本發(fā)明涉及風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種雙饋風(fēng)電機組參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著風(fēng)電在電源結(jié)構(gòu)中的比例不斷增大，其對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的影響日益顯著。部分地區(qū)風(fēng)電發(fā)展與系統(tǒng)安全運行的矛盾逐步顯現(xiàn)，棄風(fēng)現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，風(fēng)電消納已經(jīng)成為影響中國風(fēng)電健康發(fā)展的關(guān)鍵問題。那么，由于風(fēng)電在電力系統(tǒng)中所占比重的不斷攀升以及變速恒頻風(fēng)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，風(fēng)電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行帶來了新的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)面臨如電壓控制、頻率調(diào)節(jié)和電能質(zhì)量等問題。因而，使風(fēng)電機組為系統(tǒng)提供輔助性的服務(wù)如頻率調(diào)節(jié)、無功控制等成為風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢。

通常，發(fā)電廠對于系統(tǒng)頻率的響應(yīng)包括慣性響應(yīng)、一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，且3種頻率控制形式之間功能互補、相輔相成。

慣量響應(yīng)有短期向電網(wǎng)注入有功功率的能力，直到系統(tǒng)一次調(diào)頻控制激活。傳統(tǒng)發(fā)電機慣量響應(yīng)能力與其物理質(zhì)量塊大小、同步電機的物理現(xiàn)象有關(guān)，發(fā)電機選型確定后，轉(zhuǎn)動慣量為恒定值且無法改變。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機組其轉(zhuǎn)子通過換流器與電網(wǎng)連接，造成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率解耦，對系統(tǒng)的慣量沒有貢獻，無法為一次頻率控制提供支撐。由于變速風(fēng)電機組采用了電力電子變換器，實現(xiàn)了機械功率與系統(tǒng)電磁功率的解耦控制，也因此失去了對頻率的快速有效響應(yīng)，導(dǎo)致其旋轉(zhuǎn)動能對整個系統(tǒng)的慣量幾乎沒有貢獻。

風(fēng)電機組動能包括葉片、齒輪箱、發(fā)電機的動能。機組葉片慣量遠高于發(fā)電機的慣量，但是發(fā)電機有較高的轉(zhuǎn)速，所以風(fēng)電機組中儲存了大量的動能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有風(fēng)電并網(wǎng)方式帶來的電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性較差的不足，本發(fā)明提供了一種有效解決風(fēng)電高滲透率下頻率穩(wěn)定性問題的基于雙饋風(fēng)電機組的慣量控制系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于雙饋風(fēng)電機組的慣量控制系統(tǒng)，包括：

電網(wǎng)頻率檢測模塊，用于快速和高精度的檢測到電網(wǎng)頻率；

慣量響應(yīng)控制模塊，用于根據(jù)檢測到的電網(wǎng)頻率變化為依據(jù)，分別控制風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；

所述慣量響應(yīng)控制模塊中，模擬某固定慣量時間常數(shù)的同步機慣量響應(yīng)特性，將轉(zhuǎn)矩指令傳送給變流器；轉(zhuǎn)速指令用于主控進行發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速控制環(huán)的限幅參數(shù)會根據(jù)電網(wǎng)頻率及機組的運行工況進行實時調(diào)整。

一種基于雙饋風(fēng)電機組的慣量控制方法，所述控制方法包括以下步驟：

1)頻率采集：以風(fēng)電機組出口端為測量點，采集電網(wǎng)電壓的頻率，并進行濾波處理；

2)轉(zhuǎn)矩控制：根據(jù)預(yù)設(shè)的某慣量時間常數(shù)、檢測發(fā)電機組實時轉(zhuǎn)速、并且獲取頻率檢測模塊傳送的頻率，根據(jù)變化率計算出慣量響應(yīng)的附加轉(zhuǎn)矩，并將常規(guī)轉(zhuǎn)矩控制環(huán)的轉(zhuǎn)矩給定值與附加轉(zhuǎn)矩相加后傳送給變流器；

3)轉(zhuǎn)速控制：控制根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速變化率、預(yù)設(shè)模擬的慣量時間常數(shù)計算出轉(zhuǎn)速初始目標值，對轉(zhuǎn)速初始目標值進行限幅處理，參考發(fā)電機慣量控制前的轉(zhuǎn)速進行機組運行狀態(tài)的判斷，并根據(jù)轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率設(shè)置限幅參數(shù)。

進一步，所述步驟2)中，附加轉(zhuǎn)矩我計算公式如下：

$\mathrm{\Δ}T=K\frac{df}{dt}$

其中，ΔT為附加轉(zhuǎn)矩，K為附加轉(zhuǎn)矩計算系數(shù)，由機組額定容量、額定頻率和發(fā)電機轉(zhuǎn)速參數(shù)決定，f為電網(wǎng)頻率。

更進一步，所述步驟3)中，轉(zhuǎn)速初始目標值ω_t，計算公式如下：

$\frac{1}{2}{{\mathrm{J\ω}}_t}^2=K\frac{df}{dt}\×{\mathrm{\ω}}_g\×T+\frac{1}{2}{{\mathrm{J\ω}}_g}^2$

