CN103762618B - 一种具有致稳能力的发电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有致稳能力的发电系统及控制方法，发电系统包括能量模块、被控对象、有功控制器和惯性同步控制器；能量模块用于将获取的其他能源转换为电能或将电能转化为其他频率的电能；有功控制器的输入端连接至能量模块的第二输出端，有功控制器的输出端连接被控对象，有功控制器用于控制被控对象的有功功率的输出；惯性同步控制器的输入端用于连接并入的交流系统，惯性同步控制器的输出端连接被控对象，惯性同步控制器用于控制发电系统与并入的交流系统同步并使得发电系统具有致稳能力。本发明可以提高现有的受变流器控制的发电系统对电网的致稳性无需对系统的频率进行测量，无需构建新的控制回路就能达到预期目的，节约成本，并且不增加系统的复杂程度。

Description

一种具有致稳能力的发电系统及控制方法

技术领域

本发明属于风力发电、太阳能发电、储能、直流输电等受变流器控制的发电系统领域，更具体地，涉及一种具有致稳能力的发电系统及控制方法。

背景技术

随着受变流器控制的电源系统在电力系统中的渗透率的提高，与系统直接相连的传统的电源如同步电机等的份额逐渐减小。以系统的频率稳定为例，现有同步电机系统，具有稳定系统频率的能力，并能参与系统频率的维稳过程；当系统出现频率偏差时，同步电机主要通过惯性响应、一次调频来维持系统的频率稳定，同步电机之间通过整步转矩的作用恢复同步。

而现有的这些受变流器控制的电源系统对电力系统是没有致稳性的。致稳性，是指设备增进系统或者其他设备稳定性的一种能力。更具体地说，从频率稳定的角度，这些电源系统在系统中既不具有惯性，也不能提供整步转矩。因此，用这些受变流器控制的电源系统取代同步电机，对系统的稳定而言是不利的。

这些非传统的电源系统给系统带来的不稳定的问题，已经得到了大家的关注。从一个重要的方面——惯性的角度上，已经有很多人提出了实现惯性的方法。但这些方法都有一个共同点，即是根据测得的系统频率而改变电磁功率或电磁转矩的设定值，从而改变风机输出功率，模拟同步机所具有的功能。如图1所示，对系统的频率进行测量，得到系统频率的变化率，基于系统频率的变化率产生电磁功率或电磁转矩的附加的控制指令，从而迫使发电机的旋转速度发生改变，释放出存储的机械能。

现有的方法非常直观，但是在实施的过程中，需要对系统的频率进行测量，增加控制环路，增加了成本，并且新加的控制回路对风机也会有很多未知的影响。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有致稳能力的发电系统及控制方法；其目的在于为现有的受变流器控制的发电系统提供致稳能力由此解决这类发电系统渗透率增高对电网带来不稳定因素的技术问题。

本发明提供了一种具有致稳能力的发电系统，包括能量模块、被控对象、有功控制器和惯性同步控制器；所述能量模块的输入端用于获取外部的能源，所述能量模块的第一输出端连接所述被控对象，所述能量模块用于将获取的其他能源转换为电能或将电能转化为其他频率的电能；所述有功控制器的输入端连接至所述能量模块的第二输出端，所述有功控制器的输出端连接所述被控对象，所述有功控制器用于控制所述被控对象的有功功率的输出；所述惯性同步控制器的输入端用于连接并入的交流系统，所述惯性同步控制器的输出端连接所述被控对象，所述惯性同步控制器用于控制发电系统与并入的交流系统同步并使得所述发电系统具有致稳能力。

更进一步地，工作时，所述被控对象从能量模块获取的有功功率由有功控制器所控制，而被控对象从能量模块获取的电能在惯性同步控制器的控制下被转化为与交流系统同频率的交流电并输入至交流系统；在有功控制器和惯性同步控制器的共同控制下，被控对象能够产生与所述交流系统同频的交流电，并能在所述交流系统频率波动时改变输出的有功功率，体现惯性。

更进一步地，惯性同步控制器包括：电网信息采集模块、信号处理模块、惯性控制模块和积分模块；所述电网信息采集模块用于采集交流系统的电压信息；所述信号处理模块用于将采集的信息进行滤波处理和坐标变换后，输出已滤除噪声干扰的基于dq旋转坐标系的电压直轴分量或电压交轴分量；所述惯性控制模块用于根据所述电压直轴分量或电压交轴分量与给定值的差值对输出角频率进行调整，使得所述惯性同步控制器的响应速度慢至能让所述发电系统具有致稳能力；所述积分模块用于将所述输出角频率进行积分运算得到输出角度。

