基于超级电容虚拟惯性和短期一次调频的PMSG风机控制方法技术

本发明专利技术公开了基于超级电容虚拟惯性和短期一次调频的PMSG风机控制方法，涉及风力发电技术领域，其技术方案要点是：以直接接入风机背靠背变流器的超级电容的动态功率模拟电网的惯性响应和一次调频，并计算出电网中直流电压和交流频率的耦合数学关系式；根据耦合数学关系式设计与布置PMSG风机接入超级电容的虚拟电容和短期一次调频控制器；通过锁相环测量电网中的频率信息，同时根据耦合数学关系式计算风机超级电容提供的虚拟惯性系数；调频控制器计算后输出在超级电容提供虚拟惯性和短期一次调频下新的直流电压参考值；GSC的定直流电压根据直流电压参考值控制PMSG风机调频。本发明专利技术能够有效抑制频率变化的斜率和减小暂态频率偏差量，改善频率的动态特性。改善频率的动态特性。改善频率的动态特性。

【技术实现步骤摘要】
基于超级电容虚拟惯性和短期一次调频的PMSG风机控制方法


[0001]本专利技术涉及风力发电
，更具体地说，它涉及基于超级电容虚拟惯性和短期一次 调频的PMSG风机控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，风电装机容量在电网的比例不断增加。与同步发电机不同，永磁直驱(permanentmagnet synchronous generator，PMSG)风机通过电力电子变流器接入电网，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(maximum power point tracking，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。
[0003]随着风电接入比例的不断增加，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。风机转子旋转动能能够提供频率支撑，但是会让风机偏移MPPT点 运行，并且在转子转速恢复过程中可能导致二次频率跌落。减载控制会让风机正常运行时偏 移MPPT点，降低运行的经济性。目前，超级电容已经在风机中应用，但主要用于平滑输出 的功率和提高暂态故障穿越能力，并且大多都是要通过一个双向DC/DC变流器接入。实际上， 超级电容可以直接接到PMSG背靠背的变流器上，可以省去一个DC/DC变流器。
[0004]然而，现有研究并未涉及对于这种拓扑下风机接入超级电容能否提供虚拟惯性和短期一 次调频，而研究这种情况下超级电容提供一次调频控制又具有重要意义。因此，如何研究设 计一种基于超级电容虚拟惯性和短期一次调频的PMSG风机控制方法是我们目前急需解决的 问题。

