CN117175716A - 一种改善双馈风机调频响应的附加无功控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改善双馈风机调频响应的附加无功控制方法及系统，包括以下步骤：实时采集电网频率，并与参考频率相比较得到误差信号；通过信号处理器计算和处理误差信号得到附加电压信号；将附加电压信号附加在双馈风机转子侧变换器q轴控制支路中，通过对双馈风机机组电压幅值的调节来改变其输出有功，以抑制电力系统频率的变化。本发明减少了功率扰动下系统的频率最大偏移，提升系统频率响应动态性能，达到增强双馈风电机组超低频振荡阻尼的效果。

Description

一种改善双馈风机调频响应的附加无功控制方法及系统

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种改善双馈风机调频响应的附加无功控制方法及系统。

背景技术

近些年来，随着世界经济的不断发展，能源问题日益严重。为了解决化石能源造成的能源紧缺、大气污染的问题，各国家和地区的能源结构不断发生变化，以风光为代表的新能源发电得到了大力发展。

目前市场主流的双馈风力发电机，其基于锁相跟随同步控制模式解耦发电机转速与电网频率间的偶和关系，风电机组出力几乎不响应电网频率变化，对系统表现出弱惯量支撑特性。此外，当前风电机组是按照最大功率跟踪控制方式发电的，无预留备用，无法上调出力参与电网的一次调频。风电机组对系统频率调节支撑能力弱，其规模化替代常规电源给电力系统频率安全稳定带来了极大的挑战。

通过改变风电机组控制使其主动支撑调节电网频率是提升风电消纳的最为有效的途径。风电机组参与电网频率调节的核心是在预留减载的基础上构建风机出力对系统频率波动的负反馈响应机制。其中，预留减载可通过功率跟踪区增大风机转速，或者在全功率区增大桨距角来实现，相应的调频控制即构建通过降速或减小桨距角来增大风机出力应对系统频率跌落的下垂反馈控制。频率跌落峰值及稳态偏差等指标是频率响应的重要指标，风机一次调频通用的下垂控制方案主要依据调差需求设置控制增益，难以兼顾动态偏差的调整。

附加阻尼控制器作为一种常用的抑制振荡的方法，其有效性已在国内外有关风电并网频率振荡的研究中被认可。但目前研究多是针对低频振荡及次同步振荡等设计相应的阻尼控制，对于优化系统频率动态方面的研究较少。

基于锁相控制的双馈风机几乎不对系统频率波动响应,表现出弱惯量支撑特性﹐电力系统惯量会随着风电渗透率的增加而降低，功率扰动下系统频率波动加大。同时，双馈风电机组一般是在最大功率跟踪模式下运行,不能为系统频率变化提供备用容量,无法参与系统的一次调频。风电机组对电网频率的弱支撑特性严重制约着其大规模并网消纳。

通过控制使风电机组主动支撑系统盘频率调节是解决该问题的重要路径，但现有频率调节控制动态控制能力有限，参数设置不合理甚至可能与其常规控制相互作用引发振荡。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种改善双馈风机调频响应的附加无功控制方法及系统，减少了功率扰动下系统的频率最大偏移，提升系统频率响应动态性能，达到增强双馈风电机组超低频振荡阻尼的效果。

本发明采用的技术方案是：一种改善双馈风机调频响应的附加无功控制方法，包括以下步骤：

实时采集电网频率，并与参考频率相比较得到误差信号；

通过信号处理器计算和处理误差信号得到附加电压信号；

将附加电压信号附加在双馈风机转子侧变换器q轴控制支路中，通过对双馈风机机组电压幅值的调节从而改变双馈风机的有功功率，以抑制电力系统频率的波动。

上述技术方案中，改变双馈风机的有功功率的过程包括：

转子侧变换器q轴控制支路中的转子侧控制器基于风机定子输出的有功功率、无功功率、并网三相电压、附加电压信号和机械功率参考信号，通过经比例-积分控制和PWM控制得到双馈风机的转子侧PWM变换器的驱动信号。

