电压跌落下的双馈风力发电机网侧变流器自适应变惯量控制方法.pdf

第 卷 年第 期 月.电压跌落下的双馈风力发电机网侧变流器自适应变惯量控制方法张红义 呼木吉乐图(北京京能清洁能源电力股份有限公司内蒙古分公司 呼和浩特)摘 要:提出电压跌落下的双馈风力发电机网侧变流器自适应变惯量控制方法 控制电压跌落时的直流电压波动提升电网跌落时双馈风力发电机不间断运行能力 基于双馈风力发电机数学模型特点 引入虚拟同步发电机控制机制 设计用于增强与同步发电机相似的惯性响应和下垂属性的有功频率控制器 和用于调节机端电压和无功功率的励磁控制器 将两个控制器同时作用于网侧变流器 实现双馈风力发电机网侧变流器控制 并通过最优控制原理自适应整定转动惯量与阻尼系数 制定取值规则 使双馈风力发电系统的响应速度与超调量达到最优 实验证明:该方法能够在电压跌落情况下 通过有效控制网侧变流器 实现直流母线电压、无功及有功功率的平稳输出 保证发电机的持续运行 增强了双馈风力发电系统运行的稳定性与可靠性关键词:电压跌落 双馈风力发电 网侧变流器 变惯量 同步发电机 阻尼系数中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:收稿日期:修回日期:作者简介:张红义()男 本科 高级工程师 研究方向为 控制技术、风机动态载荷控制策略和风机载荷仿真等呼木吉乐图()男 本科 中级工程师 研究方向为智能传感器控制技术、风机动态载荷控制策略和风机载荷仿真等 卷 引 言风力发电技术的进步 促使风电产业得到了长足发展 双馈风力发电机由于有着较低的变流器容量 以及优良的调速能力 在风电领域得到广泛应用 而风力发电规模的日益扩大以及集成化标准的提升 对双馈风力发电机组提出了更高的要求 在风力电网的运行过程中 若电力系统发生故障 导致电网电压异常跌落 不能随意脱离电网要具备穿越低电压的能力 在双馈风力发电机中变流器是一种较为重要的功率元件 被用于能量的交换 其中 和电网直接相连的网侧变流器 更是能对电压情况进行直接感知 为了降低或消除电压跌落时出现的过电流或过电压对发电机造成的影响 保证双馈风力发电系统能够安全运行 在电压跌落状态下对网侧变流器进行有效控制非常必要近年来 国内外诸多学者关于双馈风力发电机网侧变流器的控制问题进行了大量研究 并取得了一定成果 如彭红义等人利用外环与内环相结合的方式设计出双闭环控制系统 在该系统中 应用 控制器和自抗扰控制器分别作为系统的内、外环 利用两个控制器对网侧变流输出的电流进行控制 进而维护直流母线电压的平稳 使整个电力系统能够顺利运行 胡向前等人设计了比例积分谐振控制器与滑模变结构 前者主要对存在于电流内的负序分量进行管制 后者则对实时功率实施控制二者结合起来可以保证电力系统的输出功率平稳上述两种方法虽然对双馈风力发电机网侧变流器起到了一定的控制作用 但是第一种方法应用在内环的 控制器 在非线性控制方面表现不足 容易出现“超调”现象 第二种方法对网侧变流器的控制 缺少自适应性 影响最终的控制效果双馈型风力发电机属于感应发电机 是风力发电系统的中心部分 定子、转子以及轴承模块构建了其本体 它可以实现整个发电机组的变速运行增强机组吸收风能的能力 提升工作效率 因此本文提出电压跌落下的双馈风力发电机网侧变流器自适应变惯量控制方法 可以通过对网侧变流器的控制 保证电压跌落下的双馈风力发电机组的正常运行 具有较强的应用性 双馈风力发电机网侧变流器自适应变惯量控制 在双馈风力发电系统中 