一種雙饋風(fēng)電機(jī)組基于風(fēng)功率跟蹤自適應(yīng)調(diào)節(jié)的虛擬慣性控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)雙饋風(fēng)電機(jī)組的頻率慣性控制策略，尤其是涉及一種利 用雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)能構(gòu)造其與電網(wǎng)頻率相關(guān)的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，改善風(fēng)電電力系統(tǒng)的頻 率慣性特性，以提高風(fēng)電電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)動(dòng)態(tài)特性的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于雙饋感應(yīng)發(fā)電的風(fēng)電技術(shù)發(fā)展和大規(guī)模并網(wǎng)，使其成為日益重要的電力新能 源。雙饋風(fēng)電機(jī)組利用轉(zhuǎn)子側(cè)雙向變流器實(shí)現(xiàn)輸出有功、無(wú)功解耦控制和最大風(fēng)能捕獲的 同時(shí)，也使其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能與電網(wǎng)頻率解耦，從而使其對(duì)電網(wǎng)的頻率變化缺乏像常規(guī)發(fā)電 機(jī)組一樣的慣性支持。因此，隨著風(fēng)電滲透率的增加，電網(wǎng)頻率的慣性和調(diào)頻特性都將受到 影響，而研究雙饋風(fēng)電機(jī)組的頻率響應(yīng)慣性及一次調(diào)頻方法也成為其并網(wǎng)技術(shù)的重要發(fā)展 方向。
[0003] 目前，丹麥、加拿大、中國(guó)等風(fēng)電并網(wǎng)國(guó)家在頒布的風(fēng)電運(yùn)行導(dǎo)則中明確提出，并 網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)需要提供和常規(guī)發(fā)電廠一樣的旋轉(zhuǎn)備用、慣性響應(yīng)以及一次調(diào)頻等附屬功能。例 如，愛(ài)爾蘭通過(guò)制定并網(wǎng)風(fēng)電需要滿(mǎn)足的頻率響應(yīng)特性曲線(xiàn)，給出了風(fēng)電場(chǎng)調(diào)頻技術(shù)的配 置目標(biāo)；丹麥通過(guò)減小風(fēng)功率轉(zhuǎn)換跟蹤值，增加并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)頻有功貯備。同時(shí)，相關(guān)研 究還研究了利用儲(chǔ)能和直流輸電的快速有功調(diào)節(jié)改善并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)頻率慣性和一次調(diào)頻特 性的控制策略，以及雙饋風(fēng)電機(jī)組在高風(fēng)速狀態(tài)基于漿距調(diào)節(jié)或轉(zhuǎn)子調(diào)速與調(diào)漿相協(xié)調(diào)的 調(diào)頻策略。此外，針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組最大功率跟蹤使其在電網(wǎng)頻率擾動(dòng)時(shí)不能為系統(tǒng)提供 額外調(diào)頻有功的問(wèn)題，如何進(jìn)行雙饋風(fēng)電機(jī)組基于非最大風(fēng)能捕獲的調(diào)頻方法研究也得到 展開(kāi)。其中，有研究提出了雙饋風(fēng)電機(jī)組放棄最大風(fēng)功率跟蹤換取調(diào)頻有功備用的減載運(yùn) 行控制策略；有研究則進(jìn)一步基于減載運(yùn)行控制策略，研究了雙饋風(fēng)電機(jī)組基于變下垂系 數(shù)的調(diào)頻方法。此外，有研究提出在雙饋風(fēng)電機(jī)組不同轉(zhuǎn)速的有功控制基礎(chǔ)上，針對(duì)其實(shí)現(xiàn) 基于下垂控制調(diào)頻的風(fēng)功率跟蹤值，提出了利用移動(dòng)平均法預(yù)測(cè)最大風(fēng)功率跟蹤值、并采 用基于權(quán)重調(diào)節(jié)最大風(fēng)功率均方差加以修正的整定方法。
[0004] 另一方面，從挖掘雙饋風(fēng)電機(jī)組自身運(yùn)行資源角度出發(fā)，利用其被隱藏轉(zhuǎn)子動(dòng)能 構(gòu)造虛擬慣性的研究亦受到關(guān)注。首先，通過(guò)控制雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)能為電網(wǎng)提供頻率 慣性支持的可行性得到論證，同時(shí)，進(jìn)一步研究指出，雖然基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能構(gòu)建的模擬慣量控 制只能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供短暫的頻率支撐，但對(duì)于改善電網(wǎng)頻率慣性和水電調(diào)頻機(jī)組的水錘效 應(yīng)具有重要作用。