模擬慣性與超速相結(jié)合的雙饋風(fēng)機(jī)有功頻率控制器及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種模擬慣性與超速法控制相結(jié) 合的雙饋風(fēng)機(jī)有功頻率綜合控制器及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)力發(fā)電作為目前最成熟、最具有規(guī)模開發(fā)條件的新能源發(fā)電方式，在電力系統(tǒng) 中尤其是風(fēng)能資源豐富的區(qū)域滲透率不斷增加。風(fēng)力發(fā)電規(guī)模飛速發(fā)展帶來了巨大的環(huán)境 效益和經(jīng)濟(jì)效益，但也給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來新的挑戰(zhàn)。
[0003] 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)（doublyfedinductiongeneration,DFIG)具有發(fā)電效率高變 頻器容量小的特點(diǎn)，已經(jīng)成為目前大型風(fēng)電場的主力機(jī)型之一。其電力電子換流器在實(shí)現(xiàn) 最大功率跟蹤的同時(shí)，也使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間不再存在禪合關(guān)系，不能像傳統(tǒng)同 步發(fā)電機(jī)一樣通過轉(zhuǎn)子釋放或者存儲(chǔ)動(dòng)能阻巧系統(tǒng)頻率變化，即風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)能被變頻 器完全"隱藏"。從全系統(tǒng)角度看，風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為零，基于DFIG機(jī)組的風(fēng)電場大規(guī) 模接入會(huì)明顯減弱系統(tǒng)的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。并且其運(yùn)行在最大功率跟蹤（MaximumPower PointTracking,MPPT)模式時(shí)效率已達(dá)最大化無法參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻。
[0004] 為了降低大規(guī)模DFIG機(jī)組接入對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響，常見的改進(jìn)方法有：
[0005] 1、利用轉(zhuǎn)子存儲(chǔ)的動(dòng)能進(jìn)行短時(shí)間調(diào)頻，附加有功頻率控制環(huán)節(jié)W模擬同步發(fā)電 機(jī)的頻率響應(yīng)特性，使變速風(fēng)機(jī)具有一定的虛擬慣性；
[0006] 2、通過超速或變獎(jiǎng)距角的方法降低發(fā)電機(jī)效率，使其留有余力參與系統(tǒng)的一次調(diào) 頻；
[0007] 3、利用飛輪、電池組等儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)助風(fēng)電場參與系統(tǒng)頻率調(diào)整的方法也得到了很 多研究者的關(guān)注。
[000引 DFIG機(jī)組慣性大、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍較寬，因此上述方法理論上能模擬出比同步電機(jī) 更大的"模擬慣量";但是DFIG機(jī)組在轉(zhuǎn)速較低時(shí)能夠提供的動(dòng)能有限，退出調(diào)頻后轉(zhuǎn)速恢 復(fù)過程輸出功率降低將引起電網(wǎng)頻率的二次跌落，調(diào)頻過程中運(yùn)行點(diǎn)偏離最大功率跟蹤點(diǎn) 也將加深該一不利影響。并且，完善的風(fēng)電場頻率調(diào)節(jié)能力，要求風(fēng)電機(jī)組同時(shí)具備可控 的慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻能力，減載后一次調(diào)頻與慣性控制有機(jī)結(jié)合的綜合控制方法較為少 見。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了解決W上問題，本發(fā)明提供了一種模擬慣性與超速相結(jié)合的雙饋風(fēng)機(jī)有功頻 率控制器及方法。該方法能夠使雙饋風(fēng)機(jī)利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能和減載備用容量有效支持系統(tǒng)的慣 性調(diào)頻、減小靜態(tài)頻率誤差，并且避免了過度調(diào)頻可能帶來的系統(tǒng)頻率二次沖擊。
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0011] 一種模擬慣性與超速相結(jié)合的雙饋風(fēng)機(jī)有功頻率控制器，包括：依次連接的頻率 偏差檢測模塊、隔直模塊、調(diào)節(jié)量整定模塊、延時(shí)模塊W及速度保護(hù)模塊；