变流器根据安装位置的不同分为转子侧变流器()和网侧变流器()二者以背对背的形式利用直流母线进行连接 并通过该母线电容完成解耦 能够进行独立控制 互不干扰 除了与直流母线进行连接以外 另外的端口则直接连入电网 的用途则在于保证直流母线电压频率的平稳以及控制输入电流的波形与功率因数双馈风力发电系统在运行过程中 电压跌落是出现频率较多的故障形式 该故障在电网中的具体表现为电压有效值在半周波至 内 迅速降至额定电压的 至 当电网出现电压跌落等异常情况时 将会在双馈风力发电机组()内部出现电磁过渡过程 甚至在电压下降幅度较大时 导致电机转子回路过流或过压由于 直接与电网相连 所以通过控制 的方法 可以有效减少由于电压跌落对 造成的不良影响 双馈风力发电机数学模型双馈风力发电机组的电压方程为 ()()其中 磁链方程可以描述为 ()式中 为定子电压 为双馈风力发电机组定子的电阻 为定子电流 为电磁感应系数 为发电机组定子的磁链矢量 电磁回转时间 代表同步电气角频率 表示转子电压 表示双馈风力发电机组转子的电阻 表示转子电流 表示发电机组转子的磁链矢量 表示转子电气角频率 表示定子绕组全自感量 表示转子绕组全自感量 为发电机组中定、转子中的互感 定子输出功率可以描述为 ()式中 为有功功率 为无功功率设定 、则有:()()将式()和式()代入式()中 则可以得到:()()()()期张红义等:电压跌落下的双馈风力发电机网侧变流器自适应变惯量控制方法式()计及了定子励磁电流变化的双馈风力发电机数学模型 根据此模型便可以在电压发生跌落时 对 控制策略进行研究 基于虚拟同步发电机的网侧变流器控制虚拟同步发电机()属于控制机制 其控制参数具有可调性与灵活性的特点 相比传统的控制方法 控制更加适用于功能多样的电网可以有效解决当下电力领域新能源化引发的不平稳性问题所谓 控制 就是把同步发电机()数学模型引进某个设备的控制机制中 使之可以显示出 的属性 如转运惯性、阻尼、调压以及调频等属性本文利用 控制机制来实现对双馈风力发电机网侧变流器的控制基于 的网侧变流器控制机制 利用模拟 转子运动方程 调整由于电压跌落引起的电压频率波动 使系统频率可以平稳过渡至合理范围 以此保证 运行的平稳性 网侧变流器 控制机制的具体结构如下图 所示图 网侧变流器 控制机制结构图 网侧变流器 控制机制利用 对 的励磁与功频属性实施模拟 主要包括有功频率与励磁两个控制器的设计 其中 有功频率控制器的作用是在 输出功率与频率间产生动态变化时增加与 相似的惯性响应和下垂属性 利用励磁控制器可实现机端无功功率与电压参数的有效调节图 中 为控制机制中的惯性系数 表示无功电压下垂系数 与 分别表示控制机制的额定电压与实际电压 转动惯量用 描述并存在于 中 阻尼系数用 描述 的功角用 描述电动势用 描述 参考有功功率用 描述 参考无功功率用 描述 开环节点用 描述 励磁控制器由于 是通过控制励磁的方式对机端电压和无功功率实施调节 所以在对励磁控制器进行设计时主要考虑的是与电压差和无功功率相关的信息 励磁的过程一般采用一阶惯性环节进行表述 所以通过对 励磁过程的模拟 可以获取关于 的励磁公式 描述为()()式中 调制电压幅值用 描述 为无功功率检测值可以描述为()()()()式中 三相相电压与相电流分别用、和、描述式()对电压差和无功功率部分进行了表述以此为基础便可以对励磁控制器进行设计 有功频率控制器把 虚拟轴系引进 的控制中 能够获取 转子运动方程 描述为 ()式中 为角频率系数 机械功率用 描述 控制中的 就是 在特定风速条件下所能提供的总功率 可以描述为 ()()式中 