CN105281623A - 双馈感应风机虚拟惯性控制方法 - Google Patents

Abstract

一种双馈感应风机虚拟惯性控制方法，涉及风电技术领域，所解决的是减小调频过程对风机转速及系统稳定性影响的技术问题。该方法为双馈感应风机配置一个包含有虚拟惯性控制模块、转速延时恢复模块、转速保护模块的虚拟惯性控制系统；并将转速延时恢复模块的触发条件设定为：以双馈感应风机的输出功率参考值变化率小于0为判定条件，在双馈感应风机的输出功率参考值减小至最优功率时触发转速恢复功能启动。本发明提供的方法，能有效避免虚拟惯性控制模块作用初期转速恢复功能出现误启动。

Description

双馈感应风机虚拟惯性控制方法

技术领域

本发明涉及风电技术，特别是涉及一种双馈感应风机虚拟惯性控制方法的技术。

背景技术

近年来，风力发电技术以其环保、高效、安全等特点得到广泛应用。然而，随着大规模风力发电机组渗透率的提高，其对大电网稳定性所造成的影响不容忽视。传统的大规模风电并网主要依靠电网的一次调频来维持系统频率的稳定，如今，学者们将关注的目光转向风电机组本身，通过设计变速恒频风力发电机组的频率控制策略应对风电场的频率变化。

现有的变速恒频风力发电机组的频率控制策略主要有以下三种：1)虚拟惯性控制策略；2)桨距角控制策略；3)运行曲线切换控制策略。其中，桨距角控制策略及运行曲线切换控制策略均以降低正常运行时的输出功率为前提，通过预留一定的备用功率实现风电场的调频，因此又称为备用功率控制策略。虚拟惯性控制策略则是通过吸收或释放隐藏在转子中的转动动能，降低或提供风机输出的电磁功率，参与风电场的调频。这种方法在提高风电机组的运行效率与调频的响应速度方面具有优势，故称为近几年风电场频率控制研究的热点。

在2009年13期的《电力系统自动化》第33卷中，曹军等人提出了一种变速恒频双馈风电机组频率控制策略，如图1所示，该策略为双馈感应风机配置一个包含有虚拟惯性控制模块、转速延时恢复模块、转速保护模块的虚拟惯性控制系统；

利用虚拟惯性控制模块控制双馈感应风机的输出功率参考值，使得双馈感应风机的输出功率参考值与风电系统的微电网频率相关联，在风电系统的微电网频率发生改变时对双馈感应风机的输出功率参考值进行相应的调整，从而实现对风电系统微电网频率的调频；

为提高频率变化的响应速度和灵敏度，虚拟惯性控制模块中采用了df/dt和△f两个辅助控制回路，其中的df/dt辅助控制回路根据风电系统的微电网频率变化率对双馈感应风机的最大功率跟踪参考值P_MPPT进行修正，△f辅助控制回路根据风电系统的微电网频率变化量对双馈感应风机的最大功率跟踪参考值P_MPPT进行修正；

df/dt辅助控制回路通过风电系统的微电网频率变化率来获得额外的有功参考信号，双馈感应风机具有虚拟的惯性响应，df/dt辅助控制回路增加的功率参考值为： $P_{f1}=K_1\frac{df}{dt};$

△f辅助控制回路模拟传统同步发电机的有功-频率下垂特性，通过频率偏差和有功功率变化值之间的下降比例关系来获得额外的有功参考信号，根据风电系统的微电网频率变化量来调节双馈感应风机的有功功率输出，△f辅助控制回路增加的功率参考值为：P_f2＝K₂(f-f₀)；

整个虚拟惯性控制模块额外增加的总参考功率为：P_f＝P_f1+P_f2；

当风电系统的微电网频率发生偏移时，虚拟惯性控制模块可以通过迅速调整总参考功率，改变双馈感应风机输出的有功功率，从而减小风电系统的微电网频率的偏移量，提高风电系统的频率稳定性；

