双馈虚拟同步机协调控制提升大功角运行工况频率支撑能力的方法技术

本发明专利技术涉及双馈虚拟同步机协调控制提升大功角运行工况频率支撑能力的方法。采用双馈虚拟同步机参数自适应控制方法和储能系统的一次调频协调控制方法；双馈虚拟同步机参数自适应控制方法对双馈电机虚拟同步机的阻尼参数Dp和励磁控制器PI参数进行控制；储能系统的一次调频协调控制方法，对双馈电机定子虚拟同步机、网侧变换器、储能运行进行控制；本发明专利技术在毫秒级提高了大功角工况下频率支撑功率响应速度和系统运行稳定性；同时在不同运行功角状态下，实现高性能的电网频率支撑；实现了全运行工况下的秒级稳定调频运行。行工况下的秒级稳定调频运行。行工况下的秒级稳定调频运行。

【技术实现步骤摘要】
双馈虚拟同步机协调控制提升大功角运行工况频率支撑能力的方法

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[0001]本专利技术涉及风力发电设备的控制和调节，具体涉及双馈虚拟同步机协调控制提升大功角运行工况频率支撑能力的方法。

技术介绍
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[0002]随大规模风电接入电力系统，电网结构逐步向新能源化、电力电子化转变，这将降低同步发电机出力占比。同步发电机系统具有旋转轴系动能大且锅炉储能大的特点，因此同步发电机占比的降低将导致电网频率支撑能力减弱，影响电网运行安全。提升风电机组电网频率支撑能力是解决该问题的关键，围绕该方向的研究主要有两个方面。一是风电机组频率惯性的实现方式。二是一次调频能量的储备形式与控制方法。
[0003]双馈电机的虚拟同步机控制方法，该控制方法建立在转子励磁控制基础上，这使其控制方式与同步发电机更加接近。双馈虚拟同步机控制方法往往以定子空载电压为激磁电势，通过定子电抗构建功率传输模型。功角主要由传输功率、电网电压及定子电抗参数决定，实际运行场景中功角往往较大；降低了双馈电机的虚拟同步机控制方法的电网频率支撑能力于运行稳定性。
[0004]双馈风电机组一次调频能量储备方式，主要分为减载运行和储能参与调频两类，这两种方式，风力机都没有运行在MPPT模式，降低了风机运行的经济效益。也有在交流母线并联储能装置的结构，协同DFIG实现调频运行，该拓扑结构需要一套额外的逆变器及升压变压器，结构复杂及成本较高，适用于集中式风电场景。将超级电容连接到直流母线的方案，这类型方案结构简便，在集中式风电和分散式风电场景中都可灵活运行；该方案利用网侧变换器剩余容量向电网提供调频功率，因此调频能力受到网侧变换器限制。
[0005]在控制方法层面，现有技术控制方法在通过网侧变换器实现电网频率支持的过程中未充分考虑网侧变换器容量实际情况。避免网侧变换器过载，就需要在转速恢复时的减载功率补偿和风电机组全运行工况下的稳定调频运行。
[0006]图1是本专利技术的拓扑结构示意图，首先分析一下双馈虚拟同步机系统及大功角运行工况分析。网侧变换器GSC采用功率外环、电流内环控制方式。网侧变换器可在指定有功功率控制和直流电压控制间切换。相应的，超级电容储能装置采用另一种控制方法。
[0007]双馈虚拟同步机数学模型及控制方法：双馈电机定子并网，转子连接励磁控制器。这种结构与同步电机相似，是双馈电机实现电机运行状态层面的同步机运行特性的基础。激磁电势控制和功角控制，是实现双馈电机虚拟同步机运行方式关键。在对双馈电机建模的基础上，得到双馈电机定子转子侧变换器控制方法。
[0008]双馈电机定子依照发电机惯例、转子依照电动机惯例，在dq坐标系下等效电路如图2(a)所示。
[0009]磁链方程为：
[0010][0011]式中，ψ
s
,ψ
r
分别为定、转子磁链，I
s
,I
r
分别为定、转子电流，L
ls
,L
lr
,L
m
分别为定、转子漏电感和互感。
