本發(fā)明涉及雙饋風(fēng)機(jī)的電網(wǎng)支撐能力配置方法，尤其是一種頻率下垂控制雙饋風(fēng)機(jī)的暫態(tài)有功支撐能力配置方法。

背景技術(shù)：

隨著電網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電的滲透率日益增長，傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)所占的發(fā)電比例越來越小，大規(guī)模、高比例的風(fēng)電并網(wǎng)給能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與環(huán)境問題的緩解帶來了嶄新機(jī)遇，但同時也為電網(wǎng)的運(yùn)行和控制提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如傳統(tǒng)運(yùn)行于最大功率追蹤等控制下的風(fēng)電機(jī)組無法為電網(wǎng)提供慣性與有功功率支撐等。頻率下垂控制與虛擬同步機(jī)控制通過模仿傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的外特性，可以使風(fēng)電機(jī)組為電網(wǎng)提供慣性與有功支撐，但由于風(fēng)機(jī)自身虛擬功角與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的耦合關(guān)系，頻率下垂控制與虛擬同步機(jī)控制使得風(fēng)電機(jī)組呈現(xiàn)出復(fù)雜的外特性。

目前，對頻率下垂控制或虛擬同步機(jī)控制風(fēng)機(jī)的研究主要集中于小干擾穩(wěn)定與系統(tǒng)動態(tài)特性方面，而在頻率下垂或虛擬同步機(jī)控制下風(fēng)機(jī)的可調(diào)用有功支撐能力及其配置方法方面，研究甚少。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中頻率下垂控制或虛擬同步機(jī)控制下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于自身虛擬功角與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速耦合的復(fù)雜外特性導(dǎo)致其暫態(tài)有功支撐能力難以合理配置的問題，本發(fā)明提供一種頻率下垂控制雙饋風(fēng)機(jī)的暫態(tài)有功支撐能力配置方法，其通過對頻率下垂控制雙饋風(fēng)機(jī)的虛擬功角-轉(zhuǎn)速外特性分析，建立電網(wǎng)頻率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速平衡點的關(guān)系，并進(jìn)一步根據(jù)期望的風(fēng)機(jī)暫態(tài)有功支撐能力計算出相應(yīng)的下垂系數(shù)，從而實現(xiàn)雙饋風(fēng)機(jī)暫態(tài)有功支撐能力的自由配置。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種頻率下垂控制雙饋風(fēng)機(jī)的暫態(tài)有功支撐能力配置方法，包括如下步驟：

通過對頻率下垂控制雙饋風(fēng)機(jī)的外特性分析，建立關(guān)于電網(wǎng)頻率的風(fēng)機(jī)虛擬功角-轉(zhuǎn)速特征方程，進(jìn)而得到關(guān)于電網(wǎng)頻率的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速平衡點，根據(jù)給定頻率波動下的風(fēng)機(jī)暫態(tài)有功支撐能力要求，計算暫態(tài)過程中期望到達(dá)的轉(zhuǎn)速平衡點并代入虛擬功角-轉(zhuǎn)速特征方程中求得相應(yīng)的下垂系數(shù)設(shè)定值，實現(xiàn)頻率下垂控制風(fēng)機(jī)暫態(tài)有功支撐能力的配置。

進(jìn)一步地，所述的虛擬功角δ′通過對頻率下垂控制或虛擬同步機(jī)控制輸出的磁鏈角頻率參考值與電網(wǎng)角頻率之差(即ω_sf-ω_g)積分獲取。

進(jìn)一步地，所述的關(guān)于電網(wǎng)頻率的風(fēng)機(jī)虛擬功角-轉(zhuǎn)速特征方程為以下公式：

其中，δ′是風(fēng)機(jī)的虛擬功角，ω_r是風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，K_P為頻率下垂系數(shù)設(shè)定值，f_DL(ω_r)表示風(fēng)機(jī)的最大功率跟蹤特性或減載特性函數(shù)，ω₀表示風(fēng)機(jī)頻率下垂控制的角頻率設(shè)定值，ω_g表示電網(wǎng)角頻率，T_a是表示風(fēng)機(jī)慣性的時間常數(shù)，f_M(ω_r)表示風(fēng)機(jī)的風(fēng)能捕獲特性函數(shù)，D表示雙饋風(fēng)機(jī)的阻尼系數(shù)，P_E表示風(fēng)機(jī)的電磁功率，V_DFIG表示風(fēng)機(jī)的機(jī)端電壓，U_Grid表示電網(wǎng)電壓，X_Σ表示線路上的阻抗。