更进一步地，所述惯性控制模块和积分模块集成于一体。

本发明还提供了一种基于上述的发电系统的控制方法，包括下述步骤：

S1：采集交流系统的端电压信息；

S2：将采集的信息进行滤波处理和坐标变换后输出已滤除噪声干扰的基于dq旋转坐标系的电压直轴分量或电压交轴分量；

S3：根据所述电压直轴分量或电压交轴分量与给定值的差值对输出角频率进行调整；通过惯性控制调整惯性同步控制器的响应速度慢至能让发电系统体现满足系统需求的惯性，

S4：将所述输出的角频率进行积分运算后输出角度。

更进一步地，所述控制方法还包括下述步骤：根据需要发电系统提供惯性的多少相应地调整有功控制的响应速度，使得有功控制的响应速度降至相应的时间尺度。

更进一步地，在步骤S2中，所述坐标变换基于惯性同步控制器的输出角度。

更进一步地，在步骤S3中，通过调整所述输出角频率使得所述电压直轴分量或电压交轴分量与所述给定值无静差。

本发明可以提高现有的受变流器控制的发电系统对电网的致稳性，例如提供惯性；无需对系统的频率进行测量，无需构建新的控制回路就能达到预期目的，节约成本，并且不增加系统的复杂程度。另外，本方法在提供惯性的同时，也能提供整步转矩，使系统设备之间恢复同步。

附图说明

图1是现有为受变流器控制的发电系统提供惯性的控制方法；

图2是锁相环锁相的矢量原理图；

图3是锁相环的基本控制框图；

图4是锁相环同步的基本原理图；

图5是内电势矢量与端电压矢量关系图，其中(a)为物理关系图，(b)为矢量关系图；

图6是频率降低时基于锁相环同步发电系统的各矢量变化图；

图7是频率降低时同步速度减慢时各矢量变化图，其中(a)为有功功率控制较慢时矢量变化图，(b)为有功功率控制较快时矢量变化图；

图8是本发明实施例提供的具有致稳能力的发电系统的模块结构示意图；

图9是本发明实施例提供的具有致稳能力的发电系统中惯性同步控制器的结构示意图；

图10是基于较快有功功率控制的全功率风机系统拓扑图；

图11是基于较慢有功功率控制的全功率风机系统拓扑图；

图12是双馈风机系统拓扑图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明使用于风力发电、太阳能发电、储能、直流输电等受变流器控制的电源系统领域，更具体地，涉及一种通过改变同步控制让电源系统对电网系统提供惯性、整步转矩等，体现致稳性的一种方法。

交流电系统由于存在频率和相位，连接于交流电网的设备都需要与电网的交流电进行同步，从而达到功率的稳定交换。

同步的方式有很多种，其中，锁相环同步是常用的一种同步方式。锁相环采集并网端的三相交流电压，经过派克(Park)变换，将静止坐标系中三相交流电压u_a、u_b、u_c(一般是取其中两相电压，如u_a、u_b，然后算出第三相的电压)投影成两相旋转的dq坐标系(dq坐标系的定义有不同的习惯，但不影响基本的原理；在此，采用q轴超前d轴的定义习惯)中的d轴和q轴直流电压——直轴分量U_d、交轴分量U_q，选定其中一个直流电压作为参考分量，如U_d，如反映在矢量图上就是锁相环输出的d轴去锁定电网电压V_s的相位，当锁准时，V_s在d轴上，则另一个直流电压U_q的值为0，如图2所示即为锁相环同步的原理。如图3所示为锁相环的锁相同步控制示意图，当q轴电压的参考值设为0时，若锁定的相位与电网相位不一致，则U_q与其参考值(值设为0)不一致，锁相环通过PI调节器动作，改变输出的θ值，直至得到的U_q为零，此时系统相位被锁相环锁定。输出的θ值包含了系统的频率和相位信息。

