一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法技术

本发明专利技术公开了一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法，通过建立直流电压与交流频率的耦合关系，加入直流惯性控制，让储存在直流电容中的静电能量提供虚拟惯性；为解决工程造价增加和换流站体积增大的问题，加入虚拟电容控制，其能够在背靠背变流器中提供一个比实际电容大很多的虚拟电容，为交流系统提供更多的虚拟惯性支撑；在RSC定功率控制中加入有功‑频率下垂控制，使得PMSG风机提供一次调频服务，提供连续的有功功率支持。采用本发明专利技术方法，PMSG风机能够同时利用直流电容中的静电能和转子中的旋转动能来提供一次调频和虚拟惯性支撑。

A Coordinated Control Method for PMSG Fan Providing Primary Frequency Modulation and Virtual Inertia

【技术实现步骤摘要】
一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法
本专利技术涉及电力系统稳定与控制、新能源并网领域，具体是一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法。
技术介绍
近年来，由于能源危机、气候变化与环境污染等问题，风能作为清洁能源发展迅速，在电力系统中的渗透率不断增加。与同步发电机不同，永磁直驱(permanentmagnetsynchronousgenerator，PMSG)风机通过电力电子变流器接入电网，而且为了捕获最大的风能，风机输出的功率通常由最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking，MPPT)控制，这导致风机的转速与电网频率呈现出解耦状态，风机转子的旋转惯量被隐藏了。随着风电接入比例的不断增加，传统的同步发电机将会被PMSG风机部分替代，电力系统的惯量将会减少，这给电力系统的频率稳定与控制带来了严重的挑战(Y.Li,L.He,F.Liu,Y.Tan,Y.Cao,L.LuoandM.Shahidehpour,“AdynamiccoordinatedcontrolstrategyofWTG-EScombinedsystemforshort-termfrequencysupport,”Renew.Energy,vol.119,pp.1–11,Apr.2018)。PMSG风机中直流电容中的静电能和转子中的旋转动能都能为交流系统提供调频服务，然而现有技术对协调二者的研究涉及比较少，因此研究利用PMSG风机直流电容中的静电能和转子中的旋转动能来提供一次调频和虚拟惯性的协调控制具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法，针对PMSG风机接入弱电网的系统，通过本控制方法，能够让风机提供惯性响应和一次调频服务；此外，本控制方法不需要额外的储能设备。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法，包括步骤：对PMSG风机接入弱电网的系统，加入直流惯性控制，让风机的直流电容中储存的静电能量为交流系统提供虚拟惯性支撑；在所述直流惯性控制中，虚拟惯性时间常数Hdc和定直流电压控制参考值V*dc分别为：式中，Cdc为PMSG风机的直流电容值，f0为交流系统的额定频率，Vdc0为背靠背变流器直流电压的额定值，SWT为风机的额定容量，Δfmax为交流频率最大允许的偏差值，ΔVmax为直流电压最大允许的偏差值，f为测量的交流频率。进一步的，所述直流惯性控制中，定直流电压控制参考值V*dc替换为：式中，Cdc为PMSG风机的直流电容值，f0为交流系统的额定频率，Vdc0为背靠背变流器直流电压的额定值，SWT为风机的额定容量，f为测量的交流频率，Hdc为虚拟惯性时间常数。进一步的，还包括步骤：加入虚拟电容控制，使得PMSG风机能够像同步发电机惯性响应那样提供快速、瞬态的功率支撑，减缓频率变化的速率，提供大于风机实际电容的虚拟电容；在背靠背变流器中利用风机转子旋转动能提供虚拟电容，具体为：式中，Pref为新的有功功率参考值，Cvir定义为虚拟直流电容，Vdc为直流电压，PMPPT为风机由MPPT控制获得的有功功率参考值，ΔPvir定义为PMSG风机由虚拟电容控制而输出的附加功率；当采用虚拟电容控制后，从转子侧变流器(rotorsideconverter，RSC)流向直流电容Cdc新的输入功率P'in为，式中，Pin为加入虚拟电容控制前，RSC流向直流电容Cdc方向的功率。进一步的，还包括步骤：在转子侧变流器定功率控制中加入有功-频率下垂控制，使得PMSG风机提供一次调频服务，提供连续的有功功率支持；所述有功-频率下垂控制的公式具体为：其中，风机由有功-频率下垂控制而输出的附加功率ΔPR＝-KR(f-f0)；式中，P*ref为风机采用有功-频率下垂控制和虚拟电容控制后新的有功参考值，KR为下垂控制系数，Pref为风机由加入虚拟电容控制后获得的有功功率参考值。