基于虚拟质量块的风力机双质块轴系稳定控制方法
阅读：508发布：2020-05-17
专利汇可以提供基于虚拟质量块的风力机双质块轴系稳定控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于虚拟 质量 块 的 风 力 机双质块轴系稳定控制方法，包括以下步骤：监测 风力 发 电机 的 角 速度 ；判断风电机组的轴系部分是否出现扰动；根据风力机运行转速的大小判断风电机组是否处于最大功率运行区域，对应设置风力机的桨距角：判断风力发电机的角速度是否进入允许 波动 范围。本发明提供的基于虚拟质量块的风力机双质块轴系稳定控制方法，通过调节风力发电机的桨距角改变其输出的机械功率，能够减小两质块模型风电机组在动态过程中形成的 不平衡 功率，提高风电机组轴系柔性连接部件的耐受干扰能力，保证风电机组在系统扰动及大幅度功率调节过程中的轴系振荡稳定。，下面是基于虚拟质量块的风力机双质块轴系稳定控制方法专利的具体信息内容。
1.一种基于虚拟质量块的风力机双质块轴系稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：基于虚拟质量块技术，建立风力机双质块轴系模型，将风力机吸收的风功率转化为机械转矩，并输入到风力发电机转子的转轴上；
步骤2：监测风力发电机的角速度ωg；
步骤3：判断风电机组的轴系部分是否出现扰动，即判断ωg与初始角速度ωg0之差|ωg-ωg0|是否大于临界稳定阈值ωc，如果是，则表示判断风电机组的轴系部分出现扰动，转向步骤4，否则转向步骤2；
步骤4：根据风力机运行转速ωr的大小判断风电机组是否处于最大功率运行区域，当ωr在切入电速度ω0和进入转速恒定区时的电速度ω1之间，则表示风电机组处于最大功率运行区，此时根据公式(1)将风力机的桨距角设置为β1，如下：
否则，根据式(2)将风力机的桨距角设置为β0，如下：
式中，λ为叶尖速比，λ＝Rωr/v；R为风轮半径，v为风速；CPmax为最大风能利用系数；Δωr为风力机的转子角速度偏差；Hr_vic表示虚拟质量块控制系数，Pr0为风力机捕获的初始机械功率。
步骤5：判断风力发电机的角速度ωg是否进入允许波动范围，即判断|ωg-ωg0|是否小于临界稳定阈值ωc，如果是，则结束控制过程，否则转向步骤4。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟质量块的风力机双质块轴系稳定控制方法，其特征在于，所述基于虚拟质量块技术，建立风力机双质块轴系模型，将风力机吸收的风功率转化为机械转矩，并输入到风力发电机转子的转轴上，具体包括：建立风力机双质块轴系模型如下：
其中，ωr为风力机运行转速，即风轮角速度，ωg为风力发电机的角速度；θ为轴系扭矩角，Hr和Hg分别为风力机和风力发电机的惯性时间常数，KS为轴系刚度系数，Pr0为风力机捕获的初始机械功率，kmax为风电机组的最大功率跟踪系数。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟质量块的风力机双质块轴系稳定控制方法，其特征在于，所述步骤4还包括：
通过调整风力机的桨距控制器实现对输出机械功率的调整，以等效改变风力机的惯性时间常数，则调节风力机桨距角产生的功率补偿量ΔPr为
所需功率补偿量ΔPr由桨距角调节器提供，设风电机组的补偿功率变化率为P％，则：
最大功率运行区，风电机组的补偿功率变化率为P％时，风能利用系数CPH可表示为：
其中，最大风能利用系数CPmax可表示为：
基于虚拟质量块的风力机双质块轴系稳定控制方法
技术领域
背景技术