其中，ω_g為發(fā)電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速；K為附加轉(zhuǎn)矩計算系數(shù)；T為轉(zhuǎn)速控制周期；J為風(fēng)力發(fā)電機組慣量值；ω_t為轉(zhuǎn)速初始目標值；為轉(zhuǎn)速變化率。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子通過換流器與電網(wǎng)連接，造成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率解耦，對系統(tǒng)的慣量沒有貢獻，無法為一次頻率控制提供支撐。但是，風(fēng)電機組動能包括葉片、齒輪箱、發(fā)電機的動能。機組葉片慣量遠高于發(fā)電機的慣量，但是發(fā)電機有較高的轉(zhuǎn)速，所以風(fēng)電機組具有大量的動能。由于變速風(fēng)電機組采用了電力電子變換器，風(fēng)電機組能夠快速的控制響應(yīng)效果，因此考慮模擬常規(guī)同步機的慣量特性。

電網(wǎng)頻率檢測和采集模塊以風(fēng)電機組出口端為測試點，對測量的電網(wǎng)頻率進行低通濾波處理，根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化率(增大或減小)進行轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制。

首先，轉(zhuǎn)矩控制根據(jù)預(yù)設(shè)的某慣量時間常數(shù)、發(fā)電機組實時轉(zhuǎn)速、頻率變化率計算出慣量響應(yīng)的附加轉(zhuǎn)矩，并將常規(guī)轉(zhuǎn)矩控制環(huán)的轉(zhuǎn)矩給定值與附加轉(zhuǎn)矩相加后傳送給變流器；

其次，轉(zhuǎn)速控制根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速變化率、預(yù)設(shè)模擬的慣量時間常數(shù)計算出轉(zhuǎn)速目標值。

最后，對于上述給定的轉(zhuǎn)速目標值進行限幅后，再進行發(fā)電機的轉(zhuǎn)速控制。對于機組的限幅值需要根據(jù)發(fā)電機慣量控制前的轉(zhuǎn)速進行機組運行狀態(tài)的判斷，并根據(jù)轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率設(shè)置限幅參數(shù)。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：1.根據(jù)電網(wǎng)頻率變化可以快速的提供頻率支撐；2.由于頻率支撐的主要依據(jù)為頻率變化率，所以慣量響應(yīng)頻率支撐效果顯著；3.采用了轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速同時控制的方法，實現(xiàn)了最大功率跟蹤控制環(huán)與慣量響應(yīng)控制環(huán)之間的耦合；4、采用轉(zhuǎn)速限幅參數(shù)實時變化的方法，保證了機組在不同運行區(qū)間轉(zhuǎn)速的平滑控制。

圖1是轉(zhuǎn)矩控制示意圖。

圖2是轉(zhuǎn)速控制及轉(zhuǎn)速限幅示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1～圖2，一種基于雙饋風(fēng)電機組的慣量控制系統(tǒng)，包括：

電網(wǎng)頻率檢測模塊，用于快速和高精度的檢測到電網(wǎng)頻率；

慣量響應(yīng)控制模塊，用于根據(jù)檢測到的電網(wǎng)頻率變化為依據(jù)，分別控制風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速；

所述慣量響應(yīng)控制模塊中，模擬某固定慣量時間常數(shù)的同步機慣量響應(yīng)特性，將轉(zhuǎn)矩指令傳送給變流器；轉(zhuǎn)速指令用于主控進行發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速控制環(huán)的限幅參數(shù)會根據(jù)電網(wǎng)頻率及機組的運行工況進行實時調(diào)整。

一種基于雙饋風(fēng)電機組的慣量控制方法，所述控制方法包括以下步驟：

1)頻率采集：以風(fēng)電機組出口端為測量點，采集電網(wǎng)電壓的頻率，并進行濾波處理。

2)轉(zhuǎn)矩控制：根據(jù)預(yù)設(shè)的某慣量時間常數(shù)、檢測發(fā)電機組實時轉(zhuǎn)速、并且獲取頻率檢測模塊傳送的頻率，根據(jù)變化率計算出慣量響應(yīng)的附加轉(zhuǎn)矩，計算公式如下：

$\mathrm{\Δ}T=K\frac{df}{dt}$

其中，ΔT為附加轉(zhuǎn)矩，K為附加轉(zhuǎn)矩計算系數(shù)，由機組額定容量、額定頻率、發(fā)電機轉(zhuǎn)速等參數(shù)決定，f為電網(wǎng)頻率。

將常規(guī)轉(zhuǎn)矩控制環(huán)的轉(zhuǎn)矩給定值與附加轉(zhuǎn)矩相加后傳送給變流器。

3)轉(zhuǎn)速控制：根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速變化率、預(yù)設(shè)模擬的慣量時間常數(shù)計算出轉(zhuǎn)速初始目標值ω_t，計算公式如下：

$\frac{1}{2}{{\mathrm{J\ω}}_t}^2=K\frac{df}{dt}\×{\mathrm{\ω}}_g\×T+\frac{1}{2}{{\mathrm{J\ω}}_g}^2$

其中，ω_g為發(fā)電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速；K為附加轉(zhuǎn)矩計算系數(shù)；T為轉(zhuǎn)速控制周期；J為風(fēng)力發(fā)電機組慣量值；ω_t為轉(zhuǎn)速初始目標值；為轉(zhuǎn)速變化率。

對轉(zhuǎn)速初始目標值進行限幅處理，參考發(fā)電機慣量控制前的轉(zhuǎn)速進行機組運行狀態(tài)的判斷，并根據(jù)轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率通過對風(fēng)電機組主控系統(tǒng)參數(shù)賦值進行限幅參數(shù)設(shè)置。