功率的变化导致双馈感应风机转子转速的改变，转速延时恢复模块用于维持双馈感应风机的稳定运行，使双馈感应风机转子转速尽快恢复至最优转速以更好的应对下一次调频，图1中的ω为双馈感应风机转子的转速，ω_ref为参考转速，转速偏差通过PI控制器进行调节，参考转速ω_ref的选取主要依据实时测量的风速，由风速计算双馈感应风机捕获最大风能时的最优功率P_opt，并通过功率—转速最优曲线得到此风速下转子最优转速参考值ω_ref；

虚拟惯性控制模块与转速延时恢复模块的物理过程恰好是相反的，为了避免转速延时恢复模块与虚拟惯性控制模块同时启动，使转速恢复功能对虚拟惯性的有功支撑作用削弱，通常都在虚拟惯性控制启动后设定5～30s的延时，再触发转速恢复功能；

转速保护模块的作用是当双馈感应风机因参与深度调频导致转速越限时，及时退出虚拟惯性控制模块，以保护双馈感应风机转子转速维持在安全范围内。

上述虚拟惯性控制策略在传统虚拟惯性控制策略的基础上，提出包含频率控制、转速延时恢复、转速保护系统和与常规机组配合等4个功能模块，不仅对暂态频率偏差具有快速的响应能力，而且能够使转子转速以更快的速度恢复到最佳运行状态，使得变速双馈机组参与系统调频的理论更加契合实际情况。但是，在转速延时恢复功能模块的设计上，该方法对转速恢复时间仅按照实践经验在虚拟惯性控制启动后设定5～30s的延时，在精确程度上有所欠缺，不能够最大程度减小调频过程对风机转子转速以及系统稳定性的影响，容易在虚拟惯性控制模块作用初期，转速恢复功能出现误启动。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够最大程度减小调频过程对风机转子转速以及系统稳定性的影响，能避免在虚拟惯性控制模块作用初期转速恢复功能出现误启动的双馈感应风机虚拟惯性控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种双馈感应风机虚拟惯性控制方法，涉及包含有双馈感应风机的风电系统，该方法为双馈感应风机配置一个包含有虚拟惯性控制模块、转速延时恢复模块、转速保护模块的虚拟惯性控制系统；

所述虚拟惯性控制模块用于控制双馈感应风机的输出功率参考值，使得双馈感应风机的输出功率参考值与风电系统的微电网频率相关联，在风电系统的微电网频率发生改变时对双馈感应风机的输出功率参考值进行相应的调整，从而实现对风电系统微电网频率的调频；

所述转速延时恢复模块用于维持双馈感应风机的稳定运行，使双馈感应风机转子转速能在虚拟惯性控制启动后延时恢复至最优转速；

所述转速保护模块用于保护双馈感应风机，使得双馈感应风机的转子转速能维持在安全范围内；

其特征在于：该方法将转速延时恢复模块的触发条件设定为：

并且P_ref＝P_opt；

其中，P_ref为双馈感应风机的输出功率参考值，P_opt为双馈感应风机的最优功率，是指双馈感应风机的输出功率参考值变化率。

本发明提供的双馈感应风机虚拟惯性控制方法，针对虚拟惯性控制策略设计了转速恢复模块的触发条件，可以在不影响虚拟惯性控制的调频作用的前提下，使得转速在第一时间启动恢复功能，尽快恢复至最佳转速，既保证了风机的安全稳定运行，又进一步提高了风电场及整个电力系统的稳定性，能够最大程度减小调频过程对风机转子转速以及系统稳定性的影响，能避免在虚拟惯性控制模块作用初期转速恢复功能出现误启动。