[0002] 随着新能源的接入比例日趋增大，国内外诸多学者研究了各种形式新能源的友好并网控制功能，为改善风电接入系统后电力系统的稳定运行特性，附加在风电并网逆变器之上的新型功率控制器得到广泛关注。但此类功率控制器在改善系统运行性能的同时，也伴随着风电机组的大幅度输出特性波动，对于风电机组而言，大范围的功率变化会对风电机组自身柔性轴产生冲击，甚至引起转速振荡失稳，危及机组安全运行。传统附加在风电机组最大功率跟踪控制之上的转速前馈补偿项以主动阻尼轴系扭振，但轴系稳定控制系数设置不当也会对系统动态稳定产生不利影响。因此，风电机组在动态过程中的功率调节，要确保对自身柔性连接轴的可靠阻尼，从而进一步规避各类优化控制器在实际推广应用中存在的风险。提升引入并网风电机组的稳定运行能力，将是实现高比例可再生能源友好并网功能得以完善的关键。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种基于虚拟质量块的风力机双质块轴系稳定控制方法，通过调节风力发电机的桨距角改变其输出的机械功率，能够减小两质块模型风电机组在动态过程中形成的不平衡功率，提高风电机组轴系柔性连接部件的耐受干扰能力，保证风电机组在系统扰动及大幅度功率调节过程中的轴系振荡稳定。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0005] 一种基于虚拟质量块的风力机双质块轴系稳定控制方法，该方法包括以下步骤：
[0007] 步骤2：监测风力发电机的角速度ωg；
[0008] 步骤3：判断风电机组的轴系部分是否出现扰动，即判断ωg与初始角速度ωg0之差|ωg-ωg0|是否大于临界稳定阈值ωc，如果是，则表示判断风电机组的轴系部分出现扰动，转向步骤4，否则转向步骤2；
[0009] 步骤4：根据风力机运行转速ωr的大小判断风电机组是否处于最大功率运行区域，当ωr在切入电速度ω0和进入转速恒定区时的电速度ω1之间，则表示风电机组处于最大功率运行区，此时根据公式(1)将风力机的桨距角设置为β1，如下：
[0010]
[0011] 否则，根据式(2)将风力机的桨距角设置为β0，如下：
[0012]
[0013] 式中，λ为叶尖速比，λ＝Rωr/v；R为风轮半径，v为风速；CPmax为最大风能利用系数；Δωr为风力机的转子角速度偏差；Hr_vic表示虚拟质量块控制系数，Pr0为风力机捕获的初始机械功率。
[0014] 步骤5：判断风力发电机的角速度ωg是否进入允许波动范围，即判断|ωg-ωg0|是否小于临界稳定阈值ωc，如果是，则结束控制过程，否则转向步骤4。
[0015] 可选的，所述基于虚拟质量块技术，建立风力机双质块轴系模型，将风力机吸收的风功率转化为机械转矩，并输入到风力发电机转子的转轴上，具体包括：建立风力机双质块轴系模型如下：
[0016]
[0017] 其中，ωr为风力机运行转速，即风轮角速度，ωg为风力发电机的角速度；θ为轴系扭矩角，Hr和Hg分别为风力机和风力发电机的惯性时间常数，KS为轴系刚度系数，Pr0为风力机捕获的初始机械功率，kmax为风电机组的最大功率跟踪系数。
[0018] 可选的，所述步骤4还包括：
[0019] 通过调整风力机的桨距控制器实现对输出机械功率的调整，以等效改变风力机的惯性时间常数，则调节风力机桨距角产生的功率补偿量ΔPr为
[0020]
[0021] 所需功率补偿量ΔPr由桨距角调节器提供，设风电机组的补偿功率变化率为P％，则：
[0022]
[0023] 最大功率运行区，风电机组的补偿功率变化率为P％时，风能利用系数CPH可表示为：
[0024]
[0025] 其中，最大风能利用系数CPmax可表示为：
[0026]
[0027] 其中，CPmax为最大风能利用系数，对于特定的风力机，其最佳叶尖速比对应的最大风能利用系数是唯一的，可通过查找风能利用系数曲线确定最大风能利用系数CPmax，确定最佳叶尖速比和最大风能利用系数CPmax之后，可根据式(2)，设定桨距角参考值β0。