锁相环被使用来跟踪和同步系统的频率和相位，为电力电子设备并网提供了一个相位基准。例如，双馈风机和全功率风机都是变速风机，发出电力的频率是与系统不同的，不能直接与系统相连，须要通过变流器(整流侧变流器将交流量转换为直流量，逆变侧变流器再将直流量逆变为交流量)与系统相连，以将发电机发出的交流电转换为与系统同频的交流电。光伏发电和储能装置等装置，输出的都是直流，也不能直接与电网相连，并网时，需要锁相环锁定系统的相位来获取并网点的电压相位信息，为风电并网提供一个基准，使发出的交流电能够与电网同步。

如图4所示，为锁相环同步的基本原理图，同步的目的在于将不同频率的电源变换得到与并入的交流系统频率相同的交流电，实现同步运行。变流器的控制部分是对直流信号进行控制。控制器生成的直流控制指令和根据锁相环输出的θ角，进行派克逆变换，生成交流的控制指令、、，输入到PWM控制器中，生成触发信号，控制三相逆变器开关的关合，从而将直流量逆变为交流量。由于锁相环的输出信号θ角中包含了接入端交流系统的频率和相位信息，这样就能使逆变得到的交流源与接入的交流系统保持同样的频率和一定的相位差，达到了与交流系统同步的目的。

现有的利用锁相环控制系统实现锁相同步控制的控制目标是快、准地去锁定并入的交流系统的频率和相位，从而让受变流器控制的电源系统能够迅速与交流系统同步。而改善的方向则是锁相环能更快地锁相，以实现电源系统能更快地同步。

现有的锁相环控制，设计时主要遵循两条原则：一是要尽快地锁定系统的相位，因此要求锁相环的工作速度很快；二是要尽量准确地锁定系统的相位，因此要求锁相环能够滤除三相不平衡时产生的负序分量、系统中谐波等对锁相环的干扰。同时如果锁相环工作在电压畸变的状态下，也需要能准确锁定系统的频率和相位。畸变主要由三相电压不对称、谐波、直流偏置等原因引起。三相不对称会增加负序分量，通过dq变换后生成二次谐波；谐波通过dq变换产生6的倍数次谐波；直流偏置会产生于系统的频率相同的交流量。理想的情况下看，是需要将这些谐波通过滤波回路全部滤除，得到直流分量。但是这样就会影响到锁相环跟踪相位的速度。因此一般考虑更主要的三相不对称和谐波的影响，滤波回路的带宽不能太高，那么锁相环的带宽也会受到限制。

为满足第一条要求，要求锁相环的带宽要尽量大，为满足第二条要求，要求锁相环的带宽要尽量小，以滤除负序分量、谐波等。因此，现有的用于系统同步的锁相环控制系统的带宽是对这些要求进行充分考虑后的权衡。

现有的受变流器控制的电源系统中，锁相环起到的作用是提供电网系统的频率和相位信息，而现有的锁相同步控制目标是能够快速和精确地锁定电网的频率和相位。

现有采用锁相环同步的受变流器控制的电源系统，不增加类似于背景技术中提到的额外的控制回路，在系统中都不能体现惯性等致稳性。为了解决这一个问题，我们需要对上述电源系统为什么不能体现惯性等致稳性的根本原因进行分析，从而找到解决的方法。

如图5所示，根据戴维南定律，从电网侧看进去，这些设备可近似等效为一个内电势为E和电抗X组成的电源。这个电势E的相位是建立在锁相环同步坐标系上的，即上述的dq旋转坐标系。当锁相环锁准了接入端电压时，同步坐标系的直轴d轴与端电压矢量U是重合的，此时的功角δ如图5所示。其中，为使图简略，同步坐标系的另一个坐标轴已略去。

现在普遍使用的锁相环响应速度是很快的。锁相环的输出相对于静止坐标系的绝度角度，等效于无静差的斜坡响应；而相对于与系统同转速的旋转坐标系，类似于阶跃响应。现有的锁相环增益很大，即锁相非常快，它的变化几乎与激励重合。当电网频率降低时，电网U矢量的旋转速度降低，而E的位置需要在同步坐标系下给定。如图6所示，当电网频率改变时，同步坐标系能迅速跟踪U的相位，而E的位置在电流环的快速调节下迅速跟踪上了锁相环确定的同步坐标系。也就是说，E迅速跟踪上了U的变化，两者的相对位置迅速恢复了之前的相对位置，设备基本没有受到系统的影响，不能作出响应以增进系统的稳定。例如，从惯性的角度功角δ几乎没有变化，设备发出的电能不变，因此不能体现惯性，阻止系统的频率变化。

