一种基于虚拟惯量控制的DFIG轴系振荡的控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于虚拟惯量控制的DFIG轴系振荡的控制方法，包括步骤：S1：搭建含双馈型风电场的线性化系统模型；S2：获取线性化系统模型的特征属性值，利用特征属性值对共轭特征根获取参与因子，根据参与因子辨识轴系振荡模态；S3：引入虚拟惯量控制，改变虚拟惯量控制参数的取值，获取不同取值下的轴系振荡模态的根轨迹曲线及阻尼比的变化趋势；S4：根据变化趋势获取虚拟惯量控制参数在一定范围内对双馈风机的轴系振荡产生的抑制效果，调节合适的虚拟惯量控制参数，实现有效的DFIG轴系振荡控制。与现有技术相比，本发明专利技术具有增大电力系统惯量，保证风机的安全稳定运行等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟惯量控制的DFIG轴系振荡的控制方法
本专利技术涉及双馈风机并网轴系振荡
，尤其是涉及一种基于虚拟惯量控制的DFIG轴系振荡的控制方法。
技术介绍
近些年，风电作为一种可再生的清洁能源，因其发电成本低、资源储量丰富等诸多优点得到迅速发展。然而大规模风电场接入电网后，将给电网的安全稳定运行带来严峻挑战。其中，第一点是双馈风机的传动轴系统属于柔性连接系统，在风速小扰动下，双馈风电机组(DoublyFedInductionGenerator，DFIG)轴系的动态过程以振荡形式呈现，该机械振荡会反映到双馈风电机组的输出功率上，由于该振荡频率较低(约为2Hz)，接近电力系统的低频振荡的频率，所以该振荡会影响双馈风电机组自身的动态稳定性。此外，持续的扭振还会引起风机疲劳载荷、影响齿轮箱等的机械寿命，所以双馈风电机组轴系振荡问题需引起重视。第二点：大规模风电场接入电网会造成电力系统等效惯量降低的问题，随着风电场规模的增加，该问题日益突出。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于虚拟惯量控制的DFIG轴系振荡的控制方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于虚拟惯量控制的DFIG轴系振荡的控制方法，该方法包括以下步骤：(1)搭建含双馈型风电场的线性化系统模型；线性化系统模型的方程为：式中，Ht为风力机的惯性系数，p为微分算子，Ksh为轴刚度系数，Dsh为阻尼系数，Hg为发电机的惯性系数，Tem为电磁转矩，ωt为旋转角速度，ωr为发电机转速，Tt为机械转矩。(2)获取线性化系统模型的特征属性值，辨识系统的轴系振荡模态；具体内容为：利用李雅普诺夫第一法获取线性化系统模型的静态稳定工作点，对静态稳定工作点进行特征值分析，获取线性化系统模型的包括轴系振荡频率、左/右特征向量及阻尼比在内的特征属性值，利用特征属性值对共轭特征根进行模态分析，获取参与因子，根据参与因子辨识系统的轴系振荡模态。(3)在线性化系统模型中引入虚拟惯量控制，改变虚拟惯量控制参数的取值，获取不同取值范围下的轴系振荡模态的根轨迹曲线及阻尼比的变化趋势；具体包括以下步骤：301)在线性化系统模型中引入虚拟惯量控制，选取虚拟惯量控制参数的取值范围，利用微分环节对DFIG系统的频率进行微分处理，即：式中，x为引入的中间变量，fmeas为锁相环测量的系统频率，T为微分环节的时间常数；优选地，采用试代法选取虚拟惯量控制参数的取值范围。302)引入虚拟惯量控制后，对RSC的输入有功功率参考值进行修正。RSC的输入有功功率参考值的表达式为：式中，Pref为输入RSC的有功功率的参考值，Popt为MPPT控制模块输出的有功功率的参考值，Pin为虚拟惯量控制后产生的附加有功功率值，Kin为虚拟惯量控制参数；采用PCC母线处测得的频率增量Δf作为虚拟惯量控制的输入量，对RSC的输入有功功率参考值进行修正，修正后的RSC的输入有功功率参考值ΔPref的表达式为：式中，ΔPin为经过控制环节后生成的附加有功功率，kopt为最大风能跟踪常数，ωt0为稳态时的旋转角速度。(4)根据步骤(3)的结构获取虚拟惯量控制参数在一定范围内对双馈风机的轴系振荡产生的抑制效果，调节合适的虚拟惯量控制参数，实现有效的DFIG轴系振荡控制。与现有技术相比，本专利技术的附加虚拟惯量控制能够在增大电力系统惯量的同时有效改善DFIG轴系振荡，可保证风机的安全稳定运行。附图说明图1为本专利技术方法的流程图；图2为RSC模型线性化框图；图3为虚拟惯量控制模块图；图4为本专利技术实施例中搭建的含双馈型风电场的五机两区域系统；图5为本专利技术实施例中风速为6m/s时，轴系振荡模态的根轨迹随虚拟惯量控制参数Kin的变化情况，其中，图5(a)为虚拟惯量控制参数在0～4之间的轴系振荡模态的根轨迹变化图，图5(b)为虚拟惯量控制参数在4～16之间的轴系振荡模态的根轨迹变化图；图6为本专利技术实施例中风速为8m/s时，轴系振荡模态的根轨迹随虚拟惯量控制参数Kin的变化情况，其中，图6(a)为虚拟惯量控制参数在0～4之间的轴系振荡模态的根轨迹变化图，图6(b)为虚拟惯量控制参数在4～16之间的轴系振荡模态的根轨迹变化图；图7为本专利技术实施例中风速为10m/s时，轴系振荡模态的根轨迹随虚拟惯量控制参数Kin的变化情况，其中，图7(a)为虚拟惯量控制参数在0～4之间的轴系振荡模态的根轨迹变化图，图7(b)为虚拟惯量控制参数在4～16之间的轴系振荡模态的根轨迹变化图；图8为本专利技术实施例中vw＝6m/s、vw＝8m/s、vw＝10m/s下的轴系振荡模态阻尼比随虚拟惯量控制参数Kin的变化情况。