CN118281899A - 电力系统双馈异步风力发电机的控制方法及系统 - Google Patents
电力系统双馈异步风力发电机的控制方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种电力系统双馈异步风力发电机的控制方法，包括获取目标电力系统和目标双馈异步风力发电机风电场的数据信息；引入惯性控制实现对双馈异步风力发电机的转动动能的释放，并每隔设定时间对风机转速进行修正；进行变桨距角减载；当系统频率超出设定范围将下垂控制与桨距角结合，对桨距角进行调整；重复以上步骤完成电力系统的双馈异步风力发电机的控制。本发明还公开了一种实现所述电力系统双馈异步风力发电机的控制方法的系统。本发明不仅能够保证电力系统频率稳定和可靠运行，而且本发明的可靠性更高，精确性更好。
Description
技术领域
本发明属于电气自动化领域，具体涉及一种电力系统双馈异步风力发电机的控制方法及系统。
背景技术
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，保障电能的稳定可靠供应，就成为了电力系统最重要的任务之一。
目前，环境问题日益严重，因此越来越多的新能源发电系统开始并入电网发电。风力发电是新能源发电系统的重要组成部分。目前，常用的风力发电机组均为双馈异步风力发电机。
目前，针对双馈异步风力发电机的控制方案研究，一般都集中于利用双馈异步风力发电机模拟同步发电机运行特性，通过转子动能的释放来对电网的频率进行短期的支撑。但是，进行短期支撑后，双馈异步风力发电机的转子转速将发生变化，偏离最佳运行点，从而使得双馈异步风力发电机无法对电网的频率进行长期支撑。而且，由于双馈异步风力发电机风电场的风机转子转速出现了严重的偏离，双馈异步风力发电机在故障恢复后，能够提供的有功功率小于故障发生前能够提供的有功功率，因此还容易造成电力系统频率的二次跌落，从而进一步影响电力系统的安全稳定运行。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种不仅能够稳定维持电力系统频率稳定，而且可靠性高、精确性好的电力系统双馈异步风力发电机的控制方法。
本发明的目的之二在于提供一种实现所述电力系统双馈异步风力发电机的控制方法的系统。
本发明提供的这种电力系统双馈异步风力发电机的控制方法，包括如下步骤：
S1.获取目标电力系统和目标双馈异步风力发电机风电场的数据信息；
S2.引入惯性控制实现对双馈异步风力发电机的转动动能的释放，并每隔设定时间对双馈异步风力发电机的风机转速进行修正；
S3.对双馈异步风力发电机进行变桨距角减载；
S4.当系统频率超出设定范围，则将下垂控制与双馈异步风力发电机的桨距角结合，对双馈异步风力发电机的桨距角进行调整；
S5.重复以上步骤，完成电力系统的双馈异步风力发电机的控制。
步骤S2所述的引入惯性控制实现对双馈异步风力发电机的转动动能的释放，具体包括如下步骤：
采用空气动力学公式计算风机对风能的捕获的步骤：
采用如下算式计算得到风的动能：
式中Pwind为风的动能；ρ为空气密度；R为风机旋转面积的半径；v为风速；
采用如下算式计算得到风机实际机械功率：
Pmach＝CPPwind
式中Pmach为风机实际机械功率；CP为风能利用系数，且α为风能利用系数计算的过程系数，β为风机桨距角，α和β满足关系式λ为转子叶尖速比且ωw为风机转子转速；
采用如下算式计算风机的输出功率参考值：
式中Pref为风机的输出功率参考值；kmax为最大功率追踪系数；ω0为风机进入最大功率追踪区的初始风速；ωmin为风机能够维持正常运行的最小转子转速；ωw为风机转子转速；ω1为风机进入转速恒定区的初始转速；Pmax为风机能够发出的最大有功功率；ωmax为风机进入恒功率区的初始转速；