為此，如何利用雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)雙向變流器最大風(fēng)功率跟蹤指令附 加基于頻率變化率的有功指令實(shí)現(xiàn)其基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能的虛擬慣性控制方法及其在雙向變流 器雙閉環(huán)控制中的實(shí)現(xiàn)方法被提出，利用該方法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組通過(guò)附加虛擬慣性控制對(duì)電 網(wǎng)頻率響應(yīng)特性的改善效果也得到進(jìn)一步仿真分析驗(yàn)證。此外，從提高附加虛擬慣性控制 動(dòng)態(tài)特性角度出發(fā)，利用動(dòng)態(tài)比例系數(shù)調(diào)節(jié)附加虛擬慣性有功控制分量的方法也得到了研 究。需要指出的是，這些附加慣性控制的效果不僅會(huì)受到最大風(fēng)功率跟蹤控制的影響，而且 由于控制器的微分輸入環(huán)節(jié)容易在頻率恢復(fù)過(guò)程中使風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣性控制出現(xiàn)過(guò)調(diào)， 從而可能導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的再次跌落或上升。為此，有研究在根據(jù)推導(dǎo)的雙饋風(fēng)電機(jī)組虛擬 慣量表達(dá)式基礎(chǔ)上，基于風(fēng)電機(jī)組減載控制原理，提出了利用頻率偏差修正最大風(fēng)功率跟 蹤曲線(xiàn)以構(gòu)建虛擬慣性的方法。雖然該方法能夠克服最大風(fēng)功率跟蹤對(duì)附加虛擬慣性控制 的影響，但該方法忽略了雙饋風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)功率跟蹤的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程，因此，所研究 最大風(fēng)功率跟蹤曲線(xiàn)的修正方法存在實(shí)際應(yīng)用的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明則在研究雙饋風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)功率跟蹤的調(diào)速原理基礎(chǔ)上，在推導(dǎo)雙 饋風(fēng)電機(jī)組的虛擬慣量的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究雙饋風(fēng)電機(jī)組基于最大風(fēng)功率跟蹤曲線(xiàn)線(xiàn)性比 例調(diào)節(jié)的調(diào)速方法，進(jìn)一步提出了雙饋風(fēng)電機(jī)組基于風(fēng)功率跟蹤自適應(yīng)調(diào)節(jié)的虛擬慣性控 制方法。
[0006] 本發(fā)明的上述技術(shù)問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決的：
[0007] -種雙饋風(fēng)電機(jī)組基于風(fēng)功率跟蹤自適應(yīng)調(diào)節(jié)的虛擬慣量控制方法，其特征在 于，
[0008] 步驟1，通過(guò)設(shè)定雙饋風(fēng)電機(jī)組期望虛擬慣量，根據(jù)電網(wǎng)頻率偏差，依據(jù)雙饋風(fēng)電 機(jī)組虛擬慣量表達(dá)式確定風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)指令，其中，所依據(jù)的虛擬慣量表達(dá)式如式 一所示：
[0010] 式中，Jni為雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 雙饋風(fēng)電機(jī)組的電網(wǎng)頻率轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量；ωΛ和dco 別為雙饋風(fēng)電機(jī)組初始角速度和角速度變化量；ω sjp dco s分別為 電網(wǎng)同步電角速度額定值及電網(wǎng)同步電角速度變化量；
[0011] 所述轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)指令的計(jì)算表達(dá)式如式二所示：
[0013] 式中，J/為雙饋風(fēng)電機(jī)組期待頻率虛擬慣量，ω s為當(dāng)前電網(wǎng)同步電角速度；
[0014] 步驟2,由最大風(fēng)功率跟蹤曲線(xiàn)擬合函數(shù)的比例調(diào)節(jié)系數(shù)計(jì)算式，確定最大風(fēng)功率 跟蹤曲線(xiàn)的比例調(diào)節(jié)系數(shù)，所依據(jù)最大風(fēng)功率跟蹤曲線(xiàn)的擬合函數(shù)如式三所示：
[0016] 式中，為雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ω min和ω "ax分別為雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn) 行所允許轉(zhuǎn)速范圍的下限和上限；匕為雙饋風(fēng)電機(jī)組的電磁功率；P&和Pm分別為擬合函數(shù) 中與ω"ιη和ω "ax對(duì)應(yīng)的P e取值下限和上限；A、B、C為擬合函數(shù)系數(shù)；
