一种双馈风力机组惯性调频主动转速保护控制系统与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种双馈风力机组惯性调频主动转速保护控制系统与方法。
【背景技术】
[0002] 双馈风力发电机（doubly fed-induction generation，DFIG)具有发电效率高变 频器容量小的特点，然而其电力电子变流器在实现最大功率跟踪的同时也使得转子转速和 电网频率之间不再存在耦合关系，不能像传统同步发电机一样通过释放或者存储转子动能 阻尼系统频率变化，从全系统角度看，基于DFIG机组风电机组的转动惯量为零。在电网负 荷扰动初期，系统惯性直接影响频率的变化速率，惯性降低会明显减弱系统的频率动态响 应特性，导致系统遭遇负荷扰动后频率波动过大不满足电网导则规定要求。
[0003] 为了降低DFIG机组接入对电网频率稳定性的影响，利用风力机组自身调频能力 的改进方法主要分为两类：一类方法是通过超速或变桨距的方法降低发电机正常工作效率 以获得备用容量参与系统一次调频的减载控制方法，减载控制方法虽然能获得备用容量但 是降低了风力机组正常运行时的经济效益，且风速预测的不确定性对风电机组预留备用容 量有较大影响，因此应用范围较小；另一类是利用转子中存储的动能进行短时调频，模拟同 步发电机组特性的惯性调频控制，DFIG机组相对于传统同步发电机具有更大的机械惯性且 速度可调节范围较大理论上能模拟出更多的惯性。
[0004] 然而已知的固定转速限值转速保护方式未考虑风速条件对风力机组调频能力的 影响和风力机组退出调频时引起的系统频率二次波动问题。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决上述问题，提出了一种双馈风力机组惯性调频主动转速保护控制 系统与方法，本方法对DFIG机组在不同风速区内的调频特性和调频能力进行了量化分析， 研究了各风速区内调频能力主要限制因素，并进一步提出了一种基于惯性调频过程中动能 损失负反馈的主动转子转速保护控制策略。该控制方法根据系统容量和运行工况调整控制 器参数，具有良好的转速保护性能。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种双馈风力机组惯性调频主动转速保护控制系统，包括比较模块、风速检测模 块、触发开关、损耗计算模块和控制器，其中，控制器包括：惯性调频控制环节、比例环节、积 分环节和转速保护控制环节，风速检测模块采集风速、风机转速和桨距角参数，转速保护控 制环节根据风速检测模块采集的信息，计算风机实时捕获机械风功率，损耗计算模块连接 转速保护控制环节，将实时捕获机械风功率减去损耗，得到的计算结果与发电机输出电磁 功率比较，得到风力机组因参与系统调频引起的输入输出功率差额，输入输出功率差额通 过触发开关传递给比例环节和积分环节，比例环节和积分环节作用后输出负反馈功率控制 量，与惯性调频控制信号一起作为调频附加有功功率给定值。
[0008] 所述触发开关，用于保证惯性调频控制环节和转速保护控制环节同步动作，避免 转速保护控制环节对风力机组稳态运行产生干扰作用。
[0009] -种双馈风力机组惯性调频主动转速保护控制方法，包括以下步骤：
[0010] (1)建立双馈风力发电机组模型，采用定子电压定向的矢量控制，实现有功和无功 功率的解耦控制；
[0011] (2)将电网频率变化引入风电机组控制系统，使和电网频率没有直接耦合的双馈 风力发电机组具有惯性；
[0012] (3)对双馈风力发电机组的惯性调频动态过程和调频能力进行分析，得到机组在 低风速区、中风速区和高风速区的不同特性；
[0013] (4)利用负反馈调节信号逐渐减小调频作用，构建主动保护控制系统，将转速维持 在稳定区域内。
[0014] 所述步骤（1)中，建立双馈风力发电机组在同步旋转坐标系下的电压、磁链、功率 和电磁转矩方程：
