基于临界振荡风速的双馈风机自适应调频控制系统及方法与流程

1.本发明涉及发电系统控制技术领域，特别是涉及一种基于临界振荡风速的双馈风机自适应调频控制系统及方法。


背景技术：

2.随着高比例可再生能源的大规模并入，大型风电机组的接入对系统暂态特性的影响已受到广泛关注。目前，为获得最大能源利用率，各类形式的风电机组并网换流器采用独立于电网的功率调节方式，导致换流器的功率控制与电网频率解耦，双馈风力发电机(doubly fed induction generator，dfig)由于其风能转化效率高、并网简单、成本低等优势，成为风力发电市场的主流机型。目前，为获得最大能源利用率，各类形式的风电机组并网换流器采用独立于电网的功率调节方式，造成转子转速与系统频率不存在耦合关系，风机转动惯量为零，大规模风电接入将会明显减弱系统的调频能力。风电主动参与系统频率调整是风电大规模并网后为保证电力系统安全稳定运行的必然选择。当前为了简化计算分析，风机的控制在建模时大多考虑风速恒定时的运行方式，而实际临界振荡风速是随风速波动而不断改变的。在不同的运行风速下，不同的调频控制策略在频率稳定性和输出功率振荡方面表现不同。针对风机运行状态对不同控制的调频特性不同影响，根据临界振荡风速选择适当的调频控制器，有利于提高风机系统的调频能力和稳定性。因此，提供一种基于临界振荡风速的双馈风机多模式自适应调频控制方法十分有必要。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于临界振荡风速的双馈风机自适应调频控制系统及方法，通过检测系统运行状态，以实际运行风速和临界振荡风速的大小关系为依据，在虚拟同步发电机控制和下垂控制之间合理切换，在避免系统振荡失稳、充分保证系统稳定的前提下，提升风机系统的惯性响应和功率支撑能力。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种基于临界振荡风速的双馈风机自适应调频控制系统，包括：同步发电机g1、同步发电机g2、双馈风电机组dfig1、并网逆变器、变压器t1、变压器t2、变压器t3、负荷l1、负荷l2、负荷l3、母线b1、母线b2、母线b3、母线b4、阻抗b1、阻抗b2和阻抗b3，同步发电机g1通过变压器t1连接至母线b1后经阻抗b1连接至母线b4，同步发电机g2通过变压器t2连接至母线 b2后经阻抗b2连接至母线b4，双馈风电机组dfig1依次通过并网逆变器、变压器t3连接至母线b3，后经阻抗b3连接至母线b4上，负荷l1和负荷l3直接接入母线b4，负荷l2直接接入母线b1，其中变换控制器内采用基于临界振荡风速的虚拟同步和下垂自适应切换控制策略，以此来实现对双馈风机并网逆变器的控制，所述双馈风电机组dfig1利用虚拟同步发电机和下垂控制策略的自适应切换来适应不同运行风速下的调频需求。
6.本发明还提供了一种基于临界振荡风速的双馈风机自适应调频控制方法，应用于上述的基于临界振荡风速的双馈风机自适应调频控制系统，包括以下步骤：
7.s1，建立包括双馈风机原动机控制和虚拟同步发电机控制的风机系统小信号模型并转化为状态空间矩阵形式；
8.s2，利用s1中得到的风机系统的状态空间矩阵，根据控制系统参数计算临界振荡风速；
9.s3，利用锁相环技术实时检测控制系统的电网频率ωm；
10.s4，判断双馈风电机组dfig1侧转子换流器的并网点处电网频率偏差δωm是否超出允许的波动范围δω0；若是，则执行步骤s3，若否，则执行步骤s1；
11.s5，实时检测控制系统的运行风速vw，动态识别双馈风电机组dfig1的运行状态；
12.s6，判断运行风速vw是否大于临界振荡风速v
ov
，若是，则执行步骤s7，若否，则执行步骤s8；
13.s7，切换虚拟同步发电机策略控制双馈风机参与系统频率调整；
14.s8，切换下垂策略控制双馈风机参与系统频率调整；
15.s9，利用步骤s7或s8所选控制策略进行调频控制，判断控制系统的电网频率是否恢复；若否，则返回，执行步骤s3，若是，调频控制结束。
16.进一步的，所述步骤s1中，建立包括双馈风机原动机控制和虚拟同步发电机控制的风机系统小信号模型并转化为状态空间矩阵形式，具体包括：