采用转子电压定向控制方式控制双馈异步风力发电机的转子侧变流器的步骤：
在定子电压矢量定向的情况下，采用如下算式表示双馈异步风力发电机的定子侧有功功率和无功功率：
式中P*为风机有功输出参考值；us为定子侧电压有效值；isq为定子电流的q轴分量；Q*为风机无功输出参考值；isd为定子电流的d轴分量；
采用如下算式表示双馈异步风力发电机的转子电压控制方程：
式中为转子电压q轴分量参考值；KirP为转子的比例系数；KirI为转子的积分系数；s为拉普拉斯算子；为转子电流q轴分量参考值；irq为转子电流q轴分量；urqc为转子电压q轴前馈补偿量，且Lm为风机定转子绕组互感，Ls为风机定子绕组自感，Rs为风机定子绕组电阻，ψsq为风机定子磁链q轴分量，ωr为转子转速，ψsd为风机定子磁链d轴分量，ωs1为转速偏差，Lr为风机转子绕组自感，ird为风机转子电流d轴分量；为转子电压d轴分量参考值；为转子电流q轴分量参考值；urdc为转子电压d轴前馈补偿量，且
引入惯性控制的步骤：
将附加惯性控制原理应用于双馈异步风力发电机，表示为：
式中H为同步发电机惯性时间常数；ω为同步发电机转子转速；PT为同步发电机机械输入功率；PE为同步发电机输出电磁功率；
双馈异步风力发电机输出的电磁功率增加量表示为：
式中ΔP1为双馈异步风力发电机输出的电磁功率增加量；Kd为设定的惯性控制系数；fmax为系统频率。
步骤S2所述的每隔设定时间对双馈异步风力发电机的风机转速进行修正，具体包括如下步骤：
采用如下算式计算双馈异步风力发电机的风机动能：
式中E为风机动能；J为风机的转动惯量；ω为转子转速；
设定目标风电场的惯性系数为Kd，目标风电场有n台双馈异步风力发电机，各台双馈异步风力发电机的转动惯量为J1～Jn，各台双馈异步风力发电机的转速为ω1～ωn；
每隔设定时间Ts，对各台双馈异步风力发电机的转速进行修正：q轴电压参考值整定策略由功率跟踪模式变为转速跟踪模式，各台双馈异步风力发电机在附加惯性控制后恢复转速控制
采用如下算式计算各台双馈异步风力发电机的惯性系数：
式中Kd,1为第1台双馈异步风力发电机的惯性系数；Kd,2为第2台双馈异步风力发电机的惯性系数；Kd,i为第i台双馈异步风力发电机的惯性系数，3≤i＜n；Ji为第i台双馈异步风力发电机的转动惯量；ωi为第i台双馈异步风力发电机的转速。
步骤S3所述的对双馈异步风力发电机进行变桨距角减载，具体包括如下步骤：
设定若干台双馈异步风力发电机用于支撑电网，在不改变转速ωw的情况下，通过减小桨距角来减小风能利用系数，从而减载固定的有功功率ΔP；
对双馈异步风力发电机进行变桨距角减载的步骤包括：
采用如下算式计算双馈异步风力发电机的风能利用系数CP：
式中β为当前的双馈异步风力发电机的桨距角；
采用如下算式计算得到双馈异步风力发电机的机械功率Pmach：
式中Pe0为风机初始电磁功率；η为双馈异步风力发电机的能量转换效率；
设定双馈异步风力发电机的减载的有功功率ΔP，得到双馈异步风力发电机的减载后的电磁功率Pe1为Pe1＝Pe0-ΔP；
然后根据减载后的电磁功率Pe1，重新计算减载后的风能利用系数C'P为
然后，根据风能利用系数的计算公式，计算得到减载后的桨距角β'，并将减载后的桨距角β'作为当前的桨距角；
重复以上的变桨距角减载的步骤，对桨距角进行调整，从而完成对双馈异步风力发电机进行变桨距角减载。
步骤S4所述的当系统频率超出设定范围，则将下垂控制与双馈异步风力发电机的桨距角结合，对双馈异步风力发电机的桨距角进行调整，具体包括如下步骤：
采用如下算式作为引入下垂控制后的双馈异步风力发电机的输出有功功率表达式：
Pe2＝Pe1-KG(ffact-fref)
式中Pe2为引入下垂控制后的双馈异步风力发电机的输出有功功率；KG为下垂控制系数；ffact为双馈异步风力发电机的系统实时频率；fref为参考频率；
