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虚拟同步发电机技术在风力发电系统中的应用与展望

2018-05-28 08:56:31
作者: 柴建云,赵杨阳,孙旭东,耿华
分类: 技术应用
导读

本文首先介绍了实现风机VSG控制的不同方案,针对高风能渗透率系统的频率稳定性等关键问题,阐述了最大功率跟踪(MPPT)与频率支撑的协调策略,揭示了实际转轴与虚拟转轴的内在联系;探讨了VSG技术在全功率变换型(PMSG)风机和双馈型(DFIG)风机中的典型应用,及其在大规模风电场聚合等值领域的应用前景;最后,总结分析了该领域尚存在的问题以及可行的解决思路。

研究背景与内容

传统功率闭环控制使得风机对电网表现为功率源形式,缺乏内禀的频率、电压支撑能力,随着电网中风能渗透率的逐渐提高,系统等效转动惯量缺失以及频率稳定性下降等问题凸显。

近年来,虚拟同步发电机(VSG)技术的发展促进了电网友好型变流器的应用,其可模拟常规同步发电机的输出外特性,使变流器具备支撑电网频率、电压的重要作用,VSG技术在风力发电系统中的应用也逐渐受到广大学者的关注。

本文首先介绍了实现风机VSG控制的不同方案,针对高风能渗透率系统的频率稳定性等关键问题,阐述了最大功率跟踪(MPPT)与频率支撑的协调策略,揭示了实际转轴与虚拟转轴的内在联系;探讨了VSG技术在全功率变换型(PMSG)风机和双馈型(DFIG)风机中的典型应用,及其在大规模风电场聚合等值领域的应用前景;最后,总结分析了该领域尚存在的问题以及可行的解决思路。

风机的虚拟同步控制方案

为了使风电更好的融入当前以大型同步机为主导的电力系统中,国内外学者提出了多种风机VSG控制方案,其本质都是使风机的并网接口可以模拟传统同步机的惯量、阻尼特性以及频率、电压支撑能力。

1)依赖储能的协同控制

该方案通过风机与储能设备的协同控制,使得系统并联输出后的接口特性与同步发电机的外特性一致,由于VSG特性均由储能设备控制实现而无需改变风机变流器控制,其对风电机组的改造成本较低,但附加储能不仅提高了风场的设备成本,而且这种控制方式也未有效利用风轮机转子储藏的动能。

2)预留容量的改进MPPT控制

该方案将超速减载和桨距角控制相结合,在低风速区通过提升发电机转速进行独立的超速控制实现减载,在中风速区通过超速与变桨配合满足减载要求,在高风速区使用变桨调节完成减载运行。其与现有MPPT控制的兼容性较好,风机无需附加储能设备也可具备与同步机类似的输出外特性,但由于预留了部分风机容量,使得稳态时的最大风能利用率降低。

3)基于频率检测的虚拟惯量控制

该方案将电网频率测量值经比例-微分控制器作用后叠加于风机MPPT指令处,其中频率信号通过微分控制器模拟机组惯量,同时通过下垂控制器模拟一次调频,其能有效利用风轮机的转子旋转动能为电网提供动态功率,并兼顾稳态MPPT运行和动态频率支撑。由于该方案无需对风机变流器的原有内环控制做大幅改动,也是目前虚拟同步型风机改造中可行性较高的方法之一,基于该方法的风电机组、机群已于2017年在张北风场成功并网运行。

4)内禀频率的自同步控制

该方案使用VSG模型替代风机变流器的原有内环控制算法,其功率外环依然接受MPPT指令,但该指令不再直接控制变流器中基于电网电压矢量定向的dq轴电流,而是将其作为VSG模型的机械功率,其与有功反馈通过虚拟惯量及阻尼系数作用产生虚拟同步频率,无功反馈通过励磁调节器生成励磁电压幅值,将上述频率、幅值合成获得机组的旋转内电势参考值。该方案将VSG模型引入风机变流器内环控制中,使得风机具备内禀的同步频率,并不再依赖锁相环(PLL)检测电网频率及其变化率,避免了动态过程中的频率失稳,减弱了微分算法带来的负阻尼效果。

虚拟同步型风机应用中的关键问题

1)MPPT与频率支撑的协调方案

传统风机的电流内环实时跟踪电网电压矢量并注入当前风速下的最大功率,系统缺乏响应电网扰动的冗余容量,但电网友好型接口特性要求风机能够进行动态频率支撑,所以协调MPPT与频率支撑是虚拟同步型风机应用中的关键。

已有的协调手段主要分为附加控制和嵌套控制。其中,附加控制包含改进MPPT控制及基于频率检测的虚拟惯量控制,其无需改变风机已有的内环算法,而是在MPPT指令中附加动态功率值。而嵌套控制主要为内禀频率的自同步控制,其需要将传统内环改造为VSG模型,外环沿用MPPT控制,并通过闭环时间常数的设置保证两控制闭环的协调运行,使得VSG在动态频率支撑过程中外环MPPT指令相对稳定。值得注意的是,电力系统频率由所有并网的同步型电源共同决定,在扰动过程中系统内混合了各电源的独立频率信息,所以基于PLL频率检测的风机VSG控制在动态过程中无法获得准确的电网频率信号,而采用内禀频率的风机VSG控制则可以继承现有同步型电源的自同步特性,在动态过程中具备自治的频率信息,并可与其余并联电源共同决定系统频率。由于风轮机作为原动机在一定风速下的最大输出功率受限,若风电系统需参与一次调频,还应配置适当的储能来提供稳态频差功率及MPPT恢复过程所需的电能。

