基于功率跟踪优化的双馈风力发电机组虚拟惯性控制技术

基于电力电子换流器并网的变速恒频风力发电机组对电力系统的惯性几乎没有贡献,这将成为风电场大规模接入电网之后面临的新问题。在分析双馈风电机组运行特性和控制策略的基础上,研究双馈机组的虚拟转动惯量与转速调节及电网频率变化的关系,提出双馈风电机组的虚拟惯性控制策略。该控制策略通过检测电网频率变化来调节最大功率跟踪曲线,从而释放双馈机组"隐藏"的动能,对电网提供动态频率支持。通过对含20%风电装机容量的3机系统的仿真分析,验证该控制策略在系统出现功率不平衡后,能够利用双馈风电机组的虚拟惯量使风电场具备对系统频率快速响应的能力,从而提高了基于双馈风电机组的大规模风电场接入电网后的电力系统频率稳定性。     

基于双馈风电机组有效储能的变参数虚拟惯量控制

双馈风电机组采用电力电子变流器控制使得机械部分与电气部分解耦,大规模风电并网后电力系统总有效转动惯量下降,增加了系统的调频压力。文中通过对双馈风电机组运行及控制特性的分析,研究给出了反映机组有效储能的等效虚拟惯性时间常数的计算方法,提出了基于双馈风电机组有效储能的变参数虚拟惯量控制策略。该控制策略通过检测电网频率变化以及动态识别机组运行状态,修改控制参数控制机组有功输出,释放或吸收机组有效动能,对电网提供动态频率支撑。在理论分析基础上进行时域仿真验证,仿真结果表明,双馈风电机组变参数虚拟惯量控制在机组各种运行工况下实现了对系统频率的有效支撑,提高了电力系统频率稳定性,且保证了机组调频过程中自身运行的稳定性。     

基于虚拟惯量控制的风电电力系统电压稳定性研究

含风电电力系统外送是解决能源丰富基地电力消纳问题和负荷中心能源短缺问题的主要方案。随着双馈风电机组并网容量的不断增大,研究含双馈风电机组的风电电力系统电压稳定性的意义重大。大规模风电并网后导致电力系统总转动惯量下降,系统稳定性降低,具备附加虚拟惯量控制的风电机组可改善系统点电压稳定性。分析了风电电力系统稳定性机理和双馈风电机组的附加虚拟惯量控制策略。利用DIgSILENT/PowerFactory电力仿真软件绘制哈密地区三个风电场群的P-V、Q-V曲线得到有功裕度与无功裕度,并对比分析了附加虚拟惯量控制前后对系统静态电压和暂态电压稳定性的影响。仿真结果表明,附加虚拟惯量控制不仅能提高静态电压稳定极限,降低电力系统有功无功灵敏度,提高系统静态电压稳定性,而且能抑制频率和转速剧增,增加功率,从而提高系统暂态电压稳定性。     

双馈型风电机组的惯性控制

在分析双馈风电机组运行特性和控制策略的基础上,提出双馈风电机组的惯性控制策略.该策略附加一个频率控制环节来为风电机组的有功功率控制系统提供一个额外的有功参考信号,进而使风电机组能够及时响应系统频率来调整其有功输出.通过对含风电装机容量系统的仿真分析,验证该控制策略在系统出现功率不平衡后,能够利用双馈风电机组的惯量使风电场具备对系统频率快速响应的能力,从而提高了基于双馈风电机组的大规模风电场接入电网后的电力系统频率稳定性.     

高风电渗透率系统的模糊自适应虚拟惯量控制

随着风电大规模并网,电力系统逐渐发展为低惯量系统,广泛推广风电机组转子惯性控制技术对于提高系统的频率稳定性具有重要意义。该文通过对双馈风电机组和火电机组调频特性的分析以及对双馈风电机组等效惯性常数的研究,提出了风-火系统模糊自适应虚拟惯量控制策略。首先根据风电机组运行工况和系统风电渗透率模糊动态决策出了风电场调频比例系数,其次基于风电机组辅助惯性控制微分系数与风电机组等效惯量常数的关系和风火联合增量系统模型整定了风电机组虚拟惯性控制参数的变化范围,最后设计算例验证了所提自适应调频控制策略的有效性。仿真结果表明该策略不仅使得风电机组在各种运行工况下均能够提供可靠的有功支撑,还保证了调频过程中风电机组的稳定运行,提高了系统的频率稳定性。     

