在风力发电控制系统中应用虚拟同步发电机技术的方法技术方案

本发明专利技术公开了在风力发电控制系统中应用虚拟同步发电机技术的方法，涉及风力发电技术领域；包括通过修改MPPT曲线或利用变桨调节方法实现风机虚拟同步控制策略；在低风速区利用运行点右移的方法实现机组超速减载运行，通过超速减载运行提供调频时所需的额外容量；通过桨距角控制，使得风机始终运行在限功率工况下，或通过改变叶尖速比和桨距角关系降低风能利用系数；将超速减载和桨距角控制相结合，在低风速区仅通过提升发电机的转速进行独立超速控制以满足减载曲线要求；在中风速区通过变桨配合满足减载曲线要求；在高风速区，只能使用变桨调节完成减载运行。其使得风机的虚拟惯量及频率支撑特性不依赖于电网频率检测甚至频率变化率。频率变化率。

【技术实现步骤摘要】
在风力发电控制系统中应用虚拟同步发电机技术的方法


[0001]本专利技术涉及风力发电
，具体涉及在风力发电控制系统中应用虚拟同步发电机技术的方法。

技术介绍

[0002]随着风电并网容量的不断提升，大量通过电力电子装置并网的风力发电机组使得现有电力系统的转动惯量缺失，造成系统频率稳定性下降等问题愈加严重。虚拟同步发电机技术可通过模拟传统同步发电机的运行特性，提高风机的并网等效惯量、阻尼系数及电网的风能渗透率。由于风能具有波动性和间歇性等自然属性，其调速能力受限，使得风能渗入率较高区域电网的动态稳定性也受到影响；并且基于功率解耦的最大功率点跟踪(MPPT)和锁相环(PLL)技术的传统控制，使得风轮机转动惯量与并网接口之间的能量传递链消失，传统风力发电并网接口缺乏自主的频率、电压支撑能力。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于，提供一种在风力发电控制系统中应用虚拟同步发电机技术的方法，使得风机的虚拟惯量及频率支撑特性不依赖于电网频率检测甚至频率变化率。
[0004]为实现上述目的，本申请提出在风力发电控制系统中应用虚拟同步发电机技术的方法，包括通过修改MPPT曲线或利用变桨调节方法实现风机虚拟同步控制策略；其中，在低风速区利用运行点右移的方法实现机组超速减载运行，通过超速减载运行提供调频时所需的额外容量；通过桨距角控制，使得风机始终运行在限功率工况下，或通过改变叶尖速比和桨距角关系降低风能利用系数；将超速减载和桨距角控制相结合，在低风速区仅通过提升发电机的转速进行独立超速控制以满足减载曲线要求；在中风速区通过变桨配合满足减载曲线要求；在高风速区，受到最大功率指令及转速保护指令限制，只能使用变桨调节完成减载运行。
[0005]进一步的，采用比例
‑
微分(PD)控制实现虚拟惯量控制，具体为：电网频率测量值f经微分控制器与有功
‑
频率下垂控制器作用，叠加于风机最大功率控制指令处，利用微分控制器对频率的响应模拟机组惯量，通过下垂特性模拟一次调频过程。
[0006]进一步的，内禀频率的自同步控制方案使用虚拟同步发电机算法替代原有风机变流器的内环控制算法，其功率外环接收传统MPPT控制指令，将有功指令作为虚拟同步发电机模型的功率指令，通过模型中的虚拟惯量及下垂系数作用产生虚拟同步频率，再通过励磁调节器生成励磁电压幅值，将所述同步频率和励磁电压幅值合成作为虚拟同步型风机的内电势指令。
[0007]进一步的，获取实际转子与虚拟转子之间的能量传递机理，具体为：设风轮机实际转速为ωr，虚拟同步轴转速为ωs，则实际轴动能Er和虚拟轴动能Es分别表述为：
[0008][0009]式中：Jr为实际轴惯量；Js为虚拟轴惯量；稳态时Er反映风轮吸收的机械能，Es反映风机馈入电网的电能。
[0010]进一步的，全功率型风机两轴的连接枢纽为电磁功率Pe＝Temωr＝Teωs，其中Tem为作用在风轮轴上的电磁转矩，Te为作用在虚拟轴上的电磁转矩；风轮轴系通过平衡机械转矩Tm及Tem，寻找最佳转速以实现MPPT；虚拟同步发电机控制又使得风力发电机的并网接口特性等效为一套同步转速为ωs、惯量为Js，且满足同步电机机电方程的虚拟轴系；两轴系的机电动态方程表示为：
[0011][0012]式中：Δωs＝ωs－ωn为当前虚拟轴频率与电网频率之差；Dp为虚拟阻尼系数；Pm为风轮机机械功率；Pmax为当前风轮转速对应的最大功率；Tref为转矩参考值；根据风轮机机械特性，若风轮机转子实际转速大于最优转速时：Pm＜Pmax，若风轮机转子实际转速小于最优转速时：Pm＞Pmax，MPPT最佳转速循优原理保证风机实际轴系的动态稳定，而虚拟轴的稳定机理与传统同步机的转子特性一致。
[0013]更进一步的，在系统扰动过程，快速频率响应通过虚拟同步轴实现，其中功率的短时支撑由风轮机转子惯量提供，若电网频率跌落，则在频率支撑过程中由风轮机转子转速跌落所释放的动能即为风机向电网增发的有效电能；而在MPPT稳态恢复过程中，最大风能捕获通过风轮机转子实际轴逐步实现，最终完成双轴系统的能量平衡。
[0014]更进一步的，虚拟同步发电机电压调节远快于频率调节，系统闭环时间由频率
‑
