一种基于STATCOM/BESS的风机VSG虚拟惯性强化方法技术

本发明专利技术属于电力系统协调控制领域，具体涉及风电系统由于缺乏足够的惯性而产生的频率支撑问题。本文公开了一种基于储能型静止同步补偿器(STATCOM/BESS)为风电机组的旋转动能提供能量来源以强化系统虚拟惯性的方法，可实现提高风电系统的频率支撑能力。本技术通过对风机VSG构造的小信号模型进行分析，根据经典控制理论，确定了虚拟转动惯量的整定原则；基于此，进一步给出BESS容量配置的合理范围，并结合经济性说明BESS容量配置的优化方法；根据频率偏差与频率变化率的变化，分析不同情况下虚拟转动惯量的变化情况，在考虑蓄电池(BESS)荷电状态情况下，调整STATCOM/BESS工作模式，实现虚拟转动惯量自适应变化。实例表明，所设计的风机VAG虚拟惯性强化方法能有效改善频率的动态响应。

【技术实现步骤摘要】
一种基于STATCOM/BESS的风机VSG虚拟惯性强化方法
本专利技术专利涉及风电系统中的电力电子
，主要应用于含STATCOM/BESS接入的风电并网系统，具体涉及一种基于STATCOM/BESS的风机VSG虚拟惯性强化方法。
技术介绍
风电机组大规模并网，其随机性与波动性给系统调频控制带来很大挑战。采用变频器控制的风电机组转子动能的惯性调节能力可能被“埋没”，在系统功率平衡遭到破坏导致频率发生波动时，风电系统无法提供足够的惯量支持。增强风电系统的频率支撑能力，使电网作为电源与负载的中间枢纽环节，在功率失衡期间提供足够的惯性应对频率突变事件，对提高系统稳定运行具有重要意义。目前，用于提高频率支撑能力的方法主要分为两类：基于储能技术和基于虚拟同步发电机(virtualsynchronousgenerator，VSG)的方法。前者广泛应用于平抑风电与光伏有功出力波动、增强新能源并网系统的虚拟惯性]等，但忽略虚拟惯性根据频率变化而自适应改变，才能更好地减小频率超调量，缩短调整时间。后者增加了下垂控制、虚拟转动惯性和阻尼环节，模拟同步发电机的一次调频作用。储能型静止同步补偿器(STATCOM/BESS)具有有功、无功两个自由度，向系统补偿无功的同时可提供一定的有功支撑。利用STATCOM/BESS可克服负载突变带来的不利影响，使得风电场成功“穿越”故障。基于STATCOM/BESS对风电场功率进行协调控制，提高风电场在风速波动、电网扰动及频率突变时的动态支撑能力，保证系统中功率的平衡和稳定。因此，开展对风机VSG的虚拟惯性强化分析，提出支撑风电并网系统频率的有效控制方法具有重要的理论和工程意义。本专利技术提出了一种基于STATCOM/BESS的风机VSG虚拟惯性强化方法。
技术实现思路
VSG通过模拟同步发电机的转子运动方程，使采用变流器的电源主动响应系统频率变化，具备与同步发电机相同的运行机制，其核心控制在于有功-频率环节。风电机组在系统频率波动时表现出类似于传统同步发电机的响应方式，且两者惯量常数相当，通过有功功率控制可使风电机组部分转子动能转化为电能注入电网，为系统提供频率支撑。风电机组所具备的旋转动能决定了系统惯量常数的大小。然而，在频率发生波动时，风电系统无法保证提供足够的惯量支持，因此需要提高系统惯性防止频率稳定性降低。为了实现上述目的，本专利技术专利所采用的技术方案如下：风电机组并网母线上并联STATCOM/BESS装置，将风电机组与STATCOM/BESS看作一个整体向系统提供电能，通过对STATCOM/BESS进行控制，利用其BESS储备的能量、有功及无功平滑快速的响应能力，为风电机组的旋转动能提供能量来源，使频率获得足够的惯量支撑，同时在系统功率波动时与系统的有功和无功进行柔性交换，消除功率波动对频率的影响。在电网频率变化时，STATCOM/BESS装置快速调用BESS中所储存的能量，调节自身的有功、无功输出，平抑功率波动，抑制频率突变，并利用输出的无功功率维持并网节点的电压稳定，有效解决风电系统的低惯性与电压稳定性问题。电网频率变化引起能量不平衡时，合理利用STATCOM/BESS具备的能量为风电机组旋转动能提供能量补偿，增大惯量常数，为系统提供更多的虚拟惯量。一种基于STATCOM/BESS的风机VSG虚拟惯性强化方法，所述方法包括如下步骤：(1)分析STATCOM/BESS强化风机VSG虚拟惯性的机理以及虚拟转动惯量自适应改变的可行性；(2)基于风机VSG的转子运动方程构造风机VSG的小信号模型；(3)根据经典控制理论，结合二阶模型的自然振荡角频率ωS和阻尼系数ξ，确定虚拟转动惯量的合理整定原则；(4)基于虚拟惯量的整定原则，进一步给出BESS容量配置的合理范围，并结合经济性建立系统经济性最优的目标函数，说明BESS容量配置的优化方法，并得到最优配置：(5)根据频率偏差与频率变化率，分析不同情况下的虚拟转动惯量的变化情况，在考虑蓄电池(BESS)荷电状态的情况下，利用STATCOM/BESS实现虚拟转动惯量的自适应变化；与现有的技术方案相比，本专利技术专利的增益效果是：针对风电大规模并网引起频率及电压耐受能力减弱的问题，提出STATCOM/BESS与风机VSG协同控制强化系统虚拟惯性的方法，在频率波动期间为风电机组旋转动能提供能量来源。