[发明专利]在风力发电控制系统中应用虚拟同步发电机技术的方法

说明书

本发明公开了在风力发电控制系统中应用虚拟同步发电机技术的方法，涉及风力发电技术领域；包括通过修改MPPT曲线或利用变桨调节方法实现风机虚拟同步控制策略；在低风速区利用运行点右移的方法实现机组超速减载运行，通过超速减载运行提供调频时所需的额外容量；通过桨距角控制，使得风机始终运行在限功率工况下，或通过改变叶尖速比和桨距角关系降低风能利用系数；将超速减载和桨距角控制相结合，在低风速区仅通过提升发电机的转速进行独立超速控制以满足减载曲线要求；在中风速区通过变桨配合满足减载曲线要求；在高风速区，只能使用变桨调节完成减载运行。其使得风机的虚拟惯量及频率支撑特性不依赖于电网频率检测甚至频率变化率。

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及在风力发电控制系统中应用虚拟同步发电机技术的方法。

背景技术

随着风电并网容量的不断提升，大量通过电力电子装置并网的风力发电机组使得现有电力系统的转动惯量缺失，造成系统频率稳定性下降等问题愈加严重。虚拟同步发电机技术可通过模拟传统同步发电机的运行特性，提高风机的并网等效惯量、阻尼系数及电网的风能渗透率。由于风能具有波动性和间歇性等自然属性，其调速能力受限，使得风能渗入率较高区域电网的动态稳定性也受到影响；并且基于功率解耦的最大功率点跟踪(MPPT)和锁相环(PLL)技术的传统控制，使得风轮机转动惯量与并网接口之间的能量传递链消失，传统风力发电并网接口缺乏自主的频率、电压支撑能力。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种在风力发电控制系统中应用虚拟同步发电机技术的方法，使得风机的虚拟惯量及频率支撑特性不依赖于电网频率检测甚至频率变化率。

为实现上述目的，本申请提出在风力发电控制系统中应用虚拟同步发电机技术的方法，包括通过修改MPPT曲线或利用变桨调节方法实现风机虚拟同步控制策略；其中，在低风速区利用运行点右移的方法实现机组超速减载运行，通过超速减载运行提供调频时所需的额外容量；通过桨距角控制，使得风机始终运行在限功率工况下，或通过改变叶尖速比和桨距角关系降低风能利用系数；将超速减载和桨距角控制相结合，在低风速区仅通过提升发电机的转速进行独立超速控制以满足减载曲线要求；在中风速区通过变桨配合满足减载曲线要求；在高风速区，受到最大功率指令及转速保护指令限制，只能使用变桨调节完成减载运行。

进一步的，采用比例-微分(PD)控制实现虚拟惯量控制，具体为：电网频率测量值f经微分控制器与有功-频率下垂控制器作用，叠加于风机最大功率控制指令处，利用微分控制器对频率的响应模拟机组惯量，通过下垂特性模拟一次调频过程。

进一步的，内禀频率的自同步控制方案使用虚拟同步发电机算法替代原有风机变流器的内环控制算法，其功率外环接收传统MPPT控制指令，将有功指令作为虚拟同步发电机模型的功率指令，通过模型中的虚拟惯量及下垂系数作用产生虚拟同步频率，再通过励磁调节器生成励磁电压幅值，将所述同步频率和励磁电压幅值合成作为虚拟同步型风机的内电势指令。

进一步的，获取实际转子与虚拟转子之间的能量传递机理，具体为：设风轮机实际转速为ωr，虚拟同步轴转速为ωs，则实际轴动能Er和虚拟轴动能Es分别表述为：

式中：Jr为实际轴惯量；Js为虚拟轴惯量；稳态时Er反映风轮吸收的机械能，Es反映风机馈入电网的电能。

进一步的，全功率型风机两轴的连接枢纽为电磁功率Pe＝Temωr＝Teωs，其中Tem为作用在风轮轴上的电磁转矩，Te为作用在虚拟轴上的电磁转矩；风轮轴系通过平衡机械转矩Tm及Tem，寻找最佳转速以实现MPPT；虚拟同步发电机控制又使得风力发电机的并网接口特性等效为一套同步转速为ωs、惯量为Js，且满足同步电机机电方程的虚拟轴系；两轴系的机电动态方程表示为：