不同渗透率下风机惯量提升控制研究

传统火电机组不断被新能源替代,导致电力系统有效惯量不断减少、调频压力增大。因此研究新能源发电惯性控制技术对维持系统频率稳定具有实际意义。在深入研究双馈风机基础上提出风机转动惯量以及虚拟惯量量测方法,结合传统控制方法和机组自身惯量特性提出双馈风机自适应惯量控制策略。控制策略根据风机占比及风电机组运行工况,调整风机调频比例系数控制机组对电网提供动态调频支撑。最后利用Simulink进行仿真验证所提策略有效性和可行性。仿真结果表明,在不同风机渗透率下均能提供有效惯量补偿,有效提高风机系统频率稳定性。     

双馈异步风电机组模拟惯量响应控制技术综述

通过模拟惯量控制策略,双馈异步风电机组（DFIG-WTG）可以实现惯量响应,提高电力系统的频率稳定性。综述了3类双馈异步风电机组的模拟惯量响应控制策略：一是在MPPT控制策略中引入频率偏差或其导数,通过增益、比例积分（PI）控制器等控制环节后,得到双馈风电机组转矩或有功功率的补充控制参考值;二是当发生频率扰动时,屏蔽MPPT控制策略,采用瞬时有功功率超发实现模拟惯量;三是采用磁链幅值相角控制（FMAC）策略实现模拟同步发电机控制。通过合理的参数设定,理论上3种控制策略均可以最大化利用风电机组的转子动能。     

应用于双馈感应风电机组中的虚拟惯量控制研究

介绍了双馈感应风电机组发电系统原理、气动模型和机械模型的建立,分析了最大功率追踪控制、桨距角控制以及虚拟惯量控制,在Matlab/Simulink仿真软件中搭建双馈感应风电机组发电系统模型,通过电力电子变流器控制对电力系统频率响应的影响进行仿真验证。仿真结果表明:虚拟惯量控制的实施给双馈感应风电机组提供一个虚拟惯量,这一虚拟惯量由存储在转子中的旋转动能提供,并对系统频率起到了支撑作用。     

大容量双馈风电机组虚拟惯量调频技术

针对风电机组不主动参与电网频率调节的问题,量化评估了大容量双馈风电机组利用风轮旋转动能进行调频的能力,提出了基于附加转矩的风电机组虚拟惯量调频控制方法,并研究了其实现原理与控制策略,建立了大容量双馈风电机组Bladed+MATLAB联合仿真模型,实现了虚拟惯量调频全过程动态仿真。首次在MW级风电机组上进行了虚拟惯量调频现场试验,揭示了大容量风电机组虚拟惯量调频的动态特性与技术特点。试验结果表明了理论与仿真分析的准确性及控制策略的有效性。     

双馈风电机组虚拟惯量控制对系统小干扰稳定性的影响

含虚拟惯量控制的双馈风电机组与电力系统的动力学特性存在耦合关系,而锁相环的跟踪能力将直接影响虚拟惯量的控制输入量,因此,考虑虚拟惯量控制的双馈风电机组在锁相环作用下,对系统小干扰稳定性的影响成为亟需解决的问题。首先,计及双馈风电机组的转子电压、锁相环、虚拟惯量控制、转子侧变频器、风电机组机械部分等暂态特性,建立了考虑锁相环与虚拟惯量控制的双馈风电机组并网的互联系统小干扰模型。在此基础上,考虑到锁相环与虚拟惯量控制均会影响同步发电机振荡模态,采用解析的方法从机理上揭示了二者共同作用下系统的小干扰稳定性,即对于含虚拟惯量控制的双馈风电机组,锁相环主要通过影响虚拟惯量对系统的参与程度进而影响系统阻尼:锁相环比例—积分(PI)参数越小,虚拟惯量控制状态变量对区间振荡模态的参与因子越小,机电振荡模态阻尼比越大,这与不含虚拟惯量控制的双馈风电机组中锁相环对系统阻尼特性的影响相反。仿真结果验证了所建模型的合理性与分析结果的正确性。     