利用锁相环的快速锁相来同步的这样一种控制方法，其中最主要缺点在于它使得这些受变流器控制的电源系统对电网不够友好，在电网出现波动时，不能响应这些波动，增进系统的稳定性，比如说提供惯性、整步转矩等。也可以说现有的控制方式使得这些电源设备对电网的致稳性很差。当系统频率波动时，设备不能体现惯性，阻止系统频率的快速变化；当系统设备不同步时，也不能像同步电机一样提供整步转矩使设备之间同步等。系统接纳这些设备的能力有限，因此这些设备的接入受到了很大的限制，为了解决这个问题，必须提高并网设备对系统的致稳性。

那么，要想这些受变流器控制的电源系统能够对系统提供致稳性，如提供惯性等，需要系统的变化能够影响得到这些电源系统。从内电势矢量的角度上，当系统频率改变时，电源系统的功角δ需要改变从而改变电源系统的输出，这就要求电源的内电势矢量E不能很快地跟踪上端电压矢量U。为了做到这一点，首先需要同步坐标系(内电势矢量E的坐标基准)不能快速跟踪端电压矢量U的变化。这样，系统的频率变化就可能对电源系统造成可观的影响。

但是，并不是同步坐标系不能快速跟踪端电压矢量U的变化，内电势矢量E就一定不能跟踪上端电压矢量U的变化。因为内电势矢量E不止受到同步控制的影响，还受到有功功率控制的影响。

第一种情况，同步控制响应速度较慢，并且有功功率控制响应较慢。同步坐标系不能很快跟踪端电压矢量U的变化，则输出的角度θ角前一段时间内出现差值。如图7(a)所示，U移动到了U′位置处，同步坐标系不能迅速跟踪U的变化；有功控制响应较慢，则电流矢量I相对于同步坐标系移动的速度很慢，在电流环的作用下调节到了I′处，则内电势矢量E相对于同步坐标系移动的速度很慢，U的转动速度快于E，两者的相对位置发生变化，功角δ增大为δ′，体现出了惯性。可以看到，在同步控制响应较慢的条件下，若有功控制响应也较慢，那么系统的变化会影响到风机，风机能够作出响应。从惯性的角度，设备功角由δ变为δ′，变大了，风机出力增大，体现了惯性并增进了系统的稳定。反之，频率增大时亦然。

第二种情况，同步控制响应速度较慢，但是有功功率控制响应很快。同步坐标系不能很快跟踪端电压矢量U的变化，则输出的角度θ角前一段时间内出现差值。如图7(b)所示，U移动到了U′位置处，同步坐标系不能迅速跟踪U的变化；但是有功控制响应很快，指令值迅速改变，使得电流矢量I相对于同步坐标系移动的速度很快，在电流环的作用下调节到了I′处，向着恢复到改变前的状态的进行调节；则内电势矢量E相对于同步坐标系移动的速度很快，功角δ′迅速被拉回初始值δ，内电势矢量E与端电压矢量U的相对位置迅速恢复到初始状态无法体现惯性。

从控制的角度，内电势矢量同时受到同步控制和有功控制的影响，内电势矢量的旋转速度是这两种控制的响应速度的叠加。本发明实施例设计的控制方法是同时包括同步控制、有功控制。两者的速度均不能过快。需要进行说明的是，惯性是致稳性中重要且容易表现出来的一个特性，所以在控制时，我们主要是通过控制发电系统产生惯性来体现其致稳性。同时，同步控制的目的在于让发电系统在能够同步的同时产生惯性，特此，我们将这种同步控制称之为惯性同步控制。

为了方便说明，将这种受变流器控制的发电系统1分为几个部分，如图8所示，主要包括能量模块11、被控对象12、有功控制器13和惯性同步控制器14；能量模块11的输入端用于获取外部的能量，能量模块11的第一输出端连接所述被控对象12，能量模块11将获取的能源转换为电能，或者将获取的电能转换为其他频率的电能；有功控制器13的输入端连接至所述能量模块11的第二输出端，有功控制器13的输出端连接所述被控对象12，有功控制器13用于控制被控对象12的有功功率的输出；惯性同步控制器14的输入端连接至并入的交流系统，惯性同步控制器14的输出端连接所述被控对象12，惯性同步控制器14用于控制发电系统1与并入的交流系统2同步并能够表现出惯性等致稳性。

