[发明专利]风机并网逆变器虚拟同步发电机的控制方法

说明书

一种风机并网逆变器虚拟同步发电机的控制方法，通过建立励磁绕组电磁动态方程和同步发电机的转子运动方程，得到适用于风机接入电网的逆变器的虚拟同步发电机控制数学模型，采用递归设计方法设计励磁控制器，通过构造系统的李雅普诺夫函数，求解得到系统平衡点，使得系统在直接补偿虚拟同步发电机的阻尼系数的同时保证在平衡点附近局部稳定，由此得到风机逆变器PWM调制信号的幅值E；采用最大功率点跟踪与同步发电机的转子运动方程结合来求得PWM调制信号的相角δ。由调制波相角δ、电压幅值E构成逆变器调制信号，实现风机并网的虚拟同步发电机控制。该方法具有物理意义明显，性能优越，接入电力系统后暂态稳定性和动态稳定性得到提升。

技术领域

本发明涉及电力电子变流器控制，特别是一种风机并网逆变器虚拟同步发电机的控制方法。

背景技术

人类社会可持续发展面临着能源安全、环境污染、气候变化等诸多挑战。化石能源大量、广泛的使用，在创造了工业文明的同时也造成环境污染，气候变暖，生态恶化，对人类的生存与发展构成了严重威胁，应对这些挑战的关键是加快能源变革，开发清洁能源，优化能源结构，提高能源效率，具体来讲就是要大力发展风能、太阳能、地热能、潮汐能等可再生能源。我国由于独特的地理优势，陆上可利用风力资源达2.53亿千瓦,海上可利用风力资源达7.5亿千瓦,合计共达10亿千瓦,其分布广泛,可利用风力资源相当丰富，2013年总装机容量一度跃居世界第一。我国风力发电事业潜力巨大,发展迅速,前景广阔。

随着分布式的风力发电机大量接入电网，由于其具有间歇性、随机性、不稳定性，会造成发电功率与负荷需求不匹配的问题，从而影响电力系统的安全运行和电能质量。分布式电源一般通过电力电子器件比如整流器、逆变器将电能并网或者输送到负荷，相比于运行成熟的传统发电设备(如同步发电机)，电力电子变换器具有响应迅速，控制灵活等优势，但是也有缺乏惯性和阻尼等缺点，从而为电力系统的稳定性带来了一系列的挑战。

在传统的电网运行过程中，由于同步发电机的转子固有的惯性，当电源侧和负载侧有功功率不平衡时，同步机转子转速变化从而补偿系统的功率缺额，以平缓电网频率波动。从这个角度看，同步发电机具有充足的旋转备用容量和转动惯量，能够在负荷变化时为配电网提供必要的电压和频率支撑，即“电网友好型”的电源单元。为了得到“电网友好型”的风电单元，可以模拟并网逆变器具有同步发电机的外特性，这样就可以方便分布式风机并网，而不至于降低电力系统稳定性。这种模拟同步发电机外特性的控制方法被称为虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)技术。该技术主要通过模拟同步发电机的机械方程和电磁方程来控制并网逆变器，从而使得其外特性同步机别无二致，与此同时还可以将传统电网的运行控制策略移植到含大量分布式风机作为电源的电网中。

在传统电力系统中，为改善电力系统稳定性，通常采用对发电机组的励磁控制，可以有效地维持发电机端电压的调节精度在一个给定的范围内，传统同步机组的励磁调节一般应用自动电压调节器AVR(automatic voltage regulator)，其原理是利用发电机端电压偏差进行PID(proportion integral derivative regulating)调节。基于虚拟同步机控制策略的风机并网逆变器也大多采用PID调节手段，这种调节方式优点是保证了端电压的调节精度，也存在着降低电力系统静态与暂态稳定性的缺点。在随后的励磁调节器设计方面，新的控制律利用微分几何方法，对非线性系统采用精确的反馈线性化方法，通过非线性反馈将非线性电力系统转化为线性系统，然后按照线性系统的设计理论进行励磁调节的设计，但是对模型的精确度要求较高，在面对系统参数或结构不确定等情况下，控制效果不好。

现有的并网型风力发电机组大多基于有功、无功与同步坐标轴系下d轴和q轴电流的关系,实现对机组的有功、无功控制。这种功率控制方式使得风力机组对电网表现出反负荷的接口特性,使得风电场内风电机组集群只能做电流源汇集,对电力系统的机械惯量无贡献,使电力系统的电压和频率的稳定性降低。

发明内容