风机的无功调节能量，置换SVG的无功出力，当并网点电压大于设定的电压偏差上下死区U_d+、U_d-时，执行公式(5)：

其中U_N为AVC电压指令值；U_pcc为并网点电压；Q_N为场站额定最大无功容量，为全部风机、逆变器以及SVG设备无功上限之和；K_q为无功-比例下垂系数，K_qi为无功-积分下垂系数。

3.如权利要求1所述的基于相角自生成策略的构网型风电场电压源控制方法，其特征在于：还包括设置风电机群整站宽频振荡抑制系统，所述风电机群整站宽频振荡抑制系统包括宽频测量装置、宽频监控服务器、振荡抑制模块；

所述宽频测量装置，用于对电压电流信号进行采集并处理分解，得到各波动信号频段；

所述宽频监控服务器，用于对从宽频测量装置测算到的各波动信号频段进行存储、计算及分析，判断是否超过初设阈值；

所述振荡抑制模块，用于计算分析下发风机能量管理平台的功率指令执行值，进而实现场站宽频振荡抑制。