一种基于转差率反馈的双馈风电机组惯量控制方法技术

本发明专利技术公开一种利用双馈风机转子的虚拟转动惯量、改善风电并网系统的频率惯性特性的双馈风电机组惯量控制方法，属于新能源发电中的控制技术领域。首先将频率测量值通过高通滤波器后，经比例、微分环节定义转差率的暂态变化过程，作为转差率反馈环节的参考值；将转差率反馈值与转差率参考值进行比较，得到转差率偏差信号，通过不完全微分PD控制器，得到转子电流q轴分量的微调量；将其叠加到有功功率控制环的转子电流指令上，对风电机组的有功输出进行调节，实现惯量控制。能够避免电网频率的二次跌落，同时转速恢复速度快。此方法可以有效降低频率扰动后的频率偏差幅值和变化速率，提升电力系统的频率稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新能源发电
，特别涉及一种利用双馈风机转子的虚拟转动惯量、改善风电并网系统的频率惯性特性的双馈风电机组惯量控制方法。
技术介绍
随着新能源技术的发展,风能在电力能源结构中所占比例不断增加，风电的大规模并网已经对电网的频率的安全稳定产生了影响。实际上，为了实现风能的最大化利用，现有的双馈风电机组一般工作于最大风能追踪控制下，通过对背靠背变流器进行矢量控制实现独立解耦控制风电机组输出的有功与无功功率。，使得双馈电机丧失了类似同步电机的惯量响应能力，在系统频率变化时，无法实现发电机转速及输出有功功率的调节，惯量近似为0。考虑到双馈风电机组的功率控制速度比常规机组更快，对其进行惯量控制可以有效减轻常规机组调频压力、提高电网稳定性。双馈风电机组惯量控制是指当电网频率变化时，通过控制调整转子转速，释放或存储一定的旋转动能，从而改变发电机的输出功率，对电网进行短时频率支撑。现有的附加频率惯量控制、PD虚拟惯量控制等控制方法作用在风机控制系统的功率环，实现方法是在风机有功参考值上附加一个与电网频率相关的微调量，由此改变风电机组的输出功率，参与电网频率调节。其中，附加频率惯量控制方法，通过在转子侧变流器参考功率值上附加系统频率的微分环节，在电网频率变化时能够快速的提供短时有功支持，但是在频率恢复后出现二次跌落的现象，使频率波动加剧；PD虚拟惯量惯性控制策略提供有功支撑的同时改善了频率二次跌落现象，但转子转速的自然恢复需要很长的一段过程,不利于下一阶段系统频率的支撑。因此，更加优化有效的风电机组惯量控制策略仍有待研究。
技术实现思路
为了解决现有的频率二次跌落现象的问题，本专利技术基于双馈风机的数学模型出发，分析其惯性特性，选取能够切实反映风电机转子转速和电网频率特性的运行参数转差率作为控制器的输入，提出基于转差率反馈的双馈风电机组惯量控制策略。该策略可有效改善现有控制策略容易引起频率二次跌落、转速恢复慢的问题。本专利技术采取的技术方案如下：一种基于转差率反馈的双馈风电机组惯量控制方法，包括以下步骤：S01，基于采用定子磁链定向矢量控制系统的双馈风机，在最大功率追踪控制策略(MPPT)下，依据转子转速ωr获取风电机组运行在最佳功率曲线的功率值P*；工程中，通常由转子转速ωr查转速与功率曲线获得功率值P*；S02，将步骤S01获取的功率值P*作为双馈风电机组转子侧变换器中的双闭环(功率外环、电流内环)控制的给定值Pref，与实际功率比较后通过PI调节器，计算得到转子电流q轴分量的指令值指令值计算公式为：式中：Ls、Lm为d、q轴定子绕组自感、定子、转子绕组互感，np为发电机极对数，均为双馈风电机组参数，通过风电机组铭牌或手册获得，ψs为定子磁链，直接检测得到，KiP和KiI分别为PI控制器的比例参数和积分参数，s为积分时间常数；S03，通过电网频率测量设备获得实时电网频率信号的频率测量值f，通过高通滤波器阻断稳态输入信号后，经比例和微分产生转差率参考值swref；S04，测得实时转差率slip，经高通滤波器阻断稳态输入信号后，得到反馈值sw，将反馈值sw与转差率参考值swref进行比较，得到转差率偏差信号Δsw；通过不完全微分PD控制器，得到转子电流q轴分量的微调量Δiqr；S05，将转子电流q轴分量的微调量Δiqr叠加到有功功率控制环的转子电流q轴分量的指令值上，获取转子电流环控制目标值iqr_ref；S06，通过调节双闭环控制的转子电流环控制目标值iqr_ref，使得电网频率下降时，iqr增大，电磁转矩Te增大，转子转速下降，动能释放，实现惯量控制。