在考虑BESS荷电状态的情况下，根据频率偏差与频率变化率的关系，调节STATCOM/BESS工作模式，增强了虚拟转动惯量自适应变化的效果。为保证系统的安全稳定运行，基于小信号模型给出了虚拟转动惯量的整定原则以及BESS容量配置的合理范围，并结合经济性说明对BESS容量配置的优化方法。针对负载突然增加导致频率波动的情况，通过仿真算理分析表明，该方法相比于下垂控制与传统VSG控制，对频率支撑的效果更好，且为风机并网点电压提供可靠的补偿，进一步提高系统的稳定性，具有一定的工程实用价值。附图说明图1VSG有功-频率环节控制框图图2本专利技术实施例的STATCOM/BESS控制原理图图3本专利技术实施例的虚拟转动惯量控制流程图图4本专利技术实施例的含STATCOM/BESS接入的风电系统模型图图5本专利技术实施例的不同控制下的系统频率响应仿真图图6本专利技术实施例的STATCOM/BESS有功输出仿真图图7本专利技术实施例的风机并网点电压变化情况仿真图图中：ωN为系统额定频率；ω为同步发电机的转子角频率；H为惯量常数；D为同步发电机的等效阻尼系数；PT、PE为同步发电机的机械功率和电磁功率；Pref为VSG输出有功功率的参考值；Kd为VSG的功频静特性系数，上标*表示标幺值；PL为可控的恒功率负载。具体实施方式下面结合附图和实例对基于STATCOM/BESS的风机VSG虚拟惯性强化方法进行详细说明。由图1可得，VSG的频率响应特性为具体抑制措施如下：当风机VSG系统发生功率波动时，振荡的超调量和趋于稳定的调整时间是判断频率稳定性的关键指标。波动过程中，系统的功角呈现出衰减震荡，当ω＞ωN，dω/dt＞0与ω＜ωN，dω/dt＜0时，需要增大转动惯量，减小超调量，防止转子角速度偏离正常值过大；当ω＞ωN，dω/dt＜0与ω＜ωN，dω/dt＞0时，需要减小转动惯量，减小惯性可使转子角速度更快恢复至正常值，缩短调整时间。据此，自适应虚拟转动惯量JW∑的控制算法为式中，J0为稳态时的转动惯量；Jα为频率波动时的转动惯量基础值，其大小可由旋转动能的改变而自适应改变；k为调节系数。阈值α(α＞0)的设置为减小功率微小波动或仪器误差造成的转动惯量误变动。具体的变化情况如表1所示。表1虚拟转动惯量变化情况Jα的改变由STATCOM/BESS进行调节，因此需要考虑BESS的荷电状态，根据不同的荷电状态，STATCOM/BESS表现为不同的工作模式，其控制原理如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于STATCOM/BESS的风机VSG虚拟惯性强化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/n步骤(1)分析STATCOM/BESS强化风机VSG虚拟惯性的机理以及虚拟转动惯量自适应改变的可行性；/n步骤(2)构造风机VSG的小信号模型；/n步骤(3)借助步骤(1)建立的模型，根据经典控制理论分析，确定虚拟转动惯量的取值范围；/n步骤(4)通过步骤(2)中的虚拟转动惯量范围，推导BESS的合理容量配置范围，结合系统经济性最优的目标函数，得到BESS的最优容量配置；/n步骤(5)根据频率偏差与频率变化率，在考虑蓄电池(BESS)荷电状态的情况下，利用STATCOM/BESS实现虚拟转动惯量的自适应变化；/n步骤(6)利用PSCAD/EMTDC仿真平台搭建含STATCOM/BESS接入的风电并网系统模型；/n步骤(7)通过PSCAD/EMTDC仿真对控制方法进行验证，说明方法的有效性。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于STATCOM/BESS的风机VSG虚拟惯性强化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤(1)分析STATCOM/BESS强化风机VSG虚拟惯性的机理以及虚拟转动惯量自适应改变的可行性；
步骤(2)构造风机VSG的小信号模型；
步骤(3)借助步骤(1)建立的模型，根据经典控制理论分析，确定虚拟转动惯量的取值范围；
步骤(4)通过步骤(2)中的虚拟转动惯量范围，推导BESS的合理容量配置范围，结合系统经济性最优的目标函数，得到BESS的最优容量配置；
步骤(5)根据频率偏差与频率变化率，在考虑蓄电池(BESS)荷电状态的情况下，利用STATCOM/BESS实现虚拟转动惯量的自适应变化；
步骤(6)利用PSCAD/EMTDC仿真平台搭建含STATCOM/BESS接入的风电并网系统模型；
步骤(7)通过PSCAD/EMTDC仿真对控制方法进行验证，说明方法的有效性。