上述技术方案中，对双馈风机机组电压幅值的调节的过程包括：转轴控制及控制器中，

端电压控制器根据实时双馈风机机组电压信号、附加电压信号和参考电压信号，经比例-积分控制确定转子q轴电流分量参考值；

采用转速控制器，得到转子d轴电流分量参考值；

电流控制器基于q轴电流分量参考值和转子d轴电流分量参考值，产生双馈风机PWM控制的调制电压指令。

上述技术方案中，机械功率参考信号的获取过程包括：

桨距角补偿控制器接收实时采集的电磁功率和风机的有功功率指令值，并基于此信号通过计算和处理，得到桨距角的补偿信号；

桨距角控制器实时接收转速参考值，通过转速控制得到桨距角指令值；

风力机控制器基于桨距角的补偿信号和桨距角指令值，计算得到机械功率参考信号，并将机械功率参考信号输送给转子侧控制器。

上述技术方案中，当双馈风机系统频率波动小于动作死区时，所述附加电压信号处于非工作状态，当系双馈风机统频率波动超区死区范围时，所述附加电压信号处于工作状态。

上述技术方案中，所述信号处理器包括：比例放大器、高通滤波器、相位补偿器及限幅器；将电网频率参考信号减去实时采集到的电网频率后，输入至信号处理器，使其先经过一个比例环节，再经过一个高通滤波环节，再经过一个相位补偿环节和一个限幅环节，得到附加电压信号。

上述技术方案中，所述比例放大器将实时采集到的电网频率计算放大得出调理信号，然后将其输出至高通滤波器；高通滤波器接收调理信号，并检测出其中的超低频振荡的频率信号，并将该频率信号输出至相位补偿器；相位补偿器接收超低频振荡的频率信号，并将其相位进行调节和处理得到附加电压信号，然后将其输送至限幅器；限幅器接收初始附加电压信号，经限幅后输出附加电压信号。

上述技术方案中，所述信号处理器的输入输出关系为:

其中，K₁表示比例放大器参数，K₂、K₃表示高通滤波器参数，s表示拉氏算子；T₁、T₂表示相位补偿环节的时间常数，m表示相位补偿级数；f_ref表示电网频率参考信号，f表示实时采集到的电网频率；△V表示附加电压信号。

本发明还提供了一种改善双馈风机调频响应的附加无功控制系统，包括桨距角补偿控制器、桨距角控制器、风力机控制器和信号控制器、转子侧控制器；

桨距角补偿控制器用于接收实时采集的电磁功率和风机的有功功率指令值，并基于此信号通过计算和处理，得到桨距角的补偿信号；

桨距角控制器用于实时接收转速参考值，通过转速控制得到桨距角指令值；

风力机控制器用于基于桨距角的补偿信号和桨距角指令值，计算得到机械功率参考信号，并将机械功率参考信号输送给转子侧控制器；

信号处理器用于基于实时的电网频率与参考频率相比较得到误差信号，计算得到附加电压信号；

转子侧控制器用于基于风机定子输出的有功功率、无功功率、并网三相电压、附加电压信号和机械功率参考信号，通过经比例-积分控制和PWM控制得到驱动信号，并输出至双馈风机的转子侧PWM变换器。

上述技术方案中，转子侧控制器中，

端电压控制器用于基于双馈风机机组的实时电压信号、附加电压信号和参考电压信号，经比例-积分控制确定转子q轴电流分量参考值；

转速控制器用于根据实时转速信号和转速参考值，得到转子d轴电流分量参考值；

电流控制器用于基于q轴电流分量参考值和转子d轴电流分量参考值，产生d轴调制电压指令和q轴调制电压指令；

信号调制器用于基于d轴调制电压指令和q轴调制电压指令输出驱动信号至双馈风机的转子侧PWM变换器。

本发明的有益效果是：本发明使得风机接入电网具有良好的稳定性，在引入系统频率偏差为特征信号设计的无功控制,其输出为转子无功功率控制的调制分量，将此调制分量附加在转子端电压上，有效改善其阻尼特性，有助于提升超低频振荡的阻尼，甚至可以完全平息振荡。同时该补偿控制不影响稳态频率的调节，与常规一次调频互为补充，具有一定的工程应用前景。

