CN104836253A - 双馈风机虚拟惯量的控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈风机虚拟惯量的控制方法及控制装置，其中，方法包括以下步骤：建立电力系统频率响应方程；获取系统惯性时间常数的估计值；获取扩张状态观测器的标准形式；设计扩张状态观测器；通过所述扩张状态观测器得到有功参考增量，以获取双馈风机虚拟惯量控制方程。该控制方法通过扩张状态观测器得到有功参考增量，从而获取双馈风机虚拟惯量控制方程，避免了微分器难以实现的难题，并且可以方便地考虑风电虚拟惯量控制对系统总惯量的相对贡献大小。

Description

双馈风机虚拟惯量的控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及新能源发电技术领域，特别涉及一种双馈风机虚拟惯量的控制方法及控制装置。

背景技术

随着风电在电力系统中的渗透率越来越高，特别是大规模风电场直接接入高压输电网后，风电已经对电力系统的调度运行和安全稳定等诸多方面带来了不可忽视的影响。这其中的关键问题之一是大规模风电接入后对电力系统频率的影响以及如何进行含大规模风电电力系统的频率控制从而维持电力系统所要求的频率水平。

其中，风电虚拟惯量控制是指在风机控制系统中加入系统频率响应环节，当系统频率变化时，通过释放一定的旋转动能给电网或将一定的电能转化为旋转动能，从而在短时间内增加或减小风机的有功出力，参与电力系统频率控制。具体来说，虚拟惯量控制的实现方法是在风机有功参考值上附加一个与系统频率微分信号成比例的分量，在此基础上模拟同步发电机的一次调频，在风机有功参考值上再附加一个与频率偏移量成比例的分量，从而得出了相关技术中所采用的双馈风机虚拟惯量的PD控制策略。

然而，相关技术的实现必须获取频率微分信号，而在实际工程中微分器的实现是很困难的，并且很容易被噪声放大效应所影响，导致存在着一定局限性，无法很好地满足使用要求，因此有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种双馈风机虚拟惯量的控制方法，该控制方法可以避免微分器难以实现的难题，并且实现简单。

本发明的另一个目的在于提出一种双馈风机虚拟惯量的控制装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种双馈风机虚拟惯量的控制方法，包括以下步骤：建立风电附加虚拟惯量控制之后的电力系统频率响应方程；根据在线运行发电机的惯性时间常数获取系统惯性时间常数的估计值；根据所述系统惯性时间常数的估计值和所述电力系统频率响应方程获取扩张状态观测器的标准形式；根据所述扩张状态观测器的标准形式设计扩张状态观测器；以及通过所述扩张状态观测器得到有功参考增量，以获取双馈风机虚拟惯量控制方程。

根据本发明实施例提出的双馈风机虚拟惯量的控制方法，通过系统惯性时间常数的估计值和电力系统频率响应方程设计扩张状态观测器，以通过扩张状态观测器得到有功参考增量，实现获取双馈风机虚拟惯量控制方程的目的，避免了微分器难以实现的难题，并且可以方便地考虑风电虚拟惯量控制对系统总惯量的相对贡献大小，实现简单。

另外，根据本发明上述实施例的双馈风机虚拟惯量的控制方法还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电力系统频率响应方程为：

$\frac{\mathrm{d\Δ}{f}_e}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{2H}(\mathrm{\Δ}{p}_G+\mathrm{\Δ}{p}_T-\mathrm{\Δ}{p}_L-\mathrm{D\Δ}{f}_e)+\frac{1}{2H}\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{IR}},$

其中，Δf_e为系统频率偏移量H为系统惯性时间常数，Δp_G为常规同步发电的输出功率变化量，Δp_T为所考察系统与相邻系统之间交换功率的变化量，Δp_L为系统有功负荷的变化量，Δf_e为系统频率偏移，D为系统的负荷阻尼系数，ΔP_IR表示风电虚拟惯量控制所产生的有功参考值增量，t为时间变量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据以下公式获取所述系统惯性时间常数的估计值：

$H_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{i,\mathrm{SG}}\·S_{i,N}}{S_B},$

