CN102403732A - 双馈风力发电机组的虚拟惯性控制方法 - Google Patents

Abstract

一种双馈风力发电机组的虚拟惯性控制方法，用于提高电网的暂态稳定性。其技术方案是：它是在最大功率跟踪控制策略的基础上，实时测量电网频率的变化量，并根据电网频率的变化量计算新的功率跟踪曲线的比例系数，切换功率跟踪曲线，快速调节风电机组有功输出，通过双馈风力发电机组自身转速及动能的变化缓解电网频率的突变量，进而对系统惯性起到支持作用。本发明在最大功率跟踪控制策略的基础上，根据电网频率变化和当前运行状态，实时调节功率跟踪曲线，向电网提供动态功率支撑，并通过释放或储存转子动能来缓解电网的频率突变，从而改善了风电场接入电网后降低系统惯量的不利影响，提高了电网的暂态稳定性。

Description

双馈风力发电机组的虚拟惯性控制方法

技术领域

本发明涉及一种双馈风力发电机组的控制方法，可使风电机组在电网有功突变时，通过释放或吸收转子的动能，对电网提供动态频率支持，提高系统的暂态稳定性，属控制技术领域。

背景技术

电力系统的惯量反映了系统阻止频率突变的能力，所有的同步发电机组及部分电动机负荷均可以对系统的惯量提供支持。但是，基于电力电子变流器并网的双馈风力发电机组在实现对风电机组最大功率跟踪控制的同时，使得风力机的转速和电网频率之间不再存在耦合关系，而现有风电机组的控制系统对电网频率变化也没有任何响应措施，因而其旋转动能被“隐藏”起来，对电力系统的惯量几乎没有贡献。

目前，大规模风电场并网后导致系统惯量降低的问题虽然已引起风机厂商的高度重视，但关于双馈风电机组的惯性控制技术尚未有实际应用，致使电网的暂态稳定性下降。因此，风电机组的惯性控制模块仍需进一步开发，以实现风电场对电网的动态频率支持。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种双馈风力发电机组的虚拟惯性控制方法，以减小风电渗透率的提高对系统惯量及频率稳定性造成的不利影响。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种双馈风力发电机组的虚拟惯性控制方法，它是在最大功率跟踪控制策略的基础上，实时测量电网频率的变化量，并根据电网频率的变化量计算新的功率跟踪曲线的比例系数，切换功率跟踪曲线，快速调节风电机组有功输出，通过双馈风力发电机组自身转速及动能的变化缓解电网频率的突变量，进而对系统惯性起到支持作用，具体步骤如下：

a．采用最大功率跟踪控制策略对双馈风力发电机组进行控制：

发电机有功参考指令

为：

_，

式中，P _max为双馈风电机组输出有功功率限幅值，ω ₀为双馈风电机组的切入电角速度；ω ₁为双馈风电机组进入转速恒定区时的电角速度；ω _max为双馈风电机组角速度限幅值，ω _r为双馈风电机组的电角速度，k _opt为最大功率跟踪曲线的比例系数；

b．实时测量电网频率变化量D|，并利用下式计算新的功率跟踪曲线的比例系数

：

   k _opt ，

_，

式中，Dw _r分别为双馈风电机组角速度增量；Dw _e为系统同步角速度增量；

c．用新的功率跟踪曲线的比例系数

取代原控制策略中的最大功率跟踪曲线的比例系数k _opt，切换功率跟踪曲线，实现风电场对电网的动态频率支持。

上述双馈风力发电机组的虚拟惯性控制方法，为确保功率跟踪曲线在任意风速下都有稳定工作点，需设置新的功率跟踪曲线的比例系数

的上限值k _max和下限值k _min，将其取值范围限制为

_。

本发明在最大功率跟踪控制策略的基础上，根据电网频率变化和当前运行状态，实时调节功率跟踪曲线，向电网提供动态功率支撑，并通过释放或储存转子动能来缓解电网的频率突变，从而改善了风电场接入电网后降低系统惯量的不利影响，提高了电网的暂态稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是最大功率跟踪曲线；

图2是本发明的功率跟踪曲线切换原理图；

图3是本发明的控制原理图。

图中和文中各符号为：P _max 、双馈风电机组输出有功功率限幅值，w _r 、双馈风电机组的电角速度，ω ₀ 、双馈风电机组的切入电角速度；ω ₁ 、双馈风电机组进入转速恒定区时的电角速度；ω _max 、双馈风电机组角速度限幅值，| 、电网频率，|^*  、工频50Hz； 、发电机有功参考指令；Dw _r  、双馈风电机组角速度增量；Dw _e 、系统同步角速度增量；P _opt(w _r) 、最大功率跟踪控制曲线；k _opt 、最大功率跟踪曲线的比例系数；D| 、实时测量电网频率变化量， 、新的功率跟踪曲线的比例系数；k _max 、的上限值；k _min、

的下限值；l 、转速调节系数。

具体实施方式

本发明在确保风电机组动态调节过程中具有稳定工作点的前提下，使其能够根据电网频率误差信号，快速调节风电机组有功输出，从而分担电网有功功率的突变，通过自身转速及动能的变化缓解电网频率的突变量，进而对系统惯性起到支持作用。

本发明在最大功率跟踪控制策略的基础上对其进行优化，使双馈风电机组的有功及转速调节通过切换最大功率跟踪曲线实现。该方法根据电网频率误差信号，计算功率跟踪曲线的比例系数，使双馈风电机组在系统频率突变后，迅速提供有功支持，并在频率误差减小后，平稳过渡到最大功率跟踪运行状态。该方法同时可确保在调速过程中双馈风电机组运行的稳定性，即使风速变化，新的功率跟踪曲线也会和风力机的特性曲线有稳定的工作点。