本发明通过对风电机组电压幅值的调节,进而改变双馈风机的有功功率，从而抑制系统频率的变化，增加的附加控制增大了系统频率响应模式频段的正阻尼，从而减少了功率扰动下系统的频率最大偏移，提升系统频率响应动态性能，达到增强双馈风电机组超低频振荡阻尼的效果。

本发明能够将风机的风电机组电压幅值与电网频率联系起来，根据电网频率的变化实现对风电机组电压幅值的调节，进而改变双馈风机的有功功率，来抑制系统频率的变化，由此有效抑制电网的超低频振荡，优化电力系统在干扰后的频率动态。

本发明采用的信号处理器可以实现对电压的调节，从而使双馈风机等效的电压源弥补系统有功功率缺额，抑制系统频率的变化。信号处理器的比例环节可调节实际的频率优化效果，高通滤波器用于隔离直流环节，使得补偿控制仅在动态过程中起作用，不影响频率调控的稳态容量偏差，不会与一次调频环节功能矛盾。滤波时间常数选取需保证直流信号的衰减足够，且尽量不影响超低频频段信号；相位补偿器用于调制整个阻尼控制环节在超低频振荡频率处的相移，以保证阻尼控制环节提供正的阻尼作用。限幅器用于限制频率信号在其大小的±10％以内。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为具体实施例1的系统示意图；

图3为具体实施例1的系统应用示意图a；

图4为信号处理器的模块示意图；

图5为具体实施例1的系统应用示意图b；

图6为本发明的动态过程中系统频率的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种改善双馈风机调频响应的附加无功控制方法，包括以下步骤：

实时采集电网频率，并与参考频率相比较得到误差信号；

通过信号处理器计算和处理误差信号得到附加电压信号；

将附加电压信号附加在双馈风机转子侧变换器q轴控制支路中，通过对双馈风机机组电压幅值的调节从而改变双馈风机的有功功率，抑制双馈风机系统频率的变化。

如图2所示，具体实施例1提供了一种改善双馈风机调频响应的附加无功控制系统，包括信号处理器、转速控制器、端电压控制器和信号调制器；

信号处理器用于基于实时的电网频率与参考频率相比较得到误差信号，计算得到附加电压信号；

端电压控制器用于基于双馈风机机组的实时电压信号、附加电压信号和参考电压信号，经比例-积分控制确定转子q轴电流分量参考值；

转速控制器用于根据实时转速信号和转速参考值，得到转子d轴电流分量参考值；

电流控制器基于q轴电流分量参考值和转子d轴电流分量参考值，产生d轴调制电压指令和q轴调制电压指令；

信号调制器用于基于d轴调制电压指令和q轴调制电压指令对输出驱动信号至双馈风机的转子侧PWM变换器，，实现对电压的调节，从而使双馈风机等效的电压源弥补系统有功功率缺额，抑制系统频率的变化。

具体实施1通过调节双馈风机机组电压幅值实现对制双馈风机系统频率的变化，该过程包括：

实时采集电网频率f，并与参考频率f_ref相比较得到误差信号；

通过信号处理器计算和处理误差信号得到附加电压信号△V；

端电压控制器根据实时双馈风机机组电压信号V_t、附加电压信号△V和参考电压信号V_ref，经比例-积分控制确定转子q轴电流分量参考值i_rqref；

采用转速控制器，得到转子d轴电流分量参考值ir_dref；

电流控制器基于q轴电流分量参考值i_rqref和转子d轴电流分量参考值i_rdref，产生用于双馈风机PWM控制的q轴调制电压指令V_rq和d轴调制电压指令V_rd。