[0012]通过对磁链求导数，得到电压方程：
[0013][0014]式中，U
s
,U
r
分别为定、转子电压，p为微分算子，ω
s
为电网频率，ω
r
表示转子转速，R
s
,R
r
分别为定、转子电阻。
[0015]激磁电势为：
[0016][0017]激磁电势与定子电压关系为：
[0018]E＝U
s
+pL
s
I
s
+jω
s
L
s
I
s
+r
s
I
s
(4)
[0019]其中，L
s
＝L
ls
+L
m
为定子电感。激磁电势E与电网电压U
s
矢量关系如图2(b)所示。
[0020]以激磁电势方向为d轴方向，激磁电势E旋转速度为ω
v
，电网电压U
s
旋转速度为ω
s
。激磁电势与电网电压夹角即为功角σ。
[0021]σ＝∫(ω
v
‑
ω
s
)dt(5)
[0022]通过激磁电势和功角计算功率表达式：
[0023][0024]式中，θ
Z
为阻抗角。由于定子电阻远小于其电抗值，可近似认为定子电阻R
s
为0，阻抗角θ
Z
＝90
°
,可对功率表达式简化：
[0025][0026]进一步地，在功角σ较小时，可近似认为sinσ≈σ，cosσ≈1。因此，可通过功角调节有功功率、通过激磁电势调节无功功率。风电机组功率P
g
＝P
s
(1
‑
s
ω
)，式中s
ω
为转差率。
[0027]通过转子运动方程实现有功功率控制：
[0028][0029]式中，P
Ω
为输入机械功率，ω0为额定频率，k
f
为调频系数，D
p
为虚拟阻尼系数，J
v
为虚拟转动惯量。在机械功率与风机功率不平衡时，将影响虚拟同步频率，最终调节功角，实现风电机组功率调节。在虚拟同步频率与电网频率不一致时，虚拟阻尼控制将产生阻尼功率，促使虚拟同步频率恢复与电网频率的同步。在虚拟同步频率跟随电网频率偏离额定值时，下垂调频控制将产生调频功率，实现对电网的频率支撑。
[0030]设计无功控制器：
[0031][0032]式中，k
p
,k
i
为无功外环控制器PI参数，Q
s*
为定子无功参考值，K
u
为调压系数，U0为电网基准。由(3)得稳态转子励磁电流参考值I
r*
:
[0033][0034]由(1)
‑
(2)设计电流内环控制器：
[0035][0036]大功角运行状态的原因及影响分析
[0037]通过(7)解得双馈虚拟同步机稳态运行时得功角及激磁电势：
[0038][0039]实际应用场景中，双馈电机功率为MW级，定子电感为mH级，定子电压为kV级。计算得到得功角普遍较大，不能按近似处理。
[0040]为分析大功角运行工况对电网频率支撑能力的影响，定义单位功角有功功率调节量：
[0041][0042]由图3可知，单位功角有功调节率随功角增加而加速减低。定义单位功角有功调节率大于0.9所对应的功角范围为小功角工况，单位功角有功调节率小于等于0.9所对应的功角范围为大功角工况。
[0043]在小功角运行工况，改变单位功角，对应有功变化量大且相对稳定。在电网本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.双馈虚拟同步机协调控制提升大功角运行工况频率支撑能力的方法，其特征在于，采用双馈虚拟同步机参数自适应控制方法和储能系统的一次调频协调控制方法；双馈虚拟同步机参数自适应控制方法对双馈电机虚拟同步机的阻尼参数D
p
和励磁控制器PI参数进行控制，磁控制器PI参数输入如下：首先，为k
p
和k
i
设计自适应策略，以消除功率角变化对滞后分量的时间常数T
b
的影响；自适应参数的公式为：这里，k
p0
和k
i0
是转子励磁PI控制器的初始参数；时间常数T
b
为：可见，时间常数与功率角解耦；其次，优化k
p0
和k
i0
，以实现滞后分量与比例分量的近似，参数的约束为：T
σ
>>T
...

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