其中，n为同步发电机的总数，S_i,N和H_i,SG分别为第i台发电机的功率基值和惯性时间常数，S_B为系统功率基值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述扩张状态观测器为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=(z_1-{\hat{z}}_1)\\ {\stackrel{\·}{\hat{z}}}_1={\hat{z}}_2+(1/2H_0)u-{\mathrm{\β}}_{01}{e}_1\\ {\stackrel{\·}{\hat{z}}}_2=-{\mathrm{\β}}_{02}\mathrm{fal}(e_1,\mathrm{\α},\mathrm{\δ})\end{array}\right.$

其中，z₁＝Δf_e，z₂＝[(Δp_G+Δp_T-Δp_L-DΔf)/2H+ΔP_IR/2H-ΔP_IR/2H₀]，和分别为z₁和z₂的估计值，e₁为实际值z₁与估计值的偏差，u为扩张状态观测器的输入，u＝ΔP_IR，β₀₁、β₀₂为扩张状态观测器的参数，函数fal(e₁,α,δ)表达式为：

$\mathrm{fal}(e_1,\mathrm{\α},\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{cc}{\left|e_1\right|}^{\mathrm{\α}}\mathrm{sign}\left(e_1\right),& \left|e_1\right|>\mathrm{\δ}\\ e_1/{\mathrm{\δ}}^{1-\mathrm{\α}},& \left|e_1\right|\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.,$

式中，参数0<α<1，δ为滤波因子，sign为符号函数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述有功参考增量中加入模拟同步发电机一次调频的有功参考增量获取所述双馈风机虚拟惯量控制方程，所述双馈风机虚拟惯量控制方程为：

$\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}}=-K_{\mathrm{IR}}\&CenterDot;2H_0{\hat{z}}_2-K_{\mathrm{pf}}{\hat{z}}_1,$

其中，K_IR称为风机惯性响应参与系数，K_pf为等效频率调节效应系数。用于模拟同步发电机的惯性响应，用于模拟同步发电机的一次调频，和为状态观测量，H₀为所述系统惯性时间常数的估计值。

本发明另一方面实施例提出了一种双馈风机虚拟惯量的控制装置，包括：构建模块，用于建立风电附加虚拟惯量控制之后的电力系统频率响应方程；估计模块，用于根据在线运行发电机的惯性时间常数获取系统惯性时间常数的估计值；第一获取模块，用于根据所述系统惯性时间常数的估计值和所述电力系统频率响应方程获取扩张状态观测器的标准形式；设计模块，用于根据所述扩张状态观测器的标准形式设计扩张状态观测器；以及第二获取模块，用于通过所述扩张状态观测器得到有功参考增量，以获取双馈风机虚拟惯量控制方程。

根据本发明实施例提出的双馈风机虚拟惯量的控制装置，通过系统惯性时间常数的估计值和电力系统频率响应方程设计扩张状态观测器，以通过扩张状态观测器得到有功参考增量，实现获取双馈风机虚拟惯量控制方程的目的，避免了微分器难以实现的难题，并且可以方便地考虑风电虚拟惯量控制对系统总惯量的相对贡献大小，实现简单。

另外，根据本发明上述实施例的双馈风机虚拟惯量的控制装置还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电力系统频率响应方程为：

$\frac{\mathrm{d\&Delta;}{f}_e}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{2H}(\mathrm{\&Delta;}{p}_G+\mathrm{\&Delta;}{p}_T-\mathrm{\&Delta;}{p}_L-\mathrm{D\&Delta;}{f}_e)+\frac{1}{2H}\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}},$

其中，Δf_e为系统频率偏移量H为系统惯性时间常数，Δp_G为常规同步发电的输出功率变化量，Δp_T为所考察系统与相邻系统之间交换功率的变化量，Δp_L为系统有功负荷的变化量，Δf_e为系统频率偏移，D为系统的负荷阻尼系数，ΔP_IR表示风电虚拟惯量控制所产生的有功参考值增量，t为时间变量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据以下公式获取所述系统惯性时间常数的估计值：

$H_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_{i,\mathrm{SG}}\&CenterDot;S_{i,N}}{S_B},$