参看图1，双馈风电机组的最大功率跟踪控制曲线P _opt(w _r)可分为：起动阶段、最大功率跟踪区(C _P恒定区)、转速恒定区和功率恒定区，可由图1和式(1)表示。而发电机有功参考指令

可由角速度反馈ω _r给出：

      ，                    (1)

式中，最大功率跟踪曲线的比例系数定义为k _opt。

双馈风电机组在最大功率跟踪控制过程中，转子侧变流器仅根据风电机组转速变化调节有功输出。当电网有功扰动时，风电机组仍然遵循其控制指令向电网输送功率，不能分担系统有功的变化，无法对系统扰动提供惯性支持。因此，若使和电网频率没有直接耦合的风电机组具有惯性，需将电网频率变化引入风电机组控制系统。

图2给出了在虚拟惯性控制过程中双馈风电机组输出功率的变化轨迹。在系统有功突增导致频率突降时，需要双馈风电机组降低转速释放动能，若其运行点将从A点移动至B点，对应的电角速度分别为ω _r0和ω _r1，在风速不变和调速范围不大的情况下，这两点的功率近似相等，即

                                      (2)

式中，

为采用虚拟惯性控制之后的功率跟踪曲线的比例系数，ω _r1可由频率变化量D|表示为

                         (3)

式中，Dw _r分别为双馈风电机组角速度增量；Dw _e为系统同步角速度增量。

新的功率跟踪曲线的比例系数可由下式计算：

                                   (4)

式中，l定义为转速调节系数，

。

引入频率误差信号后，可由式(4)计算功率跟踪曲线的比例系数

，取代原控制策略中固定的比例系数k _opt，从而根据频率误差大小调节转速变化，利用风电机组的存储动能改善系统频率的动态响应。为确保功率跟踪曲线在任意风速下都有稳定工作点，需对

的幅值进行限制，即

（极限值选取应根据机组实际情况而定，能确保切换后的功率跟踪曲线与风力机特性曲线有稳定的工作点即可，满足工作点稳定的前提下限制范围越大，双馈风电机组虚拟惯量的上限也就越大），对应的功率跟踪曲线分别为P _{opt_min}和P _{opt_max}。

若风速为9m/s，双馈风电机组运行在最大功率跟踪状态，运行点稳定在最大功率跟踪曲线上的A点。当电网出现大的功率缺额后，系统频率迅速降低，由于有功突变初期频率变化较快，

将迅速增加到饱和值k _{opt_max}，即功率跟踪曲线由P _opt快速切换到P _{opt_max}，风电机组有功输出由P _A突变到P _O；由于发电机输出的电磁功率大于风力机捕获的机械功率，转速降低，输出功率由O点沿功率跟踪曲线P _{opt_max}降低至B点；随着系统一次调频使得频率误差Δf逐渐减小，

由k _{opt_max}逐渐减小至k _opt，由于这个过程持续时间较长，功率跟踪曲线由P _{opt_max}逐渐且缓慢切换到P _opt，风电机组有功输出沿着曲线BA平稳返回至A点，避免风电场在恢复至最大功率跟踪状态过程中对电网产生较大的扰动。在此过程中，风电机组输出功率沿着曲线A→O→B→A变化，释放了转子动能，分担了系统突变的功率，从而减小了系统频率的降低值。同理可分析风电机组吸收动能时的运行特性。

双馈风力发电机组的虚拟惯性控制方法的原理框图如图3所示，其中频率的隔直环节可避免风电机组在电网稳态频率误差时参与调节。双馈风电机组根据频率误差信号Δf计算功率跟踪曲线比例系数

，在限幅范围内实现功率跟踪曲线的切换，快速调节有功功率。

Claims (2)

1.一种双馈风力发电机组的虚拟惯性控制方法，其特征是，它是在最大功率跟踪控制策略的基础上，实时测量电网频率的变化量，并根据电网频率的变化量计算新的功率跟踪曲线的比例系数，切换功率跟踪曲线，快速调节风电机组有功输出，通过双馈风力发电机组自身转速及动能的变化缓解电网频率的突变量，进而对系统惯性起到支持作用，具体步骤如下：

a．采用最大功率跟踪控制策略对双馈风力发电机组进行控制：

发电机有功参考指令                                                

为：

，

式中，P _max为双馈风电机组输出有功功率限幅值，ω ₀为双馈风电机组的切入电角速度；ω ₁为双馈风电机组进入转速恒定区时的电角速度；ω _max为双馈风电机组角速度限幅值，ω _r为双馈风电机组的电角速度，k _opt为最大功率跟踪曲线的比例系数；

b．实时测量电网频率变化量D|，并利用下式计算新的功率跟踪曲线的比例系数

：

   

k _opt  ，

，

式中，Dw _r分别为双馈风电机组角速度增量；Dw _e为系统同步角速度增量；

c．用新的功率跟踪曲线的比例系数

取代原控制策略中的最大功率跟踪曲线的比例系数k _opt，切换功率跟踪曲线，实现风电场对电网的动态频率支持。

2.根据权利要求1所述双馈风力发电机组的虚拟惯性控制方法，其特征是，设置功率跟踪曲线的比例系数

的上限值k _max和下限值k _min，将其取值范围限制为。

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