CN110336305B - 一种适合双馈风电机组在短路故障下参与***频率调节的改进附加频率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于新能源技术领域的一种适合双馈风电机组在短路故障下参与***频率调节的改进附加频率控制方法，针对DFIG机组常规附加频率控制只适合于负荷突变引起的频率波动，难以满足短路故障从发生到故障解除完整过程的频率调节这一局限性，本发明在电网正常运行时风电机组采用MPPT控制，***发生负荷波动时，风电机组采用常规附加频率控制响应***频率变化提高***频率的暂态稳定性，在输电线路发生故障时，根据故障发生到故障解除完整过程中***频率的变化规律，修正DFIG机组常规附加频率控制中的参数，使DFIG机组出力随***频率变化迅速调整，保持DFIG机组全过程有效的惯量阻尼特性，提高***频率动态响应特性。
Description
技术领域
本发明属于新能源电力***与微电网技术领域，具体涉及一种适合双馈风电机组在短路故障下参与***频率调节的改进附加频率控制方法。
背景技术
我国西北地区风电资源丰富，大规模风电场集中式并网发电，并通过高压输电线远距离输送到负荷中心已成为当前发展趋势，风电渗透率不断提高给***安全稳定运行带来新的挑战。双馈感应发电机(doubly-fed induction generator，DFIG)具有发电效率高、变频器容量小、可实现有功无功解耦控制等优良特性，已成为大型风电场的主力机型。然而，DFIG机组采用变频器控制模式下，机组转子转速与***频率解耦，降低了***的等效转动惯量，当渗透率增加到一定程度，将极大的削弱***频率动态响应能力。实际上，DFIG机组转速的运行范围在0.7pu～1.2pu，转子中储备着远大于同步机的旋转动能，若能通过控制策略实现DFIG 机组转子转速与电网频率的耦合，可大幅度提高电网频率调节能力。
控制风电机组参与***调频，通常是控制风电机组模拟同步机调频特性来实现，常用方法有虚拟惯性控制和下垂控制。虚拟惯性控制和下垂控制是在风电机组转子侧控制***中附加频率控制模块，分别将***频率变化率和变化量引入控制***，通过快速功率控制调节转速变化释放或吸收转子动能，以补偿或吸收***有功功率突变量。但惯性控制要以牺牲频率的超调量和过渡时间为代价；下垂控制系数不易确定，系数过大会使***很难达到稳定状态。除采用附加频率控制外，有的方法推导了DFIG机组虚拟惯量与转速调节及电网频率变化的关系，通过检测***频率变化来调节风功率跟踪曲线，但该方案在频率变化初始时刻响应迟缓，为此，在该方案基础上进行改进，在转子侧控制***中引入频率变化微分控制，使DFIG 机组在调频全过程中提供有效的惯性支撑。此外，针对接入弱电网的DFIG机组因PLL动态行为影响***稳定性问题，有的方法采用有功功率控制代替PLL技术实现DFIG机组与电网的同步运行并提供惯量支撑。也可以改变PLL传统的检测作用，将PLL作为控制***的一部分，在不加任何附加控制回路情况下，通过控制PLL参数调节内部电压来控制DFIG机组的惯性。风机通常运行在最大功率追踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)模式，缺乏备用容量，增加风机虚拟惯量仅能短时参与***调频。为拓展风电机组参与调频的时间尺度，可在附加频率控制基础上，结合超速法或变桨法使风电机组在正常情况下减载运行，获得一定备用容量参与***一次调频。其中，变桨法响应速度较慢且存在机械磨损，限制了其工程应用，使得在满足减载水平的条件下超速法成为首选。但预留备用容量限制风电机组正常运行有功出力，影响其经济性和实用性。
发明内容
上述研究中提出的控制策略多是针对***负荷扰动引起的频率变化，除此之外，常见的引起***频率大幅变化的扰动还有线路短路故障：当高压输电线路发生短路故障时，送端会出现短时功率过剩，而当故障解除线路恢复正常运行时，***对送端功率需求又瞬时增大，这期间的功率不平衡将会引起送端***频率短时大幅波动。针对该情况，本发明深入研究了输电线路短路故障发生、发展及故障解除全过程中DFIG机组采用常规附加频率控制的惯量阻尼特性，由此分析了常规附加频率控制的局限性，并在此基础上提出DFIG机组与***频率调节的改进附加频率控制策略。该策略在输电线路发生故障时，根据故障发生到故障解除完整过程中***频率的变化规律，修正DFIG机组常规附加频率控制中的参数，使DFIG机组出力随***频率变化迅速调整，提高***暂态稳定性。