较优地，步骤S03计算转差率参考值swref的比例参数和微分参数分别为KfP＝1,KfD＝0。较优地，步骤S04微调量Δiqr的计算公式为：KP和KD分别为不完全微分PD控制器的比例控制参数和微分控制参数，KP取值为转差率当前的动态偏差信号，KD取值为预计动态偏差信号。双闭环控制包括外环控制和内环控制，外环控制为功率控制环，内环控制为电流控制环。步骤S03所述电网频率测量设备为锁相环。本专利技术提出的双馈风电机组的转差率反馈惯量控制策略，其优点包括：本专利技术方法选择能够完整表达电网频率和转子转速变化全部信息的双馈电机转差率作为控制变量，将其与转差率给定值进行比较后通过不完全微分PD控制器，得到电流微调量，进一步调节电磁转矩，改变输出功率，实现惯量控制，对频率偏差的改善效果优于仅以频率为控制变量的附加频率惯量控制和PD虚拟惯量控制；避免了附加频率控制中出现的频率二次下降的问题；相较于PD虚拟惯量控制，转速恢复快，调节时间短，更有利于下一阶段的惯量控制。本专利技术方法中对测量得到的信号先通过高通滤波器，保证该惯量控制环节仅在动态频率偏差下作用。本专利技术中对转差率偏差采用的是不完全微分PD算法，能够抑制控制系统的高频干扰，改善惯量控制环节的动态特性。本专利技术方法的控制环节结构简单，最优控制参数易确定。附图说明图1为本专利技术方法中的有功外环、电流内坏的双闭环控制系统结构图；图2为本专利技术方法中的转差率参考值计算示意图；图3为本专利技术方法总体控制框图；图4为本专利技术方法的实施例中，简单风机并网测试系统示意图；图5为实施例中电网频率变化的曲线；图6为实施例中发电机电磁转矩变化的曲线；图7为实施例中发电机转子转速变化的曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细描述。下面结合附图对本专利技术做进一步说明。以下结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。为了克服现有控制方法中存在的问题，实现有效的双馈风电机组惯量控制和暂态有功功率支撑，同时避免风电机组转速恢复慢、有功支撑结束后出现频率二次跌落等问题的发生；根据本专利技术实例，如图1-图7所示，提供了一种双馈风电机组惯量控制方法，涉及利用风电机组的转子惯量和动能实现惯量控制的控制技术。本实施例的基于转差率反馈的电机组惯量控制方法，针对采用基于定子磁链定向矢量控制系统的双馈风电机组，通过改变转子侧电流q轴分量对发电机电磁转矩Te进行调节，从而释放或存储风电机组转动部件中的动能，利用风电机组转子的固有转动惯量，实现风电机组并网的惯量控制，为电网提供短时的有功功率支撑。参考附图，关于本实施例的基于转差率反馈的双馈风电机组惯量控制方法，具体说明如下：采用定子磁链定向矢量控制的双馈风电机组有功功率控制示意图如图1所示。为了实现有功功率和无功功率的解耦控制，控制系统采用双闭环结构，外环为功率控制环，内环为电流控制环，在最大功率追踪控制策略(MPPT)下，依据转子转速ωr得到使得风电机组运行在最佳功率曲线的功率值P*，作为功率外环的控制给定值Pref，与实际功率比较后通过PI调节器，进一步计算得到转子电流q轴分量的指令值作为电流内环的控制给定值。