一种双馈风力发电机组自同步控制方法

技术领域

本发明属于发电机控制技术领域，涉及一种双馈风力发电机组自同步控制方法。

背景技术

近年来，我国新能源发电呈持续快速增长趋势，截至2019年底，全球累计风电装机容量达650GW，中国陆上和海上风电累计装机容量占比分别达37％和23％。但一直以来，都因其随机性、波动性、间歇性等特征对并网消纳、电网电压和频率稳定性、电能质量等方面造成影响。尤其随着新能源发电渗透水平的不断提高，传统同步发电机占比减少，难以提供充足的惯性和阻尼，使得系统小扰动稳定性等问题变得更加突出。如何使风机具有类似同步发电机的惯量、阻尼和同步特性，主动参与电网电压和频率调节，为系统提供同步支撑，成为目前亟需解决的问题之一。

当前风电机组普遍使用基于锁相同步的矢量控制方式，即比利时鲁汶大学VSG方案、美国GEC方案所使用的控制方法，该方法中有功功率、无功功率分别通过d轴定向、q轴定向控制端电压，相应控制输出幅值信息与相位信息，两者处于相互耦合状态，只能运行于并网系统，且不具备多机并联自主组建电网的能力。同时，由于锁相环具有快速动态响应特性，当功率出现不平衡，锁相环会迅速驱动内电势相位变化，因此无法利用储存在转子上的动能支撑电网。尤其随着新能源发电占比的增加、大规模远距离风电外送趋势的发展，使得系统振荡问题愈加突出，诱发次同步振荡(sub-synchronous oscillation，SSO)的可能性也逐渐增大。

自同步控制(Self-synchronization Control)方式是指不依赖于电网状态、由不平衡功率驱动自生风机并网内电势幅值/相位的同步方式。自同步控制方式可以直接模拟同步发电机内电势相位运动、惯量和阻尼特性，使并网逆变器从运行机制和外特性上与传统同步发电机相接近。相比于锁相同步的矢量控制方式，自同步方式采用建立功率变化和内电势之间更简单直接的数学联系，使风机对电网表现出固有惯量和阻尼特性，给电网运行提供动态支撑，改善系统频率波动和振荡等现象，提高系统频率和动态稳定性。

基于双馈风力发电机组的自同步控制方法，被认为是一种可以更加有效提高系统频率、小干扰等稳定性的方法，其具备多机并网自主组建电网的能力，在并、离网系统均可运行。

发明内容

简而言之，针对现有技术的缺陷，提供一种双馈风力发电机组自同步控制方法。

根据本发明提供的双馈风力发电机组自同步控制方法，该系统包括：风力机、感应发电机、转子侧变换器(rotor-side converter，RSC)和网侧变换器(grid-sideconverter，GSC)，其中：风能经风力机转化为动能，并通过其机械轴系传到感应发电机，实现电能的转换，其定子直接与电网相连，转子则连接转子侧变换器和网侧变换器。

根据本发明提供的双馈风力发电机组自同步控制方法，风力机控制系统包括：空气动力学模型、MPPT控制、电磁转矩控制、桨距角与桨距角补偿控制、速度控制等模块以及机械轴系模型。进而，由风力机控制产生有功功率参考值，这部分系统即所说的传统同步机的原动系统。

所述机械系统由风轮、低速轴、变速箱、高速轴和发电机转子等几部分组成，其轴系可被分为多个质量块。为简化分析和建模，采用两质量块模型来模拟双馈风电机组的机械轴系部分。其中，兆瓦级双馈风电机组机械轴系的固有谐振频率一般为1～2Hz，远小于系统次同步振荡频率，因此风电并网系统中的次同步振荡与机械轴系无关。

根据本发明提供的双馈风力发电机组自同步控制方法，双馈风电机组转子侧变换器控制采用自同步控制方法，用于实现对输出电流矢量幅值和频率的独立控制，系统包括功率同步控制、无功功率控制、阻尼控制和虚拟电阻限流控制环节。由不平衡有功功率经过虚拟的直流电压动态方程调节输出电流的频率/相位进而实现对内电流频率/相位的调节，由不平衡无功功率或端电压经过PI控制器调节输出电流的幅值进而实现对内电流幅值的调节。其中：

功率同步控制环节模拟同步机的转子运动方程，对直流电压控制器进行线性化推导，确保双馈风机不依赖于电网状态而实现与电网同步运行，即实现“自同步”运行。在研究次同步振荡问题建模过程中，在直流电压时间尺度上反映变流器外特性准确性，内电势与内电流幅值/相位控制方式无太大差别。若要考虑网络线路动态，采用内电流矢量方式在分析中会更为简单。当双馈风机实际输出的电磁功率与前面风力机控制产生的功率指令不平衡时，经过虚拟的直流电压控制环节来对内电流相位进行调节，然后由内电流频率与转子频率作差得到输出电流的频率，对其进行积分可得输出电流的相位。

无功功率控制与同步机励磁系统通过调节励磁电压的大小来维持发电机端电压稳定的原理类似，自同步控制双馈风机无功功率的稳定可以通过调节内电流的幅值大小来维持。当输出电流偏离电流参考值时，将通过控制器对输出电流的幅值进行调节，来维持其稳定状态。另外，采用自同步控制的双馈风机由于具有较强机电耦合特性，能够主动响应系统的扰动，会出现与同步机一样的振荡问题，但风机本身不具备阻尼绕组，定子侧和转子侧绕组的阻尼作用也较弱，所以引入附加的阻尼控制环节来抑制振荡现象。

