一種基于轉差率反饋的雙饋風電機組慣量控制方法技術

本發明專利技術公開一種利用雙饋風機轉子的虛擬轉動慣量、改善風電并網系統的頻率慣性特性的雙饋風電機組慣量控制方法，屬于新能源發電中的控制技術領域。首先將頻率測量值通過高通濾波器后，經比例、微分環節定義轉差率的暫態變化過程，作為轉差率反饋環節的參考值；將轉差率反饋值與轉差率參考值進行比較，得到轉差率偏差信號，通過不完全微分PD控制器，得到轉子電流q軸分量的微調量；將其疊加到有功功率控制環的轉子電流指令上，對風電機組的有功輸出進行調節，實現慣量控制。能夠避免電網頻率的二次跌落，同時轉速恢復速度快。此方法可以有效降低頻率擾動后的頻率偏差幅值和變化速率，提升電力系統的頻率穩定性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及新能源發電
，特別涉及一種利用雙饋風機轉子的虛擬轉動慣量、改善風電并網系統的頻率慣性特性的雙饋風電機組慣量控制方法。
技術介紹
隨著新能源技術的發展,風能在電力能源結構中所占比例不斷增加，風電的大規模并網已經對電網的頻率的安全穩定產生了影響。實際上，為了實現風能的最大化利用，現有的雙饋風電機組一般工作于最大風能追蹤控制下，通過對背靠背變流器進行矢量控制實現獨立解耦控制風電機組輸出的有功與無功功率。，使得雙饋電機喪失了類似同步電機的慣量響應能力，在系統頻率變化時，無法實現發電機轉速及輸出有功功率的調節，慣量近似為0。考慮到雙饋風電機組的功率控制速度比常規機組更快，對其進行慣量控制可以有效減輕常規機組調頻壓力、提高電網穩定性。雙饋風電機組慣量控制是指當電網頻率變化時，通過控制調整轉子轉速，釋放或存儲一定的旋轉動能，從而改變發電機的輸出功率，對電網進行短時頻率支撐。現有的附加頻率慣量控制、PD虛擬慣量控制等控制方法作用在風機控制系統的功率環，實現方法是在風機有功參考值上附加一個與電網頻率相關的微調量，由此改變風電機組的輸出功率，參與電網頻率調節。其中，附加頻率慣量控制方法，通過在轉子側變流器參考功率值上附加系統頻率的微分環節，在電網頻率變化時能夠快速的提供短時有功支持，但是在頻率恢復后出現二次跌落的現象，使頻率波動加劇；PD虛擬慣量慣性控制策略提供有功支撐的同時改善了頻率二次跌落現象，但轉子轉速的自然恢復需要很長的一段過程,不利于下一階段系統頻率的支撐。因此，更加優化有效的風電機組慣量控制策略仍有待研究。
技術實現思路
為了解決現有的頻率二次跌落現象的問題，本專利技術基于雙饋風機的數學模型出發，分析其慣性特性，選取能夠切實反映風電機轉子轉速和電網頻率特性的運行參數轉差率作為控制器的輸入，提出基于轉差率反饋的雙饋風電機組慣量控制策略。該策略可有效改善現有控制策略容易引起頻率二次跌落、轉速恢復慢的問題。本專利技術采取的技術方案如下：一種基于轉差率反饋的雙饋風電機組慣量控制方法，包括以下步驟：S01，基于采用定子磁鏈定向矢量控制系統的雙饋風機，在最大功率追蹤控制策略(MPPT)下，依據轉子轉速ωr獲取風電機組運行在最佳功率曲線的功率值P*；工程中，通常由轉子轉速ωr查轉速與功率曲線獲得功率值P*；S02，將步驟S01獲取的功率值P*作為雙饋風電機組轉子側變換器中的雙閉環(功率外環、電流內環)控制的給定值Pref，與實際功率比較后通過PI調節器，計算得到轉子電流q軸分量的指令值指令值計算公式為：式中：Ls、Lm為d、q軸定子繞組自感、定子、轉子繞組互感，np為發電機極對數，均為雙饋風電機組參數，通過風電機組銘牌或手冊獲得，ψs為定子磁鏈，直接檢測得到，KiP和KiI分別為PI控制器的比例參數和積分參數，s為積分時間常數；S03，通過電網頻率測量設備獲得實時電網頻率信號的頻率測量值f，通過高通濾波器阻斷穩態輸入信號后，經比例和微分產生轉差率參考值swref；S