17.基于同步发电机组转子运动方程把虚拟惯性控制引入双馈风机控制算法中，不考虑电网侧的扰动，ωg为系统角频率测量值，由于锁相环技术的局限性导致存在较大偏差，一般用角频率参考值ω
ref
代替，令系统角频率测量值变化量δωg＝0，得到风机系统小信号模型：
[0018][0019]
由于δωm＝sδθ，上式整理为δθ的高阶微分方程：
[0020]
s4δθ a1s3δθ a2s2δθ a3sδθ a4δθ＝0
[0021]
其中：
[0022][0023]
将小信号模型整理为状态空间矩阵形式：
[0024][0025]
其中，
[0026][0027]
状态变量x为：
[0028][0029]
由于不考虑电网侧的扰动，输入量u＝0，b＝0；
[0030]
其中，k
ω
为频率下垂控制系数；j和d分别为虚拟惯性系数和阻尼系数；λ
opt
为最优叶尖速比；r为风轮半径；h为双馈风电机组固有惯性时间常数； k
pv
为转速控制器比例系数；k
iv
为转速控制器积分系数；e为vsg的输出电压； u为电网电压；θ为阻抗角，z为系统阻抗；v
w0
为稳态运行工作点风速。
[0031]
进一步的，所述步骤s2，利用s1中得到的风机系统的状态空间矩阵，根据控制系统参数计算临界振荡风速，具体包括：
[0032]
通过求解风机系统小信号模型高阶微分方程的特征根，将虚部为零的特征根对应的风速作为临界振荡风速v
ov
，公式为：
[0033][0034]
根据控制系统参数，利用公式计算得到临界振荡风速v
ov
，将监测的实时风速与临界振荡风速的对比情况作为双馈风机调频控制方式选择的依据。
[0035]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于临界振荡风速的双馈风机自适应调频控制系统及方法，根据双馈风机虚拟同步控制原理图建立包含风速变量的小信号模型，转化为状态空间矩阵形式，计算临界振荡风速，为避免系统振荡失稳，并最大程度的发挥调频能力，根据临界振荡风速与运行风速的大小关系，在虚拟同步发电机控制和下垂控制中合理切换调频策略；本发明有利于双馈风电机组适应不同的风速，在降低系统振荡失稳风险的前提下，提高双馈风电机组的调频能力和功率支撑能力。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1为本发明实施例基于临界振荡风速的双馈风机自适应调频控制系统的仿真拓
扑结构图；
[0038]
图2为本发明实施例基于临界振荡风速的双馈风机自适应调频控制方法的流程图；
[0039]
图3a为本发明实施例双馈风机下垂控制原理图；
[0040]
图3b为本发明实施例双馈风机虚拟同步发电机控制原理图；
[0041]
图4为本发明实施例双馈风电机组最大功率跟踪控制运行曲线图；
[0042]
图5为本发明实施例双馈风机虚拟同步发电机控制小信号模型图；
[0043]
图6a为本发明实施例风速取不同值时vsg控制系统特征根轨迹；
[0044]
图6b为本发明实施例风速取不同值时下垂控制系统特征根轨迹；
[0045]
图7为本发明实施例基于临界振荡风速的双馈风机自适应调频控制原理图；
[0046]
图8a为本发明实施例低于临界风速不同控制方式频率变化对比图；
[0047]
图8b为本发明实施例低于临界风速不同控制方式输出功率变化对比图；
[0048]
图9a为本发明实施例高于临界风速不同控制方式频率变化对比图；
[0049]
图9b为本发明实施例高于临界风速不同控制方式输出功率变化对比图。
具体实施方式
[0050]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
本发明的目的是提供一种基于临界振荡风速的双馈风机自适应调频控制系统及方法，通过检测系统运行状态，以实际运行风速和临界振荡风速的大小关系为依据，在虚拟同步发电机控制和下垂控制之间合理切换，在避免系统振荡失稳、充分保证系统稳定的前提下，提升风机系统的惯性响应和功率支撑能力。
[0052]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0053]