本发明主要包括两部分，第一部分是在短路故障下常规附加频率控制的局限性分析。在常规附加频率控制模式下，故障发生、发展及故障解除全过程中DFIG机组的惯量阻尼特性随频率变化特点的基础上，分析了该策略用于故障全过程下频率调节的局限性，常规附加频率控制适合于负荷突变引起的频率波动，难以满足短路故障从发生到故障解除完整过程的频率调节。
第二部分是提出了一种适合双馈风电机组在短路故障下参与***频率调节的改进附加频率控制方法。针对常规附加频率控制在线路短路故障全过程频率调节的局限性，提出风电场参与***频率调节的改进附加频率控制策略，电网正常运行时，风电机组采用MPPT控制；***发生负荷波动时，风电机组采用常规附加频率控制响应***频率变化，提高***频率的暂态稳定性；输电线路发生短路故障时，采用改进附加频率控制策略，根据线路故障到恢复正常运行全过程***频率变化规律，修正DFIG机组常规附加频率控制中的参数，保持DFIG 机组全过程有效的惯量阻尼特性，随***频率变化迅速调整出力，提高***频率动态响应特性。
本发明的有益效果是：
第一，送端频率变化分析：DFIG机组无附加频率控制情况下，***采用MPPT控制，频率波动幅度最大，故障期间频率最高上升最大，故障切除后频率最低下降多；相比之下，采用常规附加频率控制在一定程度上抑制了频率的最大偏移，故障期间频率最高幅值有所降低，频率上升期间最大频率偏差减少，故障切除后频率最低幅值改善，频率下降期间最大频率偏差减少，DFIG机组在频率动态变化过程中起到了明显的惯性支持作用；采用改进附加频率控制后，DFIG机组在故障切除线路恢复正常运行后及时调节转速释放转子中储存的动能，增大有功输出，使频率偏移量得到有效减弱，与采用常规附加频率控制相比频率偏移量大大降低，且与前两种方法相比，该方法在调频后期明显削弱了频率振荡趋势，使***快速趋于稳定。
第二，附加功率变化分析：无附加频率控制时，附加功率为0；采用常规附加频率控制的情况下，采用改进附加频率控制情况下，在短路故障切除后，频率偏差由最大正值开始降落直到为0，这期间下垂控制所产生的附加功率ΔP1由正变为负，从而总附加功率在故障切除的瞬间由常规附加控制的负数升高到正数，有功参考值的增加使DFIG机组及时调节转速释放动能，增加机组有功输出。
第三，DFIG机组输出有功功率变化分析：频率突变过程中，无附加频率控制时DFIG机组运行在MPPT模式，输出有功功率小范围波动，对***频率变化几乎无响应。采用常规附加频率控制，短路故障发生后DFIG机组通过附加功率信号使其输出功率迅速跟随有功功率参考值变化，瞬间降低，输出功率降低导致转速升高，使风机偏离MPPT模式超速运行，增加了转子动能储备量，并留有一定备用容量；故障切除后，附加功率信号使输出功率瞬间上升，仍低于机械功率，无法满足***瞬时增大的有功需求，随后有功出力逐渐升高，直至电磁功率大于捕获的机械功率，转速开始下降释放有功。采用改进附加频率控制时，故障切除后，附加功率信号使输出功率瞬间上升到大于捕获的机械功率，转速瞬间下降释放动能，为***及时补充有功功率。
第四，DFIG机组转速变化分析：DFIG机组无附加频率控制时，为保持最优叶尖速比，转速仅随风速的变化进行调整，无法响应***频率变化，转速始终维持在1pu。采用常规附加频率控制情况下，风机可响应***频率变化调整转速，故障期间转速随***频率上升而上调，吸收送端***短时过剩有功功率。然而，在故障切除线路恢复正常运行后，频率呈现下降趋势，但仍高于额定值，而起主导作用的下垂控制所产生的附加功率与频率偏差相关，在故障切除后一小段时间内，其值与频率变化率相反，导致风机转速仍具有上升趋势，不利于***频率的快速稳定。针对常规附加频率控制存在的问题，改进附加频率控制能够使风机转速根据***频率的变化趋势迅速调整，改进附加频率控制在频率开始下降之后能够及时降低转子转速，释放动能为***提供有功支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或技术方案，下面将对实施例或技术方案描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明一种适合双馈风电机组在短路故障下参与***频率调节的改进附加频率控制方法的常规附加频率控制框图。