附图说明

图1是双馈感应风机虚拟惯性控制方法的控制原理图；

图2是虚拟惯性控制过程各功率分量及转子转速变化的趋势曲线图；

图3是本发明实施例的双馈感应风机虚拟惯性控制方法的虚拟惯性控制仿真结果系统频率曲线图，图3中的竖轴为系统频率数值轴，横轴为时间轴，图3中的两条曲线中，虚线为未采用虚拟惯性控制时的系统频率曲线，实线为采用本发明实施例的方法进行虚拟惯性控制时的系统频率曲线；

图4是本发明实施例的双馈感应风机虚拟惯性控制方法的虚拟惯性控制仿真结果有功功率曲线图，图4中的竖轴为双馈感应风机的有功功率数值轴，横轴为时间轴，图4中的两条曲线中，虚线为未采用虚拟惯性控制时的双馈感应风机有功功率曲线，实线为采用本发明实施例的方法进行虚拟惯性控制时的双馈感应风机有功功率曲线；

图5是本发明实施例的双馈感应风机虚拟惯性控制方法的与采用5s转速延时恢复模块的仿真结果转速曲线比较图，图5中的竖轴为双馈感应风机的转子转速数值轴，横轴为时间轴，图5中的两条曲线中，虚线为采用5s转速延时恢复模块时的双馈感应风机转子转速曲线，实线为采用本发明实施例的方法时的双馈感应风机转子转速曲线；

图6是本发明实施例的双馈感应风机虚拟惯性控制方法的与采用5s转速延时恢复模块的仿真结果有功功率曲线比较图，图6中的竖轴为双馈感应风机的有功功率数值轴，横轴为时间轴，图6中的两条曲线中，虚线为采用5s转速延时恢复模块时的双馈感应风机有功功率曲线，实线为采用本发明实施例的方法时的双馈感应风机有功功率曲线。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围，本发明中的顿号均表示和的关系。

如图1所示，本发明实施例所提供的一种双馈感应风机虚拟惯性控制方法，涉及包含有双馈感应风机的风电系统，该方法为双馈感应风机配置一个包含有虚拟惯性控制模块、转速延时恢复模块、转速保护模块的虚拟惯性控制系统；

所述虚拟惯性控制模块用于控制双馈感应风机的输出功率参考值，使得双馈感应风机的输出功率参考值与风电系统的微电网频率相关联，在风电系统的微电网频率发生改变时对双馈感应风机的输出功率参考值进行相应的调整，从而实现对风电系统微电网频率的调频；

所述转速延时恢复模块用于维持双馈感应风机的稳定运行，使双馈感应风机转子转速能在虚拟惯性控制启动后延时恢复至最优转速；

所述转速保护模块用于保护双馈感应风机，使得双馈感应风机的转子转速能维持在安全范围内；

其特征在于：该方法将转速延时恢复模块的触发条件设定为：

并且P_ref＝P_opt；

其中，P_ref为双馈感应风机的输出功率参考值，P_opt为双馈感应风机的最优功率，是指双馈感应风机的输出功率参考值变化率。

本发明实施例的控制原理如下：

双馈感应风机的转子运动方程为：

$J\frac{d\mathrm{\ω}}{dt}=M_T-M_e$

其中，J为双馈感应风机转子的转动惯量，其值为常数，ω为双馈感应风机转子的转速，M_T为原动机的转矩，M_e为发电机的电磁转矩；

图2为虚拟惯性控制过程各功率分量及转子转速变化的趋势曲线图，如图2所示，假设在调频过程中原动机的转矩不变，则当风电系统的微电网频率降低时，双馈感应风机在虚拟惯性控制作用下增加输出功率，使得M_T<M_e，此时双馈感应风机转子的转速ω下降，MPPT控制得到的最大功率跟踪参考值P_MPPT也随之下降，随着频率偏差的减小，P_f也逐渐减小，设M_e减小到与M_T相等的时刻为t1时刻，则在t1时刻，ω达到最小值，双馈感应风机转子的转速开始恢复，在双馈感应风机转子的转速恢复过程中，P_MPPT逐渐增大并恢复到该风速下的最优功率，双馈感应风机继续实行最大功率跟踪控制策略，以最优转速运行。