根据引入下垂控制后的双馈异步风力发电机的输出有功功率，对桨距角进行调整。
对桨距角进行调整，具体包括如下步骤：
针对桨距角的改变，按照桨距角允许的最大改变速度Δβmax，对桨距角进行改变；
实时对双馈异步风力发电机的风能利用系数进行计算，并进行判断：
若当前的风能利用系数与设定的风能利用系数之间的误差小于或等于设定值，则认定桨距角改变完成，停止改变桨距角；
若当前的风能利用系数与设定的风能利用系数之间的误差大于设定值，则认定桨距角改变未完成，继续对桨距角进行改变。
本发明还提供了一种实现所述电力系统双馈异步风力发电机的控制方法的系统，包括数据获取模块、惯性控制模块、减载模块、桨距角调整模块和风电控制模块；数据获取模块、惯性控制模块、减载模块、桨距角调整模块和风电控制模块依次串接；数据获取模块用于获取目标电力系统和目标双馈异步风力发电机风电场的数据信息，并将数据信息上传惯性控制模块；惯性控制模块用于引入惯性控制实现对双馈异步风力发电机的转动动能的释放，并每隔设定时间对双馈异步风力发电机的风机转速进行修正，并将数据信息上传减载模块；减载模块用于根据接收到的数据信息，对双馈异步风力发电机进行变桨距角减载，并将数据信息上传桨距角调整模块；桨距角调整模块用于根据接收到的数据信息，当系统频率超出设定范围，则将下垂控制与双馈异步风力发电机的桨距角结合，对双馈异步风力发电机的桨距角进行调整，并将数据信息上传风电控制模块；风电控制模块用于根据接收到的数据信息，控制数据获取模块、惯性控制模块、减载模块和桨距角调整模块重复工作，完成电力系统的双馈异步风力发电机的控制。
本发明提供的这种电力系统双馈异步风力发电机的控制方法及系统，根据目标电力系统和目标双馈异步风力发电机风电场的数据信息，实时采用惯性控制和转速修正方案、变桨距角减载方案或下垂控制方案对电力系统双馈异步风力发电机进行控制，不仅能够保证电力系统频率稳定和可靠运行，而且本发明的可靠性更高，精确性更好。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程示意图。
图2为本发明方法中双馈异步风力发电机的最大功率追踪曲线示意图。
图3为本发明方法中双馈异步风力发电机的减载曲线示意图。
图4为本发明系统的功能模块示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明公开的这种电力系统双馈异步风力发电机的控制方法，包括如下步骤：
S1.获取目标电力系统和目标双馈异步风力发电机风电场的数据信息；
S2.引入惯性控制实现对双馈异步风力发电机的转动动能的释放，并每隔设定时间对双馈异步风力发电机的风机转速进行修正；具体包括以下步骤：
采用空气动力学公式计算风机对风能的捕获的步骤：
风力发电的能量来自于对风能的捕获，根据空气动力学的内容，风能和空气密度、风的速度以及面积有关，假定风吹过的面积为半径为R的圆形，则采用如下算式计算得到风的动能：
式中Pwind为风的动能；ρ为空气密度；R为风机旋转面积的半径；v为风速；
采用如下算式计算得到风机实际机械功率：
Pmach＝CPPwind
式中Pmach为风机实际机械功率；CP为风能利用系数，且α为风能利用系数计算的过程系数，β为风机桨距角，α和β满足关系式λ为转子叶尖速比且ωw为风机转子转速；
采用如下算式计算风机的输出功率参考值：
式中Pref为风机的输出功率参考值；kmax为最大功率追踪系数；ω0为风机进入最大功率追踪区的初始风速；ωmin为风机能够维持正常运行的最小转子转速；ωw为风机转速；ω1为风机进入转速恒定区的初始转速；Pmax为风机能够发出的最大有功功率；ωmax为风机进入恒功率区的初始转速；
采用转子电压定向控制方式控制双馈异步风力发电机(又称为双馈风机，DFIG)的转子侧变流器的步骤：