技术实现思路

[0005]为克服现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供基于超级电容虚拟惯性和短期一次调频 的PMSG风机控制方法，其调频性能不受风速影响，也不需要风机进行减载控制。
[0006]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：基于超级电容虚拟惯性和短期 一次调频的PMSG风机控制方法，包括以下步骤：
[0007]S101：以直接接入风机背靠背变流器的超级电容的动态功率模拟电网的惯性响应和一次 调频，并计算出电网中直流电压和交流频率的耦合数学关系式；
[0008]S102：根据耦合数学关系式设计与布置PMSG风机接入超级电容的虚拟电容和短期一次 调频控制器；
[0009]S103：通过锁相环测量电网中的频率信息，同时根据耦合数学关系式计算风机超级电容 提供的虚拟惯性系数，并将频率信息、虚拟惯性系数输入调频控制器中；
[0010]S104：调频控制器计算后输出在超级电容提供虚拟惯性和短期一次调频下新的直流电压 参考值；
[0011]S105：电网侧变流器GSC的定直流电压根据直流电压参考值控制PMSG风机调频。
[0012]进一步的，所述调频控制器包括虚拟惯性控制和短期一次调频；其中，
[0013]虚拟惯性控制,为模拟同步发电机的惯性响应，用以抑制频率的变化斜率，阻止频率的 快速跌落；
[0014]短期一次调频，用于减小暂态过程中频率的最大偏差，以使风机短时间内提供较强的频 率支撑，改善频率的动态特性。
[0015]进一步的，所述耦合数学关系式具体为：
[0016][0017]式中，根号下第一项代表超级电容提供虚拟惯性，根号下第二项表示超级电容提供一次 调频；V
*dc
为直流电压参考值，H
dc
为风机超级电容提供的虚拟惯性系数，S
WT
为风机的额定功 率，f0为额定频率，f为测量的频率信息，K
dc
为超级电容提供一次调频的下垂系数，V
dc0
为正 常运行的直流电压，C为超级电容的容量。
[0018]进一步的，所述耦合数学关系式求解方法具体为：
[0019]发电机的惯性响应用于在扰动的最初阶段阻止频率变化的斜率，其输出的附加功率与频 率变化的斜率成正比，具体为：
[0020][0021]一次调频的响应速度慢于惯性响应，其输出的附加功率与频率偏差成正比，具体为：
[0022][0023]式(5)、(6)中，H
g
为发电机的惯性时间常数，f0为额定频率，f为测量的频率信息，Δf为 频率偏差，K
P
为发电机的下垂系数；
[0024]电力系统频率的动态特性表示为：
[0025][0026]式中，H为交流系统的等效惯性时间常数，D为系统的阻尼系数，P
G
发电机总的功率， P
L
为总负荷功率，ΔP
S
为风机采用超级电容后释放或者存储的功率；
[0027]结合式(1)和式(2)，ΔP
S
可表示为：
[0028][0029]式中，H
dc
为风机超级电容提供的虚拟惯性系数，K
dc
为超级电容提供一次调频的下垂系 数；
[0030]将式(5)带入(3)可得：
[0031][0032]由式(5)可知，当风机超级电容提供虚拟惯性和一次调频控制后，电力系统的惯性和阻尼 惯性特性均增加；
[0033]超级电容中的能量可通过电网侧变流器GSC定直流电压控制来改变直流电压的大小从而 释放，直流电容的动态电磁功率为：
[0034][0035]式中，V
d
为直流电压，S
WT
为风机的额定功率，P
in
为输入超级电容的功率，P
out
为输出超 级电容的功率，ΔP
C
为超级电容释放或者存储的电磁功率；
[0036]令ΔP
S
和ΔP
C
相等，可得：
[0037][0038][0039][0040][0041]式(7)-(8)中，f1为扰动后准稳态频率值，V
dc1
为扰动后的准稳态直流电压值，V
dc0
为正常 运行的直流电压。Δf为频率偏差(Δf＝f
1-f0)，ΔV
dc
为直流电压偏差(ΔV
dc
＝V
dc1-V
dc0
)。
[0042]进一步的，所述短期一次调频采用washout环节隔除准稳态频率偏差中的直流部分。
[0043]进一步的，所述washout环节中的时间常数T1为8s。
[0044]进一步的，所述虚拟惯性系数具体为：
[0045]假设仅考虑超级电容提供虚拟惯性，超级电容提供的虚拟惯性为：
[0046][0047][0048][0049]式中，ΔV
max
为最大允许的直流电压偏差(ΔV
dc
＝V
dcmax-V
dc0
或者ΔV
dc
＝V
dc0-V
dcmin
)，Δf
V
为虚拟惯性控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于超级电容虚拟惯性和短期一次调频的PMSG风机控制方法，其特征是，包括以下步骤：S101：以直接接入风机背靠背变流器的超级电容的动态功率模拟电网的惯性响应和一次调频，并计算出电网中直流电压和交流频率的耦合数学关系式；S102：根据耦合数学关系式设计与布置PMSG风机接入超级电容的虚拟电容和短期一次调频控制器；S103：通过锁相环测量电网中的频率信息，同时根据耦合数学关系式计算风机超级电容提供的虚拟惯性系数，并将频率信息、虚拟惯性系数输入调频控制器中；S104：调频控制器计算后输出在超级电容提供虚拟惯性和短期一次调频下新的直流电压参考值；S105：电网侧变流器GSC的定直流电压根据直流电压参考值控制PMSG风机调频。2.根据权利要求1所述的基于超级电容虚拟惯性和短期一次调频的PMSG风机控制方法，其特征是，所述调频控制器包括虚拟惯性控制和短期一次调频；其中，虚拟惯性控制,为模拟同步发电机的惯性响应，用以抑制频率的变化斜率，阻止频率的快速跌落；短期一次调频，用于减小暂态过程中频率的最大偏差，以使风机短时间内提供较强的频率支撑，改善频率的动态特性。3.根据权利要求1所述的基于超级电容虚拟惯性和短期一次调频的PMSG风机控制方法，其特征是，所述耦合数学关系式具体为：式中，根号下第一项代表超级电容提供虚拟惯性，根号下第二项表示超级电容提供一次调频；V
*dc
为直流电压参考值，H
dc
为风机超级电容提供的虚拟惯性系数，S
WT
为风机的额定功率，f0为额定频率，f为测量的频率信息，K
dc
为超级电容提供一次调频的下垂系数，V
dc0
为正常运行的直流电压，C为超级电容的容量。4.根据权利要求3所述的基于超级电容虚拟惯性和短期一次调频的PMSG风机控制方法，其特征是，所述耦合数学关系式求解方法具体为：发电机的惯性响应用于在扰动的最初阶段阻止频率变化的斜率，其输出的附加功率与频率变化的斜率成正比，具体为：一次调频的响应速度慢于惯性响应，其输出的附加功率与频率偏差成正比，具体为：式(1)、(2)中，H
g
为发电机的惯性时间常数，f0为额定频率，f为测量的频率信息，Δf为频率偏差，K
P
为发电机的下垂系数；电力系统频率的动态特性表示为：
式中，H为交流系统的等效惯性时间常数，D为系统的阻尼系数，P
G
发电机总的功率，P
L
为总负荷功率，ΔP
S
为风机采用超级电容后释放或者存储的功率；结合式(1)和式(2)，ΔP
S
可表示为：式中，H
dc
为风机超级电容提供的虚拟惯性系数，K
dc
为超级电容提供一次调频的下垂系数；将式(5)带入(3)可得：由式(5)可知，当风机超级电容提供虚拟惯性和一次调频控制后，电力系统的惯性和阻尼惯性特性均增加；超级电容中的能量可通过电网侧变流器GSC定直流电压控制来改变直流电压的大小从而释放，直流电容的动态电磁功率为：式中，V
dc
为直流电压，S
WT
为风机的额定功率，P
in
为输入超级电容的功率，P
out
为输出超级电容的功率，ΔP
C

【专利技术属性】
技术研发人员：曾雪洋，李小鹏，张纯，陈玉敏，张华，张华杰，苏学能，
申请(专利权)人：国网四川省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：