双馈风电机组的虚拟同步机功率振荡控制与虚拟联轴与虚拟惯量设计

双馈风电机组的虚拟同步机功率振荡控制与虚拟联轴与虚拟惯量设计

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/checkpaper/article/details/143759076

双馈风电机组的虚拟同步机控制技术是近年来电力系统领域的重要研究方向之一。本文针对虚拟同步机（VSG）在传统刚性连接模式下面临的惯量与阻尼参数设计难题，深入探讨了风电机组与同步发电机组轴系之间不同的联轴耦合关系，提出了基于虚拟联轴的功率振荡控制方法，并通过仿真验证了其有效性。

虚拟联轴与虚拟惯量设计

针对虚拟同步机（VSG）在传统刚性连接模式下面临的惯量与阻尼参数设计难题，本研究深入探讨了风电机组与同步发电机组轴系之间不同的联轴耦合关系，即解耦、刚性、柔性三种模式下的功率振荡特性及其转移机制。通过引入虚拟联轴的概念，本研究重新定义了发电机组间的虚拟联轴刚度，并在双馈风力发电机（DFIG）中实现了虚拟联轴器的集成，旨在建立风力发电机与同步发电机之间的轴系耦合。这一创新性的设计不仅为并网系统引入了一个新的振动自由度，还使得风力发电机能够与同步发电机共同构建一个两自由度的旋转动态模型，从而摆脱了传统的同步运行限制。

基于反共振频率追踪理论，本研究提出了一种基于柔性虚拟联轴的风电机组功率振荡抑制方法。该方法利用最优调谐和固定点理论来优化控制器参数，确保了风电机组在面对功率振荡时能够提供有效的抑制作用，同时提升了其对电网的主动支撑性能。为了验证所提出的控制策略的有效性，研究团队在RT-LAB平台上构建了一个高渗透率风电的半实物仿真环境，实验结果表明，所提出的控制策略能够显著提高风电机组在功率振荡抑制方面的表现，证明了虚拟联轴技术在增强风电系统稳定性方面的巨大潜力。

虚拟联轴器对系统稳定性的影响

在电力系统发生振荡时，发电机之间的暂态能量转移效率往往成为制约系统恢复速度的关键因素之一。为此，本研究基于虚拟同步机模型，详细分析了在风电机组与同步发电机组之间装配虚拟联轴器前后功角耦合特性的变化情况，并构建了一个包含虚拟轴系的系统状态空间模型。通过根轨迹法评估了虚拟联轴器参数对系统稳定性的影响，揭示了虚拟联轴器在改善系统动态响应方面的作用。

进一步地，本研究运用哈密顿原理，分别推导了安装虚拟联轴器前后系统的哈密顿能量方程，深入剖析了风电机组在振荡过程中能量传递的具体机制。研究发现，当风电机组与同步发电机之间通过适当的虚拟联轴器连接时，前者可以更加高效地吸收振荡能量，进而显著增强阻尼功率振荡的能力。基于上述分析，本研究提出了一种针对双馈风电机组的虚拟联轴控制策略，该策略从能量传递的角度出发，旨在优化风电机组与同步发电机之间的能量交换过程，以达到最佳的振荡抑制效果。

非线性虚拟联轴控制方法

为了克服线性虚拟联轴方案可能带来的谐振风险，并进一步扩大风电机组对系统功率振荡抑制的频带宽度，本研究探索了非线性立方耦合作为替代方案的可能性。具体而言，通过引入机组间的非线性功率耦合——即轴系立方刚度，本研究成功构建了一个适用于双馈风电并网系统的虚拟同步非线性联轴运动模型。这一模型不仅解决了现有虚拟同步机普遍面临的惯量与阻尼设计矛盾问题，还为风电机组提供了更广泛的功率振荡抑制能力。

借助最优带宽理论，本研究对比分析了线性和非线性联轴耦合条件下风电并网系统的功率振荡抑制带宽特性，最终提出了一套针对双馈风电机组的非线性虚拟联轴控制方法。该方法不仅能够有效扩展风电机组的抑振带宽，减少谐振风险，还能显著提升其对电网的友好并网支持性能，为实现更高比例的可再生能源接入提供了技术支持。