在本发明实施例中，被控对象12主要指被控制产生内电势矢量的部分；被控对象12从能量模块11获取的有功功率由有功控制器13所控制，而被控对象12从能量模块11获取的电能在惯性同步控制器14的控制下被转化为与交流系统2同频率的交流电并输入交流系统2。在有功控制器13和惯性同步控制器14的共同控制下，被控对象能够产生于交流系统同频的交流电，并能在交流系统2频率波动时，改变输出的有功功率，体现惯性。

更具体地，对于全功率风机，能量模块11包括了风力发电涡轮机等一次能源转化装置、发电机、机侧变流器、直流电容等，以及相应的控制系统；被控对象12主要是网侧变流器及一些滤波装置。

对于储能装置，能量模块11主要包括了能量储存装置，例如电池、超级电容器、飞轮、超导体等等，一些变换器装置(如DC／DC变换器等等)，直流电容等，以及相应的控制系统；被控对象12主要是指网侧变流器及一些滤波装置。

对于直流输电，能量模块11主要包括输送能量的交流电源，整流器，直流电容，及相应的控制系统；被控对象12主要是指网侧变流器及一些滤波装置等。

对于光伏发电，能量模块11主要包括了太阳能光伏板、直流变换系统、储能系统、直流电容等，以及相应的控制系统；被控对象12主要是网侧变流器及一些滤波装置。

对于双馈电机，双馈电机比较特殊，定子侧和转子侧各有一个内电势，而主要控制的是转子侧的内电势。能量模块11主要包括风力涡轮机等一次能源转化装置，双馈电机，以及相应的机械部分控制系统等；被控对象12主要是指转子端机侧变流器、网侧变流器、直流电容，双馈风机定子及其交流能力输送系统等。

惯性同步控制器14中主要包括的功能框图如图9所示，输入信号为交流系统2的交流电压，输出为一个角度，主要包括了电网信息采集模块141、信号处理模块142、积分模块144以及惯性控制模块143这四个部分；电网信息采集模块141用于采集交流系统2的电压信息；可以采集三相的电压信息，也可以只采集两相的电压信息；信号处理模块142将采集的信息进行滤波处理和坐标变换后，输出已滤除噪声干扰的基于dq旋转坐标系的电压直轴分量或者电压交轴分量；惯性控制模块143根据得到的电压直轴分量或者电压交轴分量与给定值进行对比，其差值通过控制器的作用对输出角频率进行调整；积分模块144根据输出的角频率进行积分运算得到输出的角度。

更具体地，电网信息采集141主要是对交流系统2的三相电压信息进行采集，但在实际过程中，一般只对其中两相的电压信息进行采集。信号处理142主要是指对采集的信号进行处理，包括滤除噪声、坐标变换等。惯性控制模块143调整惯性同步控制器14的响应速度慢至能让发电系统1体现满足系统需求的惯性，使得此发电系统1能为交流系统2提供惯性等致稳性；它主要就是控制系统波动使得端电压矢量转速、相位变化时，内电势矢量不会迅速跟踪上端电压矢量；而它主要是通过控制同步坐标系不会迅速跟踪上端电压矢量的变化来实现。积分模块144是指根据惯性控制模块143的输出进行运算产生控制信号使受变流器控制的发电系统1与并入的交流系统2同步。

本发明提供的具有致稳能力的发电系统的控制方法具体包括下述步骤：

S1：采集交流系统的端电压信息；

S2：将采集的信息进行滤波处理和坐标变换后，输出已滤除噪声干扰的基于dq旋转坐标系的电压直轴分量或者电压交轴分量；其中坐标变换是基于惯性同步控制器的输出角度，以此来形成闭环控制。

S3：根据所述电压直轴分量或者电压交轴分量与给定值的差值对输出角频率进行调整；惯性控制调整惯性同步控制器的响应速度慢至能让发电系统体现满足系统需求的惯性，并能通过调节使得得到的电压直轴分量或者电压交轴分量与给定值无静差，以使系统的频率和相位能最终被无静差地跟踪上。其中给定值一般取0。