[0028] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于虚拟质量块的风力机双质块轴系稳定控制方法，通过监测风力机的转子转速信号，通过调节风力机桨距角改变其输出机械功率，实现对风力机惯性时间常数的灵活改变，能够减小两质块模型风电机组在动态过程中形成的不平衡功率，提高风电机组轴系柔性链接部件的耐受干扰能力，保证风电机组在大幅度风速波动及功率调节过程中的轴系动态稳定性；与传统轴系阻尼控制相比，由于实际工程中对风电机组轴系扭转角测量困难，本发明引入风力机的转速信号，能够灵活调整风机轴系的等值惯量，在不加装新的硬件设备的前提下，提高了风电机组阻尼轴系振荡的能力；该控制方法操作简单，控制参数少且易于整定，具有较强的适应性和可实施性，能够实现对风电机组安全稳定运行的可靠控制。附图说明
[0029] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030] 图1为本发明基于虚拟质量块的风力机双质块轴系稳定控制方法流程图；
[0032] 图3是本发明实施例中风电机组电磁功率动态响应对比曲线；
[0033] 图4是本发明实施例中风力发电机转子转速动态响应对比曲线；
[0034] 图5是本发明实施例中风力发电机虚拟轴系稳定控制结构图；
具体实施方式
[0036] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037] 本发明的目的是提供一种基于虚拟质量块的风力机双质块轴系稳定控制方法，通过调节风力发电机的桨距角改变其输出的机械功率，能够减小两质块模型风电机组在动态过程中形成的不平衡功率，提高风电机组轴系柔性连接部件的耐受干扰能力，保证风电机组在系统扰动及大幅度功率调节过程中的轴系振荡稳定。
[0038] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0039] 图1为本发明基于虚拟质量块的风力机双质块轴系稳定控制方法流程图，如图1所示，本发明提供的基于虚拟质量块的风力机双质块轴系稳定控制方法，包括以下步骤：
[0040] 步骤1：基于虚拟质量块技术，建立风力机双质块轴系模型，将风力机吸收的风功率转化为机械转矩，并输入到风力发电机转子的转轴上；
[0041] 步骤2：监测风力发电机的角速度ωg；
[0042] 步骤3：判断风电机组的轴系部分是否出现扰动，即判断ωg与初始角速度ωg0之差ωg-ωg0是否大于临界稳定阈值ωc，如果是，则表示判断风电机组的轴系部分出现扰动，转向步骤4，否则转向步骤2；
[0043] 步骤4：根据风力机运行转速ωr的大小判断风电机组是否处于最大功率运行区域，当ωr在切入电速度ω0和进入转速恒定区时的电速度ω1之间，则表示风电机组处于最大功率运行区，此时根据公式(1)将风力机的桨距角设置为β1，如下：
[0044]
[0045] 否则，根据式(2)将风力机的桨距角设置为β0，如下：
[0046]
[0047] 式中，λ为叶尖速比，λ＝Rωr/v；R为风轮半径，v为风速；CPmax为最大风能利用系数，对于特定的风力机，其最佳叶尖速比对应的最大风能利用系数是唯一的，可通过查找风能利用系数曲线确定最大风能利用系数CPmax；Δωr为风力机的转子角速度偏差；Hr_vic表示虚拟质量块控制系数，Pr0为风力机捕获的初始机械功率。
[0048] 步骤5：判断风力发电机的角速度ωg是否进入允许波动范围，即判断|ωg-ωg0|是否小于临界稳定阈值ωc，如果是，则结束控制过程，否则转向步骤4。
[0049] 其中，所述步骤1中，所述基于虚拟质量块技术，建立风力机双质块轴系模型，将风力机吸收的风功率转化为机械转矩，并输入到风力发电机转子的转轴上，具体包括：建立风力机双质块轴系模型如下：
[0050]
[0051] 其中，ωr为风力机运行转速，即风轮角速度，ωg为风力发电机的角速度；θ为轴系扭矩角，Hr和Hg分别为风力机和风力发电机的惯性时间常数，KS为轴系刚度系数，Pr0为风力机捕获的初始机械功率，kmax为风电机组的最大功率跟踪系数。
[0052] 将式(3)进行拉普拉斯变换，可得复频域形式下的状态方程
[0053]