图2为本发明一种适合双馈风电机组在短路故障下参与***频率调节的改进附加频率控制方法的改进附加频率控制框图。
图3为本发明一种适合双馈风电机组在短路故障下参与***频率调节的改进附加频率控制方法的改进下垂控制算法实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图对发明进一步详细说明。
双馈风电机组的常规附加频率控制方法是本发明的基础，如图1常规附加频率控制框图所示，ωr为转子转速；Pref为最大功率追踪模式下转子侧变流器有功功率参考值；Δf为***频率f与额定频率fN的偏差。附加有功功率为转化为类似于常规同步发电机转子运动方程的形式为/>调频辅助功率包括两部分：ΔP1模拟同步发电机组有功功率静态特性，当***频率出现偏差时，机组响应频率变化，增发与频率偏差项呈比例关系的有功功率；ΔP2模拟同步发电机组惯性响应特性，当***频率变化时，机组调节转速变化，注入或吸收与频率微分项呈比例关系的有功功率。附加频率控制使DFIG 机组呈现下垂控制特性的同时，还具备类似于同步机转子的惯性。当微分控制系数Kd＞0时，产生与同步机类似的转动惯性，微分控制亦称为惯性控制；当比例控制系数Kp＞0时，能增加阻尼系数改善频率动态响应能力，比例控制亦称为下垂控制。由于反馈信号不同，惯性控制和下垂控制调节过程各不相同。惯性控制为暂态过程，以频率变化率为反馈信号，主要用于阻尼频率快速变化，因此在扰动发生初始时刻可提供较大有功支撑，在频率极值点附近频率变化率接近零，有功支撑较弱；相比之下，下垂控制附加信号与频率偏差相关，多数情况下是一个稳态过程，主要用于消减***频率偏差，但在由电网各扰动引起的暂态频率变化过程中，下垂控制更多是起阻尼作用，在频率最值点附近提供较强的有功支撑，而在扰动发生初始时刻支撑作用较弱，使得其控制速度慢于惯性控制。有效结合惯性控制快速性与下垂控制持续性，可使***在整个扰动过程都具有良好的动态频率特性。
电力***发电与用电实时平衡，当***频率发生较大变化时，同步发电机组转速与***频率紧密耦合，可及时响应，释放或吸收转子动能阻尼***频率变化，特别是扰动初期，发电机惯性直接影响***频率变化率甚至***稳定性。同步发电机的转子运动方程为：H为发电机组惯性常数；Δω＝ω-ω0，ω为实际电角速度，ω0为额定电角速度；PM为机械功率；PE为电磁功率；D为阻尼系数。DFIG机组通常运行在MPPT模式下不具备频率响应能力，当其渗透率较高时，为提高***频率动态特性，通常在DFIG机组中加入虚拟惯性控制等附加频率控制环节，增加***惯性。常规附加频率控制具体实现方法是在风电机组MPPT控制基础上附加调频辅助功率，附加功率来自转子转速化释放或吸收的动能。
DFIG机组集中并网并通过高压输电线路传输到负荷中心，当高压输电线路中一回线路发生三相短路故障，并在故障持续一定时间后解除恢复正常运行，此过程中采用常规附加频率控制情况下，输电线路在发生短路故障到故障解除期间，DFIG机组机端电压发生降落，送端***频率在故障期间急剧上升，故障解除后迅速下跌，不同于负荷单一突增、突减引起***频率单一下降或上升，短路故障从发生到解除会连续经历频率上升和下降两个过程。
频率上升期间，下垂控制和惯性控制所产生的附加功率ΔP1和ΔP2均为负值，使转子侧有功参考值变小，从而控制转子加速，吸收过剩有功功率，使风机输出功率减少以阻尼***频率上升。惯性控制在故障初始时刻发挥主导作用，提供较强的功率支撑，而下垂控制在故障初始时刻的支撑作用较弱，随着频率偏差增大，下垂控制作用逐渐增强。故障切除后，频率上升到最大后开始下降，***对送端发电机组的有功需求瞬时增大，需要发电机组及时补发缺额有功功率，在此期间惯性控制所产生的功率ΔP2过零变为正值，有助于增加转子侧功率参考值，但惯性支撑作用较弱。而此时频率偏差较大，下垂控制产生的功率ΔP1作用较强，但其值为负，因此总附加功率为负值，导致转子侧功率参考值仍然较低，风机输电磁功率小于捕获的机械功率，转子保持加速趋势，无法释放动能满足***瞬时激增的有功需求，随着频率逐渐下降附加功率最终变为正值，同时转子开始减速运行。