如图3所示，具体实施例1提供的一种改善双馈风机调频响应的附加无功控制系统，还包括无功功率控制器和转速控制器。无功控制器根据双馈风机的实时无功功率Q_s和无功功率参考值Q _ref生成参考电压信号V_tref并发送至端电压控制器。转速控制器根据双馈风机的实施转速ω_r和参考转速ω_ref生成参考转矩T_ref,进而根据励磁电抗Lm,定子电抗Ls,定子磁链φs得到转子d轴电流分量参考值i_dref；电流控制器基于转子d轴电流分量参考值i_rdref和转子d轴实际电流分量i_rd产生双馈风机PWM控制的d轴调制电压指令V_rd。电流控制器基于转子q轴电流分量参考值i_rqref和转子q轴实际电流分量i_rq产生双馈风机PWM控制的q轴调制电压指令V_rq。信号调制器基于q轴调制电压指令V_rq和d轴调制电压指令V_rd和锁相输出相位θ_pll产生开关调制信号s_abc，作用于双馈风机的转子侧PWM变换器。

具体实施例1提供的优化系统频率动态的双馈风机的转子侧变流器q轴端电压控制支路及所设计的附加控制环节,双馈风机采取端电压控制,附加控制以实际电网频率与额定系统频率之间的差值作为输入,输出的附加信号附加在风机端电压指令上。双馈风机的机侧控制会根据附加电压信号的变化调节实际的机端电压,从而能够在转子侧变流器q轴无功控制支路上产生相应的电压变化改变电网的有功功率,最终优化系统频率动态。

如图4所示,频率优化控制在端电压控制器的前级。将交流电网频率参考信号减去交流电网频率f后，先经过一个比例环节,再经过一个高滤波环节，再经过一个相位补偿环节和一个限幅器,得到附加电压信号ΔV。频率信号处理器的输入输出关系为:

其中，K₁表示比例放大器参数，K₂、K₃表示高通滤波器参数，s表示拉氏算子；T₁、T₂表示相位补偿环节的时间常数，m表示相位补偿级数；f_ref表示电网频率参考信号，f表示实时采集到的电网频率；△V表示附加电压信号。

当系统频率无变化时，所述附加电压信号处于非工作状态，当系统频率发生变化时，所述附加电压信号处于工作状态。

所述的频率测量用于实时接收电网频率信号f，通过比例放大器计算放大得出调理信号，然后将其输出至高通滤波器；高通滤波器用于接收调理信号，并检测出其中的超低频振荡的频率信号，并将此频率信号输出至相位补偿调节器；相位补偿调节器用于接收超低频振荡的频率信号，并将其相位进行调节和处理得到附加电压信号，然后将其输送至限幅器；限幅器接受初始附加电压信号，经限幅后输出附加电压信号。

进一步地，所述比例环节可调节实际的频率优化效果，所述高通滤波器用于隔离直流环节，使得补偿控制仅在动态过程中起作用，不影响频率调控的稳态容量偏差，不会与一次调频环节功能矛盾。滤波时间常数选取需保证直流信号的衰减足够，且尽量不影响超低频频段信号，滤波时间常数的取值范围为0.01～0.02s；所述相位补偿器用于调制整个阻尼控制环节在超低频振荡频率处的相移，以保证阻尼控制环节提供正的阻尼作用。所述限幅器用于限制频率信号在其大小的±10％以内。

如图5所示，具体实施例1应用于双馈风机，一种改善双馈风机调频响应的附加无功控制还包括桨距角补偿控制器、桨距角控制器、风力机控制器和信号控制器；转速控制器、端电压控制器和电流控制器和信号调制器均属于转子侧控制器的一部分。