2.根据权利要求1所述的基于STATCOM/BESS的风机VSG虚拟惯性强化方法，其特征在于，步骤(1)中将风电机组与STATCOM/BESS看作一个整体向系统提供电能，通过对STATCOM/BESS进行控制，利用其BESS储备的能量、有功及无功平滑快速的响应能力，为风电机组的旋转动能提供能量来源，使频率获得足够的惯量支撑，同时在系统功率波动时与系统的有功和无功进行柔性交换，消除功率波动对频率的影响，在电网频率变化时，STATCOM/BESS装置快速调用BESS中所储存的能量，调节自身的有功、无功输出，平抑功率波动，抑制频率突变，并利用输出的无功功率维持并网节点的电压稳定，有效解决风电系统的低惯性与电压稳定性问题。


3.根据权利要求1所述的基于STATCOM/BESS的风机VSG虚拟惯性强化方法，其特征在于，步骤(3)中根据经典控制理论分析，当二阶系统的2个特征根均位于复平面的左半平面时，系统才会稳定，由于阻尼系数D恒为正，为保证特征根实部恒为负，最基本的要求是应保持JW∑不小于0，构造风机VSG小信号模型为式(1)



式中：PE(s)为风机VSG输出的有功功率；Pref(s)为风机VSG输出有功功率的参考值；US为系统电压幅值；E为风机VSG输出电压幅值；XS为线路等效电抗；Kd为风机VSG的功频静特性系数，因此风机VSG的特征根为



对于式(1)，可得到二阶模型的自然振荡角频率ωS和阻尼系数ξ的表达式为



在设计风机VSG的控制器时，考虑阻尼系数，利用最优二阶系统的概念，取ξ＝0.707，由上式可得系统最优阻尼系数D；一般同步发电机的自然振荡频率范围为0.628～15.700rad/s，为保证系统能够产生与同步发电机一样的惯量效果，JW∑的取值范围





4.根据权利要求1所述的基于STATCOM/BESS的风机VSG虚拟惯性强化方法，其特征在于，步骤(4)中考虑一般电力系统频率安全运行的下限为48Hz，上限为51Hz。讨论最恶劣的情况，系统从51Hz突然下降至48Hz、且风机VSG无...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘青，徐宏璐，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北;13