双馈风机在微电网中的频率控制参数选取方法与流程

本发明涉及一种微电网控制技术，特别涉及一种基于特征值分析的双馈风机在微电网中的频率控制参数选取方法。

背景技术：

随着新能源利用技术的发展，尤其是风能、太阳能利用的高效性，我国的风力发电和光伏发电产业迅速发展，风电、光伏渗透率不断提高，含风电、光伏的微电网以其灵活、可控、充分利用微电源发电能力、提高电力系统的可靠性等优点，近年来受到了广泛关注。

微电网既能并网运行，又能在大电网故障或计划检修时孤岛运行。微电网由于容量较小，孤岛运行时，失去大电网支撑，更易出现功率供需不平衡、频率失稳、振荡等问题，继而损害微电网安全稳定运行。因此孤岛模式下微电网的频率控制策略是微电网研究的关键问题。目前微电网控制方式主要有主从控制、对等控制和分层控制等。

微电网内部大部分微电源通过电力电子装置并网，如双馈感应(doublyfedinductiongenerator，dfig)风电机组通过背靠背变流器并网，双馈风机转子转速与微网系统解耦，转子转速不能响应频率变化，降低了微网惯性。dfig风电机组转子含有较大的旋转动能，利用得当可使其参与微电网孤岛运行时的频率调整。

目前研究人员主要提出了虚拟惯量控制、下垂控制、减载运行等方式使dfig风电机组参与系统频率调整。近年来研究人员进一步提出了将多个调频手段联合应用的实例，如将虚拟惯量控制和桨距角减载联合用于风电机组的有功功率控制环节，与微电网中的柴油机调速器配合，共同参与孤岛模式下微电网频率协调控制。在一系列调频手段中，为了进一步充分利用风电机组的调频能力，技术人员对一系列调频控制的控制参数进行了研究，如使用试错法对基于虚拟惯量与超速控制协调的控制策略，在不同风速工况下进行参数分析，结合调频效果和安全性，制定不同风速对应的虚拟惯量控制系数和下垂控制系数。但有结论证明，风电机组加入虚拟惯量控制和超速减载控制时对电网特征根分布影响较大，但虚拟惯量控制和超速减载控制的哪个参数对特征根的分布造成怎样的影响还未清楚，对虚拟惯量控制和超速减载控制参数选取不当时引起的振荡问题还未很好的解决。

若不考虑孤岛运行微电网安全稳定性要求，设置不合理的虚拟惯量控制、超速减载控制参数，将造成风电机组在低风速时过度调频，转子转速过低，危及风电机组安全稳定运行，进而损害微电网的安全稳定性，或高风速时不能充分利用转子动能进行调频，造成微电网频率动态响应特性恶化，加重微电网中其余微电源的调频压力。因此深入研究风电机组虚拟惯量控制、超速减载控制等频率控制环节，考虑微电网稳定性要求来整定控制参数对微电网的安全稳定运行具有重要意义。

技术实现要素：

本发明是针对双馈风机控制参数选取不当时引起振荡的问题，提出了一种双馈风机在微电网中的频率控制参数选取方法，充分利用dfig风电机组参与调频的能力，用以增强孤岛模式下微电网的频率稳定性和小干扰稳定性。

本发明的技术方案为：一种双馈风机在微电网中的频率控制参数选取方法，具体包括如下步骤：

1)建立风光柴微电网模型，确定风电机组、柴油机共同参与孤岛模式微电网频率控制策略：

柴油机配备调速器、自动调压器参与调频调压，dfig风电机组控制系统由超速控制、虚拟惯量控制和桨距角控制组成，双馈风电机组采用超速控制获取一次有功备用参与一次调频，配备虚拟惯量控制增加风电机组等效惯量，参与暂态频率控制；对微电网模型线性化，建立小信号分析模型；

2)使用小信号分析模型和动态时域仿真结果，研究柴油机调速器参数变化时微电网的特征值变化轨迹，找出反映微电网频率动态响应特性的一组典型特征根；

3)分析dfig风电机组超速控制和虚拟惯量控制参数变化时，步骤2)所得典型特征值的变化轨迹规律，根据特征值轨迹判断微电网频率稳定性变化，得到兼顾系统调频效果和小干扰稳定性的dfig风电机组超速控制和虚拟惯量控制参数的合理选取范围；

