一種雙饋風(fēng)力機(jī)組慣性調(diào)頻主動(dòng)轉(zhuǎn)速保護(hù)控制系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雙饋風(fēng)力機(jī)組慣性調(diào)頻主動(dòng)轉(zhuǎn)速保護(hù)控制系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)（doubly fed-induction generation，DFIG)具有發(fā)電效率高變 頻器容量小的特點(diǎn)，然而其電力電子變流器在實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的同時(shí)也使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和 電網(wǎng)頻率之間不再存在耦合關(guān)系，不能像傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)一樣通過(guò)釋放或者存儲(chǔ)轉(zhuǎn)子動(dòng)能 阻尼系統(tǒng)頻率變化，從全系統(tǒng)角度看，基于DFIG機(jī)組風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為零。在電網(wǎng)負(fù) 荷擾動(dòng)初期，系統(tǒng)慣性直接影響頻率的變化速率，慣性降低會(huì)明顯減弱系統(tǒng)的頻率動(dòng)態(tài)響 應(yīng)特性，導(dǎo)致系統(tǒng)遭遇負(fù)荷擾動(dòng)后頻率波動(dòng)過(guò)大不滿足電網(wǎng)導(dǎo)則規(guī)定要求。
[0003] 為了降低DFIG機(jī)組接入對(duì)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響，利用風(fēng)力機(jī)組自身調(diào)頻能力 的改進(jìn)方法主要分為兩類：一類方法是通過(guò)超速或變槳距的方法降低發(fā)電機(jī)正常工作效率 以獲得備用容量參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的減載控制方法，減載控制方法雖然能獲得備用容量但 是降低了風(fēng)力機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益，且風(fēng)速預(yù)測(cè)的不確定性對(duì)風(fēng)電機(jī)組預(yù)留備用容 量有較大影響，因此應(yīng)用范圍較?。涣硪活愂抢棉D(zhuǎn)子中存儲(chǔ)的動(dòng)能進(jìn)行短時(shí)調(diào)頻，模擬同 步發(fā)電機(jī)組特性的慣性調(diào)頻控制，DFIG機(jī)組相對(duì)于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)具有更大的機(jī)械慣性且 速度可調(diào)節(jié)范圍較大理論上能模擬出更多的慣性。
[0004] 然而已知的固定轉(zhuǎn)速限值轉(zhuǎn)速保護(hù)方式未考慮風(fēng)速條件對(duì)風(fēng)力機(jī)組調(diào)頻能力的 影響和風(fēng)力機(jī)組退出調(diào)頻時(shí)引起的系統(tǒng)頻率二次波動(dòng)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種雙饋風(fēng)力機(jī)組慣性調(diào)頻主動(dòng)轉(zhuǎn)速保護(hù)控制 系統(tǒng)與方法，本方法對(duì)DFIG機(jī)組在不同風(fēng)速區(qū)內(nèi)的調(diào)頻特性和調(diào)頻能力進(jìn)行了量化分析， 研究了各風(fēng)速區(qū)內(nèi)調(diào)頻能力主要限制因素，并進(jìn)一步提出了一種基于慣性調(diào)頻過(guò)程中動(dòng)能 損失負(fù)反饋的主動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保護(hù)控制策略。該控制方法根據(jù)系統(tǒng)容量和運(yùn)行工況調(diào)整控制 器參數(shù)，具有良好的轉(zhuǎn)速保護(hù)性能。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種雙饋風(fēng)力機(jī)組慣性調(diào)頻主動(dòng)轉(zhuǎn)速保護(hù)控制系統(tǒng)，包括比較模塊、風(fēng)速檢測(cè)模 塊、觸發(fā)開(kāi)關(guān)、損耗計(jì)算模塊和控制器，其中，控制器包括：慣性調(diào)頻控制環(huán)節(jié)、比例環(huán)節(jié)、積 分環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)速保護(hù)控制環(huán)節(jié)，風(fēng)速檢測(cè)模塊采集風(fēng)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和槳距角參數(shù)，轉(zhuǎn)速保護(hù)控 制環(huán)節(jié)根據(jù)風(fēng)速檢測(cè)模塊采集的信息，計(jì)算風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)捕獲機(jī)械風(fēng)功率，損耗計(jì)算模塊連接 轉(zhuǎn)速保護(hù)控制環(huán)節(jié)，將實(shí)時(shí)捕獲機(jī)械風(fēng)功率減去損耗，得到的計(jì)算結(jié)果與發(fā)電機(jī)輸出電磁 功率比較，得到風(fēng)力機(jī)組因參與系統(tǒng)調(diào)頻引起的輸入輸出功率差額，輸入輸出功率差額通 過(guò)觸發(fā)開(kāi)關(guān)傳遞給比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)，比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)作用后輸出負(fù)反饋功率控制 量，與慣性調(diào)頻控制信號(hào)一起作為調(diào)頻附加有功功率給定值。
