基于快速无功功率控制和功角补偿方法的双馈虚拟同步发电机控制方法技术

本专利涉及双馈电机的控制技术领域，具体涉及双馈虚拟同步机快速无功控制和功角补偿控制方法。本发明专利技术提出采用快速无功控制策略消除有功功率扰动对无功的影响，采用功角补偿策略消除无功参考值扰动对有功的影响的解耦方案。在设计双馈虚拟同步机整体控制策略的基础上，构建计及无功控制环节的双馈虚拟同步机小信号模型。通过分析无功环节PI控制器参数对功角稳定性的影响，设计快速无功控制。设定电网频率扰动和无功参考值扰动工况进行验证。结果表明，所提控制策略可有效避免双馈虚拟同步机大功角运行时有功功率与无功功率间的相互影响，实现双馈虚拟同步机在电网频率扰动和无功给定值扰动下的稳定运行。给定值扰动下的稳定运行。给定值扰动下的稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
基于快速无功功率控制和功角补偿方法的双馈虚拟同步发电机控制方法

：
[0001]本专利涉及双馈电机的控制
，具体涉及基于快速无功功率控制和功角补偿方法的双馈虚拟同步发电机控制方法。

技术介绍
：
[0002]在构建更加清洁、低碳的能源体系趋势下，可再生能源将逐步成为面向未来的主要能源形式。相较传统电源，以电力电子变换器为电网接口的可再生能源缺乏频率惯性，日益提高的可再生电源穿透率将进一步恶化电网频率稳定控制。
[0003]双馈风电机组有较大装机容量，增强其惯性和调频能力将对电网频率安全有重要意义。在双馈机组传统控制策略中引入频率下垂控制以体现调频特性，但该方法不能实现频率惯性支撑。关于虚拟惯量控制策略，通过提取电网频率偏差和其变化率计算有功功率参考值，体现惯性出力和调频特性。
[0004]双馈机组虚拟同步机控制策略也是一类解决办法，通过将同步发电机运动方程引入双馈机组控制策略使其出力体现频率惯性。此时双馈机组以电压源形式出力，可实现与电网的自同步，并具备灵活的并离网运行方式。虚拟同步控制策略下，功率控制方式为P
‑
f和Q
‑
U，这依赖于传输线路呈感性和功角较小两个条件。风电场往往接入电网末端，短路比相对较小；在就地接入负荷中心的分散式场景中，接入电网电压等级较低，线路成阻感特性。在这样的场景下，传输功率耦合严重，易引起同步频率谐振现象，危害电网稳定运行。
[0005]引入虚拟电阻是另外一种解决思路，将有功功率经过电阻时造成的压降通过无功功率进行补偿，实现功率解耦传输。实际电网电阻难以测量，同时该参数会随电网最大最小运行方式而改变，进而难以实现准确解耦。
[0006]还有人采用增加虚拟电抗的方式提高传输模型阻抗角，使之近似体现电抗特性，实现功率近似解耦。该方法具有较好鲁棒性但精度有限。
[0007]部分文献公开了自适应虚拟阻抗法，在特定工作点将双馈虚拟同步机模型采用小信号的方式线性化，建立不同稳态工作点与补偿阻抗的关系，实现不同工作点下虚拟阻抗的自适应。
[0008]部分文献公开了通过d轴电流表征有功功率和无功功率耦合程度的方案，无需再关注电网电阻值。电流表征功率耦合程度的模型需要随稳态工作点而不断调整。
[0009]部分文献公开了通过虚拟电流前馈功率解耦策略，将电压造成的有功扰动补偿和功角造成的无功扰动补偿转化为无功控制中的内环电流补偿。
[0010]以上几种解耦方案具有一定程度的相似性：通过不同的补偿方式使传输模型尽可能体现电抗特性，消除功率耦合。
[0011]以激磁电势控制功率传输的双馈虚拟同步机控制方法，将定子电抗引入功率传输模型，降低电阻带来的功率耦合问题。较大的定子电抗使其运行功角较大，且变化范围大，这带来了新的功率耦合问题，目前相关研究较少。以定子电压为目标控制电压的双馈虚拟
同步机策略，避免了定子电抗出现在功率传输环节，进而避免了虚拟同步机大功角运行的问题，但其无法利用定子电抗增加传输环节的电抗占比。