4)针对超速控制和虚拟惯量控制参数选取过大时，会产生的系统频率振荡问题，使用特征值分析方法，改进了dfig风电机组有功功率控制系统中桨距角控制和转矩控制的两个pi参数，改善了典型特征值在复平面趋于不稳定的分布趋势，保证在扩大了超速控制和虚拟惯量控制参数可选取的范围同时，进一步增强了微电网的调频效果和小干扰稳定性。

本发明的有益效果在于：本发明双馈风机在微电网中的频率控制参数选取方法，得到dfig风电机组超速控制和虚拟惯量控制系数取值的合理范围，改进pi控制参数，可解决超速控制和虚拟惯量控制系数取值超出范围时的频率振荡现象，并扩大超速控制和虚拟惯量控制系数的取值范围，即增加微电网的稳定裕量，进一步增强微电网小干扰稳定性。最后在digsilent/powerfactory仿真软件中搭建微电网模型，通过动态时域仿真验证了本发明所提方法对提高微电网频率稳定性和小干扰稳定性的有效性。

附图说明

图1为本发明实施例的风光柴微电网仿真系统图；

图2a为本发明柴油机调速器控制框图；

图2b为本发明柴油机功频静特性曲线示意图；

图3a为本发明调速器参数kp取值不同时，系统状态矩阵a的特征值图；

图3b为本发明调速器参数kp取值不同时，微电网频率动态响应曲线图；

图3c为本发明调速器参数tp取值不同时，系统状态矩阵a的特征值图；

图3d为本发明调速器参数tp取值不同时，微电网频率动态响应曲线图；

图3e为本发明调速器参数cpl取值不同时，系统状态矩阵a的特征值图；

图3f为本发明调速器参数cpl取值不同时，微电网频率动态响应曲线图；

图4a为本发明dfig风电机组有功功率控制系统示意图；

图4b为本发明dfig风电机组超速控制图；

图4c为本发明dfig风电机组虚拟惯量控制框图；

图5a为本发明微电网负荷变化时，不同kpw取值时系统特征值对比图；

图5b为本发明微电网负荷变化时，不同kpw取值时频率动态响应曲线图；

图6a为本发明虚拟惯量控制系数kwi、时间常数tlpwi、twowi变化时典型特征根的计算结果图；

图6b为本发明微电网受负荷扰动时不同kwi取值时的频率动态响应曲线图；

图7为本发明2个pi控制环节参数调试过程的特征值分布规律图；

图8a为本发明超速控制参数kpw＝80,其余控制参数取值不变,改进转矩控制参数kpt＝10前后微电网受到负荷扰动时的频率动态响应曲线图；

图8b为本发明虚拟惯量控制参数kwi＝50,其余控制参数取值不变,改进转矩控制参数kpt＝10前后微电网受到负荷扰动时的频率动态响应曲线图；

图8c为本发明标示了kpt＝10时，超速控制系数kpw不同取值时典型特征值计算结果图；

图8d为本发明标示了kpt＝10时，虚拟惯量控制参数kwi、tlpwi和twowi不同取值时典型特征值计算结果图；

图9a为本发明标示了dfig风电机组通过不同频率控制策略参与调频，在恒定风速vw＝9m/s下微电网发生负荷突变时的频率动态响应曲线图；

图9b为本发明标示了dfig风电机组通过不同频率控制策略参与调频，在恒定风速vw＝11m/s下微电网发生负荷突变时的频率动态响应曲线图；

图9c为本发明标示了dfig风电机组通过不同频率控制策略参与调频，在恒定风速vw＝13m/s下微电网发生负荷突变时的频率动态响应曲线图。

具体实施方式

基于特征值分析法的双馈风机在微电网中的频率控制参数选取方法，包括如下步骤：

(1)建立风光柴微电网模型，确定风电机组、柴油机共同参与孤岛模式微电网频率控制策略：柴油机配备调速器、自动调压器参与调频调压，dfig风电机组控制系统由超速控制、虚拟惯量控制和桨距角控制组成，双馈风电机组采用超速控制获取一次有功备用参与一次调频，配备虚拟惯量控制增加风电机组等效惯量，参与暂态频率控制；对微电网模型线性化，建立小信号分析模型。

