CN111864764A - 一种电压源型风电机组调频调压控制***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电压源型风电机组调频调压控制***及方法，包括风电机组和飞轮储能单元，飞轮储能单元包括依次相连的飞轮、电机和电机变频器，风电机组定子网侧变流器与电机变频器电气相连；方法包括初始化控制器；计算相关系数；计算风机并网时所需无功给定和有功给定；对风电机组和飞轮储能单元进行有功出力和无功出力的分配。本发明的优点是：在电网频率变化时，根据风电机组和飞轮储能单元有功出力变化时对并网点频率的影响，分配二者有功出力，对风电机组的输出进行补偿和调节；根据电网电压偏差、风电机组有功出力及无功出力限制、飞轮储能单元有功出力及无功出力限制，自动分配双馈机组和飞轮储能单元无功出力，提高并网点电压幅值。

Description

一种电压源型风电机组调频调压控制***及方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种电压源型风电机组调频调压控制***。
背景技术
随着风电机组在电网中渗透率的提高，大量传统发电机被替代，***的等效转动惯量变小，从而导致整个电力***的频率、电压抗扰动能力较差，目前双馈异步风力发电机(DFIG，Doubly fed Induction Generator)机侧变流器多采用电网电压定向矢量控制对主控给出的有功功率进行跟踪，该控制方法将同步旋转坐标系的d轴定向于定子电压矢量上，忽略定子电阻，通过控制转子电流d轴分量就可以控制DFIG输出的有功功率，控制转子电流q轴分量，就可以控制DFIG输出的无功功率。
电网电压定向矢量控制对主控给出的有功功率进行跟踪的制策略的不足之处在于：
1、当***频率波动时，只能依靠风电机组主控进行来调频，响应速度缓慢，必须增加额外的调频手段才能满足***频率响应要求；
2、当***电压波动时，由于双馈电机定子侧与电网直接相连，当并网点电压降低时，为了跟随主控给定的功率指令，定子电流将变大，若不附加其他控制手段，注入电网的无功电流增大，造成并网点电压的进一步跌落。
发明内容
本发明主要克服电网电压定向矢量控制对主控给出的有功功率进行跟踪这一控制策略的不足，提供一种在定子功率外环上加入频率-有功和电压-无功下垂环节或采用虚拟同步控制方法来模拟同步机惯性环节、一次调频环节和惯性环节，可以对***频率、电压波动进行快速响应的电压源型风电机组调频调压控制***及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种电压源型风电机组调频调压控制***，包括风电机组和飞轮储能单元，所述飞轮储能单元包括依次相连的飞轮、电机和电机变频器，所述风电机组定子侧与电机变频器电气相连，所述风电机组转子侧依次通过转子侧变流器和电网侧变流器与电网电气相连，所述转子侧变流器控制端与转子侧SVPWM发生器相连，转子侧SVPWM发生器输入端依次与电流控制环和电压控制环相连，所述电机变频器控制端与电机SVPWM发生器相连，电机SVPWM发生器输入端与变频器电流控制环相连。
飞轮储能单元与风电机组定子网侧变流器电气相连，机侧变流器仍能控制双馈机组定子侧功率输出，与飞轮储能单元的功率输出控制解耦。
对应的，本发明还提供一种电压源型风电机组调频调压控制方法，采用上述***，包括以下步骤：
S1:初始化控制器；
S2:计算相关系数；
S3:计算风电机组并网时所需无功给定和有功给定；
S4:对风电机组和飞轮储能单元进行有功出力和无功出力的分配。
作为上述方案的一种优选方案，所述步骤S2中，相关系数包括风电机组有功波动系数、飞轮储能单元有功波动系数和电压灵敏度系数。
作为上述方案的一种优选方案所述风电机组有功波动系数和飞轮储能单元有功波动系数表达式为
Figure BDA0002555280860000031
Figure BDA0002555280860000032
其中，Sw和SF分别为电压源型风电机组和飞轮储能单元有功波动系数，其中
Figure BDA0002555280860000033