如图1所示，本发明提供的基于临界振荡风速的双馈风机自适应调频控制系统，包括同步发电机g1、同步发电机g2、双馈风电机组dfig1、并网逆变器、变压器t1、变压器t2、变压器t3、负荷l1、负荷l2、负荷l3、母线b1、母线b2、母线b3、母线b4、阻抗b1、阻抗b2和阻抗b3，同步发电机g1通过变压器t1连接至母线b1后经阻抗b1连接至母线b4，同步发电机g2通过变压器t2连接至母线b2后经阻抗b2连接至母线b4，双馈风电机组dfig1依次通过并网逆变器、变压器t3连接至母线b3，后经阻抗b3连接至母线b4上，负荷l1和负荷l3直接接入母线b4，负荷l2直接接入母线b1，其中变换控制器内采用基于临界振荡风速的虚拟同步和下垂自适应切换控制策略，以此来实现对双馈风机并网逆变器的控制，所述双馈风电机组dfig1利用虚拟同步发电机和下垂控制策略的自适应切换来适应不同运行风速下的调频需求。
[0054]
如图2所示，本发明还提供了一种基于临界振荡风速的双馈风机自适应调频控制方法，应用于上述的基于临界振荡风速的双馈风机自适应调频控制系统，包括以下步骤：
[0055]
s1，建立包括双馈风机原动机控制和虚拟同步发电机控制的风机系统小信号模型并转化为状态空间矩阵形式；
[0056]
s2，利用s1得到的风机系统的状态空间矩阵，根据控制系统参数计算临界振荡风速；
[0057]
s3，利用锁相环技术实时检测控制系统的电网频率ωm；
[0058]
s4，判断双馈风电机组dfig1侧转子换流器的并网点处电网频率偏差δωm是否超出允许的波动范围δω0；若是，则执行步骤s3，若否，则执行步骤s1；
[0059]
s5，实时检测控制系统的运行风速vw，动态识别双馈风电机组dfig1的运行状态；
[0060]
s6，判断运行风速vw是否大于临界振荡风速v
ov
，若是，则执行步骤s7，若否，则执行步骤s8；
[0061]
s7，切换虚拟同步发电机策略控制双馈风机参与系统频率调整；
[0062]
s8，切换下垂策略控制双馈风机参与系统频率调整；
[0063]
s9，利用步骤s7或s8所选控制策略进行调频控制，判断控制系统的电网频率是否恢复；若否，则返回，执行步骤s3，若是，调频控制结束。
[0064]
图3a是本发明实施例双馈风机下垂控制原理图。根据下垂控制的基本原理得到其有功-频率控制方程：
[0065]
p
ref-k
p
(ω-ω
ref
)＝pmꢀꢀ
(1)
[0066]
图3b是本发明实施例双馈风机虚拟同步发电机控制原理图。基于同步发电机组转子运动方程把虚拟惯性控制引入双馈风机控制算法中，可得双馈风机虚拟同步发电机有功-频率控制方程：
[0067][0068]
取j＝j*ωm，其中ωg为系统角频率测量值，由于锁相环技术的局限性导致存在较大偏差，一般用角频率参考值ω
ref
代替。
[0069]
上式可化简为：
[0070][0071]
其中，p
ref
与pe分别为有功功率参考值和输出功率；j与d为虚拟惯性系数和阻尼系数，ωm为系统输出角频率。
[0072]
图4是本发明实施例双馈风机最大功率跟踪控制运行曲线图，转子转速范围一般为0.7pu≤ωr≤1.2pu，划分运行区间：1)低风速区，曲线ab，转子转速为最小值ω
min
；2)中风速区，曲线bc，风能转换效率系数c
p
最优，风速与转子转速呈正相关；3)高风速区，曲线cd，转子转速达到最大值ω
max
，风速增大转子转速保持恒定当风机采用最大功率跟踪控制时，在系统频率变化的初始时刻，风机风轮动能可表示为：
[0073][0074]
式中，jd为风机转动惯量，ω
r0
为风机初始转速。
[0075]
在风机提供功率支撑阶段，由风机转速由ω
r0
降低到ω
r1
，根据转速的变化值可以计算出此过程中通过释放风轮动能来提供的有功功率支撑为：
[0076][0077]
对于双馈异步风力发电机而言，风轮转速的最低值一般为0.7pu，因此，在风机释放风轮动能提供的功率支撑极限并非是全部的初始动能，根据双馈风机的转速下限可以计算出其动能释放极限为：
[0078][0079]
式中，δe
dmax
为最大可释放动能，ω
min
为转速下限。
[0080]
不同风速区间风机可参与调频的最大能量：
[0081][0082]