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：通过直流惯性控制，让风机的直流电容中储存的静电能量为交流系统提供虚拟惯性支撑；为在正常容量的直流电容下提供更多的虚拟惯性支撑，提出了虚拟电容控制，能让PMSG风机像同步发电机惯性响应那样提供快速、瞬态的功率支撑，减缓频率变化的速率，提供大于风机实际电容的虚拟电容；有功-频率下垂控制，能让PMSG风机提供一次调频服务，能提供连续的有功功率支持，防止交流频率的连续下降和减小频率的最大偏差；结合三种控制的优点，能够让风机提供惯性响应和一次调频服务，且不需要额外的储能设备。附图说明图1是PMSG直驱风机模型接入电网的拓扑结构；图2是Hdc与Cdc、ΔVmax和Δfmax的关系图；图3是Δfmax＝2Hz时Hdc与Cdc、ΔVmax和的关系图；图4是本专利技术整体控制方法示意图；图5是背靠背直流电容功率平衡图；图6是负荷突然增加时不同控制策略下系统的响应图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。如图1所示，采用的仿真模型是PMSG风机接入弱交流电网的系统，PMSG风机通过背靠背变换器接入电网，转子侧变流器(rotorsideconverter，RSC)控制风机输出的有功功率和无功功率，电网侧变流器(gridsideconverter，GSC)控制控制直流电压和与交流电压幅值。一、直流惯性控制直流控制方法主要利用直流电容存储的能量为交流系统提供虚拟惯性。对于交流系统，交流频率可以反映发电机出力与负荷的功率平衡关系，典型的同步发电机转子运动方程为式中，Hg为同步发电机的惯性时间常数，f0为交流系统的额定频率，f为测量的交流频率，PM和PE分别为同步发电机输入的机械功率和输出的电磁功率，ΔP1为当发电机转速变化时，同步发电机由于惯性响应而释放或者吸收的转子旋转动能。对于背靠背变流器，直流电压可以像交流频率一样反映变流器输入与输出功率的平衡关系。忽略变流器的功率损耗，与式(1)类似的直流电容动态方程如式(2)所示。当直流电容的电压产生偏差时，直流电容将会充电或者放电，对变流器输出的有功功率进行补偿。式中，Cdc为PMSG风机的直流电容值，Vdc为直流电压，SWT为风机的额定容量，PRS为RSC输入到直流电容的有功功率，PGS为直流电容输出到GSC的有功功率，ΔP2为直流电压变化时直流电容存储或释放的静电功率。令ΔP1＝ΔP2，建立交流频率与直流电压的耦合关系：式中，Hdc为直流电容提供的虚拟惯性时间常数。同时对式(3)两边求积分可得：式中，Vdc0为背靠背变流器直流电压的额定值。由式(5)可以推导出直流惯性控制的虚拟惯性时间常数Hdc和定直流电压控制新的参考值V*dc。式中，ΔVmax为直流电压最大允许的偏差值，Δfmax为交流频率最大允许的偏差值。由式(7)可知，直流惯性控制是一个非线性控制方法，而电网稳定运行的频率偏差不能超过2％，故可以在频率额定运行点，用泰勒公式展开式(7)，并略去二阶及其以上的高阶项，可得：对于表1中PMSG风机的参数，虚拟惯性时间常数Hdc与Cdc、ΔVmax和Δfmax的关系如图2所示。图2表明，Hdc随着Cdc和ΔVmax的增大或Δfmax的减小而本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法，其特征在于，包括步骤：对PMSG风机接入弱电网的系统，加入直流惯性控制，让风机的直流电容中储存的静电能量为交流系统提供虚拟惯性支撑；在所述直流惯性控制中，虚拟惯性时间常数Hdc和定直流电压控制参考值V

【技术特征摘要】
1.一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法，其特征在于，包括步骤：对PMSG风机接入弱电网的系统，加入直流惯性控制，让风机的直流电容中储存的静电能量为交流系统提供虚拟惯性支撑；在所述直流惯性控制中，虚拟惯性时间常数Hdc和定直流电压控制参考值V*dc分别为：式中，Cdc为PMSG风机的直流电容值，f0为交流系统的额定频率，Vdc0为背靠背变流器直流电压的额定值，SWT为风机的额定容量，Δfmax为交流频率最大允许的偏差值，ΔVmax为直流电压最大允许的偏差值，f为测量的交流频率。2.如权利要求1所述的一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法，其特征在于，所述直流惯性控制中，定直流电压控制参考值V*dc替换为：式中，Cdc为PMSG风机的直流电容值，f0为交流系统的额定频率，Vdc0为背靠背变流器直流电压的额定值，SWT为风机的额定容量，f为测量的交流频率，Hdc为虚拟惯性时间常数。3.如权利要求1所述的一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法，其特征在于，还包括步骤：加入虚拟电容控制，使得PMSG风机能够像同步发电机的惯...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘天琪，曾雪洋，王顺亮，董语晴，江琴，张海川，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51