其中，n为同步发电机的总数，S_i,N和H_i,SG分别为第i台发电机的功率基值和惯性时间常数，S_B为系统功率基值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述扩张状态观测器为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=(z_1-{\hat{z}}_1)\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{z}}}_1={\hat{z}}_2+(1/2H_0)u-{\mathrm{\&beta;}}_{01}{e}_1\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{z}}}_2=-{\mathrm{\&beta;}}_{02}\mathrm{fal}(e_1,\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&delta;})\end{array}\right.$

其中，其中，z₁＝Δf_e，z₂＝[(Δp_G+Δp_T-Δp_L-DΔf)/2H+ΔP_IR/2H-ΔP_IR/2H₀]，和分别为z₁和z₂的估计值，e₁为实际值z₁与估计值的偏差，u为扩张状态观测器的输入，u＝ΔP_IR，β₀₁、β₀₂为扩张状态观测器的参数，函数fal(e₁,α,δ)表达式为：

$\mathrm{fal}(e_1,\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{cc}{\left|e_1\right|}^{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{sign}\left(e_1\right),& \left|e_1\right|>\mathrm{\&delta;}\\ e_1/{\mathrm{\&delta;}}^{1-\mathrm{\&alpha;}},& \left|e_1\right|\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.,$

式中，参数0<α<1，δ为滤波因子，sign为符号函数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第二获取模块还用于在所述有功参考增量中加入模拟同步发电机一次调频的有功参考增量获取所述双馈风机虚拟惯量控制方程，所述双馈风机虚拟惯量控制方程为：

$\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}}=-K_{\mathrm{IR}}\&CenterDot;2H_0{\hat{z}}_2-K_{\mathrm{pf}}{\hat{z}}_1,$

其中，K_IR称为风机惯性响应参与系数，K_pf为等效频率调节效应系数。用于模拟同步发电机的惯性响应，用于模拟同步发电机的一次调频，和为状态观测量，H₀为所述系统惯性时间常数的估计值。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的双馈风机虚拟惯量的控制方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的双馈风机虚拟惯量控制方法的流程示意图；

图3为根据本发明一个实施例的简单两区域测试系统的结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的系统频率变化的曲线示意图；以及

图5为根据本发明实施例的双馈风机虚拟惯量的控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的双馈风机虚拟惯量的控制方法及控制装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的双馈风机虚拟惯量的控制方法。参照图1所示，该控制方法包括以下步骤：

S101，建立风电附加虚拟惯量控制之后的电力系统频率响应方程。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电力系统频率响应方程为：

$\frac{\mathrm{d\&Delta;}{f}_e}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{2H}(\mathrm{\&Delta;}{p}_G+\mathrm{\&Delta;}{p}_T-\mathrm{\&Delta;}{p}_L-\mathrm{D\&Delta;}{f}_e)+\frac{1}{2H}\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}},$

其中，Δf_e为系统频率偏移量H为系统惯性时间常数，Δp_G为常规同步发电的输出功率变化量，Δp_T为所考察系统与相邻系统之间交换功率的变化量，Δp_L为系统有功负荷的变化量，Δf_e为系统频率偏移，D为系统的负荷阻尼系数，ΔP_IR表示风电虚拟惯量控制所产生的有功参考值增量，t为时间变量。

具体地，在本发明的一个实施例中，参照图2所示，步骤1：建立风电附加虚拟惯量控制之后的电力系统频率响应模型。当电力系统发生负荷扰动(负荷并网或发电机退出运行)后，系统频率响应方程为

$2H\frac{\mathrm{d\&Delta;}{f}_e}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\&Delta;}{p}_G+\mathrm{\&Delta;}{p}_W+\mathrm{\&Delta;}{p}_T-\mathrm{\&Delta;}{p}_L-\mathrm{D\&Delta;}{f}_e---\left(1\right)$

其中，Δp_G为常规同步发电的输出功率变化量，Δp_W为风力发电的输出功率变化量，Δp_T为所考察系统与相邻系统之间交换功率的变化量，Δp_L为系统有功负荷的变化量，Δf_e为系统频率偏移，H为系统惯性时间常数，D为系统的负荷阻尼系数。

在加入风电附加虚拟惯量控制之后，当电力系统发生负荷扰动后，系统频率动态响应方程变为

$2H\frac{\mathrm{d\&Delta;}{f}_e}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\&Delta;}{p}_G+\mathrm{\&Delta;}{p}_{\mathrm{IR}}+\mathrm{\&Delta;}{p}_T-\mathrm{\&Delta;}{p}_L-\mathrm{D\&Delta;}{f}_e---\left(2\right)$

