专利名称：一种利用风电机组附加阻尼控制器提高系统阻尼的方法
技术领域：
本发明涉及一种电力系统领域的方法，具体涉及一种利用附加阻尼控制器调制风电机组提高大型风电场并网系统低频振荡阻尼特性的方法。
背景技术：
风能利用的潜力巨大，陆地和海上风能的可开发装机总容量达到大约7 12亿 kw，最新评估报告提出的数据甚至可达25亿kW以上。我国政府关于风电发展的承诺中，一项重要的组成部分就是建设七大“千万千瓦级风电基地”。七大风电基地分别位于内蒙古东部和西部、新疆哈密、甘肃酒泉、河北、吉林西部和江苏沿岸及近海地带。随着风电场的大规模发展，风电机组的研究、制造与应用水平也在不断提高，从过去对风能利用效率不高的恒速风机发展到追求风能最大转换效率的变速恒频风电机组。其中，基于双馈感应发电机的兆瓦级风电机组因其在运行方面表现的诸多优点，已成为当前风电市场的主流机型。与欧洲发达国家风电分布式分散接入电网不同，我国风电采用“大规模、高集中” 的开发模式和“大容量、高电压、远距离”的输送模式。在我国新疆哈密和甘肃河西走廊，具有丰富的风力资源，同时也是我国重要的煤炭基地，将该地区的风电与火电打捆外送，可以弥补风功率出力不确定性，造成大容量外送输电通道设备利用效率偏低等不利影响，保证能源供应的稳定性和电力系统运营经济性。然而，远距离大容量电力外送，系统振荡阻尼特性将会减弱，受故障或风功率波动扰动，系统易出现低频振荡，危机电网安全稳定运行。通过加强输电网或安装灵活交流输电等一次装置，虽能提高系统的振荡阻尼，但会面临巨额投资。通过控制双馈风电机组转子励磁电流，可快速调节其输出功率水平。另一方面，由于风功率波动特点，风机可在较大的出力范围内连续、稳定运行。因此，利用附加功率控制器对系统受扰后的风机出力进行调节，通过风电场吞吐系统振荡能量，则能够达到抑制系统低频振荡、快速恢复系统稳定的目的，实现提高风火打捆大容量外送系统的安全稳定水平和输电能力。利用大容量风电场附加阻尼控制改善电网动态特性，具有较好的经济性和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用附加阻尼控制器调制风电机组有功出力，提高大型风电场并网系统低频振荡阻尼特性的方法。依据双馈风电机组最优转速控制的基本原理，引入交流电网受扰后低频振荡特征信号设计附加阻尼控制器，阻尼控制器输出为风机控制转速的调制分量，通过对风机转速控制实现其有功出力调节，从而达到抑制电网振荡的效果。本发明采用下述技术方案予以实现—种利用风电机组附加阻尼控制器提高系统阻尼的方法，其改进之处在于，设计并网风电场和风电机组的阻尼控制器抑制并网系统低频振荡，所述方法包括以下步骤
(1)采用电力系统仿真计算工具，建立风电机组及大型风电场并网系统的仿真模型；(2)在风电机组最优转速控制系统中，施加频率范围为0. 05-1. 5Hz的低频振荡信号，通过傅里叶分析，求取外送交流通道有功功率与转速控制信号间的开环传递函数；基于所述开环传递函数以及所述电力系统目标极点设计风电机组附加阻尼控制器，并整定所述附加阻尼控制器参数；(3)对风电场并网系统施加三相短路大扰动，校核不同运行条件下风机附加阻尼控制器对抑制电力系统低频振荡的效果；(4)根据步骤(3)中附加阻尼控制器抑制电力系统低频振荡仿真计算的效果，微调控制器参数，进一步优化所述电力系统低频振荡阻尼特性。本发明提供的一种优选的技术方案是所述步骤(1)中，所述风电机组模型包括风功率系统、风力发电机及风力发电机控制系统模型；所述交流电网中火电机组和水电机组均采用计及调节器的详细模型；双馈风机转子侧控制系统采用基于定子磁链定向的功率解耦控制，定子侧采用基于电网电压定向的功率解耦控制。本发明提供的第二优选的技术方案是所述步骤O)中，在风电机组最优转速控制系统中，将频率范围为0. 05-1. 5Hz，增量为0. 05Hz的低频小幅值振荡信号Δ ω叠加至控制转速参考值ω&上，即
权利要求
