技术领域
[0001] 本
发明围绕新
能源发电技术领域，研究双馈发电机控制方法，涉及一种并弱网运行的电压控制型策略，特别是涉及双馈
风力发电机组的电压控制型虚拟同步方法。
背景技术
[0002] 随着
可再生能源并网运行不断发展，高渗透率、大容量的新能源应用使得
电网呈现出低惯量和弱阻尼的特性，另外基于分布式形式的能源利用和较长距离的输电线也引起的不可忽略的线路阻抗，因此光伏及风电等分布式新能源发电并弱电网运行时存在一系列由于电网“弱”(低惯量、弱阻尼、高线路阻抗和低
短路容量比)特性下机网交互作用的运行性能和安全性问题。
[0003] 同时，弱电网故障穿越要求风机不脱网运行，也有必要具有对弱电网主动
支撑能力。近年来通过对同步机调速及励磁器特性模拟实现的虚拟同步思想能够满足相应的要求，但是针对光伏逆变器虚拟同步控制的分析较多，如何在风电中实现虚拟同步控制以及相关分析虽有涉及，但仍然相当匮乏。已经公开的相关文献如题为“具有自主电网同步与弱网稳定运行能力的双馈风电机组控制方法”(张琛，蔡旭，李征，《中国电机工程学报》，2017，37(02)：476-486)的文章；该文章提出了一种双馈
风力发电机组并网运行的虚拟同步控制思想，这种基于虚拟惯量的控制策略能够实现对弱电网的
频率支撑，也进一步提高了双馈发电机在弱网中运行的
稳定性。该文提出的
现有技术存在以下的不足：
[0004] 1)所设计的控制策略使得双馈风电机组定、
转子侧在电气特性上等效为电压源，但是未体现对
定子端电压特性的分析和验证；
[0005] 2)转子侧变流器采用转子磁链自定向的虚拟同步控制方法，存在磁链观测困难的问题，采用
电流/电压模型进行计算也存在滞后和估计误差、且易受发电机参数迁移的影响，且在磁链
角度存在误差时控制上不能实现完全解耦；
[0006] 3)控制策略设计停留在虚拟惯量实现的层面上，没有分析弱电网的特性及其机网交互作用引起的功率耦合和振荡问题，没有提出并网有功和
无功功率控制的完整解决方案。
[0007] 另外，题为“虚拟
同步发电机的功率动态耦合机理及同步频率谐振抑制策略”(李武华，王金华，杨贺雅，顾
云杰，杨欢，何湘宁，《中国电机工程学报》，2017，37((02)：381-391)的文章；该文章较为系统地分析了虚拟同步发电机的功率动态耦合机理及等效阻尼，设计了可以有效削弱同步频率谐振对虚拟同步机系统稳定影响的谐振抑制方案，但是该文提出的现有技术存在以下的不足：
[0008] 1)分析对象是并网逆变器，功率耦合效应的分析未延伸到双馈风力发电机的虚拟同步控制；
[0009] 2)尽管指出功率耦合会降低系统增益裕度、加剧同步频率谐振发生的可能性，且通过谐振抑制策略可提高系统稳定性，但仍未解决有功和无功功率的耦合。
[0010] 综上所述，如何选取合适的矢量定向和完全解耦控制方法，并且设法解决并弱电网运行的双馈发电机的功率耦合和振荡，提高双馈风机基于虚拟同步并网运行的性能和稳定性，正是亟待解决的关键问题。
发明内容
[0011] 本发明旨在基于已有部分研究的
基础上，围绕弱电网低惯量、弱阻尼和线路阻抗特性及其对并入弱网运行的双馈风电机组运行性能的影响，主要目的是为了解决机网交互作用下的功率耦合以及振荡等问题，实现双馈发电机对弱电网支撑和并网有功、无功功率控制。本发明提出并且实现双馈风力发电机组的一种能保证双馈风机功率输出稳定有效和频率支撑的电压控制型虚拟同步方法。
[0012] 本发明的目的是这样实现的。本发明提出了一种双馈风力发电机组的电压控制型虚拟同步方法，按照以下步骤进行：