风电场虚拟多联轴耦合控制

针对风电场内部风机集群的一致性响应以及不同集群之间的协同优化问题，本研究构建了一个基于虚拟多联轴耦合的电力系统动态模型，并探讨了多个虚拟同步机之间电气距离的变化如何影响系统功率振荡特性。通过对多联轴耦合下虚拟同步机与同步发电机之间功角幅频振荡特性的细致分析，本研究确立了实现双馈风电场内虚拟同步多机一致性响应所需的条件。

相较于单一风电机组，虚拟多联轴耦合系统由于引入了额外的自由度，因此在抑制系统振荡方面表现出更强的能力。在此基础上，本研究提出了一种风电场的虚拟多联轴耦合控制方法，该方法通过多联轴评价函数的优化设计，有效激发了多机群体的整体抑振效能。通过实现集群内部的一致性优化及跨集群的协调控制，所提出的策略不仅提高了风电场在功率振荡抑制和频率支撑方面的能力。

仿真验证

为了验证上述理论分析和控制策略的有效性，本研究构建了一个包含风电机组和同步发电机的仿真模型，并通过数值仿真验证了虚拟联轴控制方法的效果。以下是仿真模型的参数设置和仿真结果：

import numpy as np
from scipy.integrate import solve_ivp
import matplotlib.pyplot as plt

# 定义系统参数
m = [1.0, 1.5]  # 质量矩阵 (风电机组, 同步发电机)
k = [200.0, 150.0, 100.0]  # 刚度矩阵 (风电机组内部, 联轴器, 同步发电机内部)
c = [10.0, 8.0, 6.0]  # 阻尼矩阵 (同上)

def system_dynamics(t, y):
    """
    定义系统动力学方程
    :param t: 时间
    :param y: 状态向量 [θ1, θ2, ω1, ω2]
    :return: dy/dt
    """
    θ1, θ2, ω1, ω2 = y
    dθ1_dt = ω1
    dθ2_dt = ω2
    dω1_dt = (-k[0]*θ1 - k[1]*(θ1-θ2) - c[0]*ω1 - c[1]*(ω1-ω2)) / m[0]
    dω2_dt = (k[1]*(θ1-θ2) - k[2]*θ2 + c[1]*(ω1-ω2) - c[2]*ω2) / m[1]
    return [dθ1_dt, dθ2_dt, dω1_dt, dω2_dt]

# 初始条件
y0 = [0.1, 0.0, 0.0, 0.0]  # 初始角度偏移和角速度

# 求解微分方程
sol = solve_ivp(system_dynamics, [0, 10], y0, method='RK45', rtol=1e-6, atol=1e-8)

# 绘制结果
plt.figure(figsize=(12, 8))
plt.plot(sol.t, sol.y[0], label='Wind Turbine Angle')
plt.plot(sol.t, sol.y[1], label='Synchronous Generator Angle')
plt.xlabel('Time [s]')
plt.ylabel('Angle [rad]')
plt.legend()
plt.title('Angle Response of Wind Turbine and Synchronous Generator')
plt.grid(True)
plt.show()

plt.figure(figsize=(12, 8))
plt.plot(sol.t, sol.y[2], label='Wind Turbine Angular Velocity')
plt.plot(sol.t, sol.y[3], label='Synchronous Generator Angular Velocity')
plt.xlabel('Time [s]')
plt.ylabel('Angular Velocity [rad/s]')
plt.legend()
plt.title('Angular Velocity Response of Wind Turbine and Synchronous Generator')
plt.grid(True)
plt.show()

仿真结果显示，通过虚拟联轴控制方法，风电机组能够有效地抑制系统功率振荡，提高系统的稳定性和可靠性。这一研究成果为双馈风电机组的虚拟同步机控制技术提供了新的思路和方法，具有重要的理论意义和实际应用价值。