桨距角补偿控制器用于接收实时采集的电磁功率P_s和风机的有功功率指令值P_ref，并基于此信号通过计算和处理，得到桨距角的补偿信号；

桨距角控制器用于实时接收转速参考值，通过转速控制得到桨距角指令值；

风力机控制器用于基于桨距角的补偿信号和桨距角指令值，计算得到机械功率参考信号，并将机械功率参考信号输送给转子侧控制器；

信号处理器用于基于实时的电网频率f与参考频率f_ref相比较得到误差信号，计算得到附加电压信号△V；

转子侧控制器用于基于风机定子输出的有功功率P_e、无功功率Q、并网三相电压u_abc、附加电压信号△V和机械功率参考信号，依据双馈风电机组转子电流有功、无功解耦控制原理，通过经比例-积分控制和PWM控制得到驱动信号，并输出至双馈风机的转子侧PWM变换器。

具体实施例1改变双馈风机的有功功率的过程包括：

转子侧控制器基于风机定子输出的有功功率、无功功率、并网三相电压、附加电压信号和机械功率参考信号，通过经比例-积分控制和PWM控制得到双馈风机的转子侧PWM变换器的驱动信号。

具体实施例1所应用的双馈风机包括：风机叶片、多级齿轮箱、发电机、电网、转子侧PWM变换器、网侧控制器和网侧PWM变换器；发电机通过多级齿轮箱与风机叶片电连接；电网与发电机连接；转子侧PWM变换器的输出端与发电机的控制端电连接；网侧PWM变换器与电网的输出端电连接；转子侧PWM变换器和网侧PWM变换器通过直流母线电容相连；网侧控制器用于控制网侧PWM变换器。并网点交流三相电压U_abc、并网点交流三相电流iabc以及直流电压U_dc，是与实施例相关的需要采集的信号。

具体实施例1，相比未加附加无功控制方法的传统控制，引入电网频率f，通过信号处理器得到附加电压信号；将附加电压信号附加在双馈风机转子侧变换器q轴无功控制支路中，这样，能够将风机的风电机组电压幅值与电网频率f联系起来，根据电网频率f的变化实现对风电机组电压幅值的调节，进而改变双馈风机的有功功率，来抑制系统频率的变化，由此有效抑制电网的超低频振荡，优化电力系统在干扰后的频率动态。

图6为加入双馈风机附加控制与未加入双馈风机附加控制时,动态过程中系统频率的变化曲线。实际应用并不限于具体实施例1中的结构和此参数；仿真采用改进的两区四机系统，其中受端一台同步机组替换成含调频控制的等容量风电场，并在100s时投入扰动负荷。其中扰动为在100s时突然加入的50MW的有功功率负荷，可见所设计的附加控制能够有效减小动态过程中系统频率变化率及变化幅度。

按照本发明，风机接入电网具有良好的稳定性，在引入系统频率偏差为特征信号设计的无功控制,其输出为转子无功功率控制的调制分量，将此调制分量附加在转子端电压上，通过对风电机组电压幅值的调节,改变双馈风机的有功功率，同时，附加的阻尼控制可有效改善其阻尼特性，有助于提升超低频振荡的阻尼，甚至可以完全平息振荡。同时该补偿控制不影响稳态频率的调节，与常规一次调频互为补充，具有一定的工程应用前景。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种改善双馈风机调频响应的附加无功控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

实时采集电网频率，并与参考频率相比较得到误差信号；

通过信号处理器计算和处理误差信号得到附加电压信号；

将附加电压信号附加在双馈风机转子侧变换器q轴控制支路中，通过对双馈风机机组电压幅值的调节从而改变双馈风机的有功功率，抑制双馈风机系统频率的变化。

2.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于：改变双馈风机的有功功率的过程包括：

转子侧变换器q轴控制支路中的转子侧控制器基于风机定子输出的有功功率、无功功率、并网三相电压、附加电压信号和机械功率参考信号，通过经比例-积分控制和PWM控制得到双馈风机的转子侧PWM变换器的驱动信号。

