基于虚拟同步机控制的构网型双馈风机黑启动方法

本发明属于新能源黑启动控制，特别是一种基于虚拟同步机控制的构网型双馈风机黑启动方法。

背景技术：

1、随着可再生能源发电接入规模的日益扩大，其出力波动性和变流器控制方式对电网的运行特性产生了重要影响，电网发生区域性停电事故的风险不容忽视。为了减少停电事故造成的经济损失和社会影响，需要黑启动电源快速地进行自启动，并逐步恢复整个系统。传统黑启动电源一般采用水电机组，然而受地域资源限制，电网存在黑启动电源不足和分布不合理的问题。近年来，风电发展快速，考虑将其作为黑启动电源参与电网恢复的研究得到国内外学者和运行部门的关注。因此，对于风资源丰富，水资源匮乏的区域电网，研究风电机组支撑电网黑启动的控制技术，具有重要现实意义和工程应用价值。

2、目前，绝大多数风电机组采用跟网型控制，其输出外特性表现为一个受控电流源，无法实现孤岛稳定运行，不具备独立作为黑启动电源的能力。因此，早期的一些研究考虑对风电机组配置柴油机组或储能系统，采用主从控制模式，以柴油机组或储能作为主电源实现风电机组的自启动，风电机组启动后作为从电源为系统提供更大功率支撑。然而，主从控制模式存在固有的缺陷，黑启动孤岛小系统对主电源的依赖度极高，系统规模增大则需要更大容量的主电源，一旦主电源不能够正常运行，必然导致黑启动进程失败。同时，大容量的柴油机组和储能系统也会显著增加黑启动成本。对此，近期研究主要考虑对等控制模式，不区分主从电源，所有电源均采用构网控制策略，无需通信设备进行协调，克服了主从运行模式对主电源的依赖，提高了黑启动过程的可靠性。

3、然而，现有的构网控制策略大多应用于具有稳定功率输入的电源，并且通常只考虑系统正常并网运行的场景，对于风电机组独立作为黑启动电源的场景，考虑到输入风功率的间歇性和波动性，以及黑启动过程中的冲击性负荷投运对系统稳定性的影响，需要研究适用于风电机组的构网控制方法和支撑电网黑启动的控制技术。基于虚拟同步机控制，实现机侧变流器的惯量支撑、频率和电压调节，针对黑启动过程中的功率冲击，通过附加虚拟阻抗对其进行抑制。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种构网型双馈风机黑启动方法，能提高双馈风机自主频率和电压支撑能力，使其能够独立作为黑启动电源参与电网黑启动，在黑启动过程中使风机具备较好的频率和电压调节能力。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一方面，提供了一种基于虚拟同步机控制的构网型双馈风机黑启动方法，所述方法包括以下步骤：

3、步骤1，启动双馈风机变桨系统，驱动风机加速至给定转速；

4、步骤2，转子侧变流器启动，通过虚拟同步机控制维持双馈发电机定子侧电压恒定；

5、步骤3，网侧变流器启动，维持直流母线侧电容电压稳定；

6、步骤4，双馈风机启动完成后恢复站用负荷，通过二次控制器维持系统频率电压恒定；

7、步骤5，恢复异步电机负荷，通过附加虚拟阻抗抑制辅机启动时产生的冲击电流。

8、进一步地，步骤1中启动双馈风机变桨系统，驱动风机加速至给定转速，具体数学模型如下：

9、

10、式中，β为风机的桨距角，kp_r和ki_r分别为桨距控制中的比例系数和积分系数，ωr_ref为给定转速，ωr为风机实际转速，1/s表示积分变换符号。

11、进一步地，步骤2具体包括：

12、在直流母线侧接入一个电源，通过虚拟同步机控制使转子侧变流器启动，维持双馈发电机定子侧电压恒定；

13、其中，虚拟同步机控制具体包括：

14、(1)构建虚拟同步机虚拟转子轴模型：

15、

16、式中，j为虚拟转动惯量，ω为虚拟同步机vsg输出电压角频率；ω1为电网同步角频率；pm和pe分别为虚拟同步机控制的虚拟机械功率和输出电磁功率；d表示阻尼系数；

17、(2)构建虚拟调速器模型：

18、pm＝pref+kf(ω1-ω)

19、式中，pm为虚拟同步机控制的虚拟机械功率；kf为vsg虚拟调速系统的调节系数；pref为有功功率指令；

20、(3)构建虚拟励磁模型：

21、

22、式中，kq为无功—电压下垂系数，δu为电压偏差值，δq为无功功率偏差值，uref为并网电的额定电压值，un为并网点电压幅值，qref为无功功率的指令值，qout为虚拟同步机实际输出的无功功率。

23、进一步地，步骤3具体包括：

24、步骤3-1，网侧变流器启动，维持直流母线侧电容电压稳定，具体模型如下：

25、

26、式中，id*为d轴参考电流，iq*为q轴参考电流，为电容侧电压参考值，vdc为电容侧电压的实际值，k*p和k*i分别为电压外环的比例和积分系数；1/s表示积分变换符号；

27、步骤3-2，断开直流母线侧接入的电源。

28、进一步地，步骤4中双馈风机启动完成后恢复站用负荷，通过二次控制器维持系统频率电压恒定，具体模型为：

29、

30、式中，pref_sec和qref_sec分别为经过比例—积分环节得到二次控制器的参考有功功率和参考无功功率，kp_sec和ki_sec分别为参考有功功率的比例系数和积分系数，k*p_sec和k*i_sec分别为参考无功功率的比例系数和积分系数，fg_ref为风机额定频率参考值，vgm_ref为风机额定电压参考值，fg为风机输出端电压的频率，vgm为风机输出端的电压幅值。

31、进一步地，步骤5中恢复异步电机负荷，通过附加虚拟阻抗抑制辅机启动时产生的冲击电流，具体模型为：

32、

33、式中，ud*和uq*分别为vsg控制得到的虚拟电动势经过虚拟阻抗后的d轴和q轴电压，un为风机输出电压的额定值，dq为无功—电压下垂系数，qset和qout分别为无功功率指令值和实际无功输出，iod和ioq分别为并网点输出的d轴电流和q轴电流，xvir是虚拟电抗，包括虚拟电感和虚拟电阻。

34、另一方面，提供了一种基于虚拟同步机控制的构网型双馈风机黑启动系统，所述系统包括：

35、第一模块，用于实现启动双馈风机变桨系统，驱动风机加速至给定转速；

36、第二模块，用于实现转子侧变流器启动，通过虚拟同步机控制维持双馈发电机定子侧电压恒定；

37、第三模块，用于实现网侧变流器启动，维持直流侧电容电压稳定；

38、第四模块，用于实现双馈风机启动完成后恢复站用负荷，通过二次控制器维持系统频率电压恒定；

39、第五模块，用于实现恢复异步电机负荷，通过附加虚拟阻抗抑制辅机启动时产生的冲击电流。

40、本发明与现有技术相比，其显著优点为：

41、1)本发明基于虚拟同步机控制的机侧变流器控制模型，可实现将构网型风机作为独立的黑启动电源提供惯量支撑，不需要外部辅助电源，可以显著降低黑启动成本。

42、2)本发明基于功率抑制的虚拟阻抗模型，可以有效抑制负荷投切时的功率冲击，避免器件的损坏。

43、下面结合附图对本发明作进一步详细描述。