指令值计算公式为：式中：Ls为d轴定子绕组自感、定子和转子绕组互感，Lm为q轴定子绕组自感、定子和转子绕组互感，np为发电机极对数，均为双馈风电机组参数，通过风电机组铭牌或手册获得，ψs为定子磁链，直接检测得到，KiP和KiI分别为PI控制器的比例参数和积分参数，需反复调节，此处取KiP＝4，KiI＝0.1；s为积分时间常数；现有的附加频率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于转差率反馈的双馈风电机组惯量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S01，基于采用定子磁链定向矢量控制系统的双馈风机，在最大功率追踪控制策略下，依据转子转速ωr获取风电机组运行在最佳功率曲线的功率值P*；S02，将步骤S01获取的功率值P*作为双馈风电机组转子侧变换器中的双闭环控制的给定值Pref，给定值Pref与实际功率P比较后通过PI调节器，计算得到转子电流q轴分量的指令值指令值计算公式为：式中：Ls、Lm分别为d、q轴定子绕组自感、定子和转子绕组互感，np为发电机极对数，ψs为定子磁链，KiP和KiI分别为PI控制器的比例参数和积分参数，s为积分时间常数；S03，通过电网频率测量设备获得实时电网频率信号的频率测量值f，通过高通滤波器阻断稳态输入信号后，经比例和微分产生转差率参考值swref；S04，测得双馈风电机组中发电机的实时转差率slip，经高通滤波器阻断稳态输入信号后，得到反馈值sw，将反馈值sw与转差率参考值swref进行比较，得到转差率偏差信号Δsw；通过不完全微分PD控制器，得到转子电流q轴分量的微调量Δiqr；S05，将转子电流q轴分量的微调量Δiqr叠加到有功功率控制环的转子电流q轴分量的指令值上，获取转子电流环控制目标值iqr_ref；iqr_ref=iqr*+Δiqr]]>S06，通过调节双闭环控制的转子电流环控制目标值iqr_ref，使得电网频率下降时，iqr增大，电磁转矩Te增大，转子转速下降，动能释放，实现惯量控制。...

【技术特征摘要】
1.一种基于转差率反馈的双馈风电机组惯量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S01，基于采用定子磁链定向矢量控制系统的双馈风机，在最大功率追踪控制策略下，依据转子转速ωr获取风电机组运行在最佳功率曲线的功率值P*；S02，将步骤S01获取的功率值P*作为双馈风电机组转子侧变换器中的双闭环控制的给定值Pref，给定值Pref与实际功率P比较后通过PI调节器，计算得到转子电流q轴分量的指令值指令值计算公式为：式中：Ls、Lm分别为d、q轴定子绕组自感、定子和转子绕组互感，np为发电机极对数，ψs为定子磁链，KiP和KiI分别为PI控制器的比例参数和积分参数，s为积分时间常数；S03，通过电网频率测量设备获得实时电网频率信号的频率测量值f，通过高通滤波器阻断稳态输入信号后，经比例和微分产生转差率参考值swref；S04，测得双馈风电机组中发电机的实时转差率slip，经高通滤波器阻断稳态输入信号后，得到反馈值sw，将反馈值sw与转差率参考值swref进行比较，得到转差率偏差信号Δsw；通过不完全微分PD控制器，得到转子电流q轴分量的微调量Δiqr；S05，将转子电流q轴分量的微调量Δiqr叠加到有功功率控制环的转子电流q轴分量的指令值上，获取转子电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：任秋业，许波峰，李庆，陈子瑜，田炜，袁晓玲，刘皓明，
申请(专利权)人：河海大学，中国电力科学研究院，国网山西省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32