含储能的直驱风力发电系统逆变调频控制及参数优化研究
发布时间：2021-11-25 05:02
频率是电能质量的三大标准之一,随着风电渗透率逐年递增日益严重,因此风力发电系统主动参与电力系统调频是风电发展的必然选择。当前风电机组调频主要集中于风机侧调频,但此时风机组一直是“欠功率”运行,风机未能运行在最大功率点处。为了实现风能资源的最大程度的利用,基于直驱式风力发电系统,本文结合储能系统和负载侧逆变器,对风电系统在负载侧调频控制展开了研究。为了解决一次调频响应中系统低惯性的问题,虚拟同步发电机（VSG）控制通过在逆变器中引入同步电机转子运动方程,模拟同步电机调频性能。由于VSG控制参数影响系统稳定性,本文结合当前参数设计方法,提供了一种应用范围更为广泛的参数设计方法。通过建立小信号数学模型,观察控制参数对功频特性及功率环路特性的影响,分析产生功率震荡的原因,引入功率环路剪切频率对控制参数进行约束,提出参数设计方案,并对设计效果进行理论分析及仿真验证。针对VSG二次调频动态过程中出现的频率越限问题,提出了一种改进的控制方案。该控制在传统VSG二次调频的基础上增加了比例前馈通道,抑制了二次调频动态过程中的频率越限。针对该控制结构,分析了控制参数对系统动态和稳态性能的影响,给出了参数设...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
直驱风力发电系统拓扑结构图
风电系统是通过一个背靠背变频器将风机产生的能量馈送至负载侧,系统中风机转子频率与负载侧输出电压频率完全解耦。针对风机侧调频无法充分利用风力资源的问题,本文通过在网侧逆变器改进控制策略来响应频率波动,释放风机侧的功率备用,实现风力资源的最大利用。由于频率波动的本质是功率波动,对于网侧逆变器而言,输出电压频率波动的原因是直流侧功率与交流侧功率不匹配,在考虑到风机侧运行在最大功率追踪控制曲线上,增加储能模块是必然的选择。通过增加储能模块,一方面,当风速波动导致机侧变换器功率波动时,通过储能模块的功率支撑能够实现网侧变换器输出功率恒定,抑制机侧变换器输出功率波动对网侧变换器输出功率造成的影响,从而提高风机侧输出电能质量,实现电网的削峰填谷;另一方面,当切换负载或电网频率波动从而引起负载侧变换器输出频率波动时,储能模块能够提供网侧逆变器调频所需的功率备用,使得风机侧可以运行在最大功率模式,减少弃风电量、增加风电场的经济效益。图1-2给出了在直流侧增加储能系统的直驱式风力发电系统的结构图,其由直驱式风机组、机侧变换器、储能模块、负载侧变换器、本地负载和电网组成。网侧逆变器调频控制是通过改变直流侧功率馈送方式,从而满足交流侧负荷需求,从而使得频率运行在期望的范围内。频率作为负荷和发电之间电能转换过程中一种表现形式,系统稳定运行时,负荷与发电之间保持平衡,频率值保持稳定;当负荷发生变化,平衡被打破,频率发生波动,采取控制策略控制使得频率恢复稳定,即负荷与发电之间重新恢复平衡。电力系统中按照频率波动大小、范围下的控制策略划分为一次调频与二次调频:一次调频是针对快速的、幅值较小的频率随机波动;二次调节对系统频率变化的响应比一次调节要慢,并且频率波动冲击性强、变动幅度较大。
下垂控制因为控制简单,无需互联通信,能够实现微电网在并网模式和独立模式之间平滑切换,广泛应用在微电网一次调频控制中[22-24]。如图1-3给出了下垂控制原理图,下垂控制通过建立有功功率调节频率(P-f下垂)、无功功率调节电压幅值(Q-V下垂)的数学模型,使得逆变器能够根据输出功率实现输出电压频率、幅值的自动调节,从而模拟发电机的一次调频、调压能力[25]。但是下垂控制在诸多方面仍存在不足,当前诸多研究针对下垂控制的诸多不足,做了以下几种方面的改进:(1)线路阻抗对下垂控制的影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]并网逆变器虚拟惯性与阻尼的等效及辨识[J]. 于鸿儒,苏建徽,徐华电,施永. 中国电机工程学报. 2019(20)
[2]基于随机分层分布式模型预测控制的风电集群频率控制规划方法[J]. 孙舶皓,汤涌,叶林,仲悟之,蓝海波. 中国电机工程学报. 2019(20)
[3]高渗透率风电并网下的电力系统调频技术综述[J]. 张峰,孟高军,孙玉坤,刘海涛,李建林. 电气应用. 2019(09)
[4]欧洲发电市场分析与投资建议[J]. 时文刚. 中国能源. 2019(04)
[5]独立微网中虚拟同步发电机的频率自恢复控制策略[J]. 张宇华,赵晓轲,方艺翔. 电网技术. 2019(06)
[6]当前风电设备技术发展现状及前景[J]. 沈德昌. 太阳能. 2018(04)