一种适合双馈风电机组在短路故障下参与***频率调节的改进附加频率控制方法，在故障切除线路恢复正常运行后，瞬时增大的有功需求导致***频率大幅跌落，此时若能发挥 DFIG机组转速调节快速响应的优势，及时下调DFIG机组转速释放动能，补充***有功功率缺额，缓解同步机组的调频压力，将有助于***快速恢复稳定运行。下调DFIG机组转速首先应增加转子侧有功功率参考值，使风机输出电磁功率大于捕获的机械功率。故障切除频率开始下降后，频率偏差由正的最大值开始降落，此时附加功率中起主导作用的下垂控制仍为负值，导致输出的电磁功率低于捕获的机械功率，风机转子仍有加速趋势，不仅阻碍风电机组快速释放动能，且进一步加剧***频率的快速跌落。
若从故障切除频率开始下降到降落为零期间，下垂控制产生的附加功率变为正值，则转子侧功率参考值将会瞬间增加，使电磁功率高于风机捕获的机械功率，从而调节风机转子减速运行，释放动能阻尼***频率下降。对故障情况下DFIG机组常规附加频率控制策略的惯量阻尼特性分析，针对其局限性，本发明提出了改进附加频率控制策略，该策略根据短路故障发生、发展及故障解除完整过程中***频率的变化规律修正下垂控制系数，使DFIG机组在整个过程中具有有效的惯量阻尼特性，从而使其有功出力随频率变化及时调整。改进附加频率控制策略的实现方法见图2，其核心算法改进下垂控制算法的具体实现流程见图3，e为控制信号，当***正常运行或发生负荷扰动而引起***频率变化时，e的值为0，风电机组采用常规附加频率控制策略；当***发生短路故障而引起频率变化时，触发控制信号，e的值变为1，风电机组采用改进附加频率控制策略。引起***频率大幅升高的扰动主要有负荷突减和短路故障，负荷减少会引起机端电压短时升高，而短路故障会引起机端电压大幅度降落，为区分两种扰动，本文同时引入机端电压和***频率变化作为判断是否发生短路故障的依据，如图3所示，当机端电压幅值低于0.9pu且***频率高于50.1Hz时，判定***发生短路故障， e的值变为1。短路故障切除后，e的值保持为1，当频率开始下降且频率仍高于额定值时，下垂控制所产生的附加功率数值不变，符号发生变化，直到频率低于额定值时，e的值变为0，风电机组恢复常规附加频率控制。
Claims (1)
1.一种适合双馈风电机组在短路故障下参与***频率调节的改进附加频率控制方法，其特征在于，在电网正常运行时，风电机组采用MPPT控制；***发生负荷波动时，风电机组采用常规附加频率控制响应***频率变化，提高***频率的暂态稳定性；在输电线路发生故障时，根据故障发生到故障解除完整过程中***频率的变化规律，修正DFIG机组常规附加频率控制中的参数，使DFIG机组出力随***频率变化迅速调整，提高***暂态稳定性，保持DFIG机组全过程有效的惯量阻尼特性，随***频率变化迅速调整出力，提高***频率动态响应特性；
根据故障发生到故障解除完整过程中***频率的变化规律，修正DFIG机组常规附加频率控制中的参数的具体方式为：DFIG机组在故障切除线路恢复正常运行后及时下调DFIG机组转速释放转子中储存的动能，增大有功输出，使频率偏移量得到有效减弱，在调频后期明显削弱了频率振荡趋势，使***快速趋于稳定；短路故障发生后DFIG机组通过附加功率信号使其输出功率迅速跟随有功功率参考值变化，瞬间降低，输出功率降低导致转速升高，使风机偏离MPPT模式超速运行，增加了转子动能储备量，并留有一定备用容量；在短路故障切除后，频率偏差由最大正值开始降落直到为0，这期间下垂控制所产生的附加功率由正变为负，从而总附加功率在故障切除的瞬间由常规附加控制的负数升高到正数，有功参考值的增加使DFIG机组及时调节转速释放动能，增加机组有功输出；使风机转速根据***频率的变化趋势迅速调整，故障期间转速随***频率上升而上调，吸收送端***短时过剩有功功率；在频率开始下降之后能够及时降低转子转速，释放动能为***提供有功支撑。
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- 2019-07-22 CN CN201910659996.XA patent/CN110336305B/zh active Active
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