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例如图1所示，本专利技术涉及一种基于虚拟惯量控制的DFIG轴系振荡的控制方法，该方法包括以下步骤：步骤1、搭建含双馈型风电场的五机两区域系统的线性化系统模型。步骤2、利用李雅普诺夫第一法求得线性化系统模型的静态稳定工作点，通过在静态稳定工作点进行特征值分析求取线性化系统模型的轴系振荡频率、左/右特征向量及阻尼比等特征属性值。对第i对共轭特征根λi＝σi±jωi，利用其左、右特征向量等特征属性进行模态分析求取参与因子，根据参与因子辨识出轴系振荡模态。步骤3、在线性化系统模型中引入虚拟惯量控制，改变虚拟惯量控制的取值，获取不同取值下的轴系振荡模态的根轨迹曲线及阻尼比的变化趋势。步骤4、根据变化趋势获取虚拟惯量控制参数在一定范围内对双馈风机的轴系振荡产生的抑制效果，调节合适的虚拟惯量控制参数，实现有效的DFIG轴系振荡控制。将双馈风电机组的电磁转矩Te分解为同步转矩Tes和阻尼转矩Ted：Te＝Tes+Ted＝Keθt+DeωΔ(1)式中，定义ωΔ为转速差，其表达式为ωΔ＝ωt-ωr＝ωt-(1-s)ωs；ωt、ωs分别为风力机的旋转角速度和发电机转速，Ke为同步转矩系数；De为阻尼转矩系数；θt为轴扭转角。电磁转矩Te的增量表达式为：ΔTe＝ΔTes+ΔTed＝KeΔθt+DeΔωΔ(2)线性化系统模型的方程为：式中，Ht为风力机的惯性系数，p为微分算子，Ksh为轴刚度系数，Dsh为阻尼系数，Hg为发电机的惯性系数，Tem为电磁转矩，ωr为转子转速。将式(2)代入式(3)中，化简得：自然振荡频率ωosc和阻尼衰减因子δ为：根据参数计算可得ωosc大致在10rad/s左右，即fosc在2Hz左右。从式(6)可以看出，当De小于0时，δ为正值，此时有利于阻止轴系振荡的发生，又由式(1)可以看出，当阻尼转矩系数De小于0时，电磁转矩ΔTe落在复平面的第三或第四象限。换句话说，即当电磁转矩的增量ΔTe落在复平面的第三或第四象限时，电磁转矩对轴系提供正阻尼，有利于阻止轴系振荡的发生；而当电磁转矩的增量ΔTe落在复平面的第一或第二象限时，电磁转矩对轴系提供负阻尼，对轴系振荡产生不利影响。下面将对电磁转矩是否对轴系提供负阻尼进行证明。因为ωt和发电机转速ωr相位相差180°，则有：Δωr＝-kΔωt(k＞0)(7)Δωt＝ΔωΔ/(1+k)(8)Δs＝kΔωΔ/(1+k)(9)结合式(7)-(9)与图2中的有功控制回路，可得有功功率与角速度之间的传递函数：式中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟惯量控制的DFIG轴系振荡的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：搭建含双馈型风电场的线性化系统模型；S2：获取线性化系统模型的特征属性值，利用特征属性值对共轭特征根获取参与因子，根据参与因子辨识DFIG系统的轴系振荡模态；S3：在线性化系统模型中引入虚拟惯量控制，改变虚拟惯量控制参数的取值，获取不同取值范围下的轴系振荡模态的根轨迹曲线及阻尼比的变化趋势；S4：获取虚拟惯量控制参数在一定范围内对双馈风机的轴系振荡产生的抑制效果，调节合适的虚拟惯量控制参数，实现有效的DFIG轴系振荡控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟惯量控制的DFIG轴系振荡的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：搭建含双馈型风电场的线性化系统模型；S2：获取线性化系统模型的特征属性值，利用特征属性值对共轭特征根获取参与因子，根据参与因子辨识DFIG系统的轴系振荡模态；S3：在线性化系统模型中引入虚拟惯量控制，改变虚拟惯量控制参数的取值，获取不同取值范围下的轴系振荡模态的根轨迹曲线及阻尼比的变化趋势；S4：获取虚拟惯量控制参数在一定范围内对双馈风机的轴系振荡产生的抑制效果，调节合适的虚拟惯量控制参数，实现有效的DFIG轴系振荡控制。2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟惯量控制的DFIG轴系振荡的控制方法，所述的线性化系统模型的方程为：式中，Ht为风力机的惯性系数，p为微分算子，Ksh为轴刚度系数，Dsh为阻尼系数，Hg为发电机的惯性系数，Tem为电磁转矩，ωt为旋转角速度，ωr为发电机转速，Tt为机械转矩。3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟惯量控制的DFIG轴系振荡的控制方法，其特征在于，步骤S2的具体内容为：利用李雅普诺夫第一法获取线性化系统模型的静态稳定工作点，对静态稳定工作点进行特征值分析，获取线性化系统模型的特征属性值，利用特征属性值对共轭特征根获取参与因子，根据参与因子辨识系统的轴系振荡模态。4.根据权利要求2所述的一种基于虚拟惯量控制的DFIG轴系振荡的控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：边晓燕，刘洁，杜中浩，杨帅帅，王振兴，丁炀，李东东，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31