引言

虛擬同步發(fā)電機)VSG)技術是一種新興的逆變器控制技術,它的主要思想是控制并網逆變器模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機的機電動態(tài)特性,將其應用在風電系統(tǒng)中則可賦予風力發(fā)電機與同步機類似的內部機制和外部特性。以往針對風機虛擬同步發(fā)電機(WT-VSG)的研究大多將直流側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際。本文針對WT-VSG的詳細模型提出了一種新型的慣性控制方案,能提高風電機組的慣性響應能力。

1風機虛擬同步發(fā)電機模型

以永磁直驅式風力發(fā)電機為對象建立詳細的風力發(fā)電機系統(tǒng)模型,模型采用雙PwM背靠背式全功率變流器,并在網側變流器中采用虛擬同步發(fā)電機控制,其拓撲控制如圖1所示。

2WT-VSG慣性控制策略

但僅采用VSG控制,風力發(fā)電系統(tǒng)對電網頻率的響應速度較慢,功率不足,在頻率突變時機側轉子動能不能迅速補償至直流環(huán)節(jié),容易引起直流電壓突降,嚴重時將影響到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輪轉子中的旋轉動能抑制直流母線電壓的波動,提高網側變流器的功率輸出,從而改善系統(tǒng)的整體慣性響應水平。其控制結構框圖如圖2所示。

該方案包含兩個控制環(huán)節(jié):電流前饋和功率超發(fā)。把網側虛擬同步發(fā)電機內核模型中的慣性響應的輸出作為電流前饋引入機側,利用風輪轉子中的旋轉動能抑制直流母線電壓的波動:將功率超發(fā)引入網側VSG控制環(huán)節(jié),以提高風機在負荷波動時的慣性響應水平。另外,在機側變流器中增加了MPPT

數(shù)據(jù)鎖存環(huán)節(jié),避免了汲取轉子動能后因轉速下降所造成的風機最大功率點改變的狀況。

在新型慣性控制方案下機側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)電機對系統(tǒng)的功率響應,Pvvs=Pi-Pvie,Pi為虛擬同步發(fā)電機所計算出的有功輸出,Pvie為網側VSG控制的有功參考,正常運行時與風機的最大功率點Pm++e相等,進入慣性控制環(huán)節(jié)時與慣性控制開啟時刻Pmppt相等。

網側變流器所發(fā)出的功率為:

式中,on為VSG的額定角速度:og為電網側角速度: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)境中搭建了風機虛擬同步發(fā)電機系統(tǒng)的仿真模型,該模型包括一臺2Mw的永磁直驅式風力發(fā)電機和一臺l0Mw的傳統(tǒng)同步發(fā)電機組,假設仿真中風速不變,設定系統(tǒng)在30s時負荷突然增加900kw,所得的仿真結果如圖3所示。

從系統(tǒng)頻率波形響應可以看出風機通過VSG參與慣性響應(WT-VSG)與風機不參與慣性響應(WT)時的頻率表現(xiàn)相差不大,最低點均在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水平,其前4s內的頻率最低點僅為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。

從風輪轉速中可以看出,WT-VSG1的風輪轉速波動不大,風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輪中的旋轉動能,并在風輪轉速到達設定下限(0.75p.u.)時退出了慣性控制。

同時,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)進行了功率支撐。

4結語

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對頻率變化所產生的響應饋入機側變流器的電流控制環(huán)節(jié)以改變機側功率輸出,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改善風機虛擬同步機的慣性響應水平。