有功闭环时间常数τ
f
决定，即
[0015][0016]式中：Δf为频率扰动值；ΔP为有功功率扰动值。
[0017]作为更进一步的，所述全功率型风机通过一组背靠背变频器实现风电机组向电网传递能量的变换过程，其中机侧变流器(MSC)的运行模式模拟同步电动机(VSM)；网侧变流器(GSC)的运行模式模拟虚拟同步发电机，其以MPPT功率控制为外环，虚拟同步发电机模型为内环，实现并网接口的虚拟同步化，同时承担网侧无功Q
g
的控制。
[0018]作为更进一步的，双馈型风机中有功指令为风机MPPT指令，反馈功率为采样并网处电压ug和电流ig后得到的总功率P
g
，即定子输出与GSC输出功率之和；在虚拟同步发电机模型中获得的自同步频率减去当前转子转速后作为实际RSC电压矢量的旋转频率。
[0019]本专利技术采用的以上技术方案，与现有技术相比，具有的优点是：本专利技术将虚拟同步机本体模型及调速器、励磁控制器模型引入风机变流器内环控制中，使得风机具备内禀的
虚拟同步频率，不再依赖PLL检测电网频率及其变化率，避免了系统动态过程中的频率检测失稳，以及微分算法带来的负阻尼效果，提升了控制系统的稳定性；在风电机组中应用虚拟同步发电机技术，可使其在电网扰动过程中充分利用转子储备的动能提供动态支撑功率。
附图说明
[0020]图1为基于改进MPPT的虚拟同步控制框图；
[0021]图2为基于频率检测的虚拟同步控制框图；
[0022]图3为直接功率解耦控制图；
[0023]图4为内禀自同步频率控制图；
[0024]图5为虚拟同步化的全功率型风机控制框图；
[0025]图6为虚拟同步化的双馈型风机控制框图。
具体实施方式
[0026]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请，即所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0027]因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0028]为了进一步利用风轮机转子储存的动能，通过修改MPPT曲线和利用变桨调节两种方式为风机调频预留可用容量，从而为风机模拟同步机的调频、调压特性提供了控制基础。为了体现风电机组的并网等效惯量，提出了一种具备虚拟惯量的风机控制，通过检测电网频率变化，快速调节转子变流器功本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.在风力发电控制系统中应用虚拟同步发电机技术的方法，其特征在于，包括通过修改MPPT曲线或利用变桨调节方法实现风机虚拟同步控制策略；其中，在低风速区利用运行点右移的方法实现机组超速减载运行，通过超速减载运行提供调频时所需的额外容量；通过桨距角控制，使得风机始终运行在限功率工况下，或通过改变叶尖速比和桨距角关系降低风能利用系数；将超速减载和桨距角控制相结合，在低风速区仅通过提升发电机的转速进行独立超速控制以满足减载曲线要求；在中风速区通过变桨配合满足减载曲线要求；在高风速区，受到最大功率指令及转速保护指令限制，只能使用变桨调节完成减载运行。2.根据权利要求1所述在风力发电控制系统中应用虚拟同步发电机技术的方法，其特征在于，采用比例
‑
微分控制实现虚拟惯量控制，具体为：电网频率测量值f经微分控制器与有功
‑
频率下垂控制器作用，叠加于风机最大功率控制指令处，利用微分控制器对频率的响应模拟机组惯量，通过下垂特性模拟一次调频过程。3.根据权利要求1所述在风力发电控制系统中应用虚拟同步发电机技术的方法，其特征在于，内禀频率的自同步控制方案使用虚拟同步发电机算法替代原有风机变流器的内环控制算法，其功率外环接收传统MPPT控制指令，将有功指令作为虚拟同步发电机模型的功率指令，通过模型中的虚拟惯量及下垂系数作用产生虚拟同步频率，再通过励磁调节器生成励磁电压幅值，将所述同步频率和励磁电压幅值合成作为虚拟同步型风机的内电势指令。4.根据权利要求1所述在风力发电控制系统中应用虚拟同步发电机技术的方法，其特征在于，获取实际转子与虚拟转子之间的能量传递机理，具体为：设风轮机实际转速为ωr，虚拟同步轴转速为ωs，则实际轴动能Er和虚拟轴动能Es分别表述为：式中：Jr为实际轴惯量；Js为虚拟轴惯量；稳态时Er反映风轮吸收的机械能，Es反映风机馈入电网的电能。5.根据权利要求1所述在风力发电控制系统中应用虚拟同步发电机技术的方法，其特征在于，全功率型风机两轴的连接枢纽为电磁功率Pe＝Temωr＝Teωs，其中Tem为作用在风轮轴上的电磁转矩，Te为作用在虚拟轴上的电磁转矩；风轮轴系通过平衡机械转矩Tm及Tem，寻找最佳转速以...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明亮，蒲延洲，李增坤，覃锐杰，
申请(专利权)人：大连尚佳新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：