一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法技术

本发明专利技术公开了一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法。现有频率下垂控制下的双馈风机由于自身虚拟功角与转子转速耦合的复杂外特性，导致其暂态有功支撑能力难以合理配置。本发明专利技术通过对频率下垂控制双馈风机的外特性分析，建立关于电网频率的风机虚拟功角‑转速特征方程，进而得到关于电网频率的风机转速平衡点，根据给定频率波动下的风机暂态有功支撑能力要求，计算暂态过程中期望到达的转速平衡点并代入虚拟功角‑转速特征方程中求得相应的下垂系数设定值，实现频率下垂控制风机暂态有功支撑能力的配置。本发明专利技术使频率下垂控制或虚拟同步机控制下的双馈风机具有期望的暂态有功支撑能力，提高系统的频率稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法
本专利技术涉及双馈风机的电网支撑能力配置方法，尤其是一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法。
技术介绍
随着电网中风力发电的渗透率日益增长，传统同步发电机所占的发电比例越来越小，大规模、高比例的风电并网给能源结构的优化与环境问题的缓解带来了崭新机遇，但同时也为电网的运行和控制提出了严峻的挑战，如传统运行于最大功率追踪等控制下的风电机组无法为电网提供惯性与有功功率支撑等。频率下垂控制与虚拟同步机控制通过模仿传统同步发电机的外特性，可以使风电机组为电网提供惯性与有功支撑，但由于风机自身虚拟功角与转子转速的耦合关系，频率下垂控制与虚拟同步机控制使得风电机组呈现出复杂的外特性。目前，对频率下垂控制或虚拟同步机控制风机的研究主要集中于小干扰稳定与系统动态特性方面，而在频率下垂或虚拟同步机控制下风机的可调用有功支撑能力及其配置方法方面，研究甚少。
技术实现思路
为了解决现有技术中频率下垂控制或虚拟同步机控制下双馈风力发电机由于自身虚拟功角与转子转速耦合的复杂外特性导致其暂态有功支撑能力难以合理配置的问题，本专利技术提供一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法，其通过对频率下垂控制双馈风机的虚拟功角-转速外特性分析，建立电网频率与风机转速平衡点的关系，并进一步根据期望的风机暂态有功支撑能力计算出相应的下垂系数，从而实现双馈风机暂态有功支撑能力的自由配置。本专利技术采用的技术方案如下：一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法，包括如下步骤：通过对频率下垂控制双馈风机的外特性分析，建立关于电网频率的风机虚拟功角-转速特征方程，进而得到关于电网频率的风机转速平衡点，根据给定频率波动下的风机暂态有功支撑能力要求，计算暂态过程中期望到达的转速平衡点并代入虚拟功角-转速特征方程中求得相应的下垂系数设定值，实现频率下垂控制风机暂态有功支撑能力的配置。进一步地，所述的虚拟功角δ′通过对频率下垂控制或虚拟同步机控制输出的磁链角频率参考值与电网角频率之差(即ωsf-ωg)积分获取。进一步地，所述的关于电网频率的风机虚拟功角-转速特征方程为以下公式：其中，δ′是风机的虚拟功角，ωr是风机的转速，KP为频率下垂系数设定值，fDL(ωr)表示风机的最大功率跟踪特性或减载特性函数，ω0表示风机频率下垂控制的角频率设定值，ωg表示电网角频率，Ta是表示风机惯性的时间常数，fM(ωr)表示风机的风能捕获特性函数，D表示双馈风机的阻尼系数，PE表示风机的电磁功率，VDFIG表示风机的机端电压，UGrid表示电网电压，XΣ表示线路上的阻抗。进一步地，所述的关于电网频率的风机转速平衡点为以下公式：ωre＝max(ωr1,ωr2)其中，ωre是风机的转速平衡点，ωr1和ωr2是以下方程成立时ωr的两个不同解：其中，fDL(ωr)表示风机的最大功率跟踪特性或减载特性函数，KP为频率下垂系数设定值，ω0表示风机频率下垂控制的角频率设定值，ωg表示电网角频率，fM(ωr)表示风机桨叶的风能捕获特性函数，D表示双馈风机的阻尼系数。进一步地，所述的暂态过程中期望到达的转速平衡点以及满足风机暂态有功支撑能力要求的下垂系数设定值的表达式为：其中，ωre(new)是频率波动时暂态过程中期望到达的转速平衡点，ωre(0)是额定电网频率下风机的转速平衡点，Eassist是满足暂态有功支撑能力要求的风机转子动能释放总合(Eassist可取为负)，Ta＞0是风机的等效惯性时间常数，ω0表示风机频率下垂控制的角频率设定值，ωg表示电网角频率，fM(ωr)表示风机的风能捕获特性函数，D表示双馈风机的阻尼系数，fDL(ωr)表示风机的最大功率跟踪特性或减载特性函数。本专利技术具有的有益效果是：本专利技术解决了现有技术中频率下垂控制或虚拟同步机控制下双馈风力发电机由于自身虚拟功角与转子转速耦合的复杂外特性导致其暂态有功支撑能力难以合理配置的问题，通过对频率下垂控制双馈风机的虚拟功角-转速外特性分析，建立电网频率与风机转速平衡点的关系，并进一步根据期望的风机暂态有功支撑能力计算出相应的下垂系数，从而实现双馈风机暂态有功支撑能力的自由配置，提高电网频率的抗扰动能力，保证电网的安全稳定运行。本专利技术也可应用于采用虚拟同步机控制的双馈风机。