進(jìn)一步地，所述的關(guān)于電網(wǎng)頻率的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速平衡點為以下公式：

ω_re＝max(ω_r1,ω_r2)

其中，ω_re是風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速平衡點，ω_r1和ω_r2是以下方程成立時ω_r的兩個不同解：

其中，f_DL(ω_r)表示風(fēng)機(jī)的最大功率跟蹤特性或減載特性函數(shù)，K_P為頻率下垂系數(shù)設(shè)定值，ω₀表示風(fēng)機(jī)頻率下垂控制的角頻率設(shè)定值，ω_g表示電網(wǎng)角頻率，f_M(ω_r)表示風(fēng)機(jī)槳葉的風(fēng)能捕獲特性函數(shù)，D表示雙饋風(fēng)機(jī)的阻尼系數(shù)。

進(jìn)一步地，所述的暫態(tài)過程中期望到達(dá)的轉(zhuǎn)速平衡點以及滿足風(fēng)機(jī)暫態(tài)有功支撐能力要求的下垂系數(shù)設(shè)定值的表達(dá)式為：

其中，ω_re(new)是頻率波動時暫態(tài)過程中期望到達(dá)的轉(zhuǎn)速平衡點，ω_re(0)是額定電網(wǎng)頻率下風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速平衡點，E_assist是滿足暫態(tài)有功支撐能力要求的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動能釋放總合(E_assist可取為負(fù))，T_a＞0是風(fēng)機(jī)的等效慣性時間常數(shù)，ω₀表示風(fēng)機(jī)頻率下垂控制的角頻率設(shè)定值，ω_g表示電網(wǎng)角頻率，f_M(ω_r)表示風(fēng)機(jī)的風(fēng)能捕獲特性函數(shù)，D表示雙饋風(fēng)機(jī)的阻尼系數(shù)，f_DL(ω_r)表示風(fēng)機(jī)的最大功率跟蹤特性或減載特性函數(shù)。

本發(fā)明具有的有益效果是：本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中頻率下垂控制或虛擬同步機(jī)控制下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于自身虛擬功角與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速耦合的復(fù)雜外特性導(dǎo)致其暫態(tài)有功支撐能力難以合理配置的問題，通過對頻率下垂控制雙饋風(fēng)機(jī)的虛擬功角-轉(zhuǎn)速外特性分析，建立電網(wǎng)頻率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速平衡點的關(guān)系，并進(jìn)一步根據(jù)期望的風(fēng)機(jī)暫態(tài)有功支撐能力計算出相應(yīng)的下垂系數(shù)，從而實現(xiàn)雙饋風(fēng)機(jī)暫態(tài)有功支撐能力的自由配置，提高電網(wǎng)頻率的抗擾動能力，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本發(fā)明也可應(yīng)用于采用虛擬同步機(jī)控制的雙饋風(fēng)機(jī)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明的頻率下垂控制雙饋風(fēng)機(jī)并入無窮大電網(wǎng)的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明的頻率下垂控制雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速-電磁功率平衡點示意圖；

圖4為本發(fā)明的頻率下垂控制雙饋風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)頻率跌落時的新轉(zhuǎn)速-電磁功率平衡點示意圖；

圖5為應(yīng)用例仿真驗證中采用本發(fā)明方法配置暫態(tài)有功支撐能力為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動能釋放總合E_assist＝1.0p.u.時風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線圖；

圖6為應(yīng)用例仿真驗證中采用本發(fā)明方法配置暫態(tài)有功支撐能力為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動能釋放總合E_assist＝1.0p.u.時風(fēng)機(jī)的有功功率響應(yīng)曲線圖；

圖7為應(yīng)用例仿真驗證中采用本發(fā)明方法配置暫態(tài)有功支撐能力為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動能釋放總合E_assist＝2.0p.u.時風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線圖；

圖8為應(yīng)用例仿真驗證中采用本發(fā)明方法配置暫態(tài)有功支撐能力為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動能釋放總合E_assist＝2.0p.u.時風(fēng)機(jī)的有功功率響應(yīng)曲線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖及具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明的原理如下：

