一种针对双馈风机的阻尼增强型控制方法技术

本发明专利技术涉及一种针对双馈风机小干扰稳定的增强型控制方法，通过引入关于电网频率的附加阻尼项的方法增加双馈风机系统的阻尼，且该附加阻尼项不影响双馈风机的虚拟功角‑转速平衡点和同步稳定裕度，避免双馈风机由于配置下垂系数以满足同步稳定裕度而引起的系统阻尼变弱，使频率下垂控制或虚拟同步机控制的双馈风机在具有期望的同步稳定裕度的同时，具有期望的阻尼特性，改善电网的动态特性与稳定性。

Damping enhancement type control method for doubly fed fan

The invention relates to a method for DFIG stability enhanced control method, the increase of DFIG system damping by introducing the method of additional damping on the grid frequency, and virtual power the additional damping does not affect the DFIG speed angle and the balance point with stability margin avoid, because the configuration of DFIG droop coefficient to meet the system damping synchronous stability margin caused by the weak, the DFIG frequency droop control or virtual synchronous machine control in synchronization with the desired stability margin at the same time, damping is desired, dynamic characteristics and stability of power grid improvement.

【技术实现步骤摘要】
一种针对双馈风机的阻尼增强型控制方法
本专利技术涉及一种针对双馈风机的系统阻尼增强方法，尤其涉及了一种针对双馈风机的阻尼增强型频率下垂控制方法。
技术介绍
随着电网中风力发电的渗透率日益增长，传统同步发电机所占的发电比例越来越小，大规模、高比例的风电并网给能源结构的优化与环境问题的缓解带来了崭新机遇，为但同时也为电网的运行和控制提出了严峻的挑战，如传统运行于最大功率追踪等控制下的风电机组无法为电网提供惯性与有功功率支撑等。频率下垂控制与虚拟同步机控制通过模仿传统同步发电机的外特性，可以使风电机组为电网提供惯性与有功支撑，从而提高系统的频率稳定性，保障电网的安全稳定运行。研究表明通过配置频率下垂系数可以提高频率下垂控制双馈风机的同步稳定域，但同时也会弱化系统阻尼，导致系统动态性能变差。
技术实现思路
为了解决现有技术中频率下垂控制或虚拟同步机控制下双馈风力发电机由于配置下垂系数以满足同步稳定裕度时引起系统阻尼变弱的问题，本专利技术提出一种针对双馈风机的阻尼增强型频率下垂控制方法，采用在频率下垂控制中引入关于电网频率的附加阻尼项的方法增加系统等效阻尼，该附加阻尼项不影响双馈风机的虚拟功角-转速平衡点和同步稳定裕度，因此可用于补偿由于配置下垂系数以满足双馈风机同步稳定裕度而引起的系统阻尼变弱。本专利技术的技术方案采用：本专利技术针对频率下垂控制或虚拟同步机控制下双馈风力发电机由于配置下垂系数以满足同步稳定裕度时引起系统阻尼变弱的问题，采用在频率下垂控制中引入关于电网频率的附加阻尼项的方法增加系统等效阻尼，如图1所示，在逆变器的频率下垂控制(惯性模拟系数J＝0)或虚拟同步机控制(惯性模拟系数J≠0)中引入关于电网角频率的附加阻尼项Dassist(ωsf-ωg)，该附加阻尼项的引入不影响双馈风机的虚拟功角-转速平衡点和同步稳定裕度，因此可补偿由于配置下垂系数以满足双馈风机同步稳定裕度而引起的系统阻尼变弱。所述阻尼增强型频率下垂控制双馈风机的磁链输出角频率ωsf通过以下方式控制：其中，ωsf是双馈风机的磁链输出角频率，ω0是角频率设定值，KP是下垂系数，Pref是有功功率参考值，PE是双馈风机的输出有功功率，Dassist是附加阻尼系数，ωg是电网角频率。在频率下垂控制中，还可以引入惯性模拟项Jdωsf/dt，使所述的阻尼增强型频率下垂控制双馈风机的磁链输出角频率ωsf通过以下方式控制：其中，J是惯性模拟系数，ωsf是双馈风机的磁链输出角频率，ω0是角频率设定值，KP是下垂系数，Pref是有功功率参考值，PE是双馈风机的输出有功功率，Dassist是附加阻尼系数，ωg是电网角频率。进一步地，所述的双馈风机虚拟功角通过对该阻尼增强型频率下垂控制输出的磁链角频率与电网角频率之差即(ωsf-ωg)积分获取。本专利技术的有益效果是：本专利技术解决了频率下垂控制下双馈风力发电机由于配置下垂系数以满足同步稳定裕度时引起系统阻尼变弱的问题，通过配置附加阻尼系数增加系统等效阻尼，且该附加阻尼项不影响双馈风机的虚拟功角-转速平衡点和同步稳定裕度，从而可补偿由于配置下垂系数以满足双馈风机同步稳定裕度而引起的系统阻尼变弱。