[发明专利]一种双馈风力发电机组自同步控制方法

说明书

本发明提供一种双馈风力发电机组自同步控制方法，包括：系统由风力机、感应发电机、转子侧变换器和网侧变换器等组成，风力机控制系统包括空气动力学模型、MPPT控制、电磁转矩控制、桨距角与桨距角补偿控制、速度控制以及机械轴系控制单元。本发明通过转子侧变流器控制单元实现自同步控制，系统包括功率同步控制、无功功率控制、阻尼控制和虚拟电阻控制环节，通过在直流电压时间尺度上建模，能够主动支撑电网调压和调频，分析系统次同步振荡问题，提高电网系统的稳定性。

技术领域

本发明属于发电机控制技术领域，涉及一种双馈风力发电机组自同步控制方法。

背景技术

近年来，我国新能源发电呈持续快速增长趋势，截至2019年底，全球累计风电装机容量达650GW，中国陆上和海上风电累计装机容量占比分别达37％和23％。但一直以来，都因其随机性、波动性、间歇性等特征对并网消纳、电网电压和频率稳定性、电能质量等方面造成影响。尤其随着新能源发电渗透水平的不断提高，传统同步发电机占比减少，难以提供充足的惯性和阻尼，使得系统小扰动稳定性等问题变得更加突出。如何使风机具有类似同步发电机的惯量、阻尼和同步特性，主动参与电网电压和频率调节，为系统提供同步支撑，成为目前亟需解决的问题之一。

当前风电机组普遍使用基于锁相同步的矢量控制方式，即比利时鲁汶大学VSG方案、美国GEC方案所使用的控制方法，该方法中有功功率、无功功率分别通过d轴定向、q轴定向控制端电压，相应控制输出幅值信息与相位信息，两者处于相互耦合状态，只能运行于并网系统，且不具备多机并联自主组建电网的能力。同时，由于锁相环具有快速动态响应特性，当功率出现不平衡，锁相环会迅速驱动内电势相位变化，因此无法利用储存在转子上的动能支撑电网。尤其随着新能源发电占比的增加、大规模远距离风电外送趋势的发展，使得系统振荡问题愈加突出，诱发次同步振荡(sub-synchronous oscillation，SSO)的可能性也逐渐增大。

自同步控制(Self-synchronization Control)方式是指不依赖于电网状态、由不平衡功率驱动自生风机并网内电势幅值/相位的同步方式。自同步控制方式可以直接模拟同步发电机内电势相位运动、惯量和阻尼特性，使并网逆变器从运行机制和外特性上与传统同步发电机相接近。相比于锁相同步的矢量控制方式，自同步方式采用建立功率变化和内电势之间更简单直接的数学联系，使风机对电网表现出固有惯量和阻尼特性，给电网运行提供动态支撑，改善系统频率波动和振荡等现象，提高系统频率和动态稳定性。

基于双馈风力发电机组的自同步控制方法，被认为是一种可以更加有效提高系统频率、小干扰等稳定性的方法，其具备多机并网自主组建电网的能力，在并、离网系统均可运行。

发明内容

简而言之，针对现有技术的缺陷，提供一种双馈风力发电机组自同步控制方法。

根据本发明提供的双馈风力发电机组自同步控制方法，该系统包括：风力机、感应发电机、转子侧变换器(rotor-side converter，RSC)和网侧变换器(grid-sideconverter，GSC)，其中：风能经风力机转化为动能，并通过其机械轴系传到感应发电机，实现电能的转换，其定子直接与电网相连，转子则连接转子侧变换器和网侧变换器。

根据本发明提供的双馈风力发电机组自同步控制方法，风力机控制系统包括：空气动力学模型、MPPT控制、电磁转矩控制、桨距角与桨距角补偿控制、速度控制等模块以及机械轴系模型。进而，由风力机控制产生有功功率参考值，这部分系统即所说的传统同步机的原动系统。

所述机械系统由风轮、低速轴、变速箱、高速轴和发电机转子等几部分组成，其轴系可被分为多个质量块。为简化分析和建模，采用两质量块模型来模拟双馈风电机组的机械轴系部分。其中，兆瓦级双馈风电机组机械轴系的固有谐振频率一般为1～2Hz，远小于系统次同步振荡频率，因此风电并网系统中的次同步振荡与机械轴系无关。