[0008] 所述觸發(fā)開(kāi)關(guān)，用于保證慣性調(diào)頻控制環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)速保護(hù)控制環(huán)節(jié)同步動(dòng)作，避免 轉(zhuǎn)速保護(hù)控制環(huán)節(jié)對(duì)風(fēng)力機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行產(chǎn)生干擾作用。
[0009] -種雙饋風(fēng)力機(jī)組慣性調(diào)頻主動(dòng)轉(zhuǎn)速保護(hù)控制方法，包括以下步驟：
[0010] (1)建立雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型，采用定子電壓定向的矢量控制，實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功 功率的解耦控制；
[0011] (2)將電網(wǎng)頻率變化引入風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)，使和電網(wǎng)頻率沒(méi)有直接耦合的雙饋 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有慣性；
[0012] (3)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的慣性調(diào)頻動(dòng)態(tài)過(guò)程和調(diào)頻能力進(jìn)行分析，得到機(jī)組在 低風(fēng)速區(qū)、中風(fēng)速區(qū)和高風(fēng)速區(qū)的不同特性；
[0013] (4)利用負(fù)反饋調(diào)節(jié)信號(hào)逐漸減小調(diào)頻作用，構(gòu)建主動(dòng)保護(hù)控制系統(tǒng)，將轉(zhuǎn)速維持 在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。
[0014] 所述步驟（1)中，建立雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓、磁鏈、功率 和電磁轉(zhuǎn)矩方程：
[0016] 式中：1]3和Ur分別為定、轉(zhuǎn)子電壓矢量；Φ 3和分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?；I 3和 別為定、轉(zhuǎn)子電流矢量；R JP Rj別為定、轉(zhuǎn)子繞組電阻；L 3和L分別為定、轉(zhuǎn)子繞組 自感；Lni為定、轉(zhuǎn)子繞組之間的互感；ω e為同步轉(zhuǎn)速；ω ^為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；Ps，Qs，I^1_DFIG 的電磁轉(zhuǎn)矩、定子側(cè)有功、無(wú)功功率；PD為極對(duì)數(shù)。
[0017] 所述步驟（1)中，忽略定子電阻和定子磁鏈的變化，采用將同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系d 軸與定子電壓矢量方向重合的方法，雙饋風(fēng)電機(jī)組定子繞組有功、無(wú)功功率與轉(zhuǎn)子d/q軸 電流之間的關(guān)系為：
[0019] 由⑵式可知，當(dāng)采用定子電壓矢量定向控制，并保持定子磁鏈恒定時(shí)，DFIG機(jī)組 定子側(cè)有功功率或電磁轉(zhuǎn)矩可通過(guò)轉(zhuǎn)子電流的d軸分量U空制，無(wú)功功率可以通過(guò)轉(zhuǎn)子電 流的q軸分量空制，從而實(shí)現(xiàn)了有功和無(wú)功功率的解耦控制。
[0020] 所述步驟（2)中，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的捕獲的機(jī)械風(fēng)功率表示為：
[0022] 式中：Pni為給定風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)捕獲的機(jī)械功率；P為空氣密度；C ρ(λ，β)為最優(yōu) 風(fēng)能轉(zhuǎn)換率；β為槳距角；A為風(fēng)機(jī)掃過(guò)的面積；VwS風(fēng)速；λ為葉尖速比λ = w tR/Vw，wt為風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，R為葉片半徑。