[0054] 由于Hr远大于Hg，相较于ΔΩr和ΔΘ，ΔΩg是具有快变特征的状态变量，利用积分流形法，可将具有快变特征的状态变量近似以一个积分流形代替，从而将三阶状态方程进行降阶处理，求得轴系状态方程解析解的近似表达式。
[0055] 取ε＝Hg/(mHr)，其中m>2，将式(3)两边同时乘以ε，则有
[0056]
[0057] 设状态变量Δωg的积分流形为：
[0058] Δωg＝h(Δωr,Δθ,ε) (6)
[0059] 当m的取值使得ε充分小时，将式(6)展开为幂级数形式：
[0060] Δωg＝h＝h0+εh1+ε2h2+…o(εn) (7)
[0061] 函数h必满足式(7)，则
[0062]
[0063] 其中，
[0064]
[0065] 由于式(9)左右两端关于ε0、ε1、ε2的各项系数对应相等，则
[0066]
[0067] 将式(10)带入式(7)，得状态变量Δωg的近似表达式为Δωg≈KAΔθ+KBΔωr (11)
[0068] 其中，
[0069]
[0070] 整理状态方程：
[0071]
[0072] 系统的状态方程降阶为：
[0073]
[0074] 降阶后的状态空间的特征方程为：
[0075] p2+(KA-a11)p-KAa11-(1-KB)a13＝0 (15)
[0076] 轴系振荡模态所对应特征根的实部为
[0077]
[0078] 由式(16)可知，风力机的惯量大小Hr与轴系振荡模态的实部直接相关，当风力机的等值惯性时间常数Hr减小时，σ1,2向状态平面的虚轴靠近，不利于风电机组的轴系动态稳定。因此，有必要给出一种轴系稳定控制方法，在所设置的控制方式下，保证风电机组及并网系统的安全稳定运行。
[0079] 若通过调整风力机的桨距控制器实现对输出机械功率的调整，以等效改变风力机的惯性时间常数，则调节风力机桨距角产生的功率补偿量ΔPr为
[0080]
[0081] 根据式(3)和式(17)，风力机的转子运动方程可表示为：
[0082]
[0083] 进一步整理得：
[0084]
[0085] 根据式(16)和式(19)的推导结果，轴系振荡模态所对应特征根的实部为[0086]
[0087] 根据式(20)可知，当轴系稳定控制器的控制系数Hr_vic大于0，轴系振荡模态对应的特征根实部减小；当Hr_vic从0逐渐增大时，特征根的根轨迹向坐标平面的左半平面移动，有利于提高轴系的动态稳定性。
[0088] 若所需功率补偿量ΔPr由桨距角调节器承担，可设风电机组的补偿功率变化率为P％，则
[0089]
[0090] 在最大功率运行区，机组补偿功率变化率为P％时，风能利用系数CPH可表示为：
[0091]
[0092] 其中，最大风能利用系数CPmax可表示为
[0093]
[0094] 式中，CPmax为最大风能利用系数，对于特定的风力机，其最佳叶尖速比对应的最大风能利用系数是唯一的，可通过查找风能利用系数曲线确定最大风能利用系数CPmax，确定最佳叶尖速比和最大风能利用系数之后，可根据式(2)，设定桨距角参考值
[0095] 由式(22)可求出，风力机输出机械功率的补偿量为ΔPr时，所对应的桨距角β1的大小。
[0096] 在转速恒定区，由于该运行区域风机的转速波动很小，因此两质量块间形成的轴系扭矩很小，此时无需对桨距角进行调节，将桨距角保持在β0的设定值即可。
[0097] 根据式(3)、式(4)可知，当风速波动较大及系统遭受扰动时，风力发电机的轴系动态方程出现不平衡功率，发电机的转子转速开始振荡，对轴系的柔性连接部件造成冲击。为使双馈风电机组能够维持轴系动态稳定，当风电机组运行于最大功率运行区域，根据式(22)重新设置风力机的桨距角为β1，使之产生的机械功率能够响应转子转速的变化，通过调节虚拟质量块控制系数Hr_vic的大小，以快速平抑轴系间的不平衡功率，给予轴系动态安全短时功率支撑，其控制结构如图5所示。图5中，风力机转速参考指令ωr*与实际转速ωr比较后，经过PI控制器、积分环节1/s和惯性环节1/(T1s+1)，可输出根据式(2)所计算的桨距角参考值β0，其中积分环节1/s和惯性环节1/(T1s+1)用于模拟风力机桨距控制系统的伺服机构，T1为伺服时间常数。控制系数Hr_vic的大小用于调节虚拟质量块的等值惯量。