04，測得實時轉差率slip，經高通濾波器阻斷穩態輸入信號后，得到反饋值sw，將反饋值sw與轉差率參考值swref進行比較，得到轉差率偏差信號Δsw；通過不完全微分PD控制器，得到轉子電流q軸分量的微調量Δiqr；S05，將轉子電流q軸分量的微調量Δiqr疊加到有功功率控制環的轉子電流q軸分量的指令值上，獲取轉子電流環控制目標值iqr_ref；S06，通過調節雙閉環控制的轉子電流環控制目標值iqr_ref，使得電網頻率下降時，iqr增大，電磁轉矩Te增大，轉子轉速下降，動能釋放，實現慣量控制。較優地，步驟S03計算轉差率參考值swref的比例參數和微分參數分別為KfP＝1,KfD＝0。較優地，步驟S04微調量Δiqr的計算公式為：KP和KD分別為不完全微分PD控制器的比例控制參數和微分控制參數，KP取值為轉差率當前的動態偏差信號，KD取值為預計動態偏差信號。雙閉環控制包括外環控制和內環控制，外環控制為功率控制環，內環控制為電流控制環。步驟S03所述電網頻率測量設備為鎖相環。本專利技術提出的雙饋風電機組的轉差率反饋慣量控制策略，其優點包括：本專利技術方法選擇能夠完整表達電網頻率和轉子轉速變化全部信息的雙饋電機轉差率作為控制變量，將其與轉差率給定值進行比較后通過不完全微分PD控制器，得到電流微調量，進一步調節電磁轉矩，改變輸出功率，實現慣量控制，對頻率偏差的改善效果優于僅以頻率為控制變量的附加頻率慣量控制和PD虛擬慣量控制；避免了附加頻率控制中出現的頻率二次下降的問題；相較于PD虛擬慣量控制，轉速恢復快，調節時間短，更有利于下一階段的慣量控制。本專利技術方法中對測量得到的信號先通過高通濾波器，保證該慣量控制環節僅在動態頻率偏差下作用。本專利技術中對轉差率偏差采用的是不完全微分PD算法，能夠抑制控制系統的高頻干擾，改善慣量控制環節的動態特性。本專利技術方法的控制環節結構簡單，最優控制參數易確定。附圖說明圖1為本專利技術方法中的有功外環、電流內壞的雙閉環控制系統結構圖；圖2為本專利技術方法中的轉差率參考值計算示意圖；圖3為本專利技術方法總體控制框圖；圖4為本專利技術方法的實施例中，簡單風機并網測試系統示意圖；圖5為實施例中電網頻率變化的曲線；圖6為實施例中發電機電磁轉矩變化的曲線；圖7為實施例中發電機轉子轉速變化的曲線。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本專利技術作進一步詳細描述。下面結合附圖對本專利技術做進一步說明。以下結合附圖對本專利技術的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的實施例僅用于說明和解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。為了克服現有控制方法中存在的問題，實現有效的雙饋風電機組慣量控制和暫態有功功率支撐，同時避免風電機組轉速恢復慢、有功支撐結束后出現頻率二次跌落等問題的發生；根據本專利技術實例，如圖1-圖7所示，提供了一種雙饋風電機組慣量控制方法，涉及利用風電機組的轉子慣量和動能實現慣量控制的控制技術。本實施例的基于轉差率反饋的電機組慣量控制方法，針對采用基于定子磁鏈定向矢量控制系統的雙饋風電機組，通過改變轉子側電流q軸分量對發電機電磁轉矩Te進行調節，從而釋放或存儲風電機組轉動部件中的動能，利用風電機組轉子的固有轉動慣量，實現風電機組并網的慣量控制，為電網提供短時的有功功率支撐。參考附圖，關于本實施例的基于轉差率反饋的雙饋風電機組慣量控制方法，具體說明如下：采用定子磁鏈定向矢量控制的雙饋風電機組有功功率控制示意圖如圖1所示。