本专利技术控制方法也可应用于采用虚拟同步机控制的双馈风机，使频率下垂控制或虚拟同步机控制的双馈风机在具有期望的同步稳定裕度的同时，也具有期望的阻尼特性，改善电网的动态特性与稳定性。附图说明图1为本专利技术针对双馈风机的阻尼增强型频率下垂控制方法的示意图；图2为本专利技术的双馈风机并入无穷大电网的控制结构图；图3为本专利技术的频率下垂控制双馈风机的转速-电磁功率平衡点示意图；图4为本专利技术的频率下垂控制双馈风机在电网频率波动时的新转速-电磁功率平衡点示意图；图5为本专利技术的频率下垂控制双馈风机的同步稳定边界示意图；图6为实施例仿真验证中采用传统频率下垂控制且下垂系数不同的双馈风机在频率跌落时的转速和电磁功率响应；图7为实施例仿真验证中采用传统频率下垂控制且下垂系数不同的双馈风机在频率跌落时的定子磁链角频率响应；图8为实施例仿真验证中采用阻尼增强型频率下垂控制且附加阻尼系数不同的双馈风机在频率跌落时的定子磁链角频率响应；图9为实施例仿真验证中采用阻尼增强型频率下垂控制且附加阻尼系数不同的双馈风机在频率跌落时的转子转速响应。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本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对本专利技术一部分实例，而不是全部的实例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。双馈风机的转子侧逆变器经常采用频率下垂控制或虚拟同步机控制从而实现在弱电网或微电网中实现无通讯的功率均分以及有功功率支撑。在转子侧逆变器的电压电流控制中，常采用间接磁链定向控制实现风机定子磁链以及机端电压的定向。典型结构如图2所示，部分变量及物理意义如下表1所示。以下公式中涉及的变量如不特别说明，计算时均采用标幺值。表1本专利技术附图中部分系统变量的符号定义与说明在间接磁链定向控制下，当系统达到稳态时，定子磁链将定向于d轴，而机端电压将被定向于q轴，定义q轴与电网电压之间的夹角为双馈风机的虚拟功角，即其动态方程可写为：dδ′/dt＝(ωsf-ωg)×ω0(1)虚拟同步机控制的控制方程如式(2)所示，其中，J为模拟同步发电机惯性的惯性系数，当J＝0时，式(2)退化为频率下垂控制方程。式(2)中有功功率的参考值来源于风机的最大功率跟踪特性或减载特性，如式(3)所示，fDL(ωr)表示风机的最大功率跟踪特性或减载特性函数，KDL是最大功率跟踪系数或减载系数。风机的输出功率表达式如式(4)所示。风机转子的单质点运动方程如式(5)所示，其中，Ta>0是风机的等效惯性时间常数，D是风机的阻尼系数，PM是风机桨叶捕获的机械功率，在风速υ固定的情况下，可表示为关于转子转速ωr的函数fM(ωr)，如式(6)所示。其中，fM(ωr)是在风速与桨距角固定时风机桨叶捕获的机械功率PM与转子转速ωr的函数，K1是风能捕获系数，其与空气密度、风轮半径等有关，Cp为功率系数，它是叶尖速比(λ＝K2ω/υ)和桨距角β的非线性函数，可以看出，在风速υ(m/s)与桨距角固定(β＝0)的情况下，PM只和转子转速ωr相关，且可以表示为式(7)的形式。其中，C1,C2,C3,C4是功率系数计算相关的参数。联立上述式(1)-(6)可得关于电网频率的风机虚拟功角-转速特征方程：由式(8)可解得关于电网频率的风机转速平衡点为以下公式：ωre＝max(ωr1,ωr2)(9)其中，ωre是风机的转速平衡点，ωr1和ωr2是以下方程成立时ωr的两个不同解：图3给出了由式(8)所求得的风机转速与电磁功率平衡点，其中，实线部分为方程KP(fDL(ωr)-PE)+ω0-ωg＝0的解，虚线部分为的解，两者的交点即为式(8)的平衡点，该平衡点处所对应的转速即为式(9)所求解。从式(10)中可以看出当电网频率波动时，风机的转子转速会达到不同的平衡点，在暂态过程中风机的旋转部分会释放或吸收动能从而达到为电网提供有功功率支撑的目的，即：其中，ωre(new)是频率波动时暂态过程中期望到达的转速平衡点，ωre(0)是额定电网频率下风机的转速平衡本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对双馈风机的阻尼增强型控制方法，其特征在于：在虚拟同步机控制中引入电网频率的附加阻尼项D

【技术特征摘要】
1.一种针对双馈风机的阻尼增强型控制方法，其特征在于：在虚拟同步机控制中引入电网频率的附加阻尼项Dassist(ωsf-ωg)，并使附加阻尼系数的配置不影响双馈风机的虚拟功角-转速平衡点和同步稳定裕度，所述双馈风机的定子磁链输出角频率ωsf通过以下方式控制：其中，J是惯性模拟系数，ωsf是双馈风机的定子磁链输出角频率，ω0是角频率设定值，KP是下垂系数，Pref是有功功率参考...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄伟，吴琛，黄林彬，刘旭斐，辛焕海，杨浚文，
申请(专利权)人：云南电网有限责任公司，浙江大学，
类型：发明
国别省市：云南,53