S4：将输出的角频率进行积分运算后输出的角度。

需要说明的是惯性控制和同步控制有时是集成在一起的。

作为本发明的一个实施例，对于有功功率控制，其响应速度快慢也决定了发电系统能为并入的交流系统提供多少惯性。需要发电系统能为系统提供多少惯性就应该相应地使有功控制的响应速度降至相应的时间尺度。

本发明不需改变先有的系统的拓扑结构，基于原系统的软、硬件基础，只需改变控制方法，便能提高现有的受变流器控制的并网设备对电网的致稳性。此时，从主要的一个特征——惯性上来说，本发明无需对系统的频率进行测量，无需构建新的控制回路就能达到预期目的，节约成本，并且不增加系统的复杂程度。另外，本方法在提供惯性的同时，也能提供整步转矩，使系统设备之间恢复同步。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的一种具有致稳能力的发电系统及控制方法；现在具体举例说明惯性同步控制器中的控制器的一种设计方法。

现有的系统的同步控制器是锁相环，如之前所述，一方面需要快速锁相，所以设计的控制器的带宽是越大越好；另一方面，为更准地锁相，需要能滤除三相不平衡的负序分量，因此控制器带宽不可太大。因此，现有的锁相环工作的带宽是考虑快速锁相和滤波的权衡。

而惯性同步控制器的设计考虑的问题与锁相环考虑的问题是不同的。首先同步控制工作的带宽大大降低了，滤波的效果优于现有的快速锁相的锁相环，因此滤波不是设计同步控制所考虑的问题。然后，设计致稳同步控制，其目的已不再是快速锁定系统相位，而是能够增进系统的稳定性，即是对系统有致稳性；那么设计的原则就是能够为系统提供能满足需求的致稳性。第三，同步速度变慢后带来的问题也是不一样的，具有致稳性后的设备，从另一个方面来讲，系统对设备的影响增加，设备自身受到很大的影响；因此在设计还需要对电源系统提供能量的能力、变流器的过流能力等予以考虑。综上所述，惯性同步控制器的设计遵循主要的原则是满足系统的致稳性的需求，同时需要考虑自身稳定性的需求。

现在具体举例子说明以提供惯性等性能为目的的惯性同步控制器中的控制器参数具体怎么设计。如以惯性控制器中采用经典的PI控制器为例。

以双馈风机为例说明。首先是确定积分系数K_i。

第一点，经小信号分析及大量的仿真结果表明，减慢系统的同步速度后，风机在电网中体现的惯性时间常数H_eq是与相关性很大的。风机本身是一个质量块，其惯性时间常数H是由其固有的结构所决定的，可以表示为其中，J为转动惯量常数，ω₀为转速的额定值，S₀为视在功率的额定值。但是现有的风机在系统中是不体现惯性的，因此，其在电网中等效的惯性时间常数H_eq几乎为零。但是不同于同步电机的是，风机的等效的惯性时间常数H_eq却是可以调节的，例如通过适当地设计同步控制就可以得以实现。在逐渐增大，即K_i逐渐减小的过程中，风电设备在系统中的等效惯性时间常数H_eq有增大的趋势。系统中典型的同步电机的惯性时间常数为2～9s，那么依据这个标准，调节K_i，使风机的等效惯性时间常数H_eq能近似等效于同步电机的，甚至优于同步电机。风机的等效惯性时间常数H_eq可以通过估算获得。等效惯性时间常数H_eq也有的关系，为系统频率的变化率，ΔP为输出功率的变化。风机增加的功率是变化的，系统频率的变化率也并非恒定，所以，可以对开始的功率增加段增加的功率取平均值，系统频率f的变化也取平均值，即可大致估算出风机的等效惯性时间常数H_eq。根据电网中需要的时间常数调节积分系数K_i使得发电系统的等效惯性时间常数H_eq大于等于同步电机的，甚至优于同步电机。

第二点，机械系统提供惯性的能力是有限的，提供过多的机械能会使得风机无法回复到稳定状态而失速。当K_i过小时，超过了机械系统所能承受的范围，会发生失速。理论上讲，同步减慢过程中不会失速的一个必要条件是，惯性同步控制和有功控制的响应速度对风机内电势的速度的影响，要大于转速变化对风机内电势速度的影响。这样，在风机减速的过程中，功角能有一个减小的过程，则风机输向电网的功率有一个减小的过程，不会一直需要机械系统提供能量。另外一个必要的条件是，功角减小的过程中，需要有一点，使得风机从风能中获取的输入功率大于风机向电网的输出功率，这样，转速能够发生回升。而这一些都与K_i参数的选取是相关的。因此，一种方法可以通过数学的方法来计算两种情况下K_i的边界值，然后通过仿真验证进一步确定K_i的边界值。第二种方法，就是直接逐渐减小K_i的值，找到风机不稳定的极限。另外，还需要考虑变流器的过流能力，因为体现惯性后的风机，其输出功率会随着系统的变化而改变，当输出功率增加时，需要对变流器的过流能力予以考虑。通过上述方法，确定选取K_i值在稳定域内。