(2)使用小信号分析模型和动态时域仿真结果，研究柴油机调速器参数变化时微电网的特征值变化轨迹，找出反映微电网频率动态响应特性的一组典型特征根。

(3)分析dfig风电机组超速控制和虚拟惯量控制参数变化时，上述典型特征值的变化轨迹规律，根据特征值轨迹判断微电网频率稳定性变化，得到兼顾系统调频效果和小干扰稳定性的dfig风电机组超速控制和虚拟惯量控制参数的合理选取范围。

(4)针对超速控制和虚拟惯量控制参数选取过大时，会产生的系统频率振荡问题，使用特征值分析方法，改进了dfig风电机组有功功率控制系统中桨距角控制和转矩控制的两个pi参数，改善了典型特征值在复平面趋于不稳定的分布趋势，保证在扩大了超速控制和虚拟惯量控制参数可选取的范围同时，进一步增强了微电网的调频效果和小干扰稳定性。

具体实施例如图1所示风光柴微电网仿真系统图：仿真系统为一孤岛运行的10kv中压风光柴微电网，具体由dfig风电机组、光伏微源和柴油发电机组成。dfig风电机组和光伏微源均经变换器接入微电网10kv母线，柴油机直接接入10kv母线。所述微电网孤岛运行时的频率控制策略为：对等控制模式，柴油机、dfig风电机组共同参与微电网一次调频。柴油机控制系统由调速器(governor)、自动电压调节器(automaticvoltageregulator，avr)和电力系统稳定器(powersystemstabilization，pss)组成。dfig风电机组控制系统由超速控制、虚拟惯量控制和桨距角控制组成。

所述微电网系统经过线性化后的系统状态控制模型为

式中a为系统状态矩阵，为64维雅克比矩阵，包含了所有微电源及其控制系统和负荷的信息。其中柴油发电机使用6阶次暂态模型，governor使用5阶模型，avr使用2阶模型，因此柴油机共有13个状态变量。dfig风电机组模型由双馈电机和pwm变流器和相应控制系统组成，共含28个状态变量，其中双馈电机使用4阶模型，含4个状态变量。光伏电池模型由恒定电压源、pwm变流器和控制系统组成，共含11个状态变量。固定负荷和临时负荷均为综合负荷，由一定比例的恒功率、恒电流、恒阻抗负荷组成，共包含12个状态变量。本实施例的仿真事件为30s时负荷突增2mw，动态时域仿真时间为60s。

本发明实施例中风光柴微电网孤岛运行时采用对等控制策略，柴油机和风电机组共同参与微电网频率和电压控制。光伏电池装机容量占比较小，不参与调频。光伏电池采用pq控制，按额定功率出力。柴油机装配了调速器和自动励磁器参与微电网一次调频与调压，调速器模型和对应的功频静特性曲线如图2a、2b所示。其中，kp为柴油机的单位调节功率，为调差系数δ的倒数。微电网受微电源或负荷扰动，频率发生偏移时，调速器控制柴油机增发有功功率维持微电网内部有功功率平衡和频率稳定。柴油机增发的有功功率与δf、kp值成正比。δpg＝-kpδf(2)

而微电网频率动态响应特性与kp、调速器动作时间tp和负荷特性有关。调速器功频静特性系数kp、调速器动作时间tp、恒功率负荷(constantpowerload，cpl)比例取值不同时，微电网在30s时发生负荷突增2mw扰动情况下微电网的特征值分布规律和频率动态响应曲线各不相同，图3a、3c、3e分别为kp、tp、cpl比例取值不同时系统状态矩阵a的特征值计算结果。im意为虚部，re意为实部，结果显示，相比矩阵a的其余特征值，有一对受kp、tp、cpl负荷比例取值变化影响最大的共轭特征根，其初始值位于-0.7438±j1.4374，对应阻尼比为0.46，振荡频率为0.2288hz的振荡模态，对应kp、tp、cpl比例的初始取值为kp＝20，tp＝1s，cpl比例为100％。参与因子计算结果也显示，柴油机转速、调速器、dfig风电机组的虚拟惯量控制、超速控制、pi控制环节中的状态变量均对该振荡模态产生相互作用，因此这个模态反映了频率响应特性，对应的特征根为反映频率动态响应特性的典型特征根。

