直驱风电机组虚拟同步发电机控制策略研究

直驱风电机组虚拟同步发电机控制策略研究

郭文卓

华电新疆发电有限公司新能源分公司，新疆哈密

摘要：经济在快速发展，社会在不断进步，风电机组虚拟同步发电机实验系统包含了电网模拟器和风电机组变流器两组串联运行的电力电子设备，因此，对风电机组变流器的控制也提出了较高要求。当电网模拟器模拟电网电压发生频率变化时，首先要求并网变流器能够准确、快速地检测出电网电压的频率、幅值与相位，为控制系统及时提供准确的相关信息，使控制系统可采取有效措施避免过电流和直流侧电压的波动。同时，需要变流器控制系统和风机主控系统进行协调控制，实现对电网的无功支撑和频率支撑。

关键词：直驱风电机组；虚拟同步发电机；控制策略；研究

引言

由于风能具有随机性和波动性，风电机组自身调速能力受到限制，因此使高渗透率风电并网系统的稳定性受到影响。同时传统风电并网采用基于频率解耦的MPPT控制和锁相环技术，使其并网接口缺乏自主的调频调压能力。为解决这些问题，通过在风机交流侧配置可控能量的储能，利用风机与储能设备在并网点处的协同作用实现虚拟同步发电机接口特性，但附加储能装置提高了风电场的设备成本。利用风机转子储存的动能实现基于限功率的虚拟同步型风机控制方案，但风机转子存储动能容量有限，不能为系统提供长期的功率支撑。

1风电并网主动支撑技术的研究现状

全球范围内风电渗透率逐渐提升，导致系统惯量不断下降，针对此变化所带来的系统频率与电压的稳定问题，学者们提出了许多风电机组参与调压调频的方法，其主要分为虚拟惯量控制、下垂控制以及一次调频策略等。此外，配合桨距角控制与超速减载控制，可以实现功率的备用储存，提高系统的稳定性;附加储能也可以提高系统的主动支撑能力;虚拟同步发电机技术的出现为风电机组的主动支撑控制提供了新的研究思路。虚拟惯量控制就是将风电机组旋转元件中事先预留的动能释放出来，以此来模拟传统同步发电机的惯量响应过程。在计算单个风电场等效虚拟惯性时间常数基础上，考虑不同风电渗透率情况，给出了电力系统等效惯性时间常数解析计算表达式，提出了变系数的虚拟惯量控制策略，根据变流器的容量大小与风电机组的转速变化，设置边界条件，限制在合理的运行区域，可以有效地防止风电机组在参与调频之后的恢复过程中出现频率的二次跌落。将转子转速变化过程所吸收或者释放的虚拟惯量功率与传统同步发电机组相结合，传统发电机组可以快速地做出反映来风调节频率变化，在整体上加快了系统调频的速度，同时针对频率的二次跌落有着积极的抑制作用。对于风电的虚拟惯量控制，在实现过程中与最大功率追踪控制之间存在着相互的影响。

2直驱风电机组虚拟同步发电机控制策略研究

2.1定期维护

风电场风电机组需要定期对风力发电整机进行维护，定期检查恶劣环境中的雨水、尘土、雷电等因素所造成的风力发电机运行问题，维护人员一旦发现风力发电机故障问题，应及时处理确保发电机清洁、干净，降低发电机运行故障发生率。同时，螺栓、垫圈等发电机紧固件需要及时检查其连接情况、绝缘性能等，保证风力发电机的结构件可以满足实际运行需要，风力发电机通常可通过干油润滑、稀油润滑来起到对内部机械装置的润滑作用，稀油润滑多用于齿轮箱的润滑维护，风力发电机运行维护人员应及时更换润滑油，干润滑油则多用于轴承偏航齿轮，由于这类齿轮长期运行很容易造成润滑油温度上升，因此存在变质的可能性，发电机运行维护人员则应及时补充、更换润滑油，并严格控制补充量，防止发电机电气烧坏等后果。另外，运行维护人员在维护轴承与润滑系统时，需要全面、认真检查润滑脂类型，并全面清洁油嘴及相关区域，确保润滑通道的通畅性，保证轴承用润滑油按照规定用量使用。运行维护人员需要结合发电机实际运行规律，维护定、转子绕组，通常情况下绕组干燥的新电机绝缘性能较好，只需在出现故障时进行检测工作，绝缘电阻值减小不仅受绕组温度的影响，而且在存储或运输过程中受潮等也会降低电气设备的绝缘电阻值。而对于长时间停机或者首次启用的发电机，运行维护人员应至少每年开展一次绝缘电阻测试。

