本發明涉及風電技術領域，尤其是一種雙饋風電機組參與電網頻率調節的控制系統及方法。

背景技術：

隨著風電在電源結構中的比例不斷增大，其對電力系統安全穩定運行的影響日益顯著。部分地區風電發展與系統安全運行的矛盾逐步顯現，棄風現象不斷出現，風電消納已經成為影響中國風電健康發展的關鍵問題。那么，由于風電在電力系統中所占比重的不斷攀升以及變速恒頻風電技術的廣泛應用，風電并網給電力系統穩定運行帶來了新的挑戰，系統面臨如電壓控制、頻率調節和電能質量等問題。因而，使風電機組為系統提供輔助性的服務如頻率調節、無功控制等成為風電發展的必然趨勢。

通常，發電廠對于系統頻率的響應包括慣性響應、一次調頻和二次調頻，且3種頻率控制形式之間功能互補、相輔相成。

慣量響應有短期向電網注入有功功率的能力，直到系統一次調頻控制激活。傳統發電機慣量響應能力與其物理質量塊大小、同步電機的物理現象有關，發電機選型確定后，轉動慣量為恒定值且無法改變。

雙饋風力發電機組其轉子通過換流器與電網連接，造成轉子轉速與系統頻率解耦，對系統的慣量沒有貢獻，無法為一次頻率控制提供支撐。由于變速風電機組采用了電力電子變換器，實現了機械功率與系統電磁功率的解耦控制，也因此失去了對頻率的快速有效響應，導致其旋轉動能對整個系統的慣量幾乎沒有貢獻。

風電機組動能包括葉片、齒輪箱、發電機的動能。機組葉片慣量遠高于發電機的慣量，但是發電機有較高的轉速，所以風電機組中儲存了大量的動能。

技術實現要素：

為了解決現有風電并網方式帶來的電網頻率穩定性較差的不足，本發明提供了一種有效解決風電高滲透率下頻率穩定性問題的基于雙饋風電機組的慣量控制系統及方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種基于雙饋風電機組的慣量控制系統，包括：

電網頻率檢測模塊，用于快速和高精度的檢測到電網頻率；

慣量響應控制模塊，用于根據檢測到的電網頻率變化為依據，分別控制風電機組的轉矩和轉速；

所述慣量響應控制模塊中，模擬某固定慣量時間常數的同步機慣量響應特性，將轉矩指令傳送給變流器；轉速指令用于主控進行發電機運行轉速控制，轉速控制環的限幅參數會根據電網頻率及機組的運行工況進行實時調整。

一種基于雙饋風電機組的慣量控制方法，所述控制方法包括以下步驟：

1)頻率采集：以風電機組出口端為測量點，采集電網電壓的頻率，并進行濾波處理；

2)轉矩控制：根據預設的某慣量時間常數、檢測發電機組實時轉速、并且獲取頻率檢測模塊傳送的頻率，根據變化率計算出慣量響應的附加轉矩，并將常規轉矩控制環的轉矩給定值與附加轉矩相加后傳送給變流器；

3)轉速控制：控制根據當前轉速、轉速變化率、預設模擬的慣量時間常數計算出轉速初始目標值，對轉速初始目標值進行限幅處理，參考發電機慣量控制前的轉速進行機組運行狀態的判斷，并根據轉速和電網頻率設置限幅參數。

進一步，所述步驟2)中，附加轉矩我計算公式如下：

$\mathrm{\Δ}T=K\frac{df}{dt}$

其中，ΔT為附加轉矩，K為附加轉矩計算系數，由機組額定容量、額定頻率和發電機轉速參數決定，f為電網頻率。

更進一步，所述步驟3)中，轉速初始目標值ω_t，計算公式如下：

$\frac{1}{2}{{\mathrm{J\ω}}_t}^2=K\frac{df}{dt}\×{\mathrm{\ω}}_g\×T+\frac{1}{2}{{\mathrm{J\ω}}_g}^2$