双馈风机功率输出主要是通过对转子侧变流器的控制实现；该控制方法是对转子侧PWM变换控制器采用基于定子电压定向的矢量控制策略，对dq坐标系下对电压进行q轴定向；d轴电压参考值可以根据设定无功输出参考值获得；q轴电压参考值的获得有两种方式，一种是根据设定有功输出参考值获得，另一种是根据设定转子转速参考值获得。
和的来源：DFIG风电系统的主要运行目标有两个，首先是变速恒频前提下实现最大风功率追踪，关键是DFIG转速或者有功功率的控制，但随着新能源在电力系统中占比的提高，对于新能源的要求不仅仅再是实现最大功率追踪了，需要在电网出现故障时实现对电网电压和频率的支撑，所以现在慢慢开始，的设定不再是以MPPT为唯一参考，而是根据系统调度结合当前风机发电能力而进行有功的控制；DFIG输出的无功功率的控制，是为了保证所并电网的运行稳定性，可根据系统调度所需或者依照下垂控制进行调控；
在定子电压矢量定向的情况下，采用如下算式表示双馈异步风力发电机的定子侧有功功率和无功功率：
式中P*为风机的有功输出；us为定子侧电压有效值；isq为定子电流的q轴分量；Q*为风机的无功输出；isd为定子电流的d轴分量；
定子电压定向控制策略将扰动项前馈补偿控制后，采用PI调节器对转子电流动态项进行控制时，采用如下算式表示双馈异步风力发电机的转子电压控制方程：
式中为转子电压q轴分量参考值；KirP为转子的比例系数；KirI为转子的积分系数；s为拉普拉斯算子；为转子电流q轴分量参考值；irq为转子电流q轴分量；urqc为转子电压q轴前馈补偿量，且Lm为风机定转子绕组互感，Ls为风机定子绕组自感，Rs为风机定子绕组电阻，ψsq为风机定子磁链q轴分量，ωr为转子转速，ψsd为风机定子磁链d轴分量，ωs1为转速偏差，Lr为风机转子绕组自感，ird为风机转子电流d轴分量；为转子电压d轴分量参考值；为转子电流q轴分量参考值；urdc为转子电压d轴前馈补偿量，且
发电机转子侧变流器控制原理是内圈是转子侧，外圈是定子侧，测得转子侧三相电压和两相电流，通过三相电压可以得到三相电压的合成矢量相位、角速度、幅值，由两相电流经过坐标变换可以得到dq坐标系下的定子电流，结合转子电流和定转子自感互感参数计算得到定子磁链，再综合转差角、转子角频率得出转子电压控制的前馈补偿项；定子电压位置角和转子位置角之差是转差角，求取其微分是转差角频率；测得的实际定子电压电流值，计算出实际的定子有功无功输出，与有功无功参考值求差，经过一个比例积分控制器得到转子在dq轴上的电流参考值，加上前馈补偿项等于转子电压在dq轴上的参考值，最后通过一个坐标变换经SVPWM作用于三相逆变器得到理想的转子电压；
双馈风机实现无差调频的方式是同时测量了系统的电压相位θS和转子的位置角θr，两者相减得到了转差角θS1，在进行转子电压反坐标变换时，又再次利用到了转差角θS1，相位求导得到频率，从而实现了无差调频；
引入惯性控制的步骤：
将附加惯性控制原理应用于双馈异步风力发电机，表示为：
式中H为同步发电机惯性时间常数；ω为同步发电机转子转速；PT为同步发电机机械输入功率；PE为同步发电机输出电磁功率；
电力系统发生负荷突然接入引起有功功率缺额电力系统频率下降时，同步电机可以释放其转子动能补足有功缺额，短暂支撑起电网频率。大量新能源接入电网，系统没有足够的惯量易导致系统频率失衡，需要提高新能源支撑电网的能力；双馈风力发电机DFIG由于转子侧变流器和定子侧变流器导致转子侧和电网侧解耦，DFIG无法对系统提供主动频率支撑；由于DFIG转子和叶片旋转具有动能，可以通过对变流器的控制实现DFIG转子动能的释放，从而实现对电力系统频率的支撑，减小频率变化幅度；双馈异步风力发电机输出的电磁功率增加量表示为：
式中ΔP1为双馈异步风力发电机输出的电磁功率增加量；Kd为设定的惯性控制系数；fmax为系统频率；
