风机虚拟同步发电机的惯性控制研究

引言

虚拟同步发电机)VSG)技术是一种新兴的逆变器控制技术,它的主要思想是控制并网逆变器模拟传统同步发电机的机电动态特性,将其应用在风电系统中则可赋予风力发电机与同步机类似的内部机制和外部特性。以往针对风机虚拟同步发电机(WT-VSG)的研究大多将直流侧能源用理想电压源来替代,而这种方法既不精确也不符合工程实际。本文针对WT-VSG的详细模型提出了一种新型的惯性控制方案,能提高风电机组的惯性响应能力。

1风机虚拟同步发电机模型

以永磁直驱式风力发电机为对象建立详细的风力发电机系统模型,模型采用双PwM背靠背式全功率变流器,并在网侧变流器中采用虚拟同步发电机控制,其拓扑控制如图1所示。

2WT-VSG惯性控制策略

但仅采用VSG控制,风力发电系统对电网频率的响应速度较慢,功率不足,在频率突变时机侧转子动能不能迅速补偿至直流环节,容易引起直流电压突降,严重时将影响到WT-VSG系统的稳定性。本文提出的新型惯性控制方案能够利用风轮转子中的旋转动能抑制直流母线电压的波动,提高网侧变流器的功率输出,从而改善系统的整体惯性响应水平。其控制结构框图如图2所示。

该方案包含两个控制环节:电流前馈和功率超发。把网侧虚拟同步发电机内核模型中的惯性响应的输出作为电流前馈引入机侧,利用风轮转子中的旋转动能抑制直流母线电压的波动:将功率超发引入网侧VSG控制环节,以提高风机在负荷波动时的惯性响应水平。另外,在机侧变流器中增加了MPPT

数据锁存环节,避免了汲取转子动能后因转速下降所造成的风机最大功率点改变的状况。

在新型惯性控制方案下机侧变流器所提供的总的电磁功率为:

式中,K1为电流前馈环节的比例系数:Pvvs为虚拟同步发电机对系统的功率响应,Pvvs=Pi-Pvie,Pi为虚拟同步发电机所计算出的有功输出,Pvie为网侧VSG控制的有功参考,正常运行时与风机的最大功率点Pm++e相等,进入惯性控制环节时与惯性控制开启时刻Pmppt相等。

网侧变流器所发出的功率为:

式中,on为VSG的额定角速度:og为电网侧角速度:Dp为下垂系数:K2为功率增发环节的比例系数。

3仿真分析

在PsCAD仿真环境中搭建了风机虚拟同步发电机系统的仿真模型,该模型包括一台2Mw的永磁直驱式风力发电机和一台l0Mw的传统同步发电机组,假设仿真中风速不变,设定系统在30s时负荷突然增加900kw,所得的仿真结果如图3所示。

从系统频率波形响应可以看出风机通过VSG参与惯性响应(WT-VSG)与风机不参与惯性响应(WT)时的频率表现相差不大,最低点均在49.4Hz左右。而采用了新型惯性控制的WT-VSG2则具有良好的惯性响应水平,其前4s内的频率最低点仅为49.6Hz。由于在4s左右WT-VSG2退出了惯性控制,所以频率在4s之后表现为再次下降,但总体频率表现要优于其他两种情况。

WT-VSG1的直流电压在负荷波动初期(30s)就受到了扰动,且直流电压在频率

波动期间存在漂移现象,而WT-VSG2由于存在电流前馈环节,能够很好地抑制直流母线电压的波动并在频率变化期间维持直流电压的稳定。虽然在退出惯性控制时WT-VSG2的直流电压仍存在一定程度的波动,但总体表现和波动幅度要优于WT-VSG1。

从风轮转速中可以看出,WT-VSG1的风轮转速波动不大,风轮所能提供的能量有限,而WT-VSG2在新型惯性控制策略下充分利用了储存在风轮中的旋转动能,并在风轮转速到达设定下限(0.75p.u.)时退出了惯性控制。

同时,可以明显看出,WT-VSG2在功率超发模块的控制下使用变流器的剩余容量对系统进行了功率支撑。

4结语

本文基于WT-VSG提出了一种新型的惯性控制方案,该方案将VSG对频率变化所产生的响应馈入机侧变流器的电流控制环节以改变机侧功率输出,通过控制VSG的功率参考值改变虚拟同步发电机的有功输出,在参数选择的比例合适的情况下,能够在平抑直流电压波动的同时改善风机虚拟同步机的惯性响应水平。