[0023] 所述步驟（2)中，DFIG機(jī)組依據(jù)風(fēng)速大小運(yùn)行，在各不同區(qū)間中，發(fā)電機(jī)有功參考 指令Pcipt依據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω 3合出：
[0025] 式中：Iccipt為最大功率跟蹤曲線的比例系數(shù)；ω。為DFIG的切入轉(zhuǎn)速η。對(duì)應(yīng)的電角 速度；ω DFIG進(jìn)入轉(zhuǎn)速恒定區(qū)時(shí)的初始轉(zhuǎn)速η 應(yīng)的電角速度；ω _為DFIG轉(zhuǎn)速限值 11_對(duì)應(yīng)的電角速度；Ρ _為DFIG輸出有功功率限幅值。
[0026] 所述步驟（3)中，風(fēng)力機(jī)組在參與系統(tǒng)調(diào)頻過(guò)程，用于補(bǔ)償因轉(zhuǎn)速下降引起的風(fēng) 機(jī)捕獲機(jī)械功率損失為：
[0028] 式中：AEkS轉(zhuǎn)子總動(dòng)能變化量；AEcip為風(fēng)力機(jī)組實(shí)際用于調(diào)頻的有效釋放動(dòng) 能，該部分越大則風(fēng)力機(jī)組對(duì)系統(tǒng)調(diào)頻的貢獻(xiàn)越大；A ElcissS轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致的風(fēng)能利用率 降低引起的風(fēng)力機(jī)組功率損失，這部分越大越不利于風(fēng)力機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)頻；Pd為機(jī)組的 極對(duì)數(shù)J為機(jī)組總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωΑ，〇^分別為調(diào)頻初始和退出時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；t ^ Lff分別為 調(diào)頻起始時(shí)刻和退出時(shí)刻；PyPni(t)，Pjt)分別為調(diào)頻前輸入功率、調(diào)頻過(guò)程中捕獲風(fēng)功率 捕獲功率和輸出電磁功率。
[0029] 所述步驟⑶中，低風(fēng)速區(qū)和中風(fēng)速區(qū)內(nèi)風(fēng)力機(jī)組參與調(diào)頻過(guò)程均為：調(diào)頻初期 發(fā)電機(jī)將通過(guò)控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能彌補(bǔ)輸入輸出功率差值，輸入功率則隨轉(zhuǎn)速 降低沿捕獲風(fēng)功率特性曲線開(kāi)始下降，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降至下限值時(shí)，風(fēng)力機(jī)組將退出調(diào)頻進(jìn) 入轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段。
[0030] 所述步驟（3)中，低風(fēng)速區(qū)內(nèi)，風(fēng)力機(jī)組的調(diào)頻能力隨著風(fēng)速增加而增大；中風(fēng)速 區(qū)，風(fēng)力機(jī)組調(diào)頻能力隨著風(fēng)速增加而減小，同時(shí)過(guò)大的功率損耗也將導(dǎo)致中風(fēng)速區(qū)風(fēng)力 機(jī)組退出調(diào)頻時(shí)對(duì)系統(tǒng)頻率沖擊遠(yuǎn)大于低風(fēng)速區(qū)，
[0031] 高風(fēng)速區(qū)由于槳距角在調(diào)頻前處于非零狀態(tài)，釋放動(dòng)能轉(zhuǎn)速降低導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)組減 小槳距角從而捕獲的風(fēng)功率增加，這將有利于風(fēng)力機(jī)組參與調(diào)頻，使其具有比中低風(fēng)速區(qū) 更強(qiáng)的慣性調(diào)頻能力，高風(fēng)速區(qū)風(fēng)力機(jī)組自身槳距角調(diào)節(jié)機(jī)制有利于其參與調(diào)頻，變槳距 角減載運(yùn)行控制是解決風(fēng)力機(jī)組變頻器容量限制的有效辦法。
[0032] 所述步驟⑶中，用遞增函數(shù)f (Vw)表示中低風(fēng)速區(qū)內(nèi)有效釋放動(dòng)能與風(fēng)速之間 的關(guān)系，遞減函數(shù)g(Vw)表示中風(fēng)速區(qū)內(nèi)有效釋放動(dòng)能與風(fēng)速之間的關(guān)系： CN 105134485 A ^ ^ Ij 4/y 貝
[0034] 所述步驟（4)中，主動(dòng)保護(hù)控制策略的具體為：轉(zhuǎn)速保護(hù)控制環(huán)節(jié)根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)機(jī) 轉(zhuǎn)速和槳距角參數(shù)計(jì)算風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)捕獲機(jī)械風(fēng)功率，將其與發(fā)電機(jī)輸出電磁功率比較，得到 風(fēng)力機(jī)組因參與系統(tǒng)調(diào)頻引起的輸入輸出功率差額，經(jīng)過(guò)比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)輸出負(fù)反饋 功率控制量，最終與慣性調(diào)頻控