2.2D-PMSG传统控制方式

传统发电机组的惯量响应是固有且不可控的，其一次调频是按照系统静态频率特性通过调速器调整原动机机械功率所完成。D-PMSG需要同时实现惯性与一次调频为系统提供频率支持，使其具备与传统同步发电机组类似的频率响应特性，才能有效解决大规模风电并网导致的惯性缺失和频率失稳问题。

2.3VSG惯量支撑与一次调频的区别与联系

惯量支撑通常反映了虚拟同步发电机的输出功率对系统频率与电压变化的响应能力，主要从两个方面进行分析。一方面在不平衡转矩下发电机转子的旋转状态会发生变化但不会突变，转子的空间位置与此时的功角相关，转子的转速与内电势的大小有关。同步机转子的功角和频率是不能突变的，同步机的内电势由转子磁链决定，因此也无法发生突变，这就提供了同步发电机可以对系统电压进行主动支撑的理论依据。电压源型VSG通过电压环的控制策略模拟了同步发电机的该响应功能。另一方面在发电机转动过程中转子上会储存一部分动能。假设施加到转子上的输入机械功率保持不变，将通过转子动能的变化改变发电机电磁功率，进而对电网进行支撑，即产生惯量支撑功率。VSG的一次调频主要是模拟了传统同步发电机所具有的有功一频率下垂特性。根据系统频率的变化从而根据下垂曲线改变发电机的出力。这就使得VSG的有功出力随电网频率的变化而进行主动的自适应调节，从而为电网提供必要的主动支撑。对于电压源型VSG，控制策略使得其具有与传统同步同步机一样的端口特性，可以主动的模拟传统同步机的惯量与调频功能，该过程是随并网端口的变化而主动参与的，以此来进行端口电压与频率的主动支撑。而对于电流源型VSG，控制变量为电流，通过改变输出电磁功率的大小来响应频率的变化，通常的做法是通过改变频率变动后产生的功率指令，根据频率的变化被动地改变输出功率的大小，从而进行电网频率的响应。

2.4完善管理维护制度

风电场风力发电机的定期维护、日常维护工作以完善的管理维护制度为基础，检测维修制度可以确保发电机运行维护的有序开展，运行维护人员在管理发电机的过程中，应按照管理维护制度，全面有序地检测发电机的各个线路、元件，有针对性测试线路承受能力，采用先局部检测再整体检测的顺序，一旦元件、线路性能不达标，应及时对其进行维修更换。另外，还要完善定期维护制度，利用制度约束运行维护人员，规范维护流程，确保能够顺利开展风力发电机维护工作，明确定期维护方案、维护时间，从根本上提高发电机运行维护效率，降低风力发电机运行故障。

结语

此处介绍了一种直驱式风力发电机组的虚拟同步发电机功能实验系统及控制策略。电网频率适应性锁相环能快速准确检测出电网频率值，保证了全功率变流器并网控制稳定，变流器控制系统与塔基主控制系统协调配合进行相应功率调节，为电网提供了频率支持。利用该实验系统在风电现场进行了并网测试，验证了该实验系统及风电机组虚拟同步发电机功能控制策略的有效性。

参考文献

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