附图说明图1为本专利技术的流程示意图；图2为本专利技术的频率下垂控制双馈风机并入无穷大电网的系统控制结构图；图3为本专利技术的频率下垂控制双馈风机的转速-电磁功率平衡点示意图；图4为本专利技术的频率下垂控制双馈风机在电网频率跌落时的新转速-电磁功率平衡点示意图；图5为应用例仿真验证中采用本专利技术方法配置暂态有功支撑能力为风机转子动能释放总合Eassist＝1.0p.u.时风机的转子转速响应曲线图；图6为应用例仿真验证中采用本专利技术方法配置暂态有功支撑能力为风机转子动能释放总合Eassist＝1.0p.u.时风机的有功功率响应曲线图；图7为应用例仿真验证中采用本专利技术方法配置暂态有功支撑能力为风机转子动能释放总合Eassist＝2.0p.u.时风机的转子转速响应曲线图；图8为应用例仿真验证中采用本专利技术方法配置暂态有功支撑能力为风机转子动能释放总合Eassist＝2.0p.u.时风机的有功功率响应曲线图。具体实施方式下面结合说明书附图及具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术的原理如下：如图1所示，采用专利技术方法进行处理，对满足频率下垂控制双馈风机暂态有功支撑能力的下垂系数进行求解。双馈风机的转子侧逆变器经常采用频率下垂控制或虚拟同步机控制，从而实现在弱电网或微电网中实现无通讯的功率均分以及有功功率支撑。在转子侧逆变器的电压电流控制中，常采用间接磁链定向控制实现风机定子磁链以及机端电压的定向。典型结构如图2所示，部分变量及物理意义如下表1所示。以下公式中涉及的变量如不特别说明，计算时均采用标幺值。表1图2中部分系统变量的符号定义与说明在间接磁链定向控制下，当系统达到稳态时，定子磁链将定向于d轴，而机端电压将被定向于q轴，定义q轴与电网电压之间的夹角为双馈风机的虚拟功角，即其动态方程可写为：dδ′/dt＝(ωsf-ωg)×ω0(1)虚拟同步机控制的控制方程如式(2)所示，其中，J为模拟同步发电机惯性的惯性系数，当J＝0时，式(2)退化为频率下垂控制方程。式(2)中有功功率的参考值来源于风机的最大功率跟踪特性或减载特性，如式(3)所示，fDL(ωr)表示风机的最大功率跟踪特性或减载特性函数，KDL是最大功率跟踪系数或减载系数。风机的输出功率表达式如式(4)所示。风机转子的单质点运动方程如式(4)所示，其中，Ta＞0是风机的等效惯性时间常数，D是风机的阻尼系数，PM是风机桨叶捕获的机械功率，在风速υ固定的情况下，可表示为关于转子转速ωr的函数，如式(5)所示。其中，K1是风能捕获系数，其与空气密度、风轮半径等有关，Cp为功率系数，它是叶尖速比(λ＝K2ω/υ)和桨距角β的非线性函数，可以看出，在风速υ(m/s)与桨距角固定(β＝0)的情况下，PM只和转子转速ωr相关，且可以表示为式(7)的形式。其中，C1,C2,C3,C4是功率系数计算相关的参数。联立上述式(1)-(6)可得关于电网频率的风机虚拟功角-转速特征方程：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法，其特征在于，包括以下步骤：通过对频率下垂控制双馈风机的外特性分析，建立关于电网频率的风机虚拟功角‑转速特征方程，进而得到关于电网频率的风机转速平衡点，根据给定频率波动下的风机暂态有功支撑能力要求，计算暂态过程中期望到达的转速平衡点并代入虚拟功角‑转速特征方程中求得相应的下垂系数设定值，实现频率下垂控制风机暂态有功支撑能力的配置。

【技术特征摘要】
1.一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法，其特征在于，包括以下步骤：通过对频率下垂控制双馈风机的外特性分析，建立关于电网频率的风机虚拟功角-转速特征方程，进而得到关于电网频率的风机转速平衡点，根据给定频率波动下的风机暂态有功支撑能力要求，计算暂态过程中期望到达的转速平衡点并代入虚拟功角-转速特征方程中求得相应的下垂系数设定值，实现频率下垂控制风机暂态有功支撑能力的配置。2.根据权利要求1所述的一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法，其特征在于：通过对频率下垂控制或虚拟同步机控制输出的磁链角频率参考值与电网角频率之差积分获取虚拟功角δ′。3.根据权利要求1或2所述的一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功支撑能力配置方法，其特征在于：所述的关于电网频率的风机虚拟功角-转速特征方程为以下公式：其中，δ′是风机的虚拟功角，ωr是风机的转速，KP为下垂系数设定值，fDL(ωr)表示风机的最大功率跟踪特性或减载特性函数，ω0表示风机频率下垂控制的角频率设定值，ωg表示电网角频率，Ta是表示风机惯性的时间常数，fM(ωr)表示风机桨叶的风能捕获特性函数，D表示双馈风机的阻尼系数，PE表示风机的电磁功率，VDFIG表示风机的机端电压，UGrid表示电网电压，XΣ表示线路上的阻抗。4.根据权利要求1或2所述的一种频率下垂控制双馈风机的暂态有功...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴跨宇，辛焕海，黄林彬，卢岑岑，房乐，陆海清，黄晓明，孙维真，熊鸿韬，楼伯良，卢嘉华，黄弘扬，张锋，沈轶君，张建承，
申请(专利权)人：国网浙江省电力公司电力科学研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33