技术实现思路
：
[0012]本专利针对在功率传输环节引入定子电抗而造成的大功角运行问题，利用有功环和无功环响应时间尺度不同的特点，提出快速无功功率控制方法；针对快速无功控制方法在无功扰动时对功角、有功扰动加强的问题，提出了功角补偿控制方法。技术方案如下：
[0013]基于快速无功功率控制和功角补偿方法的双馈虚拟同步发电机控制方法，功角控制表达式为：
[0014][0015]式中，T
Ω
为机械转矩，T
e
为电磁转矩，ω
v
,ω0,ω
g
分别为虚拟同步角频率、工频角频率和定子电压角频率，D
p
为阻尼系数，k
f
为调频系数，J为惯性系数，p为微分算子；θ
v
,θ
g
分别为d轴虚拟同步相位角和定子电压相位角，σ为功角；
[0016]无功功率控制表达式为：
[0017]E
*
＝(k
p
+k
i
∫)(Q
ref
+k
u
(U
*
‑
U)
‑
Q)，
[0018]式中，E
*
为激磁电势目标值，Q
ref
为无功功率给定值，k
p
,k
i
为无功控制PI参数，k
u
为调压系数，U
*
为电网电压基准值；
[0019]励磁电压控制表达式为：
[0020][0021]式中，为dq坐标系下励磁电压，k
pd
,k
id
,k
qd
,k
iq
分别电流内环对应PI控制参数，ω
r
为转子角频率，L
m
,L
r
为定转子互感和转子电感；I
rd
，I
rq
为转子电流；且转子电流给定值为：
[0022][0023]优选方案一，无功控制PI参数k
p
,k
i
经由快速无功控制优化，
[0024]选择
[0025]其中,U
s
为电网电压，X
s
为定子同步电抗，此时k
p
参数可使无功控制系统有较快的响应速度，同时可避免k
i
参数可能造成的不稳定状态；选择一定的k
i
参数，使其满足负实轴极点对应环节在时域的收敛速度要求，实现无功功率静态无差追踪。
[0026]优选方案二，功角环节包含有无功功角补偿功能，可避免无功给定扰动下的有功功率冲击；
[0027]通过微分
‑
积分运算滤除无功功率参考值中稳态分量，提取无功功率变化量：
[0028][0029]令ΔP＝Kk
σ1
ΔE+KE0k
σ2
Δσ＝0，解得功角与无功关系为：
[0030][0031]进而构建无功功角补偿功能。
附图说明：
[0032]图1是实施例中双馈虚拟同步机整体控制方法原理图。
[0033]图2是实施例中包含励磁环节的功角控制小信号模型原理图。
[0034]图3是实施例中功角对电网频率扰动传递函数根轨迹示意图。
[0035]图4是实施例中激磁电势和有功功率随功角变化关系示意图。
[0036]图5是实施例中无功功角补偿控制方法原理图。
[0037]图6是实施例中电网频率扰动下双馈虚拟同步系统响应原理示意图。
[0038]图7是实施例中虚拟同步频率暂态变化原理示意图。
[0039]图8是实施例中无功给定值扰动下双馈虚拟同步系统响应原理示意图。
具体实施方式：
[0040]实施例：
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于快速无功功率控制和功角补偿方法的双馈虚拟同步发电机控制方法，其特征在于，功角控制表达式为：式中，T
Ω
为机械转矩，T
e
为电磁转矩，ω
v
,ω0,ω
g
分别为虚拟同步角频率、工频角频率和定子电压角频率，D
p
为阻尼系数，k
f
为调频系数，J为惯性系数，p为微分算子；θ
v
,θ
g
分别为d轴虚拟同步相位角和定子电压相位角，σ为功角；无功功率控制表达式为：E
*
＝(k
p
+k
i
∫)(Q
ref
+k
u
(U
*
‑
U)
‑
Q)，式中，E
*
为激磁电势目标值，Q
ref
为无功功率给定值，k
p
,k
i
为无功控制PI参数，k
u
为调压系数，U
*
为电网电压基准值；励磁电压控制表达式为：式中，为dq坐标系下励磁电压，k
pd
,k
id
,k
qd
,k

【专利技术属性】
技术研发人员：任永峰，胡志帅，云平平，薛宇，陈建，潘禹，贺彬，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：