式中，ΔP_IR表示风电虚拟惯量控制所产生的有功参考值增量，其余各量意义与式(1)相同。将式(2)写成标准的一阶系统形式，如式(3)所示：

$\frac{\mathrm{d\&Delta;}{f}_e}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{2H}(\mathrm{\&Delta;}{p}_G+\mathrm{\&Delta;}{p}_T-\mathrm{\&Delta;}{p}_L-\mathrm{D\&Delta;}{f}_e)+\frac{1}{2H}\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}}---\left(3\right)$

S102，根据在线运行发电机的惯性时间常数获取系统惯性时间常数的估计值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据以下公式获取所述系统惯性时间常数的估计值：

$H_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_{i,\mathrm{SG}}\&CenterDot;S_{i,N}}{S_B},$

其中，n为同步发电机的总数，S_i,N和H_i,SG分别为第i台发电机的功率基值和惯性时间常数，S_B为系统功率基值。

进一步地，参照图2所示，步骤2：计算系统惯性时间常数的估计值H₀。实际中，系统的惯性时间常数的真值H很难精确获得，但其大致估计值H₀可由所有在线运行发电机的惯性时间常数计算得出，如式(4)所示：

$H_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_{i,\mathrm{SG}}\&CenterDot;S_{i,N}}{S_B}---\left(4\right)$

其中，n为同步发电机的总数，S_i,N和H_i,SG分别为第i台发电机的功率基值和惯性时间常数，S_B为系统功率基值。

S103，根据所述系统惯性时间常数的估计值和所述电力系统频率响应方程获取扩张状态观测器的标准形式。

进一步地，参照图2所示，步骤3：将模型转化为可设计扩张状态观测器的标准形式。利用式(4)计算出的系统惯性时间常数的估计值H₀，可将式(3)改写成

$\frac{\mathrm{d\&Delta;}{f}_e}{\mathrm{dt}}=[\frac{1}{2H}(\mathrm{\&Delta;}{p}_G+\mathrm{\&Delta;}{p}_T-\mathrm{\&Delta;}{p}_L-\mathrm{D\&Delta;}{f}_e)+(\frac{1}{2H}-\frac{1}{2H_0})\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}}]+\frac{1}{2H_0}\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}}---\left(5\right)$

令a(t)＝[(Δp_G+Δp_T-Δp_L-DΔf)/2H+ΔP_IR/2H-ΔP_IR/2H₀]，则式(5)可写为

$\frac{\mathrm{d\&Delta;}{f}_e}{\mathrm{dt}}=a\left(t\right)+\frac{1}{2H_0}\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}}---\left(6\right)$

式中，a(t)表示除风电外电力系统其它所有总有功不平衡对频率变化率的影响，亦即系统未知总扰动为a(t)。

令状态变量x＝Δf_e，控制输入u＝ΔP_IR，则可得

$\stackrel{\&CenterDot;}{x}=a\left(t\right)+\frac{1}{2H_0}u---\left(7\right)$

S104，根据所述扩张状态观测器的标准形式设计扩张状态观测器。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述扩张状态观测器为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=(z_1-{\hat{z}}_1)\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{z}}}_1={\hat{z}}_2+(1/2H_0)u-{\mathrm{\&beta;}}_{01}{e}_1\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{z}}}_2=-{\mathrm{\&beta;}}_{02}\mathrm{fal}(e_1,\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&delta;})\end{array}\right.$

其中，其中，z₁＝Δf_e，z₂＝[(Δp_G+Δp_T-Δp_L-DΔf)/2H+ΔP_IR/2H-ΔP_IR/2H₀]，和分别为z₁和z₂的估计值，e₁为实际值z₁与估计值的偏差，u为扩张状态观测器的输入，u＝ΔP_IR，β₀₁、β₀₂为扩张状态观测器的参数，函数fal(e₁,α,δ)表达式为：