[0013] 步骤1，
采样双馈发电机的定子电压三相交流
信号Usa，Usb，Usc、定子输出电流三相交流信号Isa，Isb，Isc和转子线圈电流三相交流信号Ira，Irb，Irc，通过光电
编码器提取双馈发电机的转子旋转
角速度ωr，根据转子旋转角速度ωr和双馈发电机的极对数p经过转子角度计算方程得到双馈发电机的转子角度θr；
[0014] 所述转子角度计算方程为： s为拉普拉斯算子；
[0015] 步骤2，将步骤1中采集的定子电压三相交流信号Usa，Usb，Usc、定子输出电流三相交流信号Isa，Isb，Isc和转子线圈电流三相交流信号Ira，Irb，Irc，经过三相abc静止
坐标系到两相dq旋转坐标系的坐标变换，得到双馈发电机的定子电压dq分量Usd，Usq、定子输出电流dq分量Isd，Isq和转子线圈电流dq分量Ird，Irq；
[0016] 步骤3，根据步骤2中得到的定子电压dq分量Usd，Usq和定子输出电流dq分量Isd，Isq，经过功率计算方程得到双馈发电机向电网输出的平均有功功率 和平均无功功率[0017] 步骤4，根据双馈发电机给定的有功功率指令Pref和无功功率指令Qref、步骤3中的得到的平均有功功率 和平均无功功率 经过虚拟同步
算法方程得到双馈发电机的定子电压指令Uref和定子虚拟同步角频率指令ωref；
[0018] 步骤5，首先根据步骤4中得到的定子虚拟同步角频率指令ωref得到双馈发电机的定子虚拟同步角度θs， 然后根据定子虚拟同步角度θs和步骤1中得到的双馈发电机的转子角度θr，经过转差角度计算方程得到双馈发电机的转差角度θsl；
[0019] 步骤6，经过定子虚拟阻抗自适应控制方程得到双馈发电机的定子虚拟阻抗压降dq分量Uvd，Uvq，经过电压前馈补偿控制方程得到双馈发电机的前馈补偿电压Uc，然后根据定子虚拟阻抗压降dq分量Uvd，Uvq、前馈补偿电压Uc和步骤4中得到的定子电压指令Uref，经过基于双馈发电机定子电压矢量定向的定子电压给定控制方程计算得到双馈发电机的定子电压给定dq分量Usd_ref，Usq_ref；
[0020] 步骤7，根据步骤6中得到的定子电压给定dq分量Usd_ref，Usq_ref和步骤2中得到的定子电压dq分量Usd，Usq，使用定子电压比例-积分调节器进行定子电压闭环控制，经过定子电压闭环控制方程得到定子电压比例-积分调节器输出的转子电流调节信号dq分量Ird_piu，Irq_piu；
[0021] 步骤8，首先根据步骤7中得到的定子电压比例-积分调节器输出的电流调节信号dq分量Ird_piu，Irq_piu，经过交叉控制方程得到双馈发电机的转子电流给定dq分量Ird_ref，Irq_ref，再把Ird_ref，Irq_ref和步骤2中得到的转子线圈电流dq分量Ird，Irq，使用转子电流比例-积分调节器进行转子电流闭环控制，经过转子电流闭环控制方程得到转子电流比例-积分调节器输出的定子电压调节信号dq分量Usd_pii，Usq_pii；
[0022] 步骤9，首先通过步骤5中计算得到的双馈发电机的转差角度θsl，将步骤8中得到的定子电压调节信号dq分量Usd_pii，Usq_pii经过两相dq旋转坐标系变换到两相αβ静止坐标系变换到的2r/2s坐标变换得到定子电压调制信号αβ分量Usα_m，Usβ_m，再根据定子电压调制信号αβ分量Usα_m，Usβ_m和直流
母线电压Udc生成双馈发电机转子侧变流器
开关管的SVPWM
控制信号Sabc。
[0023] 优选的，步骤3所述功率计算方程为：