1.一种利用风电机组附加阻尼控制器提高系统阻尼的方法，其特征在于，设计并网风电场和风电机组的阻尼控制器抑制并网系统低频振荡，所述方法包括以下步骤(1)采用电力系统仿真计算工具，建立风电机组及大型风电场并网系统的仿真模型；(2)在风电机组最优转速控制系统中，施加频率范围为0.05-1. 5Hz的低频振荡信号， 通过傅里叶分析，求取外送交流通道有功功率与转速控制信号间的开环传递函数；基于所述开环传递函数以及所述电力系统目标极点设计风电机组附加阻尼控制器，并整定所述附加阻尼控制器参数；(3)对风电场并网系统施加三相短路大扰动，校核不同运行条件下风机附加阻尼控制器对抑制电力系统低频振荡的效果；(4)根据步骤(3)中附加阻尼控制器抑制电力系统低频振荡仿真计算的效果，微调控制器参数，进一步优化所述电力系统低频振荡阻尼特性。
2.如权利要求1所述的利用风电机组附加阻尼控制器提高系统阻尼的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述风电机组模型包括风功率系统、风力发电机及风力发电机控制系统模型；所述交流电网中火电机组和水电机组均采用计及调节器的详细模型；双馈风机转子侧控制系统采用基于定子磁链定向的功率解耦控制，定子侧采用基于电网电压定向的功率解耦控制。
3.如权利要求1所述的利用风电机组附加阻尼控制器提高系统阻尼的方法，其特征在于，所述步骤O)中，在风电机组最优转速控制系统中，将频率范围为0.05-1. 5Hz，增量为 0. 05Hz的低频小幅值振荡信号Δ ω叠加至控制转速参考值上，即
4.如权利要求1所述的利用风电机组附加阻尼控制器提高系统阻尼的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在大型风电场并网系统不同运行条件下，验证附加阻尼控制器抑制低频振荡的有效性；所述大型风电场并网系统发生大扰动，仿真校验电力系统不同运行方式以及风电场不同出力水平下的附加阻尼控制器抑制系统低频振荡的有效性。
5.如权利要求2所述的利用风电机组附加阻尼控制器提高系统阻尼的方法，其特征在于，所述风电机组包括双馈变速恒频率风电机组；所述双馈变速恒频率风电机组的主要部件包括风功率系统、风力发电机和风机控制系统。
6.如权利要求3所述的利用风电机组附加阻尼控制器提高系统阻尼的方法，其特征在于，求取所述附加阻尼控制器参数，对所述主导极点进行相位及幅值补偿。
7.如权利要求5所述的利用风电机组附加阻尼控制器提高系统阻尼的方法，其特征在于，所述风功率系统建模过程如下所述风功率系统模拟包括三个部分风速模拟系统、风轮机组特性模拟以及叶片角控制部分；所述风功率系统输出为风力发电机输入机械转矩；动态风速可模拟基本风Vwb、阵风Vwg、渐变风、随机噪声风V ，合成风速V为
8.如权利要求5所述的利用风电机组附加阻尼控制器提高系统阻尼的方法，其特征在于，所述风力发电机组采用鼠笼式感应电动机模拟；所述风力发电机转子回路通过发电机滑环与外界电压源互联；所述风力发电机转子电压Urf与不等于0，双馈感应发电机通过控制所述风力发电机转子外界电压，可控制风力发电机转子输出的有功和无功功率；同步旋转dqO坐标系下双馈感应发电机的电压方程为
9.如权利要求5所述的利用风电机组附加阻尼控制器提高系统阻尼的方法，其特征在于，所述风机控制系统分为两层第一层为风力机最优风功率跟踪控制及风电机组无功功率控制，所述风力机最优风功率跟踪根据实时风速以及确定风机转子最优转速；所述风电机组无功功率控制根据无功功率控制策略确定风电机组的无功参考值；第二层为功率解耦控制，以第一层控制所确定的最优转速及无功功率参考值为控制目标，实现定子侧和转子侧变频器的有功和无功解耦控制。
全文摘要
本发明属于电力系统领域，具体涉及一种利用附加阻尼控制器调制风电机组有功出力，提高大型风电场并网系统低频振荡阻尼特性的方法。本发明依据双馈风电机组最优转速控制的基本原理，引入交流电网受扰后低频振荡特征信号设计附加阻尼控制器，阻尼控制器输出为风机控制转速的调制分量，通过对风机转速控制实现其有功出力调节，从而达到抑制系统振荡的效果。将本发明应用到大型并网风电场，能够增强受扰后系统低频振荡阻尼特性，快速抑制系统振荡，提升电网接纳大容量新能源电力的能力。
文档编号H02J3/24GK102255325SQ201110175859
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月28日 优先权日2011年6月28日
发明者丁剑, 唐晓骏, 宋云亭, 尚慧玉, 张志强, 张鑫, 郑超, 陈得治, 雷虹云, 马世英 申请人:中国电力科学研究院