一种基于虚拟同步技术的风电机组无功功率控制方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于虚拟同步技术的风电机组无功功率控制方法及系统，属于风力发电技术领域。首先根据虚拟同步机的同步轴和功角系统建立虚拟同步机的控制方程；然后通过改变虚拟同步机并网点电压的幅值和相角，控制逆变器向电网传输的有功功率和无功功率；最后调整虚拟同步机无功控制环节的无功‑电压下垂系数，实现风电机组最大无功功率输出。本发明可以有效的改善风力发电机组的涉网特性，发挥风力发电机自身的惯量和阻尼，为电网提供坚强支撑。同时能够改善风力发电机组的涉网性能，并且能够最大限度的提升风力发电机组的无功特性，具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于虚拟同步技术的风电机组无功功率控制方法及系统。

背景技术

风电机组是一种能量转换装置。能量传输主要由风力机和发电机构成，风力机负责风能的捕捉，发电机负责机械能与电能的转换。发电机的电能控制由变频器来实现。目前，主流的风电机组的发电机类型有永磁同步发电机、双馈异步(DFIG)发电机等类型。

双馈异步风力发电机是一种运行稳定，成本低廉的风力发电机，属于变速恒频型风机，对于风机系统的控制依赖于双馈异步风电机组中的PWM背靠背变换器实现。为保证稳定的电能转换，双馈异步电极定、转子所分别构建的的旋转磁场需要满足同步速运行的条件。因机组使用的是交流励磁绕线式电机，可以通过改变转子电压的频率，来改变转子的相对磁场转速，使得风力机叶轮的转速不再受电网频率的限制。当转子电角速度大于工频电角速度时，即转差率大于0时，风机运行于超同步状态，转子经变流器向电网输送功率；当转子电角速度小于工频电角速度时，即转差率小于0时，风机运行于亚同步状态，电网反过来经变流器向转子输送功率。同时，因流经变流器的功率与转差率成正比，且转差率一般取值区间为-0.3pu～0.3pu，变流器的容量可大幅减小，极大的节约了设备成本。目前生产实际中双馈异步风力发电机常用的控制为矢量控制技术，其基本原理是令双馈异步风机定子电压或定子磁链的矢量与同步速旋转的转轴相重合，进而达到有无功解耦控制的目的。双馈异步风机的常规控制虽然很好的满足了风机变速恒频的运行需求，但也使得风机转子的转速与电网频率相解耦，不为系统提供惯量。风力发电机的惯量与阻尼被隐藏。

随着国家碳中和政策的支持下，风力发电机作为一种可再生能源将迎来更大的发展机遇。随着风电机组的大规模并网，风电在电力系统的所占比重逐渐增高，导致电力系统惯性大幅减弱，同时风能的不确定性加剧了电力系统的负担。双馈风电机组现有的矢量控制虽然具有较强的稳定性，可以满足风机的正常并网，但其初衷是以满足并网需求为目的而设计，并不能对电网提供惯性支撑，进而导致频率稳定性变差，甚至引发大规模故障，给电网的安全稳定运行造成威胁。另外，双馈机组的有无功是通过变频器来解耦控制，受制于该控制算法，风力发电机组的无功发电能力被限制，不能通过大量无功发挥在电力系统中的作用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于虚拟同步技术的风电机组无功功率控制方法及系统，能够改善风力发电机组的涉网性能，并且能够最大限度的提升风力发电机组的无功特性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种基于虚拟同步技术的风电机组无功功率控制方法，包括：

根据虚拟同步机的同步轴和功角建立虚拟同步机的控制方程；

通过虚拟同步机的控制方程改变虚拟同步机并网点电压的幅值和相角，控制逆变器向电网传输的有功功率和无功功率；

根据逆变器向电网传输的有功功率和无功功率调整虚拟同步机无功控制环节的无功-电压下垂系数，实现风电机组最大无功功率输出。

优选地，虚拟同步机的控制方程为：

其中，J为VSG控制的虚拟惯量常数，θ为虚拟转子角度，K为比例系数，T

优选地，当虚拟同步机与电网之间传递的有功功率和无功功率均为0时，满足并网点电压与电网电压相匹配的并网条件。

进一步优选地，有功功率与无功功率采用下式计算：

优选地，虚拟同步机在逆变器内部构建有转速体系，通过该转速体系能够建立同步电机的功角关系。

优选地，将VSG向电网输送的有功与无功功率是否为零，作为虚拟同步机并网和从电网中切除前的判定条件。

优选地，无功-电压下垂系数D

其中，ΔU为电网电压幅值的变化量，负号表示无功参考值的变化与电网电压的变化方向相反。

本发明公开了一种基于虚拟同步技术的风电机组无功功率控制系统，包括虚拟同步机控制单元、转子侧变流器、网侧变流器和直流滤波电容；

虚拟同步机控制单元用于建立虚拟同步机的控制方程，通过改变虚拟同步机并网点电压的幅值和相角，控制逆变器向电网传输的有功功率和无功功率，调整虚拟同步机无功控制环节的无功-电压下垂系数；

双馈风力发电机的定子与电网连接，转子侧通过转子侧变流器和网侧变流器与电网连接，转子侧变流器与网侧变流器通过直流滤波电容构成直流控制环；其中，直流控制环的内环为频率下斜控制环，外环包括外部电路反馈的闭环。