[0024]
[0025] 其中，ωf为一阶低通
滤波器的截止频率。
[0026] 优选的，步骤4所述虚拟同步算法方程为：
[0027]
[0028]
[0029] 其中，ω0为电网的同步角频率，E0为双馈发电机的虚拟同步空载电压，J为模拟同步机的虚拟
转动惯量时间常数，D为模拟的阻尼系数，kw为有功下垂系数，n为无功下垂系数。
[0030] 优选的，步骤5所述转差角度计算方程为：
[0031] θsl＝θs-θr。
[0032] 优选的，步骤6所述定子虚拟阻抗自适应控制方程为：
[0033]
[0034] Uvd＝RvIsd
[0035] Uvq＝RvIsq
[0036] 其中，Rv为自适应的定子虚拟
电阻，kiQ为无功功率积分调节器的积分系数，ω0为电网的同步角频率。
[0037] 优选的，步骤6所述电压前馈补偿控制方程为：
[0038]
[0039] 其中，R∑为包含双馈发电机输出阻抗、定子虚拟阻抗和传输线路阻抗在内的双馈风力发电机组并网运行系统的总电阻值，Upcc为并网公共点电压幅值。
[0040] 优选的，步骤6所述定子电压给定控制方程为：
[0041]
[0042] 优选的，步骤7所述定子电压闭环控制方程为：
[0043]
[0044]
[0045] 其中，kpu为定子电压比例-积分调节器的比例系数，kiu为定子电压比例-积分调节器的积分系数。
[0046] 优选的，步骤8所述交叉控制方程为：
[0047]
[0048] 优选的，步骤8所述转子电流闭环控制方程为：
[0049]
[0050]
[0051] 其中，kpi为转子电流比例-积分调节器的比例系数，kii为转子电流比例-积分调节器的积分系数。
[0052] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0053] 1、本发明是在基于定子电压转子电流双闭环内环、虚拟同步实现外环的电压控制型双馈发电机的数学模型所建立的电压控制型风机的等效阻抗模型基础上，以及通过潮流计算和小信号理论分析电压
跟踪、功率响应传递函数，通过波特图分析的系统频域特性，和功率耦合的量化分析，在有据可依的充分理论基础上寻找控制策略实现及改进的思路和方法。
[0054] 2、本发明充分考虑了弱电网的线路阻抗对VCT-DFIG暂态支撑的影响，引入定子虚拟阻抗自适应和电压前馈补偿相结合的控制策略，基于无功功率指令计算自适应的虚拟电阻能够准确抵消电压前馈对系统电阻压降补偿的估计误差，并且加快虚拟同步算法功率调节的动态过程。
[0055] 3、本发明相比配置
频率偏差调节惯量实现的一般电流控制型的双馈风机，取消了
锁相环的使用，从而避免了弱电网扰动或故障下可能从
锁相环引入的误差；相比于磁链定向的方法，所采用的定子电压矢量方法避免了磁链积分的较慢动态以及估计误差，能够实现提高定子端电压的动、稳态表现；所采用的虚拟同步算法模
块能够满足并网运行的VCT-DFIG功率输出指令跟踪要求，实现了比较理想的功率控制和频率支撑效果；从定子电压到转子电流采用交叉控制，能够实现dq同步坐标系上的对称控制，减小耦合效应。
附图说明
[0056] 图1为本发明所采用双馈风力发电机组电压控制型虚拟同步实现的控制结构图。
[0057] 图2为本发明所采用的虚拟同步算法
框图。
[0058] 图3为本发明的双馈风力发电机组并网运行的系统整体结构图。
具体实施方式
[0059] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0060] 如图1和图3所示，本
