一種針對雙饋風機的阻尼增強型控制方法與流程

2023-12-04 15:54:17

本發明涉及一種針對雙饋風機的系統阻尼增強方法，尤其涉及了一種針對雙饋風機的阻尼增強型頻率下垂控制方法。

背景技術：

隨著電網中風力發電的滲透率日益增長，傳統同步發電機所佔的發電比例越來越小，大規模、高比例的風電併網給能源結構的優化與環境問題的緩解帶來了嶄新機遇，為但同時也為電網的運行和控制提出了嚴峻的挑戰，如傳統運行於最大功率追蹤等控制下的風電機組無法為電網提供慣性與有功功率支撐等。

頻率下垂控制與虛擬同步機控制通過模仿傳統同步發電機的外特性，可以使風電機組為電網提供慣性與有功支撐，從而提高系統的頻率穩定性，保障電網的安全穩定運行。研究表明通過配置頻率下垂係數可以提高頻率下垂控制雙饋風機的同步穩定域，但同時也會弱化系統阻尼，導致系統動態性能變差。

技術實現要素：

為了解決現有技術中頻率下垂控制或虛擬同步機控制下雙饋風力發電機由於配置下垂係數以滿足同步穩定裕度時引起系統阻尼變弱的問題，本發明提出一種針對雙饋風機的阻尼增強型頻率下垂控制方法，採用在頻率下垂控制中引入關於電網頻率的附加阻尼項的方法增加系統等效阻尼，該附加阻尼項不影響雙饋風機的虛擬功角-轉速平衡點和同步穩定裕度，因此可用於補償由於配置下垂係數以滿足雙饋風機同步穩定裕度而引起的系統阻尼變弱。

本發明的技術方案採用：

本發明針對頻率下垂控制或虛擬同步機控制下雙饋風力發電機由於配置下垂係數以滿足同步穩定裕度時引起系統阻尼變弱的問題，採用在頻率下垂控制中引入關於電網頻率的附加阻尼項的方法增加系統等效阻尼，如圖1所示，在逆變器的頻率下垂控制(慣性模擬係數J＝0)或虛擬同步機控制(慣性模擬係數J≠0)中引入關於電網角頻率的附加阻尼項Dassist(ωsf-ωg)，該附加阻尼項的引入不影響雙饋風機的虛擬功角-轉速平衡點和同步穩定裕度，因此可補償由於配置下垂係數以滿足雙饋風機同步穩定裕度而引起的系統阻尼變弱。

所述阻尼增強型頻率下垂控制雙饋風機的磁鏈輸出角頻率ωsf通過以下方式控制：

其中，ωsf是雙饋風機的磁鏈輸出角頻率，ω0是角頻率設定值，KP是下垂係數，Pref是有功功率參考值，PE是雙饋風機的輸出有功功率，Dassist是附加阻尼係數，ωg是電網角頻率。

在頻率下垂控制中，還可以引入慣性模擬項Jdωsf/dt，使所述的阻尼增強型頻率下垂控制雙饋風機的磁鏈輸出角頻率ωsf通過以下方式控制：

其中，J是慣性模擬係數，ωsf是雙饋風機的磁鏈輸出角頻率，ω0是角頻率設定值，KP是下垂係數，Pref是有功功率參考值，PE是雙饋風機的輸出有功功率，Dassist是附加阻尼係數，ωg是電網角頻率。

進一步地，所述的雙饋風機虛擬功角通過對該阻尼增強型頻率下垂控制輸出的磁鏈角頻率與電網角頻率之差即(ωsf-ωg)積分獲取。

本發明的有益效果是：

本發明解決了頻率下垂控制下雙饋風力發電機由於配置下垂係數以滿足同步穩定裕度時引起系統阻尼變弱的問題，通過配置附加阻尼係數增加系統等效阻尼，且該附加阻尼項不影響雙饋風機的虛擬功角-轉速平衡點和同步穩定裕度，從而可補償由於配置下垂係數以滿足雙饋風機同步穩定裕度而引起的系統阻尼變弱。本發明控制方法也可應用於採用虛擬同步機控制的雙饋風機，使頻率下垂控制或虛擬同步機控制的雙饋風機在具有期望的同步穩定裕度的同時，也具有期望的阻尼特性，改善電網的動態特性與穩定性。