双馈风机的转子动能和风机的转动惯量以及风机转子转速有关，风机动能越大，对于系统频率的支撑能力就越强；采用如下算式计算双馈异步风力发电机的风机动能：
式中E为风机动能；J为风机的转动惯量；ω为转子转速；
设定目标风电场的惯性系数为Kd，目标风电场有n台双馈异步风力发电机，各台双馈异步风力发电机的转动惯量为J1～Jn，各台双馈异步风力发电机的转速为ω1～ωn；
考虑到风机模拟同步电机惯性会释放或吸收动能，从而转速偏离；因此，每隔设定时间Ts，对各台双馈异步风力发电机的转速进行修正：q轴电压参考值整定策略由功率跟踪模式变为转速跟踪模式，各台双馈异步风力发电机在附加惯性控制后恢复转速控制
采用如下算式计算各台双馈异步风力发电机的惯性系数：
式中Kd,1为第1台双馈异步风力发电机的惯性系数；Kd,2为第2台双馈异步风力发电机的惯性系数；Kd,i为第i台双馈异步风力发电机的惯性系数，3≤i＜n；Ji为第i台双馈异步风力发电机的转动惯量；ωi为第i台双馈异步风力发电机的转速；
S3.对双馈异步风力发电机进行变桨距角减载；具体包括如下步骤：
超速减载是通过增大风机转速使风机偏离最大功率追踪点，一方面转子转速增加，风机动能上升，可以给系统提供更大的有功支撑；另一方面风机在风速一定时由于转速提升偏离最大功率追踪点，系统频率如果跌落，转子在释放动能支撑电网的过程中，转子转速减小，运行状况向最大功率追踪点靠近，风机风能捕获能力增强，特能发出更多的有功功率；如图2所示，在给定风速vw时，风机运行在最大功率点1，此时实施超速减载增大风机转速，风机运行状态由1变为2，转子储存了更多的动能；
变桨距角控制是在既定转速下，通过增大桨距角，使风机偏离最大功率追踪点实现减载。变桨距角的优点是可以根据系统频率变化增加说减小桨距角从而实现风机有功输出增多或者减少。如最大功率追踪曲线图2所示，在给定转速ω0时，风机运行在最大功率点1，此时实施变桨距减载减小风能利用系数减小系统有功输出，风机运行状态由1变为3；
现存风机减载功率多以减载固定百分比的形式；但这样有功的裕度就和风机运行状态相关联，有功裕度和风速呈正相关关系，如果在风速比较小的时候风机有功裕度就很小，在系统发生故障时就不能提供大量的有功支撑；并且如果减载和桨距角相协调的情况下，每一台风机的桨距角都需要频繁调整，调整过程不免太过冗杂；
因此，本申请设定若干台双馈异步风力发电机用于支撑电网，在不改变转速ωw的情况下，通过减小桨距角来减小风能利用系数，从而减载固定的有功功率ΔP；
对双馈异步风力发电机进行变桨距角减载的步骤包括：
未减载时工作在最大功率追踪点P0，如图3所示工作点1；采用如下算式计算双馈异步风力发电机的风能利用系数CP：
式中β为当前的双馈异步风力发电机的桨距角；
采用如下算式计算得到双馈异步风力发电机的机械功率Pmach：
式中Pe0为风机初始电磁功率；η为双馈异步风力发电机的能量转换效率；
设定双馈异步风力发电机的减载的有功功率ΔP，得到双馈异步风力发电机的减载后的电磁功率Pe1为Pe1＝Pe0-ΔP；
然后根据减载后的电磁功率Pe1，重新计算减载后的风能利用系数C'P为
然后，根据风能利用系数的计算公式，计算得到减载后的桨距角β'，并将减载后的桨距角β'作为当前的桨距角；
重复以上的变桨距角减载的步骤，对桨距角进行调整，从而完成对双馈异步风力发电机进行变桨距角减载；
S4.当系统频率超出设定范围，则将下垂控制与双馈异步风力发电机的桨距角结合，对双馈异步风力发电机的桨距角进行调整；具体包括如下步骤：
采用如下算式作为引入下垂控制后的双馈异步风力发电机的输出有功功率表达式：
Pe2＝Pe1-KG(ffact-fref)
式中Pe2为引入下垂控制后的双馈异步风力发电机的输出有功功率；KG为下垂控制系数；ffact为双馈异步风力发电机的系统实时频率；fref为参考频率；
根据引入下垂控制后的双馈异步风力发电机的输出有功功率，对桨距角进行调整；