如圖1所示，采用發(fā)明方法進(jìn)行處理，對滿足頻率下垂控制雙饋風(fēng)機(jī)暫態(tài)有功支撐能力的下垂系數(shù)進(jìn)行求解。雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器經(jīng)常采用頻率下垂控制或虛擬同步機(jī)控制，從而實現(xiàn)在弱電網(wǎng)或微電網(wǎng)中實現(xiàn)無通訊的功率均分以及有功功率支撐。在轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的電壓電流控制中，常采用間接磁鏈定向控制實現(xiàn)風(fēng)機(jī)定子磁鏈以及機(jī)端電壓的定向。典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，部分變量及物理意義如下表1所示。以下公式中涉及的變量如不特別說明，計算時均采用標(biāo)幺值。

表1 圖2中部分系統(tǒng)變量的符號定義與說明

在間接磁鏈定向控制下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，定子磁鏈將定向于d軸，而機(jī)端電壓將被定向于q軸，定義q軸與電網(wǎng)電壓之間的夾角為雙饋風(fēng)機(jī)的虛擬功角，即其動態(tài)方程可寫為：

dδ′/dt＝(ω_sf-ω_g)×ω₀ (1)

虛擬同步機(jī)控制的控制方程如式(2)所示，其中，J為模擬同步發(fā)電機(jī)慣性的慣性系數(shù)，當(dāng)J＝0時，式(2)退化為頻率下垂控制方程。式(2)中有功功率的參考值來源于風(fēng)機(jī)的最大功率跟蹤特性或減載特性，如式(3)所示，f_DL(ω_r)表示風(fēng)機(jī)的最大功率跟蹤特性或減載特性函數(shù)，K_DL是最大功率跟蹤系數(shù)或減載系數(shù)。風(fēng)機(jī)的輸出功率表達(dá)式如式(4)所示。

風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的單質(zhì)點運(yùn)動方程如式(4)所示，其中，T_a＞0是風(fēng)機(jī)的等效慣性時間常數(shù)，D是風(fēng)機(jī)的阻尼系數(shù)，P_M是風(fēng)機(jī)槳葉捕獲的機(jī)械功率，在風(fēng)速υ固定的情況下，可表示為關(guān)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω_r的函數(shù)，如式(5)所示。

其中，K₁是風(fēng)能捕獲系數(shù)，其與空氣密度、風(fēng)輪半徑等有關(guān)，C_p為功率系數(shù)，它是葉尖速比(λ＝K₂ω/υ)和槳距角β的非線性函數(shù)，可以看出，在風(fēng)速υ(m/s)與槳距角固定(β＝0)的情況下，P_M只和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω_r相關(guān)，且可以表示為式(7)的形式。

其中，C₁,C₂,C₃,C₄是功率系數(shù)計算相關(guān)的參數(shù)。

聯(lián)立上述式(1)-(6)可得關(guān)于電網(wǎng)頻率的風(fēng)機(jī)虛擬功角-轉(zhuǎn)速特征方程：

由式(8)可解得關(guān)于電網(wǎng)頻率的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速平衡點為以下公式：

ω_re＝max(ω_r1,ω_r2) (9)

其中，ω_re是風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速平衡點，ω_r1和ω_r2是以下方程成立時ω_r的兩個不同解：

圖3給出了由式(8)所求得的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁功率平衡點，其中，實線部分為方程K_P(f_DL(ω_r)-P_E)+ω₀-ω_g＝0的解，虛線部分為的解，兩者的交點即為式(8)的平衡點，該平衡點處所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為式(9)所求解。

從式(10)中可以看出當(dāng)電網(wǎng)頻率波動時，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速會達(dá)到不同的平衡點，在暫態(tài)過程中風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分會釋放或吸收動能從而達(dá)到為電網(wǎng)提供有功功率支撐的目的，即：

其中，ω_re(new)是頻率波動時暫態(tài)過程中期望到達(dá)的轉(zhuǎn)速平衡點，ω_re(0)是額定電網(wǎng)頻率下風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速平衡點，E_assist是滿足暫態(tài)有功支撐能力要求的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動能釋放總合(E_assist可取為負(fù))，T_a＞0是風(fēng)機(jī)的等效慣性時間常數(shù)。

圖4給出了風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)頻率下跌時所到達(dá)的新平衡點示意圖。其中，由于電網(wǎng)頻率下跌時ω₀-ω_g≠0，因此方程K_P(f_DL(ω_r)-P_E)+ω₀-ω_g＝0的解相比于額定電網(wǎng)頻率時向上偏移，從而導(dǎo)致暫態(tài)過程中風(fēng)機(jī)會到達(dá)新的頻率點，如圖4所示，在此過程中，風(fēng)機(jī)釋放旋轉(zhuǎn)部分的動能從而為電網(wǎng)提供有功功率支撐。