从图2可以看出，双馈感应风机的转子转速恢复功能启动的最佳时机为t1时刻，如果采用传统的在虚拟惯性控制启动后延时5～30s启动转速恢复功能会大大降低双馈感应风机调频的效率，且采取经验值缺乏一定的精确性，在实际风电场应用中也存在一定的难度和风险。

为实现转速恢复功能启动的最佳时机，分析t1时刻双馈感应风机输出功率参考值所满足的条件可以发现，由于双馈感应风机转子所隐含的机械功率向输出的电磁功率转换，双馈感应风机转子的转速下降，随之其根据MPPT控制所得的最大功率P_MPPT也相应减小了，因此双馈感应风机的输出功率参考值P_ref处于下降阶段，且在t1时刻恰好下降至最优功率P_opt，因此以双馈感应风机的输出功率参考值变化率小于0为判定条件，在双馈感应风机的输出功率参考值P_ref减小至最优功率P_opt时触发转速恢复功能启动，能有效避免虚拟惯性控制模块作用初期，输出功率为P_opt时刻转速恢复功能出现误启动，既可以帮助双馈感应风机转子的转速快速恢复到最优转速，又避免了转速恢复对虚拟惯性控制的有功支撑作用的影响，并且在时效性上最优，减小了虚拟惯性控制作用对双馈感应风机及风电系统的影响时间，极大提高了虚拟惯性控制的执行效率。

本发明实施例的方法通过单台双馈感应风机进行了仿真验证，验证过程如下：

假设一台额定容量为2MW的双馈感应风机在额定风速下运行，为2MW的恒功率负荷供电，作为一个小型的供电系统并入大电网，此时系统内部的功率保持平衡，频率稳定在额定频率50Hz；

当负荷增加1MW时，系统内出现短时的功率缺额，造成频率的跌落，在大电网向系统内注入相应的功率填补该缺额前，双馈感应风机虚拟惯性控制将发挥其作用，通过降低转子转速来增大输出功率，填补短时功率缺额，实现稳定系统内部频率的作用，虚拟惯性控制的仿真结果见图3、图4；

当外部功率的输入使得系统内功率达到平衡后，虚拟惯性控制作用减弱，转速开始恢复，图5、图6比较了采用5s转速延时恢复模块与采用本发明实施例的方法的仿真结果；仿真结果表明，采用本发明实施例的方法在不影响虚拟惯性控制作用的同时，能使双馈感应风机的转子转速恢复加快，且双馈感应风机能更快恢复至最大功率输出状态，能提高新能源的利用效率，更好地为下一次调频做准备。

Claims (1)

1.一种双馈感应风机虚拟惯性控制方法，涉及包含有双馈感应风机的风电系统，该方法为双馈感应风机配置一个包含有虚拟惯性控制模块、转速延时恢复模块、转速保护模块的虚拟惯性控制系统；

所述虚拟惯性控制模块用于控制双馈感应风机的输出功率参考值，使得双馈感应风机的输出功率参考值与风电系统的微电网频率相关联，在风电系统的微电网频率发生改变时对双馈感应风机的输出功率参考值进行相应的调整，从而实现对风电系统微电网频率的调频；

所述转速延时恢复模块用于维持双馈感应风机的稳定运行，使双馈感应风机转子转速能在虚拟惯性控制启动后延时恢复至最优转速；

所述转速保护模块用于保护双馈感应风机，使得双馈感应风机的转子转速能维持在安全范围内；

其特征在于：该方法将转速延时恢复模块的触发条件设定为：

$\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{ref}}}{\mathrm{dt}}<0,$ 并且P_ref＝P_opt；

其中，P_ref为双馈感应风机的输出功率参考值，P_opt为双馈感应风机的最优功率，是指双馈感应风机的输出功率参考值变化率。