具体实施时，步骤S3和步骤S4中的对桨距角进行调整，具体包括如下步骤：
目前双馈风机的桨距角主要是利用液压装置得以实现；变桨距角控制器将节距角检测和功率检测得到的数据，与微处理器中给定的节距角变化数学模型进行比较，把差值作为控制信号用于驱动变桨距机构进行变桨距角操作；液压变桨距系统主要由动力源液压泵站、控制模块、蓄能器与执行机构油缸等组成。液压变桨距系统是一个自动控制系统，由桨距控制器、数码转换器、液压控制单元、执行机构、位移传感器等组成；
但是改变桨距角不是瞬时可以实现的，都具备着一些延时特性，即利用改变桨距角的方法支撑系统频率具有一些延时的缺点，但是由于机械自动化的发展，现在的双馈风机桨距角变化速度已经达到了每秒5°，液压变桨距角系统指令执行已经不晚于系统指令发出1秒；在风机最大功率追踪时通过变桨距角减载可以直接执行；针对桨距角的改变，按照桨距角允许的最大改变速度Δβmax，对桨距角进行改变；
实时对双馈异步风力发电机的风能利用系数进行计算，并进行判断：
若当前的风能利用系数与设定的风能利用系数之间的误差小于或等于设定值，则认定桨距角改变完成，停止改变桨距角；
若当前的风能利用系数与设定的风能利用系数之间的误差大于设定值，则认定桨距角改变未完成，继续对桨距角进行改变；
S5.重复以上步骤，完成电力系统的双馈异步风力发电机的控制。
本申请方案采用了附加惯性控制，当频率变化时，惯性环节能及时修正转子侧有功功率给定值，变流器响应功率指令快速调节转子转速以释放转了动能或吸收电网多余功率，减缓频率突变。附加惯性环节使风电机组具备类似同步机组的惯性响应能力。
本申请方案采用了双馈风机附加惯性转子定时退出恢复转速的方法，避免了在附加惯性后双馈风机风电场的风机转子转速出现了严重的偏离，在故障恢复后不能提供的有功功率小于故障发生前的有功功率，造成频率的二次跌落，该方法可以完成维持系统频率稳定的任务，也可以在故障切除后转子转速恢复至一定水平，避免了故障发生后的二次跌落情况。
本申请方案采用了下垂控制维持电网频率，下垂控制方案通过控制风力发电机的转速，使其输出的电能满足电网的需求。在下垂控制中，风力发电机的转速会随着电网电压的变化而变化。当电网电压下降时，风力发电机的转速会自动降低，从而减少输出功率。当电网电压上升时，风力发电机的转速会自动升高，从而增加输出功率。这种控制方法可以有效地保持电网的稳定性。
本申请方案采用了下垂控制与桨距角协调控制的方法，风机初始通过桨距角减载运行，当系统频率超出限值，风机就开始实施下垂控制，开始调整桨距角。本申请方案采用了一边调整桨距角一边计算比较风能利用系数与下垂控制给出的风能利用系数的，避免了传统桨距角控制对桨距角的微调以及改变中参数发生变化引起的风能利用系数计算的不准确性，小于既定值便停止变化，根据实时数据得到风能利用系数，避免频繁调整桨距角缩短风机叶片寿命。
如图4所示为本发明系统的功能模块示意图：本发明公开的这种实现所述电力系统双馈异步风力发电机的控制方法的系统，包括数据获取模块、惯性控制模块、减载模块、桨距角调整模块和风电控制模块；数据获取模块、惯性控制模块、减载模块、桨距角调整模块和风电控制模块依次串接；数据获取模块用于获取目标电力系统和目标双馈异步风力发电机风电场的数据信息，并将数据信息上传惯性控制模块；惯性控制模块用于引入惯性控制实现对双馈异步风力发电机的转动动能的释放，并每隔设定时间对双馈异步风力发电机的风机转速进行修正，并将数据信息上传减载模块；减载模块用于根据接收到的数据信息，对双馈异步风力发电机进行变桨距角减载，并将数据信息上传桨距角调整模块；桨距角调整模块用于根据接收到的数据信息，当系统频率超出设定范围，则将下垂控制与双馈异步风力发电机的桨距角结合，对双馈异步风力发电机的桨距角进行调整，并将数据信息上传风电控制模块；风电控制模块用于根据接收到的数据信息，控制数据获取模块、惯性控制模块、减载模块和桨距角调整模块重复工作，完成电力系统的双馈异步风力发电机的控制。