基于协同惯量控制的双馈风机并网系统稳定性分析

双馈风力发电机由于其运行特性,失去了一定类似同步发电机的惯性响应能力,导致双馈风力发电机大规模并网之后,电力系统惯性响应能力降低。若系统受到扰动,有时不能够维持频率在允许的范围内变动,将会对含风电的电力系统稳定性造成不同程度的影响。文章推导了采用定子磁链定向矢量控制的双馈风力发电机的惯量控制模型,提出一种基于虚拟惯量控制和转子转速控制的协同控制策略,在Matlab/Simulink中建立虚拟惯量控制模块及转子转速控制模块,仿真分析协同惯量控制下双馈风力发电机并网系统惯性响应的影响以及该控制策略对惯量支撑、系统频率的影响。仿真结果表明,不同工况下,协同惯量控制可为风电并网系统提供一定惯量支撑,在有效防止系统频率深度跌落的同时提升了系统的稳定性。研究结果可为实际工程提供理论指导。     

双馈风机虚拟惯量控制对传动系统扭振影响

虚拟惯量控制是双馈风电机组参与频率控制,改善电力系统频率响应的有效措施。基于虚拟惯量控制的基本原理,研究了双馈风电机组虚拟惯量控制对传动系统扭振的影响。针对风机传动系统2质块和3质块模型,分析了双馈风电机组虚拟惯量控制引起传动系统扭振的机理,表明了虚拟惯量控制可能激发传动系统弱阻尼扭振模式,从而引起比较明显的扭振。针对上述问题,设计了一种扭振阻尼控制器,该控制器能够有效增加传动系统扭振模式的阻尼,从而抑制虚拟惯量控制所引起的传动系统扭振。仿真算例验证了双馈风电机组虚拟惯量控制对传动系统扭振影响分析结论以及扭振阻尼控制器的有效性。     

含阻尼环节的电流源型风电虚拟同步发电机控制与分析

针对高比例风电电力系统频率/电压稳定性问题,介绍了虚拟同步控制的理论基础,对比分析了双馈风电机组与传统同步机数学模型。基于模型相似性推导了风电机组虚拟同步发电机的内电势、功角及功率传输方程,并揭示了其变化规律。研究了一种含阻尼环节的电流源型风电机组虚拟同步控制策略,并进行了虚拟同步控制外环和电流控制内环设计。在Matlab/Simulink中建立了双馈风电机组虚拟同步发电机仿真模型,实现了虚拟同步发电机惯量、阻尼、一次调频和无功调压特性的全过程模拟。仿真结果证实了理论分析的正确性与控制策略的有效性。     

双馈风电机组虚拟惯量控制对电力系统机电振荡的影响分析

虚拟惯量控制能使双馈风电机组为电网提供类似同步发电机的调频特性而得到广泛关注,但同时这种有功—频率外特性将不可避免地使双馈风电机组参与到同步发电机的机电振荡模式中,导致系统动态变得更为复杂。为了揭示双馈风电机组中虚拟惯量控制对电力系统机电振荡模式的影响规律,文中建立了基于虚拟惯量控制的双馈风电机组并网系统小信号模型,采用模态分析法分析了虚拟惯量控制相关控制回路(即虚拟惯量模拟环、锁相环和有功控制环)对同步发电机间机电振荡模式的影响规律。基于改进四机两区域系统的研究表明,增大下垂系数和适当增大滤波时间常数能改善系统阻尼,锁相环带宽和功率外环带宽过小将使双馈风电机组有功控制延迟,从而无法提供正向的阻尼转矩,导致系统阻尼减小。     

双馈风机等效惯性时间常数计算及转差率反馈惯量控制策略

通过对并网的双馈风电机组实施惯量控制可以使其在电网频率变化时提供有功功率短时支撑,以改善电网频率偏差。在分析双馈风电机组的数学模型及其控制策略的基础上,建立了含惯量控制的双馈风电机组的简化数学模型,通过计算等效惯性时间常数,对双馈风电机组惯量响应能力进行定量表征,提出将转差率控制应用于矢量控制框架的基于转差率反馈的双馈风电机组惯量控制方法。基于DIgSILENT搭建仿真模型,仿真对比分析表明:转差率反馈惯量控制环节能够在电网负荷波动时减小频率偏差,且转速恢复快,不造成频率的二次跌落。     

改善含风电场虚拟惯量互联电力系统稳定性的自适应鲁棒滑模控制策略

在以风电为代表的可再生能源大规模接入传统电力系统的背景下,非同步机电源与同步机电源之间的耦合作用以及风电出力的不确定性,使互联电力系统稳定性控制面临复杂的运行场景。针对该问题,基于功率平衡原理建立考虑双馈风电机组虚拟惯量影响的同步发电机组等效转子运动模型,将系统参数协调性及故障因素统一表达为等效惯量参数摄动及有界的不确定扰动;运用滑模变结构方法,结合等效惯量和等效阻尼的可变性及可控性,提出一种自适应鲁棒滑模控制策略以改善互联电力系统的动态稳定性。理论分析和仿真结果表明,与传统的虚拟惯量控制方法相比,所提控制策略能够更好地抑制频率振荡,降低频率变化率以及相对功角振荡幅度。     

同步耦合双馈风机的虚拟惯量优化控制技术

双馈风电机组在同步并网时虚拟出的可控惯性将显著影响电网的动态特性,仍须通过优化控制减少其附加运行风险,充分发挥其控制潜力。该文首先建立引入虚拟同步控制后的双馈风电机组的动态模型,并分析双馈风机与同步发电机之间建立的虚拟同步耦合关系。在此基础上,构建双馈风机同步并网系统的能量函数,基于同步并网耦合关系提出双馈风电机组的变惯量优化控制策略,并借助控制参数对系统稳定性的影响分析,设置虚拟惯量参数范围。最后,搭建双馈风机同步并网系统进行仿真验证,双馈风机的虚拟惯量需要在合理范围内通过变惯量优化才能为并网系统提供可靠的动态稳定支撑。     

风电机组参与电网一次调频的控制策略研究

为了解决大规模风电机组并入电网对电力系统频率稳定性问题,阐述了系统惯量对电网频率变化的影响,分析比较了不同类型风电机组的动态频率响应特性,并根据双馈风电机组参与电网一次调频的基本原理,对比了现阶段有关风电参与电网一次调频的控制策略。研究结果表明,储能设备对风电机组参与电网调频的能力具有重要辅助作用,联合控制方法能够较好地实现风电调频的能力,有利于电力系统的安全稳定运行。     

双馈风电机组变系数虚拟惯量优化控制

传统的变速恒频风力发电机采用电力电子变流器控制,导致机组输出功率与系统频率解耦,使风力机无法响应系统频率变化,降低了系统转动惯量。在分析双馈风力发电机运行特性和虚拟惯量特性的基础上,研究了双馈风力发电机采用虚拟惯量控制的机组转速变化与输出功率的关系,提出了同时考虑调频效益和调频成本的变系数虚拟惯量控制策略。该控制策略分别以调频时双馈风电机组输出功率、转速恢复时间衡量调频效益、调频成本的大小,并采用遗传算法离线计算机组不同运行状态下的调频系数曲线和机组转速变化程度的最优值,以实现机组频率控制系数随机组转速变化而改变。根据计算所得调频系数曲线在MATLAB/Simulink软件平台进行仿真实验,结果表明所提方法能够使双馈风电机组在不同运行状态下响应系统频率变化,并保证机组自身稳定运行。     

基于惯量响应的双馈风电机组动态协调机理研究

大规模风力发电联网挤占了具有转动惯量的同步发电机组容量空间,削弱了电力系统惯量水平与调频能力,迫切需要风力发电参与系统频率调节。基于双馈风电机组频率响应模型,解析得到惯量表达式,并分析锁相环控制参数对双馈风电机组惯量特性影响,提出当系统发生不平衡功率扰动时,可通过优化锁相环控制参数实现双馈风电机组惯量响应。以2台双馈风电机组并联系统为例,分析惯量响应期间不平衡功率在各双馈风电机组间的分配规律,并拓展到多机并联系统。建立双馈风电机组、同步机组联网系统频率响应模型,分析系统发生功率扰动各阶段频率响应特性。最后,通过时域仿真验证了理论分析的有效性。