[0017] 步驟3,通過(guò)調(diào)節(jié)最大風(fēng)功率跟蹤曲線(xiàn)以調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子速度，進(jìn)而構(gòu)建風(fēng)電 機(jī)組的頻率虛擬慣量；所依據(jù)最大風(fēng)功率跟蹤曲線(xiàn)比例調(diào)節(jié)系數(shù)的計(jì)算方法如式四所示：
[0019] 式中，β為最大風(fēng)功率跟蹤曲線(xiàn)的比例調(diào)節(jié)系數(shù)；后_是ω ^ β [AP/+BPe+C] 在Pf3等于雙饋風(fēng)電機(jī)組額定功率時(shí)，使ω r e [ ω Min，ω max]的最小值；β max是ω r = β [APe2+BPe+C]在 Pee (PeL，PeH]范圍內(nèi)使 ωΓε (ω _，ωΓ_]且 ω"ιη= β [APeL2+BPeL+C] 的最大值。
[0020] 因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：該虛擬慣性控制方法有效避免了最大風(fēng)功率跟蹤對(duì) 風(fēng)電機(jī)組附加虛擬慣性控制的影響，能夠在保證風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，通過(guò)大范圍 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子速度構(gòu)建雙饋風(fēng)電機(jī)組的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使風(fēng)電機(jī)組具備頻率響應(yīng)的虛擬慣性特 性，從而為系統(tǒng)提供調(diào)頻有功支援；此外，具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于工程實(shí)現(xiàn)、控制參數(shù)少且 魯棒性好的等特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1是DFIG的并網(wǎng)運(yùn)行原理圖。
[0022] 圖2是雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制原理。
[0023] 圖3是雙饋風(fēng)電機(jī)組的最大風(fēng)功率跟蹤過(guò)程。
[0024] 圖4是DFIG的非最大風(fēng)功率跟蹤原理。
[0025] 圖5是基于風(fēng)功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)的虛擬慣量控制策略。
[0026] 圖6是仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0027] 圖7是有無(wú)虛擬慣性控制下風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷新增擾動(dòng)的頻率響應(yīng)。
[0028] 圖8是有無(wú)虛擬慣性控制下風(fēng)電機(jī)組對(duì)負(fù)荷新增擾動(dòng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)響應(yīng)。
[0029] 圖9是有無(wú)虛擬慣性控制下風(fēng)電機(jī)組對(duì)負(fù)荷新增擾動(dòng)的輸出功率調(diào)節(jié)響應(yīng)。
[0030] 圖10是有無(wú)虛擬慣性控制下風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷切除擾動(dòng)的頻率響應(yīng)。
[0031] 圖11是有無(wú)虛擬慣性控制下風(fēng)電機(jī)組對(duì)負(fù)荷切除擾動(dòng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)響應(yīng)。
[0032] 圖12是有無(wú)虛擬慣性控制下風(fēng)電機(jī)組對(duì)負(fù)荷切除擾動(dòng)的輸出功率調(diào)節(jié)響應(yīng)。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。
[0034] 如附圖1所示，并網(wǎng)運(yùn)行雙饋風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)齒輪箱與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子耦 合，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的三相對(duì)稱(chēng)繞組通過(guò)由雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器RSC和電網(wǎng)側(cè)變 流器GSC構(gòu)成的雙向脈寬調(diào)制變流器與電網(wǎng)連接，定子三相對(duì)稱(chēng)繞組則與電網(wǎng)直接連接。 