优选地，并网点设有并网点电压传感器和并网点电流传感器，并网点电压传感器和并网点电流传感器分别与网侧变流器连接。

优选地，转子侧变流器出口设有转子侧变流器出口电压传感器和转子侧变流器出口电流传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的基于虚拟同步技术的风电机组无功功率控制方法，虚拟同步机控制与双馈风电机组定子电压定向控制相结合，使风机在满足并网性能要求的同时，重新构建双馈风电机组转速与电网频率之间的耦合关系，并且当电网出现电压频率跌落后，风力发电机组可以提供无功功率作为支撑，提升风力发电机组的涉网性能和无功能力。虚拟同步机控制的核心思想，是通过改进电力电子变换装置的控制策略，以实现本身不含惯性器件变流器的类同步发电机运行。通过对逆变器控制策略的改进，将同步发电机中的功角关系重新引入目前基于PLL控制的逆变器中，从而使直流源在并网时获得与同步发电机类似的运行特性。

双馈异步风机的常规控制虽然很好的满足了风机变速恒频的运行需求，但也使得风机转子的转速与电网频率相解耦，不为系统提供惯量。风力发电机的惯量与阻尼被隐藏，不能对电网提供惯性支撑。本发明可以有效的改善风力发电机组的涉网特性，发挥风力发电机自身的惯量和阻尼，为电网提供坚强支撑。同时，当前风力发电机组有一定的无功能力，该无功能力是通过变频器来实现有无功的解耦控制。基于虚拟同步机的控制策略能够最大限度的提升风力发电机组的无功特性，当电网出现电压频率跌落后，为电网提供无功功率作为支撑。本发明能够改善风力发电机组的涉网性能，并且能够最大限度的提升风力发电机组的无功特性，具有良好的应用前景。

本发明公开了一种风电机组控制系统，系统构建简单，能够改善风力发电机组的涉网性能，并且能够最大限度的提升风力发电机组的无功特性。

附图说明

图1是本发明的基于虚拟同步技术的风电机组无功功率控制系统的整体结构示意图；

图2是本发明的虚拟同步机控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1，为本发明的基于虚拟同步技术的风电机组无功功率控制系统的整体结构示意图，包括虚拟同步机控制单元、转子侧变流器、网侧变流器和直流滤波电容；

虚拟同步机控制单元用于建立虚拟同步机的控制方程，通过改变虚拟同步机并网点电压的幅值和相角，控制逆变器向电网传输的有功功率和无功功率，调整虚拟同步机无功控制环节的无功-电压下垂系数；

双馈风力发电机的定子与电网连接，转子侧通过转子侧变流器和网侧变流器与电网连接，转子侧变流器与网侧变流器通过直流滤波电容构成直流控制环；其中，直流控制环的内环为频率下斜控制环，外环包括外部电路反馈的闭环。

并网点设有并网点电压传感器和并网点电流传感器，并网点电压传感器和并网点电流传感器分别与网侧变流器连接。

转子侧变流器出口设有转子侧变流器出口电压传感器和转子侧变流器出口电流传感器。

如图2，为虚拟同步机(VSG)的控制原理框图，其控制策略具体包括：

1、建立虚拟同步机同步轴和攻角系统

VSG控制中的有功环构成了一个网状结构，其中，内环为频率下斜控制环，外环为包含了外部电路反馈的复杂闭环。有功环中隐含着逆变器对于电网频率的自动追踪，其与传统逆变器控制中采用的锁相环不同之处在于：锁相环是对于电网相角的完全追踪，而虚拟同步机在逆变器内部构建了类似同步电机旋转元件的相对独立的转速体系，建立起了同步电机的功角关系。

因被控器件为全控型电力电子器件，故控制有两个自由度，可以分别控制输出的有功功率与无功功率。为了使VSG控制在实际运行中与同步电机有更为相似的表现，将同步发电机的有功调频和无功调压特性也加以复现，得到最终的VSG控制的控制方程如

上式中，J为VSG控制的虚拟惯量常数，θ为虚拟转子角度，K为比例系数，T

有功功率与无功功率可用如下公式进行计算：

VSG控制中的有功环构成了一个网状结构，其中，内环为频率下斜控制环，外环为包含了外部电路反馈的复杂闭环。有功环中隐含着逆变器对于电网频率的自动追踪，其与传统逆变器控制中采用的锁相环不同之处在于：锁相环是对于电网相角的完全追踪，而虚拟同步机在逆变器内部构建了类似同步电机旋转元件的相对独立的转速体系，建立起了同步电机的功角关系。

2、虚拟同步机自同步

按照上述提出的控制策略，虽然已在逆变器内部建立自己的功角关系，但在启动过程中仍需锁相环输入电网的初始相角，并不能做到像同步电机一样自主并网。

通过改变VSG并网点电压的幅值和相角，就能控制逆变器向电网传输的有功功率和无功功率，反之，当VSG与电网之间传递的有功功率和无功功率均为0时，即可满足并网点电压与电网电压相匹配的并网条件。

将VSG向电网输送的有功与无功功率是否为零，作为虚拟同步机并网和从电网中切除前的判定条件。

3、优化虚拟同步机的控制参数，挖掘风力发电机组的无功潜力

VSG的有功控制环节共有两个自由度，分别为虚拟惯量J与有功-频率下垂系数Dp，无功控制环节也有两个自由度，分别为无功-电压下垂系数Dq和虚拟励磁系数K。虽然虚拟同步机在控制上与实际同步发电机组有着相类似的对应关系，但由于虚拟同步机的硬件部分实质为电力电子器件，与实际同步电机相比，有响应速度快、延时短的特点，故可以通过控制参数的优化挖掘机组的无功潜力，实现风电机组无功功率的最优控制。

无功下垂系数Dq主要用于实现VSG控制的无功-电压下垂特性，取值的大小决定了最终控制的一次调压能力，Dq可以通过以下公式确定：

式中，ΔU为电网电压幅值的变换量，负号表示无功参考值的变化与电网电压的变化方向相反。调整就可以得到Dq的最大值，结合其它控制参数来实现风电机组的最大无功功率输出。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。