表示电压源型风电机组有功出力变化时对并网点频率的影响，
Figure BDA0002555280860000034
表示飞轮储能单元有功出力变化时对并网点频率的影响。
作为上述方案的一种优选方案，所述电压灵敏度系数包括SPθ、SQθ、SPU和SQU，电压灵敏度矩阵为
Figure BDA0002555280860000035
Figure BDA0002555280860000036
其中，
Figure BDA0002555280860000037
ΔPF＝SFΔP-PF分别为电压源型风电机组和飞轮储能单元的有功功率变化，Pw和PF分别表示电压源型风电机组和飞轮储能单元实际有功功率，
Figure BDA0002555280860000038
表示电压源型风电机组的有功给定，ΔP是本时刻和上一时刻电压源型风电机组和飞轮储能单元总有功出力的偏差，θ和U是并网点电压的相角和幅值，ΔQw和ΔQF分别是是电压源型风电机组和飞轮储能单元的无功功率变化，SPθ、SQθ、SPU和SQU下标中的字母代表灵敏度关联的物理量，P代表有功功率，Q代表无功功率。
作为上述方案的一种优选方案，所述步骤S3中计算风机并网时所需的无功给定和有功给定包括以下步骤：
S31:检测风电机组是否并网，若是，则进入步骤S32；若否，则结束；
S32:测量并网点电压、电流，计算并网点频率和电压偏差；
S33:计算所需的有功给定
Pwref＝Pwref+SwΔP
PFref＝PFref+SFΔP
其中，Pwref为风电机组的有功给定，Pwref的初始值为预设值，PFref为飞轮储能单元的有功给定，PFref的初始值为预设值；
S34:计算总的无功给定
ΔQ总＝(ΔU-SPU(ΔPw+ΔPF))/SQU
其中，ΔU为并网点电压偏差；
S35:确定风电机组无功给定和飞轮储能***的无功给定；
S36:回退至步骤S31。
作为上述方案的一种优选方案，所述步骤S35中确定风电机组无功给定和飞轮储能***的无功给定包括以下步骤：
S351：判断风电机组无功给定Qwref与总的无功给定ΔQ总之和是否大于风电机组最大输出无功功率Qwmax，若是，则进入步骤S352；若否，则风电机组无功给定
Qwref＝Qwref+ΔQ总
其中
Figure BDA0002555280860000051
PF为风电机组给定的功率因数，Pw为风电机组输出实际有功功率,Qwref的初始值为预设值；
S352：令风电机组无功给定Qwref＝Qwmax，并计算飞轮储能***应设无功给定
ΔQF＝Qwref+ΔQ总-Qwmax；
S353：判断飞轮储能***无功给定QFref与飞轮储能***应设无功给定ΔQF之和是否大于飞轮储能单元最大输出无功功率QFmax，若是，则QFref＝QFmax；若否，则QFref＝QFref+QFmax；其中
Figure BDA0002555280860000052
SF为电机的额定容量，PF为电机输出的瞬时有功，QFref的初始值为预设值。
作为上述方案的一种优选方案，所述步骤S4中对风电机组有功出力和无功出力分配包括以下步骤：
S401:获取定子坐标变换角度
θ0＝∫(ωgrid-kw(Pwref-Pw))
其中，ωgrid为锁相环输出的电网频率，kw为风电机组的频率-有功下垂系数；
S402:获取定子有功功率Ps和无功功率Qs
Figure BDA0002555280860000061
其中，isabc，usabc分别为定子电流和定子电压abc分量，usd，usq分别为定子电压的dq分量，isd，isq分别为定子电流的dq分量；
S403：令Pw＝Ps，Qw＝Qs，Pw返回至步骤S401，同时根据Qw计算定子电压参考值Vsref
Vsref＝Vb-kq(Qwref-Qw)
其中，Vb＝1为电网额定电压幅值，kq为风力发电机组电压-无功下垂系数；
S404：得到电压控制环的表达式为：
Figure BDA0002555280860000062
Figure BDA0002555280860000063
电流控制环的表达式为：
Figure BDA0002555280860000064
Figure BDA0002555280860000065
其中，Vsd和Vsq为定子电压的dq分量，ksdi为定子有功调节积分系数，ksdp为定子有功调节比例系数，ksqi为定子无功调节积分系数，ksqp为定子无功调节比例系数，ird和irq为转子电流的dq分量，krdi为转子有功调节积分系数，krdp为转子有功调节比例系数，krqi为转子无功调节积分系数，krqp为转子无功调节比例系数，s为拉普拉斯算子。
作为上述方案的一种优选方案，所述步骤S4中对飞轮储能单元有功出力和无功出力分配时，变频器机侧电流控制环的表达式为
upd＝(kpd+kid/s)(PFref/Up-ipd)
upq＝(kpq+kiq/s)(QFref/Up-ipq)
其中，Up为电机输出端电压幅值，ipq，ipd为电机输出三相电流经3s/2r变化后得到的dq分量，kpd为有功调节比率系数，kpq为无功调节比例系数，kid为有功调节积分系数，kiq为无功调节积分系数，s为拉普拉斯算子。
本发明的优点是：飞轮储能单元与电压源型风电机组定子侧电气相连，风电机组机侧变流器仍能控制双馈机组定子侧功率输出，与飞轮储能单元的功率输出控制解耦；在电网频率变化时，自动根据电压源型风电机组和飞轮储能单元有功出力变化时对并网点频率的影响，分配二者有功出力，对电压源型风电机组的输出进行补偿和调节；根据电网电压偏差、电压源型风电机组有功出力及无功出力限制、飞轮储能单元有功出力及无功出力限制，自动分配双馈机组和飞轮储能单元无功出力，提高并网点电压幅值。
附图说明
图1为实施例中电压源型风电机组调频调压控制方法的一种流程示意图。
图2为风电机组和飞轮储能单元有功、无功给定设置的一种流程示意图。
图3为风电机组转子侧变流器控制算法示意图。
图4为电机控制算法示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例：
本实施例一种电压源型风电机组调频调压控制***，包括风电机组和飞轮储能单元，飞轮储能单元包括依次相连的飞轮FESS、电机PMSM和电机变频器，风电机组定子网侧变流器与电机变频器电气相连，风电机组转子侧依次通过转子侧变流器和电网侧变流器与电网电气相连，转子侧变流器控制端与转子侧SVPWM发生器输出端相连，转子侧SVPWM发生器输入端依次与电流控制环和电压控制环相连，所述电机变频器控制端与电机SVPWM发生器输出端相连，电机SVPWM发生器输入端与变频器电流控制环相连。
飞轮储能的充放电速度快，容量大，可以对电压源型风电机组的输出进行补偿和调节，另一方面，电压源型风电机组通过向电网注入无功电流来稳定并网点电压，但双馈机组输出的无功功率受限于发电机的功率因数，在稳定并网点电压能力具有一定的局限性，因此，可使电压源型风电机组配合飞轮储能单元，对***频率、电压波动进行调节。本实施例中飞轮储能单元与电压源型风电机组定子网侧变流器电气相连，机侧变流器仍能控制双馈机组定子侧功率输出，与飞轮储能单元的功率输出控制解耦。
对应的，本实施例还提出一种电压源型风电机组调频调压控制方法，采用上述一种电压源型风电机组调频调压控制***，如1所示，包括以下步骤：
S1:初始化控制器，在初始化时设定风电机组的有功给定Pwref为0.8，飞轮储能单元的有功给定PFref为0，风电机组和飞轮储能单元的无功给定Qwref和QFref为0；
S2:计算相关系数，相关系数包括风电机组有功波动系数、飞轮储能单元有功波动系数和电压灵敏度系数，风电机组有功波动系数和飞轮储能单元有功波动系数表达式为
Figure BDA0002555280860000091
Figure BDA0002555280860000092
其中，Sw和SF分别为电压源型风电机组和飞轮储能单元有功波动系数，其中
Figure BDA0002555280860000093
表示电压源型风电机组有功出力变化时对并网点频率的影响，
Figure BDA0002555280860000094
表示飞轮储能单元有功出力变化时对并网点频率的影响；
电压灵敏度系数包括SPθ、SQθ、SPU和SQU，电压灵敏度矩阵为
Figure BDA0002555280860000095
Figure BDA0002555280860000096
其中，
Figure BDA0002555280860000101
ΔPF＝SFΔP-PF分别为电压源型风电机组和飞轮储能单元的有功功率变化，Pw和PF分别表示电压源型风电机组和飞轮储能单元实际有功功率，
Figure BDA0002555280860000102
表示电压源型风电机组的有功给定，ΔP是本时刻和上一时刻电压源型风电机组和飞轮储能单元总有功出力的偏差，θ和U是并网点电压的相角和幅值，ΔQw和ΔQF分别是是电压源型风电机组和飞轮储能单元的无功功率变化，SPθ、SQθ、SPU和SQU下标中的字母代表灵敏度关联的物理量，P代表有功功率，Q代表无功功率；
S3:计算风机并网时所需无功给定和有功给定，如图2所示，包括以下步骤：
S31:检测风电机组是否并网，若是，则进入步骤S32；若否，则结束；
S32:测量并网点电压、电流，计算并网点频率和电压偏差
Figure BDA0002555280860000103
其中Δf是***频率变化，kw是电压源型风电机组的频率-有功下垂系数，kF是飞轮储能单元的频率-有功下垂系数，Pw和PF分别表示电压源型风电机组和飞轮储能单元实际有功功率，
Figure BDA0002555280860000104
表示电压源型风电机组的有功给定，ΔP是本时刻和上一时刻电压源型风电机组和飞轮储能单元总有功出力的偏差，当ΔP>0时，飞轮储能单元处于放电状态，Sw和SF分别是电压源型风电机组和飞轮储能单元有功波动系数；
S33:计算所需的有功给定
Pwref＝Pwref+SwΔP
PFref＝PFref+SFΔP
其中，Pwref为风电机组的有功给定，Pwref的初始值为0.8，PFref为飞轮储能单元的有功给定，PFref的初始值为0；
S34:计算总的无功给定
ΔQ总＝(ΔU-SPU(ΔPw+ΔPF))/SQU
其中，ΔU为并网点电压偏差；
S35:确定风电机组无功给定和飞轮储能***的无功给定，具体包括以下步骤：
S351：判断风电机组无功给定Qwref与总的无功给定ΔQ总之和是否大于风电机组最大输出无功功率Qwmax，若是，则进入步骤S352；若否，则风电机组无功给定
Qwref＝Qwref+ΔQ总
其中
Figure BDA0002555280860000111
PF为风电机组给定的功率因数，Pw为风电机组输出实际有功功率,Qwref的初始值为0；
S352：令风电机组无功给定Qwref＝Qwmax，并计算飞轮储能***应设无功给定
ΔQF＝Qwref+ΔQ总-Qwmax；
S353：判断飞轮储能***无功给定QFref与飞轮储能***应设无功给定ΔQF之和是否大于飞轮储能单元最大输出无功功率QFmax，若是，则QFref＝QFmax；若否，则QFref＝QFref+QFmax；其中
Figure BDA0002555280860000121
SF为电机的额定容量，PF为电机输出的瞬时有功，QFref的初始值为预设值；
S36:回退至步骤S31；
S4:根据步骤S3中得到的风电机组和飞轮储能单元有功、无功给定对风电机组和飞轮储能单元进行有功出力和无功出力的分配，对风电机组进行有功出力和无功出力分配时，如图3所示，包括以下步骤：
S401:获取定子坐标变换角度
θ0＝∫(ωgrid-kw(Pwref-Pw))
其中，ωgrid为锁相环输出的电网频率，kw为风电机组的频率-有功下垂系数；
S402:获取定子有功功率Ps和无功功率Qs
Figure BDA0002555280860000122
其中，isabc，usabc分别为定子电流和定子电压，usd，usq分别为定子电压dq分量，isd，isq分别为定子电流dq分量；
S403：令Pw＝Ps，Qw＝Qs，Pw返回至步骤S401，同时根据Qw计算定子电压参考值Vsref
Vsref＝Vb-kq(Qwref-Qw)
其中，Vb＝1为电网额定电压幅值，kq为风电机组的电压-无功下垂系数；
S404：得到电压控制环的表达式为：
Figure BDA0002555280860000131
Figure BDA0002555280860000132
电流控制环的表达式为：