[7]风电参与电力系统调频技术研究的回顾与展望[J]. 张旭,陈云龙,岳帅,查效兵,张东英,薛磊. 电网技术. 2018(06)
[8]含虚拟惯量的电力系统频率响应特性定量分析方法[J]. 黄林彬,辛焕海,黄伟,杨欢,汪震. 电力系统自动化. 2018(08)
[9]一种适用于孤岛运行的逆变器控制方法[J]. 程启明,高杰,程尹曼,张宇,余德清,谭冯忍. 电网技术. 2018(01)
[10]含多虚拟同步发电机的微电网二次调频策略[J]. 涂春鸣,杨义,兰征,肖凡,李元涛. 电工技术学报. 2018(10)
本文编号：3517455
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
直驱风力发电系统拓扑结构图
风电系统是通过一个背靠背变频器将风机产生的能量馈送至负载侧,系统中风机转子频率与负载侧输出电压频率完全解耦。针对风机侧调频无法充分利用风力资源的问题,本文通过在网侧逆变器改进控制策略来响应频率波动,释放风机侧的功率备用,实现风力资源的最大利用。由于频率波动的本质是功率波动,对于网侧逆变器而言,输出电压频率波动的原因是直流侧功率与交流侧功率不匹配,在考虑到风机侧运行在最大功率追踪控制曲线上,增加储能模块是必然的选择。通过增加储能模块,一方面,当风速波动导致机侧变换器功率波动时,通过储能模块的功率支撑能够实现网侧变换器输出功率恒定,抑制机侧变换器输出功率波动对网侧变换器输出功率造成的影响,从而提高风机侧输出电能质量,实现电网的削峰填谷;另一方面,当切换负载或电网频率波动从而引起负载侧变换器输出频率波动时,储能模块能够提供网侧逆变器调频所需的功率备用,使得风机侧可以运行在最大功率模式,减少弃风电量、增加风电场的经济效益。图1-2给出了在直流侧增加储能系统的直驱式风力发电系统的结构图,其由直驱式风机组、机侧变换器、储能模块、负载侧变换器、本地负载和电网组成。网侧逆变器调频控制是通过改变直流侧功率馈送方式,从而满足交流侧负荷需求,从而使得频率运行在期望的范围内。频率作为负荷和发电之间电能转换过程中一种表现形式,系统稳定运行时,负荷与发电之间保持平衡,频率值保持稳定;当负荷发生变化,平衡被打破,频率发生波动,采取控制策略控制使得频率恢复稳定,即负荷与发电之间重新恢复平衡。电力系统中按照频率波动大小、范围下的控制策略划分为一次调频与二次调频:一次调频是针对快速的、幅值较小的频率随机波动;二次调节对系统频率变化的响应比一次调节要慢,并且频率波动冲击性强、变动幅度较大。
下垂控制因为控制简单,无需互联通信,能够实现微电网在并网模式和独立模式之间平滑切换,广泛应用在微电网一次调频控制中[22-24]。如图1-3给出了下垂控制原理图,下垂控制通过建立有功功率调节频率(P-f下垂)、无功功率调节电压幅值(Q-V下垂)的数学模型,使得逆变器能够根据输出功率实现输出电压频率、幅值的自动调节,从而模拟发电机的一次调频、调压能力[25]。但是下垂控制在诸多方面仍存在不足,当前诸多研究针对下垂控制的诸多不足,做了以下几种方面的改进:(1)线路阻抗对下垂控制的影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]并网逆变器虚拟惯性与阻尼的等效及辨识[J]. 于鸿儒,苏建徽,徐华电,施永. 中国电机工程学报. 2019(20)
[2]基于随机分层分布式模型预测控制的风电集群频率控制规划方法[J]. 孙舶皓,汤涌,叶林,仲悟之,蓝海波. 中国电机工程学报. 2019(20)
[3]高渗透率风电并网下的电力系统调频技术综述[J]. 张峰,孟高军,孙玉坤,刘海涛,李建林. 电气应用. 2019(09)
[4]欧洲发电市场分析与投资建议[J]. 时文刚. 中国能源. 2019(04)
[5]独立微网中虚拟同步发电机的频率自恢复控制策略[J]. 张宇华,赵晓轲,方艺翔. 电网技术. 2019(06)
[6]当前风电设备技术发展现状及前景[J]. 沈德昌. 太阳能. 2018(04)
[7]风电参与电力系统调频技术研究的回顾与展望[J]. 张旭,陈云龙,岳帅,查效兵,张东英,薛磊. 电网技术. 2018(06)
[8]含虚拟惯量的电力系统频率响应特性定量分析方法[J]. 黄林彬,辛焕海,黄伟,杨欢,汪震. 电力系统自动化. 2018(08)
[9]一种适用于孤岛运行的逆变器控制方法[J]. 程启明,高杰,程尹曼,张宇,余德清,谭冯忍. 电网技术. 2018(01)
[10]含多虚拟同步发电机的微电网二次调频策略[J]. 涂春鸣,杨义,兰征,肖凡,李元涛. 电工技术学报. 2018(10)
本文编号：3517455
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