[0012] 實(shí)時(shí)電網(wǎng)頻率信號(hào)fm。。與頻率整定值fuf分別輸入頻率偏差檢測模塊得到此時(shí)電 網(wǎng)的頻率偏差信號(hào)Af;頻率偏差信號(hào)Af經(jīng)過隔直模塊進(jìn)入調(diào)節(jié)量整定模塊，調(diào)節(jié)量整定 模塊根據(jù)頻率偏差信號(hào)Af得到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量；轉(zhuǎn)速保護(hù)模塊使DFIG機(jī)組在轉(zhuǎn)速異常情況下 退出調(diào)頻，并延時(shí)一定時(shí)間后才能重新投入調(diào)頻。
[0013] 一種模擬慣性與超速相結(jié)合的雙饋風(fēng)機(jī)有功頻率控制器的控制方法，包括W下步 驟：
[0014] (1)確定雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)捕獲的最大風(fēng)功率，并得到雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率跟 蹤曲線方程；
[0015] (2)電網(wǎng)頻率正常工作時(shí)風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行在超速減載狀態(tài)，通過超速法提高轉(zhuǎn)子存 儲(chǔ)動(dòng)能并獲得調(diào)頻備用容量；
[0016] (3)當(dāng)檢測到系統(tǒng)頻率偏差超過控制死區(qū)時(shí)，根據(jù)頻率偏差大小、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、超速 減載量確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量，雙饋風(fēng)力機(jī)組根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速確定給定輸出有功功率 參考值。
[0017] (4)對雙饋風(fēng)力機(jī)組參與系統(tǒng)一次調(diào)頻時(shí)靜態(tài)調(diào)差系數(shù)進(jìn)行整定，使得其具有與 傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)一樣的下垂特性；
[0018] 所述步驟（1)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的捕獲的最大風(fēng)功率為：
[0019]
[0020] 其中，Pwt為給定風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)捕獲的最大功率，P為空氣密度，Cwt為與葉尖速 比入。pt、獎(jiǎng)距角0相關(guān)的最優(yōu)風(fēng)能轉(zhuǎn)換率系數(shù)，A為風(fēng)機(jī)掃過的面積，U,為風(fēng)速，Wtwt為風(fēng) 機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，R為葉片半徑。
[0021] 所述步驟（1)中雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率跟蹤曲線方程具體為：
[0026] 式中；Pwt為風(fēng)力機(jī)捕獲的最大功率，kwt為由風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)所確定的功率跟 蹤系數(shù)，P為空氣密度，Cpwt最優(yōu)功率轉(zhuǎn)換系數(shù)，Awt為最優(yōu)葉尖速比，R為葉片半徑，《t 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，P為發(fā)電機(jī)極對數(shù)，G為齒輪箱傳遞系數(shù)，Wt為風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度。
[0027] 所述步驟（3)中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量為：
[002引
[0029]其中，kwtkde分別為減載前后功率跟蹤系數(shù)，d%表示減載量大小，Wf為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速， Af為頻率偏差量大小，fbf。為正常情況下電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)上下限，通常情況下電網(wǎng)頻率下降 不允許超過0.甜Z。
[0030] 本發(fā)明的有益效果：
[0031] 1、大規(guī)模雙饋風(fēng)電并網(wǎng)取代常規(guī)同步發(fā)電機(jī)將導(dǎo)致系統(tǒng)慣量降低從而惡化系統(tǒng) 頻率暫態(tài)穩(wěn)定性，本發(fā)明提出的綜合頻率控制器能有效的改善該一問題。
[0032] 2、本發(fā)明提出的模擬慣性控制和超速法相結(jié)合的綜合調(diào)頻控制方法，具有調(diào)頻功 能完善、調(diào)頻過程平穩(wěn)的特點(diǎn)，能夠有效減小負(fù)荷擾動(dòng)引起的頻率波動(dòng)幅值和靜態(tài)頻率誤 差。進(jìn)一步研究提出的控制量整定方法使DFIG機(jī)組參與調(diào)頻過程具有與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)一樣 的下垂特性。