图3b、3d、3f分别为kp、tp、cpl比例取值不同时微电网频率动态响应曲线。暂态频率最低点和频率变化率(rocof)均受kp、tp、cpl比例取值的影响，稳态频率偏差则不随调速器动作时间tp改变。联系图3a、3c、3e可以看出，典型特征根的轨迹变化反映了微电网频率动态响应特性的变化。因此可使用典型特征根的分布规律来有效研究微电网中风电机组虚拟惯量控制、超速减载控制系数对微电网小干扰稳定性的影响规律，进而研究系数选取方法。

如图4a所示为dfig风电机组有功功率控制环节，稳态有功功率参考值pref通过转矩控制输出。dfig风电机组频率控制策略为：中低风速下dfig风电机组通过超速控制运行在90％次优风功率曲线，保留10％有功备用，频率波动时通过转速控制和虚拟惯量控制参与系统频率调整。高风速下自动桨距角控制转子转速维持在额定转速，频率下降时改变桨距角参与微电网频率控制。

转矩控制和桨距角控制为pi控制环节，他们共同决定了dfig风电机组有功功率控制系统的动态特性。传递函数分别为

转矩控制：

桨距角控制：

如图4b所示为超速控制框图。其中，kpw为dfig风电机组的单位调节功率。频率改变时dfig风电机组应增发的有功功率为

δpw＝-kpwδf(5)

p＝pw+δpw(6)

而dfig风电机组发出的有功功率是风速vw、转速ωr、桨距角β的函数。

pw＝f(vw,ωr,β)(7)

中低风速下，桨距角控制不动作，β不变。若风速一定，当频率变化时，即可根据dfig风电机组应增发的有功功率计算出δωr。

pw+δpw＝f(vw,ωr+δωr,β)(8)

为提高计算速度，不同风速下的功率—转速特性曲线数据已计算并存入超速控制模块，可通过查表法根据当前风速和应发出的总功率p快速输出转速参考值ωref。为防止高风速下超速运行转子转速过高或低风速下转速过低，在输出环节设置转速限制范围为0.67～1.2pu。超速控制使dfig风电机组保留了一部分备用功率，频率变化时增发的有功功率与δf和kpw成正比，模拟传统同步发电机一次调频特性，与柴油机调速器配合，共同减小微电网稳态频率偏差。

如图4c所示为虚拟惯量控制框图。虚拟惯量控制环节的输入为频率偏差δf，经过微分环节和虚拟惯量控制系数kwi后输出pwi。频率变化时，虚拟惯量控制响应频率变化率(rocof)，增发的有功功率pwi与df/dt、kwi成正比，使dfig风电机组模拟传统同步发电机的转子惯性。暂态情况下虚拟惯量控制快速响应频率变化，释放转子动能阻尼频率变化。dfig风电机组转子转速变化范围较大，为0.67～1.2pu，因此虚拟惯量控制可以充分利用风电机组的转子动能来参与频率控制。在微分环节之前加入控制死区，避免频率的微小波动造成转子转速频繁变化，延长风机的使用寿命。

如上文所述，dfig风电机组通过超速控制增发的有功功率与kpw成正比，适当增加kpw的值有利于提高dfig风电机组增发功率，减小频率稳态偏差。图5a、5b所示为微电网负荷变化时，不同kpw取值时系统特征值和频率动态响应曲线，图中箭头所指方向为kpw增加时典型特征值的轨迹方向。随着kpw增加，频率稳态偏差逐渐减小，频率最低值逐渐增加，但kpw过大时频率振荡较为严重，图5a特征值计算结果也说明，随着kpw增加，典型特征值向系统失稳方向移动，若kpw不断增大，则微电网受到扰动时频率无法收敛，发生振荡，损害微电网安全稳定运行。

如上文所述，dfig风电机组通过虚拟惯量控制增发的有功功率与df/dt、kwi成正比，虚拟惯量控制系数kwi的取值影响dfig风电机组参与频率控制的效果，虚拟惯量环节时间常数的取值将影响暂态频率稳定性。