虚拟调速系数用 描述 通过 可以建立 一次调频式()体现了 虚拟转子转动惯量以及阻尼属性 拟建了虚拟轴系运动方程 实现系统频率和虚拟转子转动速度的耦合 使 具有与 相似的惯性响应属性 利用式()可以获取基于 控制机制的 有功频率控制器综上 将励磁控制器与有功频率控制器引入到 网侧变流器 控制机制结构中 可以得到关于双馈风力发电机网侧变流器的指令电压 描述为()()()卷利用获取的 的指令电压 来调节 功率输出 进而减小电压跌落时机侧电压变化幅度达到 平稳运行的目的 自适应控制策略 自适应惯量阻尼控制原理在电网环境中 如果电压出现跌落的现象 那么电网的电压频率与功率会随之发生衰减震荡 通过自适应选择合适 的和 可以提升整个双馈风力发电系统的自适应动态调节能力与抗干扰能力本文将的正负作为自适应算法的判断条件为了能更好地对 进行控制 使整个双馈风力发电系统运行得更为平稳 可以采用设置以及 有功输出功率变化的临界值的方式 来解决自适应算法因为反复判断的正负情况而造成 的浮动 使 输出功率出现连续震荡的问题 自适应算法的公式可以描述为 ()()式中 自适应转动惯量用 描述 与 初始值分别用 和 描述 自适应转动惯量与阻尼系数调节参数分别用 和 描述 角频率变化率与偏差临界值分别用 和 描述 自适应转动惯量有功功率变化临界值用 描述 阻尼系数有功功率变化临界值用 描述 有功功率差值用 描述 自适应转动惯量和阻尼系数控制参数整定除了 和 以外 虚拟调速系数 也会对整体控制效果产生较大影响 通常情况下 可以描述为 ()式中 额定有功功率用 描述通过最优控制原理对 和 进行整定 可以使双馈风力发电系统的响应速度与超调量达到最优在构建闭环小信号模型的基础上 通过加强有功功率的控制 可以得到发电系统的动态特征 利用分析结果可得到系统开环传递函数:()()()式中 输出电压用 描述 线路阻抗用 描述令()可以获取双馈风力发电系统的特征根 描述为 ()根据式()可以得到 和 在不同参数变化条件下的特征根轨迹 如果 表现为恒定 且 不断增大时 特征根则会从过阻尼状态渐渐进入欠阻尼状态 此时系统稳定性会随之降低 所以 值不可过大 但是如果 值过小 同样也会引起系统动荡 为了使系统能平稳运行 使 对电网显示出充足的惯量特性 并结合公式()中的判断条件对 的选取进行约束 选取应符合的条件可以描述为()式中 输出功率中有功功率最大值用 如果 表现为恒定 且 不断增大时 特征根则会从欠阻尼状态渐渐进入过阻尼状态 系统稳定性也会随之增强 通常情况下 只要 就可达到较好的控制效果 另外 为了避免在小扰动下自适应控制也参与到系统调频中 所以还应对 与进行设定 设定的条件便是 的一次调频能力 实验分析以某发电系统为实验对象 该发电系统在传统发电方式下连入了新能源发电电网 该电网中传统机组为 的火电发电机组 新能源机组为 双馈型风力发电机组 主要用于对周边物流园区及居民区进行电力供应为了证明本文方法的实际应用效率 实验在电力系统故障导致有效电压迅速跌落的时刻 利用本文方法对接入的双馈型风力发电机组网侧变流器进行了控制 双馈型风力发电系统相关参数如表 所 期张红义等:电压跌落下的双馈风力发电机网侧变流器自适应变惯量控制方法示 获取的实验结果 如图 所示表 参数设置设备名称参数名称数值风力机风轮半径/最佳风能利用系数 空气密度/(/)双馈风力发电机额定功率/定子额定电压/额定频率/定子电阻/定子漏感/转子电阻/转子漏感/定子与转子互感/双 变换器直流电容电压/电阻/电容/器件开关频率/图 应用本文方法后的控制结果 