实施例中，基于定子虚拟阻抗的双馈风力发电机组虚拟同步控制结构，其中所包含的控制对象：图1中的转子侧变流器、定子电压比例-积分调节、转子电流比例-积分调节器、
空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)模块、转子绕组电流霍尔元件、光电测速编码器、定子端电压霍尔元件、定子电流霍尔元件、双馈发电机输出功率计算、
低通滤波器、虚拟同步算法、定子虚拟阻抗自适应和电压前馈补偿，以及图3所示的网侧变流器及直流侧储能结构。
[0061] 需注意的是，本发明中网侧变流器的控制方法是直流侧储能结构的
直流母线电压闭环控制，从而实现直流母线电压
水平的稳定。
[0062] 本发明实施时的基本参数设置如下：
[0063] 双馈发电机的额定功率为11kW，定子电压为380V，定子电感为74.7mH，转子电感为76.7mH，定转子互感为72.6mH，转子电阻为0.59Ω，极对数为2，电网阻抗为0.8mH，直流母线电压为250V。在本实施例中，由一台15kW虚拟同步发电机模拟电网，并且通过负载切换获得模拟电网的频率
波动，Δω≤±0.01ω0，另外，发电机定子输出端通过
串联2mH电抗和0.5Ω电阻对线路阻抗进行模拟。
[0064] 本发明所述方法按照以下步骤进行：
[0065] 步骤1，通过电压霍尔元件采样双馈发电机的定子电压三相交流信号Usa，Usb，Usc，通过电流霍尔元件采样双馈发电机的定子输出电流三相交流信号Isa，Isb，Isc，通过电流霍尔元件采样双馈发电机的转子线圈电流三相交流信号Ira，Irb，Irc，通过光电编码器提取双馈发电机的转子旋转角速度ωr，根据转子旋转角速度ωr和双馈发电机的极对数p经过转子角度计算方程得到双馈发电机的转子角度θr。
[0066] 转子角度计算方程为： s为拉普拉斯算子。在本实施例中，双馈发电机的极对数p设置为2。
[0067] 步骤2，将步骤1中采集的定子电压三相交流信号Usa，Usb，Usc、定子输出电流三相交流信号Isa，Isb，Isc和转子线圈电流三相交流信号Ira，Irb，Irc，经过三相abc静止坐标系到两相dq旋转坐标系的坐标变换，得到双馈发电机的定子电压dq分量Usd，Usq、定子输出电流dq分量Isd，Isq和转子线圈电流dq分量Ird，Irq。
[0068] 所述对定子电压三相交流信号Usa，Usb，Usc进行3s/2r坐标变换的方程为：
[0069]
[0070] 对定子输出电流三相交流信号Isa，Isb，Isc进行3s/2r坐标变换的方程为：
[0071]
[0072] 对转子线圈电流三相交流信号Ira，Irb，Irc进行3s/2r坐标变换的方程为：
[0073]
[0074] 其中的θs'为上一同步周期得到的双馈发电机的定子虚拟同步角度、θs'l为上一同步周期得到的双馈发电机的转差角度。
[0075] 步骤3，根据步骤2中得到的定子电压dq分量Usd，Usq和定子输出电流dq分量Isd，Isq，经过功率计算方程得到双馈发电机向电网输出的平均有功功率 和平均无功功率[0076] 所述功率计算方程为：
[0077]
[0078] 其中的ωf为一阶低通滤波器的截止频率。在本实施例中，ωf设置为30rad/s。
[0079] 步骤4，根据双馈发电机给定的有功功率指令Pref和无功功率指令Qref、步骤3中的得到的平均有功功率 和平均无功功率 经过虚拟同步算法方程得到双馈发电机的定子电压指令Uref和定子虚拟同步角频率指令ωref。虚拟同步算法的具体流程可见图2。