综上，K_i的确定是以设备为系统提供致稳性(如惯性)为目标进行设计的，不同于现有的锁相环的控制——以滤波效果优异设计K_i。在具体的设计过程中，设备提供功率的能力，变流器的能力等也需要予以考虑，以保证电源系统能正常功率。

然后是比例系数K_p参数，经大量的仿真结果和小信号分析表明，K_p的取值与并网系统的阻尼是关系很大的。K_p减小时，设备的阻尼有减小的趋势。K_p过小时，系统阻尼不足，容易发生振荡；而阻尼过大时，系统的响应过慢，一方面也会影响到机械系统的稳定。实际设备的阻尼需要参考工程手册以及系统对设备的要求来综合选取，也就是说K_p的确定需要结合实际系统的要求。根据发电系统的阻尼确定比例系数K_p参数。

通过上述例子可以看到，优化的惯性同步控制的设计过程是与现有的锁相环控制的设计过程是大不相同。另外为降低惯性同步控制器工作带宽以体现强致稳性还有多种方法，比如PI控制器串联低通滤波器、PI控制器串联校正器、其他控制器等，但是设计的方法都与上述方法类似。

现有的基于锁相环的同步控制无不是以精确快速锁定相位为目的来设计的，而这一种全新的控制方法虽然基于原有系统的硬、软件结构，但是是一种以提高电源系统的致稳性(如提供惯性)为目的的惯性同步控制，使得发电系统不能再快速跟随电网的变化而作出响应，成为一种对电网具有致稳性的发电系统。

但是在整套的控制方法中，惯性同步控制慢是受变流器控制的电源系统能为电网提供致稳性的前提，另一个关键因素在于有功功率的控制。有功功率的控制不能够过快，否则有功功率会迅速恢复到设定值，电源系统仍然没有提供惯性等的能力。所以，在设计时还需要保证有功功率的控制不会过快。

以全功率风机一种典型的控制为例进行说明，如图10所示，这种控制方法的基本原则在于用机侧变流器控制转速，用网侧变流器控制直流母线电压，其有功控制是直流母线电压控制器，响应很快，所以在这种情况下，惯性同步控制响应得再慢，系统也无法在机电时间尺度上体现出惯性。

因此我们需要对有功控制重新设计，降低有功控制的工作带宽。解决的方案有很多，其中之一就是改变控制策略以减慢有功功率控制，比如如图11所示，控制策略改为用网侧变流器控制转速，用机侧变流器控制直流母线电压。在这种控制策略下，有功功率控制中包含了速度控制环，因此响应变慢。在这种控制策略下，设计惯性同步控制，电源系统是可以体现出惯性的。

在一些电源系统中有功功率控制本来就是很慢的，足够满足体现惯性的要求，例如双馈风机，一部分全功率风机等，这时，只需要通过设计惯性同步控制即可以达到体现惯性，增加致稳性的目的。

使用所述的一种控制方法，能使发电系统成为一种强致稳性的系统，下面通过具体的例子说明。

对于双馈风机，如图12所示，当系统频率发生改变时，由于同步控制动作得较慢，致稳同步控制12的输出在较长的一段时间内不能跟踪电网11电压的相位；机侧变流器15变流器控制采用的dq变换的角度基准，是通过致稳同步控制12输出的角度和发电机18的转子位置角运算得到；网侧变流器13控制采用的dq变换的角度基准来自于致稳同步控制12输出的角度。当致稳同步控制12输出的角度在较长一段时间内不准时，机侧变流器15和网侧变流器13的输出功率受到较大的影响；机侧输出功率改变，导致机侧电机的电磁转矩发生改变，旋转部件，如电机18的转子、传动轴19、齿轮20和桨叶21等，旋转速度改变，释放出存储的机械能；机侧速度控制器17的作用又使得机侧输出功率改变；两侧变流器的功率不平衡导致直流母线电容14电压波动，网侧的直流电压控制器16动作，控制网侧变流器13的输出功率，风机向电网11的注入功率发生变化，风机在电网中体现惯性。

