風(fēng)機(jī)虛擬同步發(fā)電機(jī)的慣性控制研究

引言

虛擬同步發(fā)電機(jī))VSG)技術(shù)是一種新興的逆變器控制技術(shù),它的主要思想是控制并網(wǎng)逆變器模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電動(dòng)態(tài)特性,將其應(yīng)用在風(fēng)電系統(tǒng)中則可賦予風(fēng)力發(fā)電機(jī)與同步機(jī)類似的內(nèi)部機(jī)制和外部特性。以往針對(duì)風(fēng)機(jī)虛擬同步發(fā)電機(jī)(WT-VSG)的研究大多將直流側(cè)能源用理想電壓源來替代,而這種方法既不精確也不符合工程實(shí)際。本文針對(duì)WT-VSG的詳細(xì)模型提出了一種新型的慣性控制方案,能提高風(fēng)電機(jī)組的慣性響應(yīng)能力。

1風(fēng)機(jī)虛擬同步發(fā)電機(jī)模型

以永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)為對(duì)象建立詳細(xì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型,模型采用雙PwM背靠背式全功率變流器,并在網(wǎng)側(cè)變流器中采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制,其拓?fù)淇刂迫鐖D1所示。

2WT-VSG慣性控制策略

但僅采用VSG控制,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)頻率的響應(yīng)速度較慢,功率不足,在頻率突變時(shí)機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)子動(dòng)能不能迅速補(bǔ)償至直流環(huán)節(jié),容易引起直流電壓突降,嚴(yán)重時(shí)將影響到WT-VSG系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文提出的新型慣性控制方案能夠利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)子中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能抑制直流母線電壓的波動(dòng),提高網(wǎng)側(cè)變流器的功率輸出,從而改善系統(tǒng)的整體慣性響應(yīng)水平。其控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

該方案包含兩個(gè)控制環(huán)節(jié):電流前饋和功率超發(fā)。把網(wǎng)側(cè)虛擬同步發(fā)電機(jī)內(nèi)核模型中的慣性響應(yīng)的輸出作為電流前饋引入機(jī)側(cè),利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)子中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能抑制直流母線電壓的波動(dòng):將功率超發(fā)引入網(wǎng)側(cè)VSG控制環(huán)節(jié),以提高風(fēng)機(jī)在負(fù)荷波動(dòng)時(shí)的慣性響應(yīng)水平。另外,在機(jī)側(cè)變流器中增加了MPPT

數(shù)據(jù)鎖存環(huán)節(jié),避免了汲取轉(zhuǎn)子動(dòng)能后因轉(zhuǎn)速下降所造成的風(fēng)機(jī)最大功率點(diǎn)改變的狀況。

在新型慣性控制方案下機(jī)側(cè)變流器所提供的總的電磁功率為:

式中,K1為電流前饋環(huán)節(jié)的比例系數(shù):Pvvs為虛擬同步發(fā)電機(jī)對(duì)系統(tǒng)的功率響應(yīng),Pvvs=Pi-Pvie,Pi為虛擬同步發(fā)電機(jī)所計(jì)算出的有功輸出,Pvie為網(wǎng)側(cè)VSG控制的有功參考,正常運(yùn)行時(shí)與風(fēng)機(jī)的最大功率點(diǎn)Pm++e相等,進(jìn)入慣性控制環(huán)節(jié)時(shí)與慣性控制開啟時(shí)刻Pmppt相等。

網(wǎng)側(cè)變流器所發(fā)出的功率為:

式中,on為VSG的額定角速度:og為電網(wǎng)側(cè)角速度:Dp為下垂系數(shù):K2為功率增發(fā)環(huán)節(jié)的比例系數(shù)。

3仿真分析

在PsCAD仿真環(huán)境中搭建了風(fēng)機(jī)虛擬同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的仿真模型,該模型包括一臺(tái)2Mw的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)和一臺(tái)l0Mw的傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組,假設(shè)仿真中風(fēng)速不變,設(shè)定系統(tǒng)在30s時(shí)負(fù)荷突然增加900kw,所得的仿真結(jié)果如圖3所示。

從系統(tǒng)頻率波形響應(yīng)可以看出風(fēng)機(jī)通過VSG參與慣性響應(yīng)(WT-VSG)與風(fēng)機(jī)不參與慣性響應(yīng)(WT)時(shí)的頻率表現(xiàn)相差不大,最低點(diǎn)均在49.4Hz左右。而采用了新型慣性控制的WT-VSG2則具有良好的慣性響應(yīng)水平,其前4s內(nèi)的頻率最低點(diǎn)僅為49.6Hz。由于在4s左右WT-VSG2退出了慣性控制,所以頻率在4s之后表現(xiàn)為再次下降,但總體頻率表現(xiàn)要優(yōu)于其他兩種情況。

WT-VSG1的直流電壓在負(fù)荷波動(dòng)初期(30s)就受到了擾動(dòng),且直流電壓在頻率

波動(dòng)期間存在漂移現(xiàn)象,而WT-VSG2由于存在電流前饋環(huán)節(jié),能夠很好地抑制直流母線電壓的波動(dòng)并在頻率變化期間維持直流電壓的穩(wěn)定。雖然在退出慣性控制時(shí)WT-VSG2的直流電壓仍存在一定程度的波動(dòng),但總體表現(xiàn)和波動(dòng)幅度要優(yōu)于WT-VSG1。

從風(fēng)輪轉(zhuǎn)速中可以看出,WT-VSG1的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)不大,風(fēng)輪所能提供的能量有限,而WT-VSG2在新型慣性控制策略下充分利用了儲(chǔ)存在風(fēng)輪中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能,并在風(fēng)輪轉(zhuǎn)速到達(dá)設(shè)定下限(0.75p.u.)時(shí)退出了慣性控制。

同時(shí),可以明顯看出,WT-VSG2在功率超發(fā)模塊的控制下使用變流器的剩余容量對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功率支撐。

4結(jié)語

本文基于WT-VSG提出了一種新型的慣性控制方案,該方案將VSG對(duì)頻率變化所產(chǎn)生的響應(yīng)饋入機(jī)側(cè)變流器的電流控制環(huán)節(jié)以改變機(jī)側(cè)功率輸出,通過控制VSG的功率參考值改變虛擬同步發(fā)電機(jī)的有功輸出,在參數(shù)選擇的比例合適的情況下,能夠在平抑直流電壓波動(dòng)的同時(shí)改善風(fēng)機(jī)虛擬同步機(jī)的慣性響應(yīng)水平。