Pn為風(fēng)機(jī)輸入DFIG的機(jī)械功率；ω ^為風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子角速度Jni為風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的固有 機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；S = (CJs-CO J/cos，為與電網(wǎng)同步電角速度ω s(Cos= 2 π f s)的角速度 轉(zhuǎn)差率；SPe為雙饋風(fēng)電機(jī)組通過(guò)雙向變流器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三相繞組輸入的轉(zhuǎn)差頻率功率。 RSC和GSC在維持定子電壓頻率恒定的前提下，使不僅與ω s解耦，而且能在一定轉(zhuǎn)速 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)DFIG的變速恒頻運(yùn)行。
[0035] 若忽略DFIG定子的電阻和磁鏈變化，同時(shí)將RSC矢量控制的dq坐標(biāo)系的d軸定 向在定子磁鏈上，則由定子側(cè)有功、無(wú)功和電磁轉(zhuǎn)矩方程可知，DFIG可通過(guò)轉(zhuǎn)子電流的L 分量控制定子側(cè)電磁功率匕，通過(guò)轉(zhuǎn)子電流的分量控制定子側(cè)無(wú)功，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組 有功無(wú)功的解耦控制。因此，感應(yīng)發(fā)電機(jī)RSC采用雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為實(shí)現(xiàn)i ^跟蹤其指 令值UjP i 的電流環(huán)，外環(huán)為有功和無(wú)功的功率控制環(huán)。正常運(yùn)行時(shí)，功率外環(huán)控制 中的有功指令由附圖2所示雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制器按照最大風(fēng)功率跟蹤控制確定。附 圖2所示轉(zhuǎn)速控制包括兩個(gè)過(guò)程：一個(gè)是產(chǎn)生指令P_f的過(guò)程，該控制利用實(shí)測(cè)Pe根據(jù)最 大風(fēng)功率跟蹤曲線(xiàn)的擬合函數(shù)CO1= AP>BPe+C、ω_< ω ^ ω _確定轉(zhuǎn)速參考值ω "ef， 通過(guò)《^和實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速ω r的比較，經(jīng)電磁轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器確定消除ω "^和ω r偏差的 電磁功率指令P_f;另一個(gè)是產(chǎn)生的過(guò)程，該控制利用指令PCTrf和實(shí)測(cè)Pe的比較偏差， 經(jīng)電磁功率PI調(diào)節(jié)器確定使PJS蹤P ?^的i
[0036] 雙饋風(fēng)電機(jī)組最大風(fēng)功率跟蹤的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)調(diào)節(jié)使ω mf趨于ω p其利 用轉(zhuǎn)速控制器實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)功率跟蹤的過(guò)程可由附圖3分析。圖中，Comin和ω max分別為雙 饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行所允許轉(zhuǎn)速范圍的下限和上限；P&和Pm分別為擬合函數(shù)中與ω "_和 ω_χ對(duì)應(yīng)的PJl值下限和上限；Pen為風(fēng)電機(jī)組的額定輸出功率。曲線(xiàn)hd為風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn) 最大風(fēng)功率跟蹤的運(yùn)行區(qū)間。曲線(xiàn)上的a、b和c分別對(duì)應(yīng)風(fēng)速v3、v2和Vl下發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn) 最大風(fēng)能利用的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。
[0037] 假設(shè)風(fēng)電機(jī)組初始最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)為b，若風(fēng)速突然由v2改變?yōu)関l，則風(fēng)機(jī)輸出機(jī)械 功率將由風(fēng)功率曲線(xiàn)V2的b風(fēng)功率Pnib突變?yōu)榍€(xiàn)vl的g點(diǎn)風(fēng)功率P "g。由于Pnig大于風(fēng) 電機(jī)組在運(yùn)行點(diǎn)b的電磁功率因此轉(zhuǎn)速ω，曾加，并大于由Peb依據(jù)擬合函數(shù)確定的轉(zhuǎn) 速指令《1^，即~。〇^和〇^的偏差將進(jìn)一步引起1^1^增加，并通過(guò)調(diào)節(jié)11^增加1^， 進(jìn)而使趨于ω p由于雙饋風(fēng)電機(jī)組在