对于全功率风机，如图11所示，当系统频率发生改变时，由于同步控制动作得较慢，致稳同步控制2的输出在较长的一段时间内不能跟踪电网1电压的相位。

由于网侧变流器3的控制采用的dq变换的角度基准来自于致稳同步控制2的输出角度，因此，当同步控制较慢时，网侧变流器3受到影响，输出到电网1的功率发生改变。网侧变流器3输出功率改变，但是机侧变流器5的输出功率不变，两侧功率不平衡导致直流母线电容4上的电压U_dc发生波动。直流母线电容4上的电压波动后偏离设定值，直流母线电压控制器7动作，调节机侧变流器5的输出功率；侧变流器5的输出功率改变，机侧电磁转矩发生改变，旋转部件，如电机8的转子、传动轴9、桨叶10和部分全功率风机中的齿轮等，旋转速度改变，释放出存储的机械能；转速改变后，通过速度控制器6的作用调节网侧变流器3的输出功率，风机向电网1的注入功率发生变化，风机在电网中体现惯性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有致稳能力的发电系统，其特征在于，包括能量模块(11)、被控对象(12)、有功控制器(13)和惯性同步控制器(14)；

所述能量模块(11)的输入端用于获取外部的能源，所述能量模块(11)的第一输出端连接所述被控对象(12)，所述能量模块(11)用于将获取的其他能源转换为电能或将电能转化为其他频率的电能；

所述有功控制器(13)的输入端连接至所述能量模块(11)的第二输出端，所述有功控制器(13)的输出端连接所述被控对象(12)，所述有功控制器(13)用于控制所述被控对象(12)的有功功率的输出；

所述惯性同步控制器(14)的输入端用于连接并入的交流系统，所述惯性同步控制器(14)的输出端连接所述被控对象(12)，所述惯性同步控制器(14)用于控制发电系统(1)与并入的交流系统(2)同步并使得所述发电系统具有致稳能力；

所述惯性同步控制器(14)包括：电网信息采集模块(141)、信号处理模块(142)、惯性控制模块(143)和积分模块(144)；

所述电网信息采集模块(141)用于采集交流系统(2)的电压信息；所述信号处理模块(142)用于将采集的信息进行滤波处理和坐标变换后，输出已滤除噪声干扰的基于dq旋转坐标系的电压直轴分量或电压交轴分量；所述惯性控制模块(143)用于根据所述电压直轴分量或电压交轴分量与给定值的差值对输出角频率进行调整，使得所述惯性同步控制器(14)的响应速度慢至能让所述发电系统具有致稳能力；所述积分模块(144)用于将所述输出角频率进行积分运算得到输出角度。

2.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，工作时，所述被控对象(12)从能量模块(11)获取的有功功率由有功控制器(13)所控制，而被控对象(12)从能量模块(11)获取的电能在惯性同步控制器(14)的控制下被转化为与交流系统(2)同频率的交流电并输入至交流系统(2)；在有功控制器(13)和惯性同步控制器(14)的共同控制下，被控对象(12)能够产生与所述交流系统(2)同频的交流电，并能在所述交流系统(2)频率波动时改变输出的有功功率，体现惯性。

3.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述惯性控制模块(143)和积分模块(144)集成于一体。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述的发电系统的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1：采集交流系统的端电压信息；

S2：将采集的信息进行滤波处理和坐标变换后输出已滤除噪声干扰的基于dq旋转坐标系的电压直轴分量或电压交轴分量；

S3：根据所述电压直轴分量或电压交轴分量与给定值的差值对输出角频率进行调整；通过惯性控制调整惯性同步控制器的响应速度慢至能让发电系统体现满足系统需求的惯性，

S4：将所述输出的角频率进行积分运算后输出角度。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括下述步骤：根据需要发电系统提供惯性的多少相应地调整有功控制的响应速度，使得有功控制的响应速度降至相应的时间尺度。

6.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在步骤S2中，所述坐标变换基于惯性同步控制器的输出角度。

7.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在步骤S3中，通过调整所述输出角频率使得所述电压直轴分量或电压交轴分量与所述给定值无静差。