一种基于PMSG风机的系统惯性支持级联控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于PMSG风机的系统惯性支持级联控制方法。当系统遭受干扰时，若系统频率偏差在较小范围内，仅仅利用DC‑link电容储存的能量提供系统惯性支持；当DC‑link电压在大系统频率干扰事件中到达其极限时，首先消耗DC‑link电容中储存的能量，然后再利用PMSG风机转子动能提供系统惯性支持；最后设计总体级联控制策略，使系统自动依次利用DC‑link电容能量和PMSG风机转子动能提供系统惯性支持。本发明专利技术为遭受干扰的PMSG风机系统提供惯性支持，稳定系统频率，提高并网电能质量，增强系统的运行可靠性，同时最小化对风能捕获的控制影响，具有很大的经济意义。

A cascade control method of system inertia support based on PMSG fan

【技术实现步骤摘要】
一种基于PMSG风机的系统惯性支持级联控制方法
本专利技术涉及一种系统惯性支持控制方法，尤其是涉及一种基于PMSG风机的系统惯性支持级联控制方法。
技术介绍
随着风电在电网中的普及率不断提高，减小惯性响应已经引起了电力系统运营商的广泛关注。与传统电厂不同的是，变速风电机组通过电力电子变流器与电网连接，其主要功能是实现最大功率点跟踪算法，进而实现风能的最大捕获，保证电能高效可靠地传输到电网。由于机电系统控制解耦，故有效防止了风机组对系统频率变化的响应。因此，在相同的干扰下，系统频率的变化率在最初几秒内随着高渗透风能的增加而迅速增加。在变速风能转换系统中，存在三种能源被用于提供系统惯性支持：一是利用风机存储的能量补偿系统频率，然而这种控制将迫使风机偏离MPPT运行点，牺牲更多捕获的风能用于提供系统支持；二是利用风机的旋转动能调节系统频率，当检测到系统频率偏差时，有功功率控制改变风机的功率设定值，风机将存储的旋转动能从旋转质量释放到电网，或者通过加速转子转速吸收多余的风能；三是利用DC-link电容中的能量实现惯性支持，可通过临时改变DC-link电压，释放或吸收DC电容中的部分能量用于提供系统支持。目前，现有研究大多侧重于通过两个虚拟惯性源分别提供系统惯性支持，即旋转质量或DC-link电容。如何设计一种协调这两种虚拟惯性源的系统惯性支持控制策略，使得系统在更加有效地提供惯性支持的同时，能够最小化控制系统对风能捕获的影响，便成为了目前亟需解决的问题。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出一种基于PMSG风机的系统惯性支持级联控制方法，使系统自动依次利用DC-link电容能量和PMSG风机转子动能提供系统惯性支持，以达到稳定系统频率，提高电能质量，能源高效利用的目的。本专利技术的技术方案采用如下步骤：1)当系统遭受干扰时，若系统频率偏差在DC-link电压可调节范围内，仅仅利用DC-link电容储存的能量提供系统惯性支持；2)当DC-link电压在大系统频率干扰事件中到达其极限时，首先消耗DC-link电容中储存的能量，然后再利用PMSG风机转子动能提供系统惯性支持；3)最后设计总体级联控制策略，使系统自动依次利用DC-link电容能量和PMSG风机转子动能提供系统惯性支持。所述的步骤1)中的由DC-link电容提供的等效虚惯性常数HDC与系统频率f的关系采用以下公式1表示：其中，CDC和C分别为系统总电容和等效电容，VDC和VDCn分别为DC-link的实际电压和标称电压，SB为系统基值；将DC-link电压约束设为±0.1p.u.，则在平衡点附近可以采用以下公式2线性化DC-link电压并对其实现下垂控制：其中，VDC0和f0分别为DC-link电压和系统频率的标称值，KDC为控制参数；VDC*为基于PMSG风机的DC-link电压新参考值；则DC-link电容提供的等效虚惯性常数HDC与控制参数KDC的关系采用以下公式3表示：所述的步骤2)中的由PMSG风机转子动能提供的系统惯性常数HR与系统频率f的关系采用以下公式4表示；其中，Hs为总机械惯性常数，Ht和Hg分别为涡轮机和发电机的惯性常数，ωr为当前转子速度，Ploss为实现风机惯性控制时的风电损失；在系统初始运行点线性化系统状态并采用以下公式5表示由PMSG风机转子动能提供的系统惯性常数HR为：其中，ωr0为系统遭受干扰前的初始风机转子速度，Eloss为实现基于PMSG风机惯性控制时的风能损失。所述的步骤3)中的为级联DC-link电压下垂控制和风机惯性支持控制所设计的AC系统频率死区可采用以下公式6表示：其中，ΔfWT为改进的基于PMSG风机的RSC控制系统频率偏差，f’为截止频率；为设计的DC-link电压死区；当DC-link电压到达其极限时，截止频率f’可采用以下公式7进行描述：则由单个PMSG风机提供的总虚惯性常数可采用以下公式8进行表示：本专利技术具有的有益的效果是：为遭受干扰的PMSG风机系统提供惯性支持，稳定系统频率，提高并网电能质量，增强系统的运行可靠性，同时最小化对风能捕获的控制影响，具有很大的经济意义。附图说明图1为本专利技术基于的PMSG风机控制框图。图2为本专利技术方法的级联控制框图；图3为本专利技术测试系统图。图4为实施例负荷骤增下系统各性能指标的实验截图。图5为实施例负荷骤减下系统各性能指标的实验截图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。正常运行时的基于PMSG风机的控制框图如图1所示，RSC控制产生的有功功率，GSC用于保持DC-link电压，系统正常运行时，由风机产生的有功功率通过MPPT算法和节距角控制。本专利技术基于一质量模型，在此控制框图基础上，提出了一种基于PMSG风机的系统惯性支持级联控制方法。如图2所示，本专利技术包括以下步骤：1)当系统遭受干扰时，若系统频率偏差在DC-link电压可调节范围内，仅仅利用DC-link电容储存的能量提供系统惯性支持；2)当DC-link电压在大系统频率干扰事件中到达其极限时，首先消耗DC-link电容中储存的能量，然后再利用PMSG风机转子动能提供系统惯性支持；3)最后设计总体级联控制策略，使系统自动依次利用DC-link电容能量和PMSG风机转子动能提供系统惯性支持。所述的步骤1)中的DC-link电容电压反映了注入到RSC的功率PWT和传输到电网的功率Pg之间的平衡，本专利技术忽略背靠背变流器中的功率损耗，则可采用以下公式1描述DC-link电压VDC：其中，CDC和C分别为系统总电容和等效电容，VDC和VDCn分别为DC-link的实际电压和标称电压，SB为系统基值；在电力系统中，负荷与发电量之间的任何不平衡都会引起系统频率的变化，同步发电机本质上是利用其机械惯性来平滑频率偏差，可采用以下公式2表示：其中，H为SG惯性常数，f为系统频率，ΔP为SG的机械功率和电功率之差；为了模拟公式2中的惯性，本专利技术将公式1中的PWT和Pg视为输入到SG中的机械功率和电功率，则DC-link电压与系统频率f的关系采用以下公式3表示：其中，HDC为由DC-link电容提供的等效虚惯性常数；将DC-link电压约束设为±0.1p.u.，则在平衡点附近可以对公示3两边积分，并采用以下公式4线性化DC-link电压并对其实现下垂控制：其中，VDC0和f0分别为DC-link电压和系统频率的标称值，KDC为控制参数；VDC*为基于PMSG风机的DC-link电压新参考值；则DC-link电容提供的等效虚惯性常数HDC与控制参数KDC的关系采用以下公式5表示：所述的步骤2)中的一个新的风机有功功率参考值可采用以下公式6表示，以使风机更好的调整有功功率，应对系统频率变化：其中，PWT*为基于PMSG风机的新的有功功率参考值，Pad为附加功率偏差，本专利技术采用比例控制器模拟Pad，PMPPT为MPPT算法确定的有功功率参考值；由于PMSG的有功功率可以通过RSC快速地调节至新值，则改进的转子运动方程可以采用以下公式7表示：其中，Hs为总机械惯性常数，Ht和Hg分别为涡轮机和发电机的惯性常数，ωr为当前转子速度，Pwind为风机捕获的风电功率，HR为由PMSG风机转子动能提供的系统惯性常数，P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于PMSG风机的系统惯性支持级联控制方法，其特征在于：包括以下步骤：1)当系统遭受干扰时，若系统频率偏差在DC‑link电压可调节范围内，仅仅利用DC‑link电容储存的能量提供系统惯性支持；2)当DC‑link电压在大系统频率干扰事件中到达其极限时，首先消耗DC‑link电容中储存的能量，然后再利用PMSG风机转子动能提供系统惯性支持；3)最后设计总体级联控制策略，使系统自动依次利用DC‑link电容能量和PMSG风机转子动能提供系统惯性支持。