在低风速区，δe
dmax
为0，风机系统会因过度释放动能导致转速过低而失稳；在高风速区，风机转速达到最大值，并保持恒定，可用容量达到最大，若在此区间系统实际释放动能大于最大可释放动能，系统失稳，则在任意风速下系统都不稳定，即控制参数设置不合理。基于以上分析，本发明将双馈风机虚拟同步发电机控制的小信号模型的建立确定在中出力区，即最大功率跟踪区间。
[0083]
图5为双馈风机虚拟同步发电机控制小信号模型图，以最大功率跟踪区间为例，且假设扰动前风机运行在最佳工作点，系统处于平衡状态：
[0084]
p
in0
＝p
e0
＝k
opt
ω
r03
ꢀꢀ
(8)
[0085]
式中，p
in0
为稳态输入机械功率，p
e0
为稳态输出电磁功率，k
opt
为最大功率跟踪系数。
[0086]
不考虑风机自身转速及桨距角运行状态改变对输入机械功率的影响，且假定扰动期间风速不变，即输入机械功率变化量δp
in
＝0。根据小信号模型可知有功功率参考值的变化量为：
[0087][0088]
式中，δp
ref
、δpe分别为参考功率和输出功率变化量，h表示双馈风机机械系统固有惯性时间常数，k
pv
、k
iv
分别为转速控制器比例和积分系数，ω
r0
为扰动前稳定运行工作点的转子转速。
[0089]
其中风速与转速的对应关系为：
[0090][0091]
式中，λ
opt
为最优叶尖速比，v
w0
为稳定运行工作点风速，r为风轮半径。
[0092]
虚拟同步发电机控制的电磁功率为：
[0093][0094]
将vsg输出功率转化为小信号模型为：
[0095][0096]
根据式(3)虚拟同步发电机控制方程得到其小信号模型：
[0097]
δp
ref-δpe＝jδωm (d k
ω
)δωmꢀꢀ
(13)
[0098]
将式(9)、(10)、(12)代入式(13)整理得到：
[0099][0100]
由于δωm＝sδθ，上式可以整理为关于δθ的高阶微分方程：
[0101]
s4δθ a1s3δθ a2s2δθ a3sδθ a4δθ＝0
ꢀꢀ
(15)
[0102]
其中，
[0103][0104]
将小信号模型整理为状态空间表达式的形式：
[0105][0106]
其中，
[0107][0108]
状态变量x为：
[0109]
[0110]
由于不考虑电网侧的扰动，输入量u＝0，b＝0。
[0111]
如图6所示，根据系统特征根轨迹可知采用vsg控制的双馈风机系统的稳定性受初始运行点的风速影响，该系统特征值以共轭对方式出现，即：
[0112]
λ＝σ jω
ꢀꢀ
(17)
[0113]
特征值实部为负值表示衰减振荡，实部为正值表示发散振荡。由系统特征根轨迹可以发现，由于随着风速变化特征值λ
3,4
的实部恒为负值，该对特征值对应的是衰减振荡模式；而特征值λ
1,2
的实部随着风速增大而由正值变为负值，振荡模式改变，由发散振荡变为衰减振荡，对系统稳定性影响起主要作用。
[0114]
通过求解小信号模型的特征方程得到：
[0115][0116]
当vw＝v
ov
时系统一组共轭特征根为：
[0117][0118]
该组共轭特征值对应的振荡的频率为：
[0119][0120]
定义阻尼比为：
[0121][0122]
阻尼比刻画了振荡的衰减特性，阻尼比为0表示在该风速下系统处于临界稳定状态。v
ov
可以看作虚拟同步发电机控制的临界风速。由图6a系统特征根轨迹可以发现，控制参数固定，当vw≤v
ov
时，系统的一组共轭特征值位于s 的右半平面，双馈风机系统输出功率振荡，会有失稳风险；随着风速的升高，系统特征值逐渐向s的左半平面移动，当vw》v
ov
，采用虚拟同步发电机控制系统的特征值全部位于s的左半平面，振荡衰减，系统可以保持稳定。
[0123]
由图6b下垂控制的根轨迹可知，在设定的风速7m/s-13m/s范围内，下垂控制系统的特征值一直位于s左半平面，且随着风速的增大，系统特征根轨迹逐渐远离虚轴，系统稳定性增强。通过比较虚拟同步发电机控制和下垂控制的系统特征根轨迹可知，惯性环节的引入使得虚拟同步发电机控制更容易出现输出功率振荡，特别是低风速时，系统有失稳的风险，所以在低风速时，下垂控制的稳定性更好。
[0124]