[0016] 式中：1]3和Ur分别为定、转子电压矢量；Φ 3和分别为定、转子磁链矢量；I 3和 别为定、转子电流矢量；R JP Rj别为定、转子绕组电阻；L 3和L分别为定、转子绕组 自感；Lni为定、转子绕组之间的互感；ω e为同步转速；ω ^为转子转速；Ps，Qs，I^1_DFIG 的电磁转矩、定子侧有功、无功功率；PD为极对数。
[0017] 所述步骤（1)中，忽略定子电阻和定子磁链的变化，采用将同步旋转参考坐标系d 轴与定子电压矢量方向重合的方法，双馈风电机组定子绕组有功、无功功率与转子d/q轴 电流之间的关系为：
[0019] 由⑵式可知，当采用定子电压矢量定向控制，并保持定子磁链恒定时，DFIG机组 定子侧有功功率或电磁转矩可通过转子电流的d轴分量U空制，无功功率可以通过转子电 流的q轴分量空制，从而实现了有功和无功功率的解耦控制。
[0020] 所述步骤（2)中，将风力发电机的捕获的机械风功率表示为：
[0022] 式中：Pni为给定风速下风力机捕获的机械功率；P为空气密度；C ρ(λ，β)为最优 风能转换率；β为桨距角；A为风机扫过的面积；VwS风速；λ为叶尖速比λ = w tR/Vw，wt为风机旋转角速度，R为叶片半径。
[0023] 所述步骤（2)中，DFIG机组依据风速大小运行，在各不同区间中，发电机有功参考 指令Pcipt依据转子转速ω 3合出：
[0025] 式中：Iccipt为最大功率跟踪曲线的比例系数；ω。为DFIG的切入转速η。对应的电角 速度；ω DFIG进入转速恒定区时的初始转速η 应的电角速度；ω _为DFIG转速限值 11_对应的电角速度；Ρ _为DFIG输出有功功率限幅值。
[0026] 所述步骤（3)中，风力机组在参与系统调频过程，用于补偿因转速下降引起的风 机捕获机械功率损失为：
[0028] 式中：AEkS转子总动能变化量；AEcip为风力机组实际用于调频的有效释放动 能，该部分越大则风力机组对系统调频的贡献越大；A ElcissS转速下降导致的风能利用率 降低引起的风力机组功率损失，这部分越大越不利于风力机组参与系统调频；Pd为机组的 极对数J为机组总转动惯量；ωΑ，〇^分别为调频初始和退出时转子转速；t ^ Lff分别为 调频起始时刻和退出时刻；PyPni(t)，Pjt)分别为调频前输入功率、调频过程中捕获风功率 捕获功率和输出电磁功率。
[0029] 所述步骤⑶中，低风速区和中风速区内风力机组参与调频过程均为：调频初期 发电机将通过控制转子转速下降释放转子动能弥补输入输出功率差值，输入功率则随转速 降低沿捕获风功率特性曲线开始下降，当转子转速降至下限值时，风力机组将退出调频进 入转速恢复阶段。
[0030] 所述步骤（3)中，低风速区内，风力机组的调频能力随着风速增加而增大；中风速 区，风力机组调频能力随着风速增加而减小，同时过大的功率损耗也将导致中风速区风力 机组退出调频时对系统频率冲击远大于低风速区，
[0031] 高风速区由于桨距角在调频前处于非零状态，释放动能转速降低导致风力机组减 小桨距角从而捕获的风功率增加，这将有利于风力机组参与调频，使其具有比中低风速区 更强的惯性调频能力，高风速区风力机组自身桨距角调节机制有利于其参与调频，变桨距 角减载运行控制是解决风力机组变频器容量限制的有效办法。
[0032] 所述步骤⑶中，用递增函数f (Vw)表示中低风速区内有效释放动能与风速之间 的关系，递减函数g(Vw)表示中风速区内有效释放动能与风速之间的关系： CN 105134485 A ^ ^ Ij 4/y 贝
[0034] 所述步骤（4)中，主动保护控制策略的具体为：转速保护控制环节根据风速、风机 转速和桨距角参数计算风机实时捕获机械风功率，将其与发电机输出电磁功率比较，得到 风力机组因参与系统调频引起的输入输出功率差额，经过比例环节和积分环节输出负反馈 功率控制量，最终与惯性调频控