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)動能抑制直流母線電壓的波動,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)動能抑制直流母線電壓的波動: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2Mw的永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)和一臺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)荷波動初期(30s)就受到了擾動,且直流電壓在頻率

波動期間存在漂移現(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,但總體表現(xiàn)和波動幅度要優(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存在風(fēng)輪中的旋轉(zhuǎn)動能,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的同時(shí)改善風(fēng)機(jī)虛擬同步機(jī)的慣性響應(yīng)水平。