為了實現有功功率和無功功率的解耦控制，控制系統采用雙閉環結構，外環為功率控制環，內環為電流控制環，在最大功率追蹤控制策略(MPPT)下，依據轉子轉速ωr得到使得風電機組運行在最佳功率曲線的功率值P*，作為功率外環的控制給定值Pref，與實際功率比較后通過PI調節器，進一步計算得到轉子電流q軸分量的指令值作為電流內環的控制給定值。指令值計算公式為：式中：Ls為d軸定子繞組自感、定子和轉子繞組互感，Lm為q軸定子繞組自感、定子和轉子繞組互感，np為發電機極對數，均為雙饋風電機組參數，通過風電機組銘牌或手冊獲得，ψs為定子磁鏈，直接檢測得到，KiP和KiI分別為PI控制器的比例參數和積分參數，需反復調節，此處取KiP＝4，KiI＝0.1；s為積分時間常數；現有的附加頻率本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于轉差率反饋的雙饋風電機組慣量控制方法，其特征在于，包括以下步驟：S01，基于采用定子磁鏈定向矢量控制系統的雙饋風機，在最大功率追蹤控制策略下，依據轉子轉速ωr獲取風電機組運行在最佳功率曲線的功率值P*；S02，將步驟S01獲取的功率值P*作為雙饋風電機組轉子側變換器中的雙閉環控制的給定值Pref，給定值Pref與實際功率P比較后通過PI調節器，計算得到轉子電流q軸分量的指令值指令值計算公式為：式中：Ls、Lm分別為d、q軸定子繞組自感、定子和轉子繞組互感，np為發電機極對數，ψs為定子磁鏈，KiP和KiI分別為PI控制器的比例參數和積分參數，s為積分時間常數；S03，通過電網頻率測量設備獲得實時電網頻率信號的頻率測量值f，通過高通濾波器阻斷穩態輸入信號后，經比例和微分產生轉差率參考值swref；S04，測得雙饋風電機組中發電機的實時轉差率slip，經高通濾波器阻斷穩態輸入信號后，得到反饋值sw，將反饋值sw與轉差率參考值swref進行比較，得到轉差率偏差信號Δsw；通過不完全微分PD控制器，得到轉子電流q軸分量的微調量Δiqr；S05，將轉子電流q軸分量的微調量Δiqr疊加到有功功率控制環的轉子電流q軸分量的指令值上，獲取轉子電流環控制目標值iqr_ref；iqr_ref=iqr*+Δiqr]]>S06，通過調節雙閉環控制的轉子電流環控制目標值iqr_ref，使得電網頻率下降時，iqr增大，電磁轉矩Te增大，轉子轉速下降，動能釋放，實現慣量控制。...

【技術特征摘要】
1.一種基于轉差率反饋的雙饋風電機組慣量控制方法，其特征在于，包括以下步驟：S01，基于采用定子磁鏈定向矢量控制系統的雙饋風機，在最大功率追蹤控制策略下，依據轉子轉速ωr獲取風電機組運行在最佳功率曲線的功率值P*；S02，將步驟S01獲取的功率值P*作為雙饋風電機組轉子側變換器中的雙閉環控制的給定值Pref，給定值Pref與實際功率P比較后通過PI調節器，計算得到轉子電流q軸分量的指令值指令值計算公式為：式中：Ls、Lm分別為d、q軸定子繞組自感、定子和轉子繞組互感，np為發電機極對數，ψs為定子磁鏈，KiP和KiI分別為PI控制器的比例參數和積分參數，s為積分時間常數；S03，通過電網頻率測量設備獲得實時電網頻率信號的頻率測量值f，通過高通濾波器阻斷穩態輸入信號后，經比例和微分產生轉差率參考值swref；S04，測得雙饋風電機組中發電機的實時轉差率slip，經高通濾波器阻斷穩態輸入信號后，得到反饋值sw，將反饋值sw與轉差率參考值swref進行比較，得到轉差率偏差信號Δsw；通過不完全微分PD控制器，得到轉子電流q軸分量的微調量Δiqr；S05，將轉子電流q軸分量的微調量Δiqr疊加到有功功率控制環的轉子電流q軸分量的指令值上，獲取轉子電流...

【專利技術屬性】
技術研發人員：任秋業，許波峰，李慶，陳子瑜，田煒，袁曉玲，劉皓明，
申請(專利權)人：河海大學，中國電力科學研究院，國網山西省電力公司電力科學研究院，
類型：發明
國別省市：江蘇;32