由图 可知 由于该电网电压出现了跌落情况在实验进行到 时 出现了震荡 应用本文方法对网侧变流器进行控制后 的五种参数值变化出现小幅度波动 但波动时间持续较短 在 左右很快恢复了平稳 没有影响 的正常运行 由此可见 应用本文方法对 网侧变流器的电压、输出功率、频率、阻尼和转动惯量进行了有效地控制 实现 的持续运行为了衡量转动惯量与阻尼系数对 动态性能的影响 分析在不同转动惯量与阻尼系数下应用本文方法对双馈风力发电机并网输出有功功率的控制情况及动态响应情况 实验设定在时间为 时电压出现跌落情况 该双馈风力发电机并网输出有功功率情况 如图 所示由图 可知 当阻尼系数一致时 转动惯量在允许范围内 取值越小 控制效果相对越好 当转动惯量一定时 阻尼系数在允许范围内 取值越大控制效果相对越好 转动惯量与阻尼系数的取值可以影响 的性能 为获取更具优势的 的 卷 控制效果 需选取较小转动惯量和较大阻尼系数 由此可见 应用本文方法在转动惯量为 、阻尼系数为 /时 具有良好的动态性能 功率控制效果较好图 不同转动惯量和阻尼系数下的有功功率情况 结 论双馈电力系统在实际运行中 电压跌落是较为常见的一种故障 这种故障会对双馈风力发电机造成较大的影响 妨碍整个电力系统的正常运行 因此本文提出一种电压跌落下的双馈风力发电机网侧变流器自适应变惯量控制方法 将虚拟同步发电机控制机制引入控制方法中 构建双控制器 并通过对转动惯量与阻尼系数的自适应整定 实现双馈风力发电机网侧变流器的控制 通过实验证明 在电网电压发生电压跌落的情况下 本文方法能够实现对网侧变流器的有效控制 提高双馈风力发电机平稳运行能力参考文献 颜湘武 崔森 常文斐.考虑储能自适应调节的双馈感应发电机一次调频控制策略.电工技术学报 ():.吴雷 李岚 程之隆 等.基于 控制器的电压不平衡下双馈风力发电机转子侧变流器控制.电测与仪表 ():.岳家辉 张新燕 周鹏 等.基于自适应惯量阻尼的双馈风电机组虚拟同步控制策略.电力系统及其自动化学报():.张学广 邱望明 方冉 等.基于变流器改进控制的双馈风电机组 抑制方法.电机与控制学报 ():.冯纯纯 杨龙月 郭锐 等.一种自适应变惯量同步锁相控制策略.电测与仪表 ():.竺兴妹 刘琳琳.三相四开关网侧变流器预测功率控制策略.电网与清洁能源 ():.彭红义 张志敏 周振雄.网侧变流器双闭环控制策略.北华大学学报(自然科学版)():.胡向前 毕雪芹 陈超波.一种改进的双馈风力发电网侧变流器控制策略.自动化与仪表 ():.徐海亮 聂飞 王诗楠.弱电网下永磁风机网侧变流器频率耦合效应关键作用因子评估及控制对策.电网技术():.岳有军 程敏 赵辉 等.自适应惯量及阻尼 的船舶光伏逆变器控制.计算机仿真 ():.张涛 郑家琪 王福东 等.基于模糊控制的 转动惯量自适应算法.电力电子技术 ():.廉小亲 安飒 李震.网侧逆变器改进线性自抗扰控制策略设计.计算机仿真 ():.高倩 张兴 张海峥 等.基于网侧电流估计的并网逆变器控制策略研究.电力电子技术 ():.王耀函 张扬帆 宋鹏 等.基于工作点在线计算的双馈机组网侧变流器高电压穿越控制.电力系统及其自动化学报():.潘尔生 王智冬 王栋 等.基于锁相环同步控制的双馈风机弱电网接入稳定性分析.高电压技术 ():.微电机(月刊)全年 期 读者可到当地邮局订阅 本刊亦可破订、零购邮发代号:订价:元/期年价:元/年编辑部邮购(含快递费):元/年欢迎投稿!欢迎订阅!欢迎刊登广告!国内刊号:/国际刊号:邮箱:地址:高新区上林苑四路 号()电话: