一种与二次调频相协调的双馈风电机组虚拟惯性控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种与二次调频相协调的双馈风电机组 虚拟惯性控制方法。
【背景技术】
[0002] 双馈风力发电机(DFIG)是目前风力发电的主要机型。DFIG转子侧变流器通过滑环 向双馈异步发电机的转子输入可控的变频电流。网侧变换器与三相电网连接，并通过直流 环节在双馈异步发电机的转子与电网之间实现功率交换。与本文涉及技术有关的主要是转 子侧变流器的控制技术。转子侧变流器的具体控制目标如下:①通过控制转矩/功率，使转 子转速始终跟随功率的最有曲线变化，进而实现最大功率的提取;②控制异步发电机与电 网之间交换的无功功率(与有功功率解耦控制）。这可用于发电机端的电压调节。同步发电 机的转子和系统频率是耦合的，当系统频率发生变化时，转子的转动惯性会阻尼频率的变 化。但是，在传统控制方式下，由于变流器的特性，使得双馈风电机组的转子的转速与系统 频率完全解耦 [1]。当电网发生频率波动时，双馈风电机组不能对系统频率变化做出响应，导 致风电机组转子的转动惯量被浪费掉了，大规模风电场并网会造成系统整体惯性降低。实 际上，在正常运行时，双馈风电机组所储存的惯性总量是十分可观的。通过合适的控制可以 充分利用这部分惯性，对系统稳定性进行支持。虚拟惯性控制模块，即在风电机控制中加入 了附加的有功功率控制模块 [2,3]，利用风电机组储存在旋转质量中的动能参与系统调频。 ?rS风电机组转速，经过最大功率跟踪(MPPT)输出功率参考值P。#，虚线框为虚拟惯性控 制模块，为系统频率的测量值，心为频率微分的权重系数，ΔΡ为虚拟惯性控制模块输出 的附加功率值。当系统频率发生变化时，DFIG的电磁功率参考值也会发生响应的改变，而这 部分增加的电磁功率正式来自释放的转子动能。风电机组的虚拟惯性响应速度很快，可以 有效的补偿系统传统同步机组一次频率响应较慢的缺点，实现系统整体频率的快速调整。 现在主流的虚拟惯性控制方案，将原有的虚拟惯性控制模块加以改进，主要体现在以下两 占 .
[0003] -、减载控制
[0004] 原有的ΜΡΡΤ模块是最大功率跟踪，系统不存在有功备用，这对于双馈风电机组参 与系统频率调节是不利的。于是在原有的ΜΡΡΤ模块上加上一个减载控制环节，是功率跟踪 模块运行在次优跟踪曲线上，这样可以使双馈风电机组获得一定的有功备用。
[0005] 二、下降控制
[0006] 其基本原理为模拟同步发电机一次调频的功率-频率静态特征曲线的下降比例关 系，将一个正比与频率偏差的有功功率变化值加入到原有的有功功率参考值上以适时地调 节风电机的有功出力，模拟电机下降特性所得的功-频关系。则改进的虚拟惯性控制方法 Κ%为减载系数，Κ2为下降控制的权重系数，fref = 50Hz，Κ _为风电机组跟踪减载运行曲线 得到的有功参考值。有如下关系式：
[0007] P/〇pt = P〇Pt(l-K%)
[0008]
[0009]因此，这种惯性控制方法可以使风电机组具有更好的频率响应能力并能够根据系 统需求适时地调节其有功出力，以有效参与系统的一次调频。
[0010]现有技术的缺点
[0011] 1.没有和电力系统二次调频相协调
[0012] 由于传统的虚拟惯性调节仅支持频率的一次调节，对于电力系统微小的频率波动 能够提供较好较快的支持。但是当电力系统发生较大扰动时，仅靠系统的一次调频，只能缓 解频率下降趋势，但是不能实现频率的无差调节。若要实现频率的无差调节，需要进行二次 调频，即通过AGC(自发电控制系统)或者调度中心人工对系统主调频机发出功率调节指令， 以使频率最终恢复50Hz水平。但是在系统进行二次调频的过程中，风电机组的频率控制模 块实际上也在同时动作，若不与系统二次调频进行协调，会使系统频率调节效果降低，严重 时甚至引起系统频率振荡。此外，由于二次调频整体时间较长，若风电机组的虚拟惯性模块 一直参与，使风电机组一直释放(吸收)转子的旋转动能，的转速，会导致风电机组的转速下 降(上升)到一个不可接受的水平。
[0013] 2.没有考虑风电机组有功调节能力受频率波动的影响
[0014] 风电场的有功调节能力受系统频率波动影响很大。若频率扰动较小，传统的虚拟 惯性控制能够较快的响应频率波动。但单一的控制在较大范围的频率波动下，不能取得很 好的调节效果，会造成风电场有功出力不足或转速越限。
【发明内容】
[0015] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有双馈风电机组虚拟惯性控制方法没有 和电力系统二次调频相协调，未考虑风电机组有功调节能力受频率波动影响的不足。提供 一种与二次调频相协调的双馈风电机组综合虚拟惯性控制方法，在现有的虚拟惯性控制模 块的基础上，加入了二次调频协调模块，并提出了一种基于改进稳态频率响应的综合控制 方法，从而提高了双馈风力发电机的调频效果。
[0016] 具体而言，本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0017] -种与二次调频相协调的双馈风电机组综合虚拟惯性控制方法，包括以下步骤：
[0018] 步骤1、判断电力系统是否有频率变化，如是，则转步骤2;
[0019] 步骤2、基于改进的风电场稳态频率响应，判断所测系统频率fme3as所在范围，并采 用对应的综合惯性控制模式，并判断是否有电力系统二次调频信号，若有，则转步骤3;
[0020] 步骤3、综合虚拟惯性控制模块中二次调频协调控制模块动作，根据系统主调频机 增发功率情况调节风电机组的出力，并响应风电机组的转速情况，防止风电机组转速超出 运行范围导致风电机组退出运行；
[0021] 步骤4、风电机组与系统同步发电机共同作用，使电力系统频率恢复正常水平。
[0022] 进一步地，风电场的功率特性受电力系统的频率影响很大，单一的控制模式对大 的频率扰动不能有很好的支持效果。本发明对传统风电场稳态频率响应进行改进，根据风 电机组虚拟惯性调节的特点，提出一种改进的风电场稳态频率响应控制，从而充分发挥风 电场的功率支持潜力。具体而言，步骤2中所述基于改进的风电场稳态频率响应的综合惯性 控制方法及各模式含义如下：
[0023]步骤201、对测量的系统频率fmeas进行分析，基于改进的稳态频率响应判断系统频 率所在范围，其中fB与fC为门槛频率，fmin与fmax为风电机组允许运行的最小频率和最大频 率，f N为系统的额定频率，大小为50HZ。
[0024]步骤202、根据系统频率所在范围确定不同的控制模式，具体如下：
[0025] 当fmi" fmeas <f b时，系统出现较大的有功缺额，此时应当释放所有的有功备用K % =0，Prrf_in = P〇Pt，并同时进行虚拟惯性控制，以实现对系统频率的最大支持；
[0026] 当fB das < fc时，系统频率为较小波动，依靠虚拟惯性控制及后续系统中同步机 的一次响应可以完成调频工作，Prrf+iniPo'pt，此时采用综合虚拟惯性控制；
[0027] 当fc<fmeas < fmax时，系统频率增加，系统出力过多，风电机组应当采取更强的减载 控制，pref_in = P〃 0Pt，增大K值，持续限制有功出力；
[0028] 当以及时，cormir^DFIG允许运行的最低转速，取 0.75p. u，ω rmax*DFIG允许运行的最高转速，取1.25p. u;若因为频率超限而退出运行，再检 测到频率恢复到正常范围后经延迟环节风电机组将恢复并网；若因为转速超限而退出运 行，则进入转速恢复环节，若转速恢复到正常水平，风电机组将恢复并网运行。
[0029] 进一步地，传统的风电场调频控制仅针对电力系统的一次调频，当系统发生大的 频率扰动时需要进行二次调频时，风电场的调频模块会由于系统频率的变化频繁动作，影 响调频效果；同时因为风电机组转子的转动惯性的不断释放/吸收，导致风电机组转速可能 超限。本发明对传统虚拟惯性控制模块进行改进，加入二次频率调节信号协调模块，同时考 虑风电机组的转子转速，提高了风电场参与调频的稳定性。具体而言，步骤3中与二次频率 协调的综合虚拟惯性控制按照以下步骤：
[0030] 步骤301、综合虚拟惯性控制模块输入有功参考值Pref_in为：
[0031] Pref_in = P〇Pt(l-K%)
[0032] 其中P〇Pt为经过最大功率跟踪输出的功率参考值，K %为减载系数；
[0033] 步骤302、判断是否有系统二次频率控制指令，若Pe = 0则二次频率系统功率指令 ΑΡ = 0,综合虚拟惯性控制模块输出有功参考值为：
[0034]
[0035] 其中心为频率微分的权重系数，K2为下降控制的权重系数
[0036] 若Pc矣0则二次频率系统功率指令Δ Ρ矣〇,则进入步骤303;
[0037] 步骤303、综合虚拟惯性控制模块输出有功参考值为：
[0038] UI
[0039] 其中，ΔΡ为二次频率系统功率指今：
[0040:
[0041]其中KC为二次调频协调权重系数，SCf为系统主调频同步机组的容量，Sw为风电机 组的容量，为双馈风电机组的转子转速，其范围为0.75 < 1.25。
[0042] 进一步，本发明进行了双馈风电机组整体的综合惯性控制设计，ir,abc为转子三相 电流;ird、irq分别为转子d、q轴电流;ird、irq分别为转子d、q轴电流；V#、. _Vq.分别为转子d、q 轴控制电压信号；附加综合惯性控制模块，改变功率控制参考值Prefjt，使风电机组可以对 系统频率的变化做出相应，适当的对电力系统进行惯性支持。
[0043] 本发明提供的与二次调频相协调的双馈风电机组虚拟惯性控制方法，解决了风电 机组虚拟惯性控制与电力系统二次调频相配合的问题，在原有的虚拟惯性控制模块的基础 上附加了与电力系统二次调频相协调的模块，使整体调频效果得到了提高。并在附加模块 中考虑了风电机组转子转速，使得风电机可以连续运行在安全的转速范围内；解决了系统 频率波动对风电机组有功调节能力的影响的问题，由于风电机组的有功调节能力受系统频 率波动影响很大，为了使双馈风电机组有更好的频率调节能力，优化了风电机组的稳态频 率响应，并据此设计了控制策略，使得风电机组调频效果有所调高。
【附图说明】
[0044] 图1是本发明实施例提供的二次频率协调模块示意图。
[0045] 图2是本发明实施例提供的含有二次调频协调模块的虚拟惯性控制示意图。
[0046] 图3是本发明实施例提供的改进的双馈风电机组稳态频率响应示意图。
[0047] 图4是本发明实施例提供的基于稳态频率响应的综合惯性控制流程示意图。
[0048] 图5是本发明实施例提供的双馈风电机组转子侧控制图。
[0049] 图6是本发明实施例提供的仿真系统示意图。
[0050] 图7是本发