[发明专利]一种利用有功-频率特性提高双馈风机暂态性能的控制方法

说明书

本发明针对双馈风力发电机在故障穿越过程中转子转速无法响应系统频率的变化，从而造成系统的等效转动惯性量呈现降低，不利于故障穿越的问题，提出一种利用有功‑频率特性提高双馈风机暂态性能的控制方法，在电网故障过程导致双馈风力发电机输出功率无法外送时，所述控制方法利用双馈风力发电机可实现异步化同步运行的特点，通过励磁来控制发电机的电磁转矩及转速，从原理上分析了三相短路时双馈风力发电机的暂态变化过程，根据其频率特性曲线提出双馈风力发电机的“有功功率暂态频率特性”。在其特有控制方式下有利于电机稳定，从而提升整个系统的稳定性。所述控制方法具有暂态性能好、易于实施的优点。

技术领域

本发明涉及双馈感应风力发电机(Doubly-fed induction generator,DFIG)逆变器控制领域，特别是涉及一种利用有功-频率特性提高DFIG暂态性能的控制方法。

背景技术

2021年，全国风电新增并网装机4757万千瓦，海上风电装机跃居世界第一。全国风电平均利用率96.9％，风能利用率及经济效益稳步提升。然而，在风电并网容量快速增加的同时，风电事故对电网安全构成的影响逐渐显现，包括英国8·9大停电、甘肃酒泉2·24风电脱网等均反映了风力发电自身稳定性较弱，基于控制主导的并网环节缺乏惯量支撑能力，导致连锁脱网，进而造成大范围电网故障。

传统DFIG的并网控制，多采用有功/无功解耦控制。其有功外环保证DFIG实现最大功率跟踪(Maximum power point tracking,MPPT)运行，保证风能利用效率。但随之而来的问题就是DFIG的转子转速无法响应系统频率的变化，从而造成系统的等效转动惯量呈现降低的趋势，这就会给电网的安全带来巨大不安全因素，从而增加电网的潜在风险，如英国8·9 大停电就是在电网电压故障过程中因DFIG的转子转速无法响应系统频率的变化，导致转子电流过大进而造成了霍恩风电场的风电机组脱网。

针对通过励磁控制提升DFIG暂态稳定性的工作，已有方法以非线性控制理论为基础，对发电机励磁系统进行优化，采用粒子群优化算法对发电机控制器相位参数进行优化，提出采用输出反馈设计非线性超螺旋滑膜励磁控制器，不断增强系统的稳定性，并给出了相应地稳定系统速度的建议。但同时，亦有研究分析了粒子群算法的缺点，采用交叉策略和自适应惯性权重策略相结合的改进粒子群算法，对同步发电机励磁控制系统进行改进控制。但基于算法的励磁控制，对控制器算力要求较高，不利于推广采用。

随着电网的发展，DFIG的运行工况逐渐复杂。有必要合理利用DFIG机组暂态有功-频率特性，改善机电耦合性能。

发明内容

鉴于此，本发明提出一种利用有功-频率特性提高DFIG暂态性能的控制方法。通过对DFIG机侧变流器励磁的控制，改变DFIG的电磁转矩，从而使DFIG在暂态过程中，主动吸收/释放能量；同时改变风能利用系数，提高暂态功率平衡能力。具体技术方案如下。

一种利用有功-频率特性提高DFIG暂态性能的控制方法，其特征在于，所述方法控制利用风轮机的有功-频率特性，通过励磁控制DFIG电磁转矩，在DFIG暂态过程中，主动调节DFIG转子动能和风能利用系数，平衡故障状态下的能量，实现DFIG电网故障下的穿越。

所述利用有功-频率特性提高DFIG暂态性能的控制方法包括步骤：

1)测量机端电压频率，当系统进入暂态过程中，系统频率因故障有功缺额而变化，其公式为：

Δf＝f_n-f

其中Δf为系统频率偏差量，f_n为系统额定频率，f为机端频率。

2)当系统频率偏差为0.033Hz内时，系统被认为是正常频率变化；只有系统频率偏差大于0.033Hz，暂态提升控制使能。计算暂态提升控制使能信号switch，其判断条件为：