Claims (7)
1.一种电力系统双馈异步风力发电机的控制方法，包括如下步骤：
S1.获取目标电力系统和目标双馈异步风力发电机风电场的数据信息；
S2.引入惯性控制实现对双馈异步风力发电机的转动动能的释放，并每隔设定时间对双馈异步风力发电机的风机转速进行修正；
S3.对双馈异步风力发电机进行变桨距角减载；
S4.当系统频率超出设定范围，则将下垂控制与双馈异步风力发电机的桨距角结合，对双馈异步风力发电机的桨距角进行调整；
S5.重复以上步骤，完成电力系统的双馈异步风力发电机的控制。
2.根据权利要求1所述的电力系统双馈异步风力发电机的控制方法，其特征在于步骤S2所述的引入惯性控制实现对双馈异步风力发电机的转动动能的释放，具体包括如下步骤：
采用空气动力学公式计算风机对风能的捕获的步骤：
采用如下算式计算得到风的动能：
式中Pwind为风的动能；ρ为空气密度；R为风机旋转面积的半径；v为风速；
采用如下算式计算得到风机实际机械功率：
Pmach＝CPPwind
式中Pmach为风机实际机械功率；CP为风能利用系数，且α为风能利用系数计算的过程系数，β为风机桨距角，α和β满足关系式λ为转子叶尖速比且ωw为风机转子转速；
采用如下算式计算风机的输出功率参考值：
式中Pref为风机的输出功率参考值；kmax为最大功率追踪系数；ω0为风机进入最大功率追踪区的初始风速；ωmin为风机能够维持正常运行的最小转子转速；ωw为风机转速；ω1为风机进入转速恒定区的初始转速；Pmax为风机能够发出的最大有功功率；ωmax为风机进入恒功率区的初始转速；
采用转子电压定向控制方式控制双馈异步风力发电机的转子侧变流器的步骤：
在定子电压矢量定向的情况下，采用如下算式表示双馈异步风力发电机的定子侧有功功率和无功功率：
式中P*为风机的有功输出；us为定子侧电压有效值；isq为定子电流的q轴分量；Q*为风机的无功输出；isd为定子电流的d轴分量；
采用如下算式表示双馈异步风力发电机的转子电压控制方程：
式中为转子电压q轴分量参考值；KirP为转子的比例系数；KirI为转子的积分系数；s为拉普拉斯算子；为转子电流q轴分量参考值；irq为转子电流q轴分量；urqc为转子电压q轴前馈补偿量，且Lm为风机定转子绕组互感，Ls为风机定子绕组自感，Rs为风机定子绕组电阻，ψsq为风机定子磁链q轴分量，ωr为转子转速，ψsd为风机定子磁链d轴分量，ωs1为转速偏差，Lr为风机转子绕组自感，ird为风机转子电流d轴分量；为转子电压d轴分量参考值；为转子电流q轴分量参考值；urdc为转子电压d轴前馈补偿量，且
引入惯性控制的步骤：
将附加惯性控制原理应用于双馈异步风力发电机，表示为：
式中H为同步发电机惯性时间常数；ω为同步发电机转子转速；PT为同步发电机机械输入功率；PE为同步发电机输出电磁功率；
双馈异步风力发电机输出的电磁功率增加量表示为：
式中ΔP1为双馈异步风力发电机输出的电磁功率增加量；Kd为设定的惯性控制系数；fmax为系统频率。
3.根据权利要求2所述的电力系统双馈异步风力发电机的控制方法，其特征在于步骤S2所述的每隔设定时间对双馈异步风力发电机的风机转速进行修正，具体包括如下步骤：
采用如下算式计算双馈异步风力发电机的风机动能：
式中E为风机动能；J为风机的转动惯量；ω为转子转速；
设定目标风电场的惯性系数为Kd，目标风电场有n台双馈异步风力发电机，各台双馈异步风力发电机的转动惯量为J1～Jn，各台双馈异步风力发电机的转速为ω1～ωn；
每隔设定时间Ts，对各台双馈异步风力发电机的转速进行修正：q轴电压参考值整定策略由功率跟踪模式变为转速跟踪模式，各台双馈异步风力发电机在附加惯性控制后恢复转速控制