其中，ω_g為發電機當前轉速；K為附加轉矩計算系數；T為轉速控制周期；J為風力發電機組慣量值；ω_t為轉速初始目標值；為轉速變化率。

本發明的技術構思為：雙饋風力發電機組的轉子通過換流器與電網連接，造成轉子轉速與系統頻率解耦，對系統的慣量沒有貢獻，無法為一次頻率控制提供支撐。但是，風電機組動能包括葉片、齒輪箱、發電機的動能。機組葉片慣量遠高于發電機的慣量，但是發電機有較高的轉速，所以風電機組具有大量的動能。由于變速風電機組采用了電力電子變換器，風電機組能夠快速的控制響應效果，因此考慮模擬常規同步機的慣量特性。

電網頻率檢測和采集模塊以風電機組出口端為測試點，對測量的電網頻率進行低通濾波處理，根據電網頻率的變化率(增大或減小)進行轉矩和轉速控制。

首先，轉矩控制根據預設的某慣量時間常數、發電機組實時轉速、頻率變化率計算出慣量響應的附加轉矩，并將常規轉矩控制環的轉矩給定值與附加轉矩相加后傳送給變流器；

其次，轉速控制根據當前轉速、轉速變化率、預設模擬的慣量時間常數計算出轉速目標值。

最后，對于上述給定的轉速目標值進行限幅后，再進行發電機的轉速控制。對于機組的限幅值需要根據發電機慣量控制前的轉速進行機組運行狀態的判斷，并根據轉速和電網頻率設置限幅參數。

本發明的有益效果主要表現在：1.根據電網頻率變化可以快速的提供頻率支撐；2.由于頻率支撐的主要依據為頻率變化率，所以慣量響應頻率支撐效果顯著；3.采用了轉矩和轉速同時控制的方法，實現了最大功率跟蹤控制環與慣量響應控制環之間的耦合；4、采用轉速限幅參數實時變化的方法，保證了機組在不同運行區間轉速的平滑控制。

圖1是轉矩控制示意圖。

圖2是轉速控制及轉速限幅示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步描述。

參照圖1～圖2，一種基于雙饋風電機組的慣量控制系統，包括：

電網頻率檢測模塊，用于快速和高精度的檢測到電網頻率；

慣量響應控制模塊，用于根據檢測到的電網頻率變化為依據，分別控制風電機組的轉矩和轉速；

所述慣量響應控制模塊中，模擬某固定慣量時間常數的同步機慣量響應特性，將轉矩指令傳送給變流器；轉速指令用于主控進行發電機運行轉速控制，轉速控制環的限幅參數會根據電網頻率及機組的運行工況進行實時調整。

一種基于雙饋風電機組的慣量控制方法，所述控制方法包括以下步驟：

1)頻率采集：以風電機組出口端為測量點，采集電網電壓的頻率，并進行濾波處理。

2)轉矩控制：根據預設的某慣量時間常數、檢測發電機組實時轉速、并且獲取頻率檢測模塊傳送的頻率，根據變化率計算出慣量響應的附加轉矩，計算公式如下：

$\mathrm{\Δ}T=K\frac{df}{dt}$

其中，ΔT為附加轉矩，K為附加轉矩計算系數，由機組額定容量、額定頻率、發電機轉速等參數決定，f為電網頻率。

將常規轉矩控制環的轉矩給定值與附加轉矩相加后傳送給變流器。

3)轉速控制：根據當前轉速、轉速變化率、預設模擬的慣量時間常數計算出轉速初始目標值ω_t，計算公式如下：

$\frac{1}{2}{{\mathrm{J\ω}}_t}^2=K\frac{df}{dt}\×{\mathrm{\ω}}_g\×T+\frac{1}{2}{{\mathrm{J\ω}}_g}^2$

其中，ω_g為發電機當前轉速；K為附加轉矩計算系數；T為轉速控制周期；J為風力發電機組慣量值；ω_t為轉速初始目標值；為轉速變化率。

對轉速初始目標值進行限幅處理，參考發電機慣量控制前的轉速進行機組運行狀態的判斷，并根據轉速和電網頻率通過對風電機組主控系統參數賦值進行限幅參數設置。