3.根据权利要求2所述的一种方法，其特征在于：对双馈风机机组电压幅值的调节的过程包括：转子侧控制器中，

端电压控制器根据实时双馈风机机组电压信号、附加电压信号和参考电压信号，经比例-积分控制确定转子q轴电流分量参考值；

采用转速控制器，得到转子d轴电流分量参考值；

电流控制器基于q轴电流分量参考值和转子d轴电流分量参考值，产生双馈风机PWM控制的调制电压指令。

4.根据权利要求3所述的一种方法，其特征在于：机械功率参考信号的获取过程包括：

桨距角补偿控制器接收实时采集的电磁功率和风机的有功功率指令值，并基于此信号通过计算和处理，得到桨距角的补偿信号；

桨距角控制器实时接收转速参考值，通过转速控制得到桨距角指令值；

风力机控制器基于桨距角的补偿信号和桨距角指令值，计算得到机械功率参考信号，并将机械功率参考信号输送给转子侧控制器。

5.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于：当双馈风机系统频率波动小于动作死区时，所述附加电压信号处于非工作状态，当系双馈风机统频率波动超区死区范围时，所述附加电压信号处于工作状态。

6.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于：所述信号处理器包括：比例放大器、高通滤波器、相位补偿器及限幅器；将电网频率参考信号减去实时采集到的电网频率后，输入至信号处理器，使其先经过一个比例环节，再经过一个高通滤波环节，再经过一个相位补偿环节和一个限幅环节，得到附加电压信号。

7.根据权利要求6所述的一种方法，其特征在于：所述比例放大器将实时采集到的电网频率计算放大得出调理信号，然后将其输出至高通滤波器；高通滤波器接收调理信号，并检测出其中的超低频振荡的频率信号，并将该频率信号输出至相位补偿器；相位补偿器接收超低频振荡的频率信号，并将其相位进行调节和处理得到附加电压信号，然后将其输送至限幅器；限幅器接收初始附加电压信号，经限幅后输出附加电压信号。

8.根据权利要求6所述的一种方法，其特征在于：所述信号处理器的输入输出关系为:

其中，K₁表示比例放大器参数，K₂、K₃表示高通滤波器参数，s表示微算子；T₁、T₂表示相位补偿环节的时间常数，m表示相位补偿级数；f_ref表示电网频率参考信号，f表示实时采集到的电网频率；△V表示附加电压信号。

9.一种改善双馈风机调频响应的附加无功控制系统，其特征在于：包括桨距角补偿控制器、桨距角控制器、风力机控制器和信号控制器、转子侧控制器；

桨距角补偿控制器用于接收实时采集的电磁功率和风机的有功功率指令值，并基于此信号通过计算和处理，得到桨距角的补偿信号；

桨距角控制器用于实时接收转速参考值，通过转速控制得到桨距角指令值；

风力机控制器用于基于桨距角的补偿信号和桨距角指令值，计算得到机械功率参考信号，并将机械功率参考信号输送给转子侧控制器；

信号处理器用于基于实时的电网频率与参考频率相比较得到误差信号，计算得到附加电压信号；

转子侧控制器用于基于风机定子输出的有功功率、无功功率、并网三相电压、附加电压信号和机械功率参考信号，通过经比例-积分控制和PWM控制得到驱动信号，并输出至双馈风机的转子侧PWM变换器。

10.根据权利要求9所述的一种改善双馈风机调频响应的附加无功控制系统，其特征在于：转子侧控制器中，

端电压控制器用于基于双馈风机机组的实时电压信号、附加电压信号和参考电压信号，经比例-积分控制确定转子q轴电流分量参考值；

转速控制器用于根据实时转速信号和转速参考值，得到转子d轴电流分量参考值；

电流控制器用于基于q轴电流分量参考值和转子d轴电流分量参考值，产生d轴调制电压指令和q轴调制电压指令；

信号调制器用于基于d轴调制电压指令和q轴调制电压指令对输出驱动信号至双馈风机的转子侧PWM变换器。