图7为基于临界振荡风速的双馈风机自适应调频控制原理图，基于临界振荡风速的dfig自适应调频控制策略的主要控制功能实现过程为：1)通过锁相环检测系统同步角频率变化，跟踪系统运行状态，识别系统频率变化情况。当系统的频率偏差小于等于死区频率时，风电机组不参与系统频率调整，机组按照最功率跟踪模式运行；当系统频率偏差大于死区时，启动风电机组多模式调频控制策略。2)动态监测运行风速，通过风速评估函数决定所要选择的调频控制方式。
[0125]
其中系统运行状态评估函数为：
[0126][0127]
风速状态评估函数为：
[0128][0129]
本发明实施例基于digsilent/powerfactory仿真平台搭建风电场并网仿真系统，该仿真系统包括2个容量分别为150mw和400mw的同步发电机(g1、g2)、一个100台
×
2mw的双馈风电机组dfig1以及容量分别为100mw、 120mw和90mw的负荷l1、l2、l3，双馈风电机组dfig1通过母线3并入电网。
[0130]
通过设置以下两种风速下的仿真方案，验证本发明和传统单一控制策略对不同运行风速的适应性，即不同风速下不同调频控制方法的双馈风机系统调频能力和系统稳定性，说明本发明根据运行风速与临界振荡风速的比较，在虚拟同步发电机控制和下垂控制之间合理切换，实现在避免系统振荡失稳，充分保证系统稳定的前提下，提升风机系统的惯性响应和功率支撑能力。
[0131]
将仿真风速设定为8m/s、10m/s，仿真系统在90s负荷l1突增10％，分别采用无附加控制、下垂控制和vsg控制。
[0132]
如图8a和图8b所示，风速为8m/s时，系统突增负荷，无附加控制的风机系统频率跌落的最低点48.81hz；风速8m/s时，采用下垂控制系统频率偏差在负荷突增1.98s后达到最大值0.76hz；采用vsg控制的风机系统频率偏差在负荷突增2.24s后达到最大值0.75hz。而采用vsg控制的风机系统输出功率有明显波动。在风速低于临界风速时，采用vsg控制与下垂控制系统频率跌落提升效果相似，而vsg控制输出功率波动明显，有振荡失稳的风险，所以在低于临界风速时采用下垂控制达到的调频效果更好。
[0133]
如图9a和图9b所示，风速为10m/s时，系统突增负荷，没有附加频率控制的系统在91.58s频率下降至48.81hz，采用下垂和vsg控制都可以起到一定的调频效果，与采用下垂控制相比，采用vsg控制时，系统频率跌落至最低点的时间由1.99s增加至4.68s，频率最大跌落量由0.72hz减小到0.67hz。在高于临界风速时，vsg控制与下垂控制相比缩小了系统频率跌落量，增加了频率跌落至最低点的时间，调频效果有明显改善，而输出功率变化相差不大，所以在高于临界风速时采用vsg控制更好。因此采用本发明根据风机运行风速合理切换调频控制策略可以保证系统的稳定性和，提高功率支撑能力和调频稳定性。
[0134]
采用本发明考虑运行风速的变化与临界振荡风速的大小关系，合理切换调频控制策略与单一的vsg控制和下垂控制相比可适应不同运行风速，在较高风速时采用虚拟同步发电机控制，可充分发挥调频能力，调频效果有了很大提升，在较低风速时，采用下垂控制可以降低系统发生振荡失稳的可能性，保证系统稳定运行。
[0135]
本发明提供的基于临界振荡风速的双馈风机自适应调频控制系统及方法，相比于传统控制方法，相比于传统控制方法，本发明根据系统的控制参数，建立虚拟同步控制的小信号模型，计算系统的临界振荡风速，通过比较实际运行风速和系统临界振荡风速，在虚拟
同步机控制和下垂控制中合理切换，进而实现在保证低风速下系统运行的稳定性，在高风速下充分发挥系统的调频潜力和功率支撑能力。本发明可有效降低在较低风速时虚拟同步机控制风机系统的功率振荡和失稳风险，以及在较高风速时下垂控制系统功率支撑不足的问题。本发明提供了一种基于临界振荡风速的双馈风机多模式自适应调频控制策略，利用风电机组调频控制策略的可调节性，根据风机运行风速合理切换调频控制策略，增强风机系统运行的稳定性，提高系统功率支撑能力和调频稳定性。
[0136]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。