根据本发明提供的双馈风力发电机组自同步控制方法，双馈风电机组网侧变换器控制采用传统的电压外环电流内环控制方式，主要用于维持直流母线电压的恒定，并控制输入功率因数。

与现有技术相比，基于双馈风力发电机组自同步控制方法具有如下优势：

本发明通过设置风力发电机转子侧变流器自同步控制策略，使得变流器在外特性上更接近于同步机，呈现类似传统电机惯性，在受到扰动后可快速恢复系统频率及电压稳定。在变流器层面设计自同步控制策略，避免损失可捕捉的最大功率，同时结构不算复杂，计算较简便。

通过在直流电压时间尺度上对双馈风电机组自同步控制进行建模和分析，能够验证自同步策略应用于风电场并网的可行性，并进一步缓解系统发生次同步振荡问题的严重性，有效提高电网稳定性。

考虑到传统基于锁相环的虚拟同步控制并未完全解决内电势/内电流幅值/相位解耦的情况，且考虑采用储能设备涉及的经济性比较，研究自同步控制策略是可行性方法之一。

配图说明

图1为本发明双馈风电机组拓扑结构示意图。

图2为本发明双馈风电机组自同步控制方法的原理框图。

图3为本发明风力机控制与转子侧变流器自同步控制框图。

图4为本发明转子侧变流器功率同步控制框图。

图5为本发明转子侧变流器无功功率控制框图。

图6为本发明网侧变流器控制框图。

图7为本发明双馈风电机组自同步控制建模流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明方案。

图1为双馈风电机组拓扑结构示意图，系统包括风力机、齿轮箱、感应发电机、变压器、转子侧变换器以及网侧变换器等器件。其中，基于双馈风电机组的自同步控制策略重点关注风力机控制、转子侧和网侧变换器控制上，本发明将自同步控制应用于转子侧变换器控制。建立直流电压时间尺度的双馈风电机组自同步控制系统模型，从而进行系统次同步振荡的分析研究。

图2为双馈风电机组自同步控制方法的原理框图，包括风力机控制模块1、转子侧变流器控制2、网侧变流器控制3、功率同步控制4、无功功率控制5、阻尼控制6以及虚拟电阻模块7。风力机控制输出有功功率参考值，作为转子侧变流器2中功率同步控制环节4的输入，参与到自同步控制当中。经功率同步控制后输出相位信息，无功功率控制后输出幅值信息，矢量合成后经虚拟电阻环节，接入网侧变流器控制模块。

图3为风力机控制与转子侧变流器自同步控制框图，包括气动功率模型8、电磁转矩控制9、MPPT控制10、机械轴系11、桨距角控制12、桨距角补偿控制13、速度控制14、功率同步控制4以及无功功功率控制5。根据空气动力学理论，风机输入功率受风速、桨距角、风机叶片角速度等因素影响，输出电磁功率经图中所示各控制环节调节后，由速度控制环节输出功率参考值，接入转子侧变换器的功率同步控制中。

如图2、图3所示，图中详细给出了风力机控制1、转子侧变流器控制2、网侧变流器控制3的具体控制环节的组成，共同组成了图1所示双馈风电机组并网系统的拓扑结构。下面将给出双馈风电机组自同步控制步骤以及系统主要环节的控制方程的选取。

图7为整理得到的双馈风电机组自同步控制系统的建模分析流程图，所述建模控制方法的步骤包括：建立传统双馈型风电机组发电机稳态和动态模型；建立双馈风力机以及机械轴系模型；建立电力电子变换器即转子侧、网侧变换器模型；整合双馈风电机组与同步机联合系统线性化模型；精确重整设备输入/输出间网络耦合关系，推导设备间作用路径得出自稳性和致稳性阻尼系数，分析次同步频段振荡的稳定性。

图7中所述建立双馈型风电机组发电机的传统模型、风力机和机械轴系模型，包括：建立自同步发电机的定转子磁链方程、定转子电压方程、电磁转矩方程和机械运动方程。根据实时风速采用转速最优化算法进行计算，得到转速优化结果，根据桨距角指令进行桨距角及补偿控制计算，得桨距角优化结果并反馈到输入端；气动功率输出电磁功率经电磁转矩、MPPT控制、机械轴系运动方程、速度控制环节后，输出功率参考值。其中：

风力机输出的机械功率P

式中：ρ为空气密度；Ar为叶轮截面积；v

机械轴系可以采用两质量块模型，

式中：ω

同步旋转坐标系下，双馈风电机组磁链方程为：

其中：L

双馈风电机组定、转子的电压方程为：

图7中所述建立电力电子变换器即转子侧、网侧变换器模型，转子侧变换器控制包括有功功率控制、无功功率控制、阻尼控制和虚拟电阻控制，具体环节控制框图如图4、5、6所示。其中：

图4为转子侧变流器功率同步控制框图，有功功率控制模拟同步机的机械运动方程，在直流电压时间尺度建立变流器运动方程，双馈风机实际输出的电磁功率Pe与前面风力机控制产生的功率指令Pref不平衡时，经过虚拟的直流电压控制环节，对内电流的频率ωs进行调节，然后内电流频率ωs与转子频率ωr作差得到的频率进行积分可得输出电流的相位。

图5为转子侧变流器无功功率控制框图，无功功率的稳定也将经过调节励磁电压幅值进而调节内电流的幅值大小来维持。

图6为网侧变换器控制框图，采用传统的电压外环、电流内环的控制方式。其中：K