[0080] 所述虚拟同步算法方程为：
[0081]
[0082] 其中的ω0为电网的同步角频率、E0为双馈发电机的虚拟同步空载电压、J为模拟同步机的虚拟转动惯量时间常数、D为模拟的阻尼系数、kw为有功下垂系数、n为无功下垂系数。在本实施例中，电网的同步角频率ω0设置为同步频率50Hz所对应的角频率值，双馈发电机的虚拟同步空载电压E0设置为97.968V。双馈发电机给定的有功功率指令Pref设置为2.5kW、无功功率指令Qref设置为1kvar。
[0083] 本实施例中通过负载突增2kW时，以(J，kw+D)的参数整定对比研究本发明的效果，其中，模拟同步机的虚拟转动惯量时间常数J设置为1或0.5，根据虚拟算法同步方程可知kw和D对于有功-频率控制具有相同的作用效果，kw与D的和(kw+D)等于系统有功控制等效阻尼，故而将模拟的阻尼系数D与有功下垂系数kw之和(kw+D)设置为3000或1500。无功下垂系数n设置为4.453e-04。本实施例的研究表明，稳态时发生负载突增，J的设置值较大时频率稳定时间增加，等效阻尼设置值(kw+D)影响频率的下跌量和稳定时间，等效阻尼减小时频率的下跌量和稳定时间增加，且相比于(J，kw+D)为(0.5，3000)的设置值，J重设为1或(kw+D)重设为1500时频率的恢复时间加倍，且系统等效阻尼(kw+D)减小时频率下跌量从0.1Hz增加到0.16Hz。但是经过虚拟惯量的调节，频率最终都能恢复到50Hz。
[0084] 步骤5，首先根据步骤4中得到的定子虚拟同步角频率指令ωref得到双馈发电机的定子虚拟同步角度θs， 然后根据定子虚拟同步角度θs和步骤1中得到的双馈发电机的转子角度θr，经过转差角度计算方程得到双馈发电机的转差角度θsl。
[0085] 所述转差角度计算方程为：
[0086] θsl＝θs-θr。
[0087] 步骤6，经过定子虚拟阻抗自适应控制方程得到双馈发电机的定子虚拟阻抗压降dq分量Uvd，Uvq，经过电压前馈补偿控制方程得到双馈发电机的前馈补偿电压Uc，然后根据定子虚拟阻抗压降dq分量Uvd，Uvq、前馈补偿电压Uc和步骤4中得到的定子电压指令Uref，经过基于双馈发电机定子电压矢量定向的定子电压给定控制方程计算得到双馈发电机的定子电压给定dq分量Usd_ref，Usq_ref。
[0088] 所述定子虚拟阻抗自适应控制方程为：
[0089]
[0090] 其中的Rv为自适应的定子虚拟电阻、kiQ为无功功率积分调节器的积分系数、ω0为电网的同步角频率。
[0091] 电压前馈补偿控制方程为：
[0092]
[0093] 其中的R∑为包含双馈发电机输出阻抗、定子虚拟阻抗和传输线路阻抗在内的双馈风力发电机组并网运行系统的总电阻值、Upcc为并网公共点电压幅值。
[0094] 基于双馈发电机定子电压矢量定向的定子电压给定控制方程为：
[0095]
[0096] 在本实施例中，定子虚拟阻抗自适应控制方程中的无功功率积分调节器的积分系数kiQ设置为0.1，电网的同步角频率ω0设置为同步频率50Hz所对应的角频率值。本实施例中将网侧变流器当作线路负载，其阻抗归算到线路阻抗之中，在此基础上得到双馈发电机并网系统总电阻值，但是考虑到电阻测量困难的问题，并且定子虚拟阻抗自适应方程中得到的定子虚拟电阻可以完全抵消电阻估计的误差，因此R∑可采用估计的数值设置为0.65Ω。并网公共点电压幅值Upcc设置为97.968V。