附圖說明

圖1為本發明針對雙饋風機的阻尼增強型頻率下垂控制方法的示意圖；

圖2為本發明的雙饋風機併入無窮大電網的控制結構圖；

圖3為本發明的頻率下垂控制雙饋風機的轉速-電磁功率平衡點示意圖；

圖4為本發明的頻率下垂控制雙饋風機在電網頻率波動時的新轉速-電磁功率平衡點示意圖；

圖5為本發明的頻率下垂控制雙饋風機的同步穩定邊界示意圖；

圖6為實施例仿真驗證中採用傳統頻率下垂控制且下垂係數不同的雙饋風機在頻率跌落時的轉速和電磁功率響應；

圖7為實施例仿真驗證中採用傳統頻率下垂控制且下垂係數不同的雙饋風機在頻率跌落時的定子磁鏈角頻率響應；

圖8為實施例仿真驗證中採用阻尼增強型頻率下垂控制且附加阻尼係數不同的雙饋風機在頻率跌落時的定子磁鏈角頻率響應；

圖9為實施例仿真驗證中採用阻尼增強型頻率下垂控制且附加阻尼係數不同的雙饋風機在頻率跌落時的轉子轉速響應。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是對本發明一部分實例，而不是全部的實例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

雙饋風機的轉子側逆變器經常採用頻率下垂控制或虛擬同步機控制從而實現在弱電網或微電網中實現無通訊的功率均分以及有功功率支撐。在轉子側逆變器的電壓電流控制中，常採用間接磁鏈定向控制實現風機定子磁鏈以及機端電壓的定向。典型結構如圖2所示，部分變量及物理意義如下表1所示。以下公式中涉及的變量如不特別說明，計算時均採用標么值。

表1本發明附圖中部分系統變量的符號定義與說明

在間接磁鏈定向控制下，當系統達到穩態時，定子磁鏈將定向於d軸，而機端電壓將被定向於q軸，定義q軸與電網電壓之間的夾角為雙饋風機的虛擬功角，即其動態方程可寫為：

dδ′/dt＝(ωsf-ωg)×ω0 (1)

虛擬同步機控制的控制方程如式(2)所示，其中，J為模擬同步發電機慣性的慣性係數，當J＝0時，式(2)退化為頻率下垂控制方程。式(2)中有功功率的參考值來源於風機的最大功率跟蹤特性或減載特性，如式(3)所示，fDL(ωr)表示風機的最大功率跟蹤特性或減載特性函數，KDL是最大功率跟蹤係數或減載係數。風機的輸出功率表達式如式(4)所示。

風機轉子的單質點運動方程如式(5)所示，其中，Ta>0是風機的等效慣性時間常數，D是風機的阻尼係數，PM是風機槳葉捕獲的機械功率，在風速υ固定的情況下，可表示為關於轉子轉速ωr的函數fM(ωr)，如式(6)所示。

其中，fM(ωr)是在風速與槳距角固定時風機槳葉捕獲的機械功率PM與轉子轉速ωr的函數，K1是風能捕獲係數，其與空氣密度、風輪半徑等有關，Cp為功率係數，它是葉尖速比(λ＝K2ω/υ)和槳距角β的非線性函數，可以看出，在風速υ(m/s)與槳距角固定(β＝0)的情況下，PM只和轉子轉速ωr相關，且可以表示為式(7)的形式。

其中，C1,C2,C3,C4是功率係數計算相關的參數。

聯立上述式(1)-(6)可得關於電網頻率的風機虛擬功角-轉速特徵方程：

由式(8)可解得關於電網頻率的風機轉速平衡點為以下公式：

ωre＝max(ωr1,ωr2) (9)

其中，ωre是風機的轉速平衡點，ωr1和ωr2是以下方程成立時ωr的兩個不同解：

圖3給出了由式(8)所求得的風機轉速與電磁功率平衡點，其中，實線部分為方程KP(fDL(ωr)-PE)+ω0-ωg＝0的解，虛線部分為的解，兩者的交點即為式(8)的平衡點，該平衡點處所對應的轉速即為式(9)所求解。

從式(10)中可以看出當電網頻率波動時，風機的轉子轉速會達到不同的平衡點，在暫態過程中風機的旋轉部分會釋放或吸收動能從而達到為電網提供有功功率支撐的目的，即：

其中，ωre(new)是頻率波動時暫態過程中期望到達的轉速平衡點，ωre(0)是額定電網頻率下風機的轉速平衡點，Eassist是滿足暫態有功支撐能力要求的風機轉子動能釋放總合(Eassist可取為負)，Ta>0是風機的等效慣性時間常數。