[0033] 3、通過仿真分析驗(yàn)證了DFIG機(jī)組采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)綜合控制器后，系統(tǒng)頻率特性得 到有效改善。參與調(diào)頻過程中轉(zhuǎn)速維持在安全區(qū)域內(nèi)，克服了一般動(dòng)能控制方法調(diào)頻時(shí)間 短并且容易引發(fā)切機(jī)的問題。
【附圖說明】
[0034] 圖1為典型模擬慣量綜合控制方法示意圖；
[0035] 圖2為帶調(diào)速器的常規(guī)發(fā)電機(jī)下垂頻率控制特性曲線；
[0036] 圖3為同一風(fēng)速情況下，DFIG減載示意圖；
[0037] 圖4為本發(fā)明DFIG轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)綜合控制原理圖；
[003引圖5為負(fù)荷突增時(shí)，DFIG參與調(diào)頻過程中輸出功率、捕獲功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系 不意圖；
[0039] 圖6為減速過程與加速過程中功率變化示意圖；
[0040] 圖7為本發(fā)明仿真系統(tǒng)算例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例負(fù)荷L2突增100麗時(shí)系統(tǒng)頻率響應(yīng)對比圖；
[0042] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例DFIG機(jī)組輸出有功功率變化曲線；
[00創(chuàng)圖10為本發(fā)明實(shí)施例DFIG機(jī)組轉(zhuǎn)速變化曲線；
[0044] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例DFIG機(jī)組參與調(diào)頻過程中輸入機(jī)械功率變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0046] 1、DFIG機(jī)組慣性調(diào)頻與一次調(diào)頻特性分析
[0047] 1. 1轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制方法
[0048] 風(fēng)力發(fā)電機(jī)存儲(chǔ)在轉(zhuǎn)子中的動(dòng)能為：
[0049]
[0化0]式中J為機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，《為轉(zhuǎn)速。DFIG機(jī)組的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍一般為同步轉(zhuǎn)速 ±0.化U，通過控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化釋放或者吸收轉(zhuǎn)子動(dòng)能參與系統(tǒng)調(diào)頻，轉(zhuǎn)速改變前后轉(zhuǎn)子 的動(dòng)能增量為：
[0化1]
[0化引式中：AE為轉(zhuǎn)子的動(dòng)能變化量，《 1和《 2分別為調(diào)頻前后轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。通過在DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的有功功率參考值上增加一個(gè)與系統(tǒng)頻率變化相關(guān)聯(lián)的額外有功功率參考 值，可W使變速風(fēng)機(jī)利用存儲(chǔ)的動(dòng)能主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，模擬常規(guī)發(fā)電機(jī)的頻率響應(yīng) 特性。如下圖1中虛線框內(nèi)為典型模擬慣性頻率控制器，完整的附加有功頻率控制器還包 括轉(zhuǎn)速保護(hù)模塊、轉(zhuǎn)速恢復(fù)模塊、與常規(guī)機(jī)組協(xié)調(diào)模塊等輔助控制模塊。
[0化3] 圖1中附加頻率控制器所得有功功率為：
[0054]
[0化5] 忽略系統(tǒng)損耗，寫成類似于常規(guī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程形式可得：
[0 化 6]
(1)
[0057] 式中化為常規(guī)發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)，Kf為比例系數(shù)，1/R為下垂系數(shù)，Af為系統(tǒng)頻 率變化量，Pm為風(fēng)力機(jī)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Pc為輸出電磁轉(zhuǎn)矩，D為負(fù)載阻巧系數(shù)。由（1)式可 知，當(dāng)Kf大于零時(shí)能產(chǎn)生與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)類似的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，1/R大于零時(shí)能增加阻巧系數(shù)改善 頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
[005引系統(tǒng)頻率發(fā)生突變時(shí)，模擬慣性控制充分發(fā)揮了DFIG能快速調(diào)節(jié)有功輸出的特 性，利用轉(zhuǎn)子存儲(chǔ)的動(dòng)能使風(fēng)力機(jī)組能提供短暫的有功支持，提高了系統(tǒng)頻率的暫態(tài)穩(wěn)定 性。但是由于