$\mathrm{fal}(e_1,\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{cc}{\left|e_1\right|}^{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{sign}\left(e_1\right),& \left|e_1\right|>\mathrm{\&delta;}\\ e_1/{\mathrm{\&delta;}}^{1-\mathrm{\&alpha;}},& \left|e_1\right|\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.,$

式中，参数0<α<1，δ为滤波因子，sign为符号函数。

进一步地，参照图2所示，步骤4：设计扩张状态观测器。令新的状态变量z₁＝x，z₂＝a(t)，输出y＝z₁＝x，则针对式(7)的扩张状态观测器为

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=(z_1-{\hat{z}}_1)\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{z}}}_1={\hat{z}}_2+(1/2H_0)u-{\mathrm{\&beta;}}_{01}{e}_1\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{z}}}_2=-{\mathrm{\&beta;}}_{02}\mathrm{fal}(e_1,\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&delta;})\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，和为状态观测量，β₀₁、β₀₂为扩张状态观测器的参数，函数fal(e₁,α,δ)表达式为 $\mathrm{fal}(e_1,\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{cc}{\left|e_1\right|}^{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{sign}\left(e_1\right),& \left|e_1\right|>\mathrm{\&delta;}\\ e_1/{\mathrm{\&delta;}}^{1-\mathrm{\&alpha;}},& \left|e_1\right|\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.,$ 式中，参数0<α<1，可取为0.5；参数δ为滤波因子，表示fal(e₁,α,δ)函数的线性段长度；sign为符号函数，当e₁≥0时，sign(e₁)＝1；当e₁<0时，sign(e₁)＝-1。

只要通过仿真调试等方式合理选取参数β₀₁、β₀₂，式(8)所示的扩张状态观测器输出的观测变量将渐近于x(即系统频率偏移量Δf_e)，而观测变量将渐近于a(t)(即除风电外电力系统其它所有总有功不平衡对频率变化率的影响)。

S105，通过所述扩张状态观测器得到有功参考增量，以获取双馈风机虚拟惯量控制方程。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述有功参考增量中加入模拟同步发电机一次调频的有功参考增量获取所述双馈风机虚拟惯量控制方程，所述双馈风机虚拟惯量控制方程为：

$\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}}=-K_{\mathrm{IR}}\&CenterDot;2H_0{\hat{z}}_2-K_{\mathrm{pf}}{\hat{z}}_1,$

其中，K_IR称为风机惯性响应参与系数，K_pf为等效频率调节效应系数。用于模拟同步发电机的惯性响应，用于模拟同步发电机的一次调频，和为状态观测量，H₀为所述系统惯性时间常数的估计值。

进一步地，参照图2所示，步骤5：在上述扩张状态观测器的基础上来设计风机虚拟惯量控制策略(即确定有功参考增量ΔP_IR)。与系统频率变化率成比例的有功参考增量如式(9)所示：

$\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}}=-K_{\mathrm{IR}}\&CenterDot;2H_0{\hat{z}}_2\&ap;-K_{\mathrm{IR}}\&CenterDot;2H_{0}a\left(t\right)---\left(9\right)$

式中，K_IR称为风机惯性响应参与系数，其取值范围为0≤K_IR<1。

在式(9)的基础上加入模拟同步发电机一次调频的有功参考增量，则可得到基于扩张状态观测器的双馈风机虚拟惯量控制策略为

$\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}}=-K_{\mathrm{IR}}\&CenterDot;2H_0{\hat{z}}_2-K_{\mathrm{pf}}{\hat{z}}_1---\left(10\right)$

式中，K_pf为等效频率调节效应系数。式10中等号右边第一项用于模拟同步发电机的惯性响应，第二项用于模拟同步发电机的一次调频。

在本发明的实施例中，本发明实施例具有以下优点：

1、双馈风机惯性响应的实现不需要直接获取系统频率的微分信号，从而避免了微分器难以实现的难题；

2、相比于双馈风机虚拟惯量的PD控制策略，基于扩张状态观测器的双馈风机虚拟惯量控制策略通过调整参数K_IR(即惯性响应参与系数)可以方便地考虑风电虚拟惯量控制对系统总惯量的相对贡献大小。