圖4給出了風機在電網頻率波動時雙饋風機所到達的新平衡點示意圖。其中，由於電網頻率下跌(上升)時ω0-ωg≠0，因此方程KP(fDL(ωr)-PE)+ω0-ωg＝0的解相比於額定電網頻率時向上(向下)偏移，從而導致暫態過程中風機會到達新的頻率點，如圖3所示，在此過程中，風機釋放(吸收)旋轉部分的動能從而為電網提供有功功率支撐。

方程KP(fDL(ωr)-PE)+ω0-ωg＝0的解在頻率波動時的偏移程度不僅與電網頻率的波動程度有關，還與頻率下垂控制的下垂係數KP有關。從圖4中可以看出，當KP(fDL(ωr)-PE)+ω0-ωg＝0的解偏移程度太大時，可能會與的解沒有交點，從而導致雙饋風機發生同步失穩，其轉速將不斷下降並導致風機從電網中切除。由於風機切除後無法為電網提供頻率支撐，因此風機的同步失穩將惡化電網的頻率穩定性。圖5給出了由不同風速下的臨界運行點組成的頻率下垂控制或虛擬同步機控制下雙饋風機的同步穩定邊界，可以看出，頻率波動時KP(fDL(ωr)-PE)+ω0-ωg＝0的解偏移程度越小，其同步穩定裕度越大。

由於增大KP可以減小KP(fDL(ωr)-PE)+ω0-ωg＝0的解在頻率波動時的偏移程度，因此可以提高雙饋風機系統的同步穩定性，但是由於(1/KP)等效於同步發電機運動方程中的阻尼項，因此增大KP等效於減小系統的等效阻尼，從而惡化系統的動態響應特性。

而利用本發明提出的針對雙饋風機的阻尼增強型控制方法，如圖1所示，其控制方程可以表示為：

其中，J為慣性模擬係數，Dassist為附加阻尼係數，Dassist(ωsf-ωg)為關於電網頻率的附加阻尼項，當J＝0時，退化為頻率下垂控制方法。由於穩態下有ωsf＝ωg，因此該附加阻尼項不影響雙饋風機的虛擬功角-轉速平衡點和同步穩定裕度，從而可補償由於配置下垂係數以滿足雙饋風機同步穩定裕度而引起的系統阻尼變弱。

以雙饋風機併入無窮大系統為例，如圖2所示，以仿真電磁暫態仿真(MATLAB/Simulink)驗證本發明方法的有效性，電磁暫態仿真中風機轉子側的逆變器電壓電流採用含電流內環的間接磁鏈定向控制，定子磁鏈頻率採用頻率下垂控制，機端電壓控制採用電壓下垂控制，風機的功率追蹤採用減載控制，實施例仿真驗證中系統主要變量的參數值如下表2所示。假定風速為υ＝10m/s，仿真從t＝0s時刻開始，且在t＝2s時刻電網發生頻率跌落。

表2實施例仿真驗證中系統主要變量的參數值

設電網頻率跌落幅度為Δf＝-0.3Hz且雙饋風機採用傳統頻率下垂控制，圖6給出了雙饋風機的轉速和電磁功率響應，可以看出，當頻率下垂係數KP＝0.02時，風機發生同步失穩，其轉速不斷下降且無法到達穩定平衡點。而當KP＝0.04時，風機可以到達穩定的平衡點(同步穩定)。可以看出，增大頻率下垂係數KP可以提高雙饋風機的同步穩定裕度，避免其在電網頻率波動時發生同步失穩。

但同時，增大頻率下垂係數KP會弱化系統的阻尼，使系統的動態響應特性變差。圖7給出了電網頻率跌落幅度為Δf＝-0.2Hz時，不同頻率下垂係數KP下雙饋風機的定子磁鏈角頻率響應特性。可以看出，隨著KP的增大，系統的阻尼變弱，動態響應特性明顯變差。

設電網在t＝2s發生Δf＝-0.2Hz的頻率跌落並在t＝10s頻率恢復且雙饋風機採用本發明所提出的阻尼增強型頻率下垂控制方法，圖8和圖9分別給出了不同附加阻尼係數下，雙饋風機的定子磁鏈角頻率和轉速響應特性。可以看出，隨著附加阻尼係數的增大，系統的阻尼增強，動態特性明顯變好，且由圖9可見雙饋風機的轉速響應特性不變，因此，附加阻尼項的引入不會影響雙饋風機的暫態平衡點及其同步穩定裕度，可用於補償由於配置下垂係數以滿足雙饋風機同步穩定裕度而引起的系統阻尼變弱。

本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明做出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。