采用如下算式计算各台双馈异步风力发电机的惯性系数：
式中Kd,1为第1台双馈异步风力发电机的惯性系数；Kd,2为第2台双馈异步风力发电机的惯性系数；Kd,i为第i台双馈异步风力发电机的惯性系数，3≤i＜n；Ji为第i台双馈异步风力发电机的转动惯量；ωi为第i台双馈异步风力发电机的转速。
4.根据权利要求3所述的电力系统双馈异步风力发电机的控制方法，其特征在于步骤S3所述的对双馈异步风力发电机进行变桨距角减载，具体包括如下步骤：
设定若干台双馈异步风力发电机用于支撑电网，在不改变转速ωw的情况下，通过减小桨距角来减小风能利用系数，从而减载固定的有功功率ΔP；
对双馈异步风力发电机进行变桨距角减载的步骤包括：
采用如下算式计算双馈异步风力发电机的风能利用系数CP：
式中β为当前的双馈异步风力发电机的桨距角；
采用如下算式计算得到双馈异步风力发电机的机械功率Pmach：
式中Pe0为风机电磁功率；η为双馈异步风力发电机的能量转换效率；
设定双馈异步风力发电机的减载的有功功率ΔP，得到双馈异步风力发电机的减载后的电磁功率Pe1为Pe1＝Pe0-ΔP；
然后根据减载后的电磁功率Pe1，重新计算减载后的风能利用系数C'P为
然后，根据风能利用系数的计算公式，计算得到减载后的桨距角β'，并将减载后的桨距角β'作为当前的桨距角；
重复以上的变桨距角减载的步骤，对桨距角进行调整，从而完成对双馈异步风力发电机进行变桨距角减载。
5.根据权利要求4所述的电力系统双馈异步风力发电机的控制方法，其特征在于步骤S4所述的当系统频率超出设定范围，则将下垂控制与双馈异步风力发电机的桨距角结合，对双馈异步风力发电机的桨距角进行调整，具体包括如下步骤：
采用如下算式作为引入下垂控制后的双馈异步风力发电机的输出有功功率表达式：
Pe2＝Pe1-KG(ffact-fref)
式中Pe2为引入下垂控制后的双馈异步风力发电机的输出有功功率；KG为下垂控制系数；ffact为双馈异步风力发电机的系统实时频率；fref为参考频率；
根据引入下垂控制后的双馈异步风力发电机的输出有功功率，对桨距角进行调整。
6.根据权利要求5所述的电力系统双馈异步风力发电机的控制方法，其特征在于对桨距角进行调整，具体包括如下步骤：
针对桨距角的改变，按照桨距角允许的最大改变速度Δβmax，对桨距角进行改变；
实时对双馈异步风力发电机的风能利用系数进行计算，并进行判断：
若当前的风能利用系数与设定的风能利用系数之间的误差小于或等于设定值，则认定桨距角改变完成，停止改变桨距角；
若当前的风能利用系数与设定的风能利用系数之间的误差大于设定值，则认定桨距角改变未完成，继续对桨距角进行改变。
7.一种实现权利要求1～6之一所述的电力系统双馈异步风力发电机的控制方法的系统，其特征在于包括数据获取模块、惯性控制模块、减载模块、桨距角调整模块和风电控制模块；数据获取模块、惯性控制模块、减载模块、桨距角调整模块和风电控制模块依次串接；数据获取模块用于获取目标电力系统和目标双馈异步风力发电机风电场的数据信息，并将数据信息上传惯性控制模块；惯性控制模块用于引入惯性控制实现对双馈异步风力发电机的转动动能的释放，并每隔设定时间对双馈异步风力发电机的风机转速进行修正，并将数据信息上传减载模块；减载模块用于根据接收到的数据信息，对双馈异步风力发电机进行变桨距角减载，并将数据信息上传桨距角调整模块；桨距角调整模块用于根据接收到的数据信息，当系统频率超出设定范围，则将下垂控制与双馈异步风力发电机的桨距角结合，对双馈异步风力发电机的桨距角进行调整，并将数据信息上传风电控制模块；风电控制模块用于根据接收到的数据信息，控制数据获取模块、惯性控制模块、减载模块和桨距角调整模块重复工作，完成电力系统的双馈异步风力发电机的控制。
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