一种基于转差率反馈的双馈风电机组惯量控制方法与流程

本发明涉及新能源发电技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为了解决现有的频率二次跌落现象的问题，本发明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。

本发明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ω_r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ω_r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P_ref，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：L_s、L_m为d、q轴定子绕组自感、定子、转子绕组互感，n_p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，ψ_s为定子磁链，直接检测得到，K_iP和K_iI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s_wref；

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s_w，将反馈值s_w与转差率参考值s_wref进行比较，得到转差率偏差信号Δs_w；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Δi_qr；

S05，将转子电流q轴分量的微调量Δi_qr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i_{qr_ref}；

S06，通过调节双闭环控制的转子电流环控制目标值i_{qr_ref}，使得电网频率下降时，i_qr增大，电磁转矩T_e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s_wref的比例参数和微分参数分别为K_fP＝1,K_fD＝0。

较优地，步骤S04微调量Δi_qr的计算公式为：

K_P和K_D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，K_P取值为转差率当前的动态偏差信号，K_D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。

本发明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：

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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为本发明方法中的有功外环、电流内坏的双闭环控制系统结构图；

图2为本发明方法中的转差率参考值计算示意图；

图3为本发明方法总体控制框图；

图4为本发明方法的实施例中，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发明作进一步详细描述。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

以下结合附图对本发明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发明，并不用于限定本发明。

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；根据本发明实例，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T_e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ω_r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P_ref，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：L_s为d轴定子绕组自感、定子和转子绕组互感，L_m为q轴定子绕组自感、定子和转子绕组互感，n_p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，ψ_s为定子磁链，直接检测得到，K_iP和K_iI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K_iP＝4，K_iI＝0.1；s为积分时间常数；

现有的附加频率惯量控制、PD虚拟惯量控制均作用于功率控制外环，通过附加控制环节生成有功功率控制参考值，并叠加到风电机组最大功率追踪控制参考值之上，通过调节有功输出以实现惯量响应。本发明中提出的基于转差率反馈的双馈风电机组惯量控制方法作用于电流内环，通过附加控制环节生成电流指令微调量，叠加到有功功率控制环的转子电流指令上，进而调节有功输出以实现惯量响应。

为实现转差率反馈惯量控制，首先需要获得转差率参考值，获得途径如图2所示，通过锁相环获得频率测量值f，为保证控制模块只对动态频率偏差响应，将频率测量值通过高通滤波器后，经比例、微分环节产生转差率参考值s_wref。

双馈风电机组转差率反馈惯量控制总体控制框图如图3所示。测得的实时转差率slip经高通滤波器阻断稳态输入信号后，得到反馈值s_w，将其与转差率参考值s_wref进行比较，得到转差率偏差信号Δs_w；最后通过不完全微分PD控制器，得到转子电流q轴分量的微调量Δi_qr，

在本实施例中，经反复调试得高通滤波器的时间常数取为5s，转差率参考值获得环节比例微分参数K_fP＝1,K_fD＝0；不完全微分PD控制器的低通滤波环节时间常数设置为3s，控制参数K_P和K_D分别对应着转差率当前的动态偏差信号和预计动态偏差信号，在转差率调节过程中参数的取值不同，对系统的控制效果也不一样，本例中取K_P＝0.8，K_D＝1.2可达到最优的控制效果。

图4为简单风机并网测试系统结构图。风电机组额定输出功率为60MW，输入风速恒定为11m/s，实验中的扰动取为20kV母线处增加20MW的负荷，造成电网频率下降。

图5、6和7所示为风电机组分别在附加频率惯量控制、PD虚拟惯量控制和基于转差率反馈惯量控制下电网频率、电磁转矩、转子转速随时间变化的情况，附加频率惯量控制参数K_D＝30，T＝0.1s；PD虚拟惯量控制参数K_P＝5，K_D＝30，T＝0.1s。

由结果可知，与附加频率惯量控制和PD虚拟惯量控制策略相比，该方法频率偏差的改善效果最佳，同时可以避免频率的二次跌落、转速恢复快。

本领域内的技术人员可以对本发明进行改动或变型的设计但不脱离本发明的思想和范围。因此，如果本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。