[0097] 另外，基于双馈发电机定子电压矢量定向的原理，本实施例将步骤4中得到的定子电压指令Uref作为定子电压q轴的初始给定，再根据定子虚拟阻抗压降q分量Uvq和前馈补偿电压Uc，经过基于双馈发电机定子电压矢量定向的定子电压给定控制方程计算得到最终的双馈发电机的定子电压给定q分量Usq_ref，相应地定子电压轴的初始给定设置为0，根据定子虚拟阻抗压降d分量Uvd和前馈补偿电压Uc，经过基于双馈发电机定子电压矢量定向的定子电压给定控制方程计算得到最终的双馈发电机的定子电压给定d分量Usd_ref。
[0098] 需注意的是，本实施例中通过发电机定子输出端串联2mH电抗和0.5Ω电阻对线路阻抗进行模拟，来验证本发明中定子虚拟阻抗自适应和电压前馈控制的有效性。本实施例中，未投入定子虚拟阻抗自适应和电压前馈控制的对照实验，通过改变有功功率指令Pref，双馈发电机有功控制对无功表现有明显的影响，即存在功率耦合；投入定子虚拟阻抗自适应和电压前馈控制，有功、无功控制功率解耦。
[0099] 步骤7，根据步骤6中得到的定子电压给定dq分量Usd_ref，Usq_ref和步骤2中得到的定子电压dq分量Usd，Usq，使用定子电压比例-积分调节器进行定子电压闭环控制，通过定子电压闭环控制方程得到定子电压比例-积分调节器输出的转子电流调节信号dq分量Ird_piu，Irq_piu。
[0100] 所述定子电压闭环控制方程为：
[0101]
[0102] 其中的kpu为定子电压比例-积分调节器的比例系数、kiu为定子电压比例-积分调节器的积分系数。本实施例中，定子电压比例-积分调节器的比例系数kpu设置为2，定子电压比例-积分调节器的积分系数kiu设置为5。
[0103] 步骤8，首先根据步骤7中得到的定子电压比例-积分调节器输出的电流调节信号dq分量Ird_piu，Irq_piu，通过交叉控制方程得到双馈发电机的转子电流给定dq分量Ird_ref，Irq_ref，再把Ird_ref，Irq_ref和步骤2中得到的转子线圈电流dq分量Ird，Irq，使用转子电流比例-积分调节器进行转子电流闭环控制，通过转子电流闭环控制方程得到转子电流比例-积分调节器输出的定子电压调节信号dq分量Usd_pii，Usq_pii。
[0104] 所述交叉控制方程为：
[0105]
[0106] 转子电流闭环控制方程为：
[0107]
[0108] 其中的kpi为转子电流比例-积分调节器的比例系数、kii为转子电流比例-积分调节器的积分系数。本实施例中转子电流比例-积分调节器的比例系数kpi设置为20，转子电流比例-积分调节器的积分系数kii设置为15。
[0109] 需要注意的是，本实施例从定子电压到转子电流采用了交叉控制，准确地说，是从定子电压调节器输出的电流调节信号dq分量Ird_piu，Irq_piu经过交叉控制方程得到转子电流的给定dq分量Ird_ref，Irq_ref，这种控制思想是为了解决在传统定子电压q轴矢量定向的控制不对称问题，实现dq轴对称控制。
[0110] 步骤9，首先通过步骤5中计算得到的双馈发电机的转差角度θsl，将步骤8中得到的定子电压调节信号dq分量Usd_pii，Usq_pii经过两相dq旋转坐标系变换到两相αβ静止坐标系变换到的2r/2s坐标变换得到定子电压调制信号αβ分量Usα_m，Usβ_m，再根据定子电压调制信号αβ分量Usα_m，Usβ_m和直流母线电压Udc生成双馈发电机转子侧变流器开关管的SVPWM控制信号Sabc。
[0111] 所述对定子电压调节信号dq分量Usd_pii，Usq_pii进行2r/2s坐标变换的方程为：
[0112]