為了合理配置風(fēng)機(jī)的有功功率支撐能力，需要計算在頻率跌落時所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速平衡點，由式(11)可得其表達(dá)式為：

由于暫態(tài)過程中的新轉(zhuǎn)速平衡點不僅與電網(wǎng)頻率的跌落程度有關(guān)，還與頻率下垂控制的下垂系數(shù)有關(guān)。因此，通過配置頻率下垂系數(shù)設(shè)定值可以使風(fēng)機(jī)在暫態(tài)過程中到達(dá)式(12)所計算的平衡點，結(jié)合式(10)可得其計算表達(dá)式為：

本發(fā)明的應(yīng)用例如下：

應(yīng)用例以雙饋風(fēng)機(jī)并入無窮大系統(tǒng)(如圖2所示)為例，如圖1所示，采用發(fā)明方法進(jìn)行處理，對滿足頻率下垂控制雙饋風(fēng)機(jī)暫態(tài)有功支撐能力的下垂系數(shù)進(jìn)行求解，并以仿真電磁暫態(tài)仿真(MATLAB/Simulink)驗證本發(fā)明方法的有效性，電磁暫態(tài)仿真中風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的逆變器電壓電流采用含電流內(nèi)環(huán)的間接磁鏈定向控制，定子磁鏈頻率采用頻率下垂控制，機(jī)端電壓控制采用電壓下垂控制，風(fēng)機(jī)的功率追蹤采用減載控制，應(yīng)用例仿真驗證中系統(tǒng)主要變量的參數(shù)值如下表2所示。

表2 應(yīng)用例仿真驗證中系統(tǒng)主要變量的參數(shù)值

采用本發(fā)明方法進(jìn)行求解滿足頻率下垂控制風(fēng)機(jī)暫態(tài)有功支撐能力的下垂系數(shù)，假定風(fēng)速為υ＝10m/s，且在t＝2s時刻電網(wǎng)發(fā)生Δf＝-0.2Hz的頻率跌落。首先，利用關(guān)于風(fēng)機(jī)的虛擬功角-轉(zhuǎn)速特征方程(8)，求解額定電網(wǎng)頻率下的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速平衡點，即式(9)與(10)，求解結(jié)果為：

ω_re＝1.127p.u.

1)設(shè)期望的暫態(tài)有功支撐能力要求為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動能釋放總合E_assist＝1.0p.u.，則由式(11)可得暫態(tài)過程中期望到達(dá)的轉(zhuǎn)速平衡點為：

ω_re(new)＝1.040p.u.

進(jìn)一步地由式(12)可求得相應(yīng)的下垂系數(shù)應(yīng)設(shè)置為：

K_P＝0.035

采用電磁暫態(tài)仿真驗證當(dāng)下垂系數(shù)為K_P＝0.035時雙饋風(fēng)機(jī)的響應(yīng)特性，圖5與圖6分別給出了相應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出有功功率的仿真波形，可以看出暫態(tài)過程中達(dá)到的轉(zhuǎn)速平衡點與本發(fā)明方法中所計算得到的結(jié)果一致，且風(fēng)機(jī)在暫態(tài)過程中釋放相應(yīng)的動能，從而為電網(wǎng)提供頻率支撐。

2)設(shè)期望的暫態(tài)有功支撐能力要求為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動能釋放總合E_assist＝2.0p.u.，則由式(11)可得暫態(tài)過程中期望到達(dá)的轉(zhuǎn)速平衡點為：

ω_re(new)＝0.9459p.u.

進(jìn)一步地由式(12)可求得相應(yīng)的下垂系數(shù)應(yīng)設(shè)置為：

K_P＝0.020

采用電磁暫態(tài)仿真驗證當(dāng)下垂系數(shù)為K_P＝0.020時雙饋風(fēng)機(jī)的響應(yīng)特性，圖7與圖8分別給出了相應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出有功功率的仿真波形，可以看出暫態(tài)過程中達(dá)到的轉(zhuǎn)速平衡點與本發(fā)明方法中所計算得到的結(jié)果一致，且風(fēng)機(jī)在暫態(tài)過程中釋放相應(yīng)的動能從而為電網(wǎng)提供頻率支撐。

在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。