2)风轮机转轴与虚拟轴的能量平衡机理

MPPT最佳转速循优原理保证风机实际轴系的动态稳定,而虚拟轴的稳定机理与传统同步机的转子摇摆特性一致,进一步揭示实际轴与虚拟轴之间的能量传递机理也是该研究领域的关键问题。在系统扰动过程,频率响应主要通过虚拟同步轴实现,若电网频率跌落,在频率支撑过程中由风轮转子转速跌落所释放的动能即为风机向电网增发的有效电能。而在MPPT恢复过程中,最大风能捕获通过风轮机转轴的转速循优过程逐步实现,最终完成双轴系统的能量平衡。

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虚拟同步型风机的典型应用

1)PMSG型风机中的应用

改进PMSG型风机的变流器控制方法使其并网接口特性类似一台传统同步机,具体控制框图如图2(a)。其中机侧变流器(MSC)的运行方式模拟同步电动机(VSM),网侧变流器(GSC)的运行方式模拟同步发电机(VSG)。区别于传统控制中通过MSC实现MPPT,在VSM模式下的MSC的主要用于控制直流母线电压以及维持电机的单位功率因数运行,同时GSC以MPPT功率控制为外环,VSG模型为内环,实现并网接口的虚拟同步化。

2)DFIG型风机中的应用

DFIG型风机的VSG控制如图2(b)。考虑到转子侧变流器(RSC)具有转差运行与间接控制的特殊性,首先令其有功指令为风机当前MPPT值,功率反馈值为系统的并网总功率;其次VSG模型中的虚拟同步频率需减去当前转子转速后再作为RSC中电压矢量的旋转频率;最后VSG的输出参考值需经转子电流控制模块实现对定子内电势的间接控制。综上,即可在DFIG风机的并网点模拟传统同步发电机的外特性。

(a) 虚拟同步化的PMSG型风机控制框图

(b) 虚拟同步化的DFIG型风机控制框图

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风电机组的VSG控制不仅提升了控制系统的参数鲁棒性,实现了无需PLL的自同步特性,并且在机电动态方程约束下统一了PMSG型风机与DFIG型风机的并网接口特性。图3是1.5MW并网型DFIG-VSG风机在各类扰动下的仿真波形,事件时序如下:0.1s时GSC启动建立直流母线,1s时RSC启动预同步控制,2s时定子并入电网,4s时电网电压跌落5%,并在6s恢复,8s时风速由8m/s升至14m/s, 10s时电网频率跌至49.75Hz,并在12s恢复为50Hz。

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3)风电场聚合等值中的应用

风机的传统控制使其缺乏统一的并网接口动态特性,而虚拟同步型风机由于具备模拟同步发电机接口特性的能力,为大规模风场的聚合等值研究提供了机组层面的控制基础;同时,基于虚拟同步型风机的风场聚合模型在阶数及参数物理含义方面也与传统同步电机类似,从而使得此类聚合模型不仅有利于电力系统分析高风能渗透率电网的稳定性问题,同时也增强了电力电子型电源与以同步机为主导的电力系统的融合性。

总结与展望

随着风能在发电系统中所占比重的不断增加,采用VSG技术的风电机组可以有效解决电力系统等效惯量、阻尼降低等问题,也为新能源的友好型并网模式提供了解决思路,但这种新型的风机并网控制方式依然存在着一些值得继续探究的问题。

1)控制参数的整定标准

参数选取一方面需要满足电力系统的调频、调压需求,另一方面需要考虑风场全局协同控制及多机稳定性问题;不同风速下风轮转子储存的动能各异,在频率支撑过程中承担的动态功率应根据稳态输出功率进行分配,控制参数的标幺值还应与MPPT数值有关。

2)暂态控制及故障穿越

风力发电系统的极限电压、电流值大多受到所使用电力电子器件的边界条件约束,其在短时过载、低电压穿越等暂态特性方面的性能远低于实际的同步发电机组,可利用电力电子快速精准的控制优势,不仅使得虚拟同步型风机具有传统同步机的输出特性,还可实现传统同步发电机所缺乏的谐波抑制、零序负序分量控制以及不对称运行等状态下的控制能力。

3)弱联环境下的风场聚合模型

风场内大量分布式风机的关联耦合、相互激励问题较为复杂,目前大部分风场仅能够依照机组稳态功率进行聚合等值,而VSG模型中参数的柔性调节能力可为不同类型风机的并网接口提供动态聚合基础,基于虚拟同步型风机的聚合模型还可提高电力系统对大规模风场并网动态特征的认知能力。

针对上述问题,应进一步掌握并联风机及源-网间的功率交互规律,推进风电参与系统动态调频、调压的规范制定,逐步构建灵活自主、支撑电力系统稳定运行的新能源并网标准模式。

新闻底部图4月新640.jpg

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来源:万选通资讯
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