图6a所示为虚拟惯量控制系数kwi、时间常数tlpwi、twowi变化时典型特征根的计算结果，实线箭头方向为kwi、tlpwi单独增大时典型特征根的变化轨迹方向，虚线箭头为twowi单独减小时典型特征根的变化方向。如图6a黑色圆形框所标注的位置为虚拟惯量控制参数初始取值时典型特征值的位置，虚拟惯量控制参数的初始值分别为kwi＝10，tlpwi＝0.5s，twowi＝5.5s。图中红色、蓝色和绿色线分别表示单独改变kwi、tlpwi和twowi取值时典型特征值变化轨迹的计算结果。增加kwi和tlpwi时，典型特征值实部明显增加，系统趋于不稳定；减小twowi时，典型特征值实部减小，微电网系统趋于稳定。图6b所示为微电网受负荷扰动时不同kwi取值时的频率动态响应曲线，其反映了图6a的部分计算结果，kwi增加时，较大的kwi取值有利于改善频率暂态响应特性，减小频率变化速率，提高频率降低的最低点，然而kwi达50时因为深度调频造成转子转速过低，导致系统运行失稳和频率崩溃。

超速控制系数kpw和虚拟惯量控制系数kwi取值的增加在改善dfig风电机组频率控制效果的同时削弱了微电网系统的小干扰稳定性，为了增强小干扰稳定性，改进dfig风电机组有功功率控制系统的其余控制参数是非常有必要的。

dfig风电机组有功功率控制系统中含有桨距角控制和转矩控制2个pi控制环节，为了正确改进pi控制参数，增强小干扰稳定性，确定了pi参数的调试范围如表1所示，调试过程的特征值分布规律如图7所示。pi参数为初始值时，频率控制特征值位于-0.8135±j1.8827，如图中圆形框所标注。图中实线箭头表示pi参数增大时典型特征值的变化方向，虚线箭头表示pi参数减小时典型特征值的变化方向。可以看出，增大转矩控制参数kpt时典型特征值向系统稳定方向移动显著，因此增大kpt可有效增加典型特征根对应振荡模态的阻尼，增强微电网频率稳定性。

表1

图8a、8b标示了改进转矩控制参数kpt＝10前后微电网受到负荷扰动时的频率动态响应曲线，此时超速控制参数和虚拟惯量控制参数分别为kpw＝80，kwi＝50，其余控制参数取值不变。此处选择较大的超速控制系数kpw和虚拟惯量控制系数kwi取值是为了验证改进kpt对频率响应特性的改善效果，因为此时频率动态响应特性较差。从图中可看出，改进参数kpt，在超速控制系数kpw数值较大时能一定程度减小频率振荡幅度，提高频率下降的最低点，并且在虚拟惯量控制系数kwi＝50情况下改变了频率崩溃现象，使频率收敛于稳定值，因此扩大了kwi可取值的范围，即提高了频率稳定极限。图8c、8d标示了kpt＝10时，超速控制系数kpw和虚拟惯量控制参数kwi、tlpwi和twowi不同取值时典型特征值计算结果。该结果也显示了改进kpt后典型特征根对kpw、kwi取值变化的灵敏度有所降低，因此增大kpt可改善kpw、kwi取值过大带来的频率稳定性问题。

为了验证该参数选取方法对提高微电网频率动态响应特性和小干扰稳定性，图9a、9b、9c分别标示了dfig风电机组通过不同频率控制策略(不调频、超速控制、虚拟惯量控制、超速+虚拟惯量、超速+kpt改进、超速+虚拟+kpt)参与调频，在恒定风速9m/s、11m/s、13m/s下微电网发生负荷突变时的频率动态响应曲线。超速控制与虚拟惯量控制系数设定为kpw＝40，kwi＝40，转矩控制pi参数kpt＝10。仿真结果显示，根据本发明参数选取方法对dfig风电机组进行优化，在不同恒定风速下进行时域仿真均得到了更优的频率控制效果，减小了频率振荡幅值，提高了暂态频率下降的最低点，比dfig风电机组不参与调频时最多提高了0.3076hz，比未改进kpt时最多提高了22mhz，充分显示了本发明参数选取方法的对提高微电网频率动态响应特性和稳定性的有效性。