[0098] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。图2是本发明实施例含风电的发电系统仿真拓扑结构图，对应的风电并网系统包括第一同步发电机SG1、第二同步发电机SG2、双馈风电机组DFIG、第一变压器T1、第二变压器T2和第三变压器T3，所述第一同步发电机SG1通过第一变压器T1连接至第三母线B3上，所述第二同步发电机SG2通过第二变压器T2连接至第四母线B4上，所述双馈风电机组DFIG依次通过并网换流器、第三变压器T3连接至第三母线B3上。本实施例基于DIgSILENT/PowerFactory仿真平台，所搭建的仿真系统中包含两个额定容量为900兆瓦的同步发电机组，一个由400台双馈风电机组(doublyfedinductiongenerator，DFIG)并联接入的双馈风电场，其中每台DFIG的额定容量为2兆瓦，风电场经第三母线B3接入系统，负荷L1为967兆瓦，负荷L2为1767兆瓦。仿真过程中，系统的仿真采样步长h取0.1毫秒。
[0099] 表1 双馈风电机组DFIG的机组参数
[0100]
[0101] 表2 同步发电机组SG的机组参数
[0102]
[0103] 为验证虚拟质量块轴系稳定控制对风电机组轴系稳定性能的影响，在图2所示系统的第八母线B8处设置持续时间为0.1秒的三相短路故障，故障过程中，风速保持恒定为9米/秒，双馈风电机组DFIG的机组参数和同步发电机SG的机组参数见表1、2。
[0104] 通过设置以下两种控制方案，验证风电机组的不同控制方法对轴系振荡稳定的影响，说明本发明可以通过虚拟质量块轴系稳定控制方法灵活设置风力机的桨距角，调节其输出的机械功率，减小动态过程中形成的不平衡功率，提高风电机组的轴系动态稳定性能。
[0105] 方案1：风电机组无附加轴系稳定控制器，即轴系稳定控制系数Hr_vic＝0。
[0106] 方案2：风电机组附加虚拟轴系稳定控制器，轴系稳定控制系数Hr_vic＝30。
[0107] 风力发电机输出的电磁功率及其转子转速动态响应曲线如图3、4。由图3a和图4a可知，由于未附加轴系功率控制，系统故障期间风电机组以较大幅度调整输出的有功功率，因此实施控制方案1时风电机组电磁转矩及转速出现较大波动，这不利于风电机组轴系的动态稳定性；由图3b和图4b可知，实施虚拟轴系稳定控制策略即方案2后，风电机组根据式(1)将桨距角设置为β1，改变机械功率的大小，补偿系统扰动在其轴系产生的不平衡功率，能够减小风电机组电磁转矩的振荡频率，缩短风电机组的转速恢复时间，提高了风电机组的抗干扰能力，保证了风电机组的安全稳定运行。
[0108] 本发明提供的基于虚拟质量块的风力机双质块轴系稳定控制方法，通过监测风力机的转子转速信号，通过调节风力机桨距角改变其输出机械功率，实现对风力机惯性时间常数的灵活改变，能够减小两质块模型风电机组在动态过程中形成的不平衡功率，提高风电机组轴系柔性链接部件的耐受干扰能力，保证风电机组在大幅度风速波动及功率调节过程中的轴系动态稳定性；与传统轴系阻尼控制相比，由于实际工程中对风电机组轴系扭转角测量困难，本发明引入风力机的转速信号，能够灵活调整风机轴系的等值惯量，在不加装新的硬件设备的前提下，提高了风电机组阻尼轴系振荡的能力；该控制方法操作简单，控制参数少且易于整定，具有较强的适应性和可实施性，能够实现对风电机组安全稳定运行的可靠控制。
[0109] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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