Figure BDA0002555280860000133
Figure BDA0002555280860000134
转子侧SVPWM发生器根据电流控制环输出对转子侧变流器进行控制。其中，Vsd和Vsq为定子电压的dq分量，ksdi为定子有功调节积分系数，ksdp为定子有功调节比例系数，ksqi为定子无功调节积分系数，ksqp为定子无功调节比例系数，ird和irq为转子电流的dq分量，krdi为转子有功调节积分系数，krdp为转子有功调节比例系数，krqi为转子无功调节积分系数，krqp为转子无功调节比例系数，s为拉普拉斯算子；
对飞轮储能单元有功出力和无功出力分配时，如图4所示，变频器机侧电流控制环的表达式为
upd＝(kpd+kid/s)(PFref/Up-ipd)
upq＝(kpq+kiq/s)(QFref/Up-ipq)
电机SVPWM发生器根据电流控制环输出对转子侧变流器进行控制。其中，Up为电机输出端电压幅值，ipq，ipd为电机输出三相电流经3s/2r变化后得到的dq分量，kpd为有功调节比率系数，kpq为无功调节比例系数，kid为有功调节积分系数，kiq为无功调节积分系数，s为拉普拉斯算子。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种电压源型风电机组调频调压控制***，其特征是：包括风电机组和飞轮储能单元，所述飞轮储能单元包括依次相连的飞轮、电机和电机变频器，所述风电机组定子网侧变流器与电机变频器电气相连，所述风电机组转子侧依次通过转子侧变流器和电网侧变流器与电网电气相连，所述转子侧变流器控制端与转子侧SVPWM发生器输出端相连，转子侧SVPWM发生器输入端依次与电流控制环和电压控制环相连，所述电机变频器控制端与电机SVPWM发生器输出端相连，电机SVPWM发生器输入端与变频器电流控制环相连。
2.一种电压源型风电机组调频调压控制方法，采用权利要求1所述的***，其特征是：包括以下步骤：
S1:初始化控制器；
S2:计算相关系数；
S3:计算风电机组并网时所需无功给定和有功给定；
S4:对风电机组和飞轮储能单元进行有功出力和无功出力的分配。
3.根据权利要求2所述的一种电压源型风电机组调频调压控制方法，其特征是：所述步骤S2中，相关系数包括风电机组有功波动系数、飞轮储能单元有功波动系数和电压灵敏度系数。
4.根据权利要求3所述的一种电压源型风电机组调频调压控制方法，其特征是：所述风电机组有功波动系数和飞轮储能单元有功波动系数表达式为
Figure FDA0002555280850000021
Figure FDA0002555280850000022
其中，Sw和SF分别为电压源型风电机组和飞轮储能单元有功波动系数，其中
Figure FDA0002555280850000023
表示电压源型风电机组有功出力变化时对并网点频率的影响，
Figure FDA0002555280850000024
表示飞轮储能单元有功出力变化时对并网点频率的影响。
5.根据权利要求3所述的一种电压源型风电机组调频调压控制方法，其特征是：所述电压灵敏度系数包括SPθ、SQθ、SPU和SQU，电压灵敏度矩阵为
Figure FDA0002555280850000025
Figure FDA0002555280850000026
其中，
Figure FDA0002555280850000027
ΔPF＝SFΔP-PF分别为电压源型风电机组和飞轮储能单元的有功功率变化，Pw和PF分别表示电压源型风电机组和飞轮储能单元实际有功功率，
Figure FDA0002555280850000028
表示电压源型风电机组的有功给定，ΔP是本时刻和上一时刻电压源型风电机组和飞轮储能单元总有功出力的偏差，θ和U是并网点电压的相角和幅值，ΔQw和ΔQF分别是是电压源型风电机组和飞轮储能单元的无功功率变化，SPθ、SQθ、SPU和SQU下标中的字母代表灵敏度关联的物理量，P代表有功功率，Q代表无功功率。
6.根据权利要求2所述的一种电压源型风电机组调频调压控制方法，其特征是：所述步骤S3中计算风机并网时所需的无功给定和有功给定包括以下步骤：