【技术特征摘要】
1.一种基于PMSG风机的系统惯性支持级联控制方法，其特征在于：包括以下步骤：1)当系统遭受干扰时，若系统频率偏差在DC-link电压可调节范围内，仅仅利用DC-link电容储存的能量提供系统惯性支持；2)当DC-link电压在大系统频率干扰事件中到达其极限时，首先消耗DC-link电容中储存的能量，然后再利用PMSG风机转子动能提供系统惯性支持；3)最后设计总体级联控制策略，使系统自动依次利用DC-link电容能量和PMSG风机转子动能提供系统惯性支持。2.根据权利要求1所述的一种基于PMSG风机的系统惯性支持级联控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中的由DC-link电容提供的等效虚惯性常数HDC与系统频率f的关系采用以下公式1表示：其中，CDC和C分别为系统总电容和等效电容，VDC和VDCn分别为DC-link的实际电压和标称电压，SB为系统基值；将DC-link电压约束设为±0.1p.u.，则在平衡点附近可以采用以下公式2线性化DC-link电压并对其实现下垂控制：其中，VDC0和f0分别为DC-link电压和系统频率的标称值，KDC为控制参数，VDC*为基于PMSG风机的DC-link电压新参考值；则DC-li...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建良，齐冬莲，孙平远，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33