S31:检测风电机组是否并网，若是，则进入步骤S32；若否，则结束；
S32:测量并网点电压、电流，计算并网点频率和电压偏差；
S33:计算所需的有功给定
Pwref＝Pwref+SwΔP
PFref＝PFref+SFΔP
其中，Pwref为风电机组的有功给定，Pwref的初始值为预设值，PFref为飞轮储能单元的有功给定，PFref的初始值为预设值；
S34:计算总的无功给定
ΔQ总＝(ΔU-SPU(ΔPw+ΔPF))/SQU
其中，ΔU为并网点电压偏差；
S35:确定风电机组无功给定和飞轮储能***的无功给定；
S36:回退至步骤S31。
7.根据权利要求6所述的一种电压源型风电机组调频调压控制方法，其特征是：所述步骤S35中确定风电机组无功给定和飞轮储能***的无功给定包括以下步骤：
S351：判断风电机组无功给定Qwref与总的无功给定ΔQ总之和是否大于风电机组最大输出无功功率Qwmax，若是，则进入步骤S352；若否，则风电机组无功给定
Qwref＝Qwref+ΔQ总
其中
Figure FDA0002555280850000041
PF为风电机组给定的功率因数，Pw为风电机组输出实际有功功率,Qwref的初始值为预设值；
S352：令风电机组无功给定Qwref＝Qwmax，并计算飞轮储能***应设无功给定
ΔQF＝Qwref+ΔQ总-Qwmax；
S353：判断飞轮储能***无功给定QFref与飞轮储能***应设无功给定ΔQF之和是否大于飞轮储能单元最大输出无功功率QFmax，若是，则QFref＝QFmax；若否，则QFref＝QFref+QFmax；其中
Figure FDA0002555280850000042
SF为电机的额定容量，PF为电机输出的瞬时有功，QFref的初始值为预设值。
8.根据权利要求2所述的一种电压源型风电机组调频调压控制方法，其特征是：所述步骤S4中对风电机组有功出力和无功出力分配包括以下步骤：
S401:获取定子坐标变换角度
θ0＝∫(ωgrid-kw(Pwref-Pw))
其中，ωgrid为锁相环输出的电网频率，kw为风电机组的频率-有功下垂系数；
S402:获取定子有功功率Ps和无功功率Qs
Figure FDA0002555280850000051
其中，isabc，usabc分别为定子电流和定子电压abc分量，usd，usq分别为定子电压dq分量，isd，isq分别为定子电流dq分量；
S403：令Pw＝Ps，Qw＝Qs，Pw返回至步骤S401，同时根据Qw计算定子电压参考值Vsref
Vsref＝Vb-kq(Qwref-Qw)
其中，Vb＝1为电网额定电压幅值，kq为风力发电机组电压-无功下垂系数；
S404：得到电压控制环的表达式为：
Figure FDA0002555280850000052
Figure FDA0002555280850000053
电流控制环的表达式为：
Figure FDA0002555280850000054
Figure FDA0002555280850000055
其中，Vsd和Vsq为定子电压的dq分量，ksdi为定子有功调节积分系数，ksdp为定子有功调节比例系数，ksqi为定子无功调节积分系数，ksqp为定子无功调节比例系数，ird和irq为转子电流的dq分量，krdi为转子有功调节积分系数，krdp为转子有功调节比例系数，krqi为转子无功调节积分系数，krqp为转子无功调节比例系数，s为拉普拉斯算子。
9.根据权利要求2所述的一种电压源型风电机组调频调压控制方法，其特征是：所述步骤S4中对飞轮储能单元有功出力和无功出力分配时，变频器机侧电流控制环的表达式为
upd＝(kpd+kid/s)(PFref/Up-ipd)
upq＝(kpq+kiq/s)(QFref/Up-ipq)
其中，Up为电机输出端电压幅值，ipq，ipd为电机输出三相电流经3s/2r变化后得到的dq分量，kpd为有功调节比率系数，kpq为无功调节比例系数，kid为有功调节积分系数，kiq为无功调节积分系数，s为拉普拉斯算子。
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