在本发明的一个具体实施例中，为验证本发明实施例的控制方法的有效性与正确性，下面给出双馈风机不含虚拟惯量控制(NO IRC)、采用虚拟惯量的PD控制策略(PD-Based IRC)和采用基于扩张状态观测器的虚拟惯量控制(ESO-Based IRC)仿真对比。

参照图3所示，图3为简单两区域测试系统。其中，三台同步发电机G1、G2和G3完全相同，额定电压为13.8kV，额定功率为120MW，惯性时间常数为3.5s。所有同步发电机均安装有励磁系统和调速器，初始负荷为190MW，系统阻尼D＝0.05。节点1和节点3、节点2和节点3之间通过双回联络线相连。双馈风机输入风速保持为11.0m/s，稳态时风机转速约为1.0pu，风机有功出力约为12MW。负荷扰动设置为当系统稳态运行后在t＝5s时增加8％的有功负荷，仿真步长为h＝50μs。

进一步地，基于ESO的双馈风机虚拟惯量控制策略的参数如下：扩张状态观测器参数β₀₁＝60，β₀₂＝900，α＝0.5，δ＝1000h(h为仿真步长)，系统惯性时间常数估计值H₀为63s。为了获得与双馈风机虚拟惯量的PD控制策略相同的结果，设置风机惯性响应参与系数为K_IR＝＝0.1370，频率调节效应系数K_pf＝1.5。

参照图4所示，由附图4给出的系统频率变化曲线可知，在系统发生负荷扰动后，基于ESO的双馈风机虚拟惯量控制策略(ESO-Based IRC)能够获得与双馈风机虚拟惯量的PD控制策略(PD-Based IRC)一样的频率支撑效果，图中基于ESO的双馈风机虚拟惯量控制策略和双馈风机虚拟惯量的PD控制策略的曲线重合，因此验证了基于ESO的虚拟惯量控制策略的有效性与正确性。

根据本发明实施例提出的双馈风机虚拟惯量的控制方法，通过系统惯性时间常数的估计值和电力系统频率响应方程设计扩张状态观测器，以通过扩张状态观测器得到有功参考增量，实现获取双馈风机虚拟惯量控制方程的目的，避免了微分器难以实现的难题，并且可以方便地考虑风电虚拟惯量控制对系统总惯量的相对贡献大小，实现简单。

其次，下面参照附图描述根据本发明实施例提出的双馈风机虚拟惯量的控制装置。参照图5所示，该控制装置100包括：构建模块10、估计模块20、第一获取模块30、设计模块40和第二获取模块50。

其中，构建模块10用于建立风电附加虚拟惯量控制之后的电力系统频率响应方程。估计模块20用于根据在线运行发电机的惯性时间常数获取系统惯性时间常数的估计值。第一获取模块30用于根据系统惯性时间常数的估计值和电力系统频率响应方程获取扩张状态观测器的标准形式。设计模块40用于根据扩张状态观测器的标准形式设计扩张状态观测器。第二获取模块50用于通过扩张状态观测器得到有功参考增量，以获取双馈风机虚拟惯量控制方程。本发明实施例的控制装置100通过扩张状态观测器得到有功参考增量，从而获取双馈风机虚拟惯量控制方程，避免了微分器难以实现的难题，并且可以方便地考虑风电虚拟惯量控制对系统总惯量的相对贡献大小。

进一步地，在本发明的一个实施例中，电力系统频率响应方程为：

$\frac{\mathrm{d\&Delta;}{f}_e}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{2H}(\mathrm{\&Delta;}{p}_G+\mathrm{\&Delta;}{p}_T-\mathrm{\&Delta;}{p}_L-\mathrm{D\&Delta;}{f}_e)+\frac{1}{2H}\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}},$

其中，Δf_e为系统频率偏移量H为系统惯性时间常数，Δp_G为常规同步发电的输出功率变化量，Δp_T为所考察系统与相邻系统之间交换功率的变化量，Δp_L为系统有功负荷的变化量，Δf_e为系统频率偏移，D为系统的负荷阻尼系数，ΔP_IR表示风电虚拟惯量控制所产生的有功参考值增量，t为时间变量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据以下公式获取系统惯性时间常数的估计值：

$H_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_{i,\mathrm{SG}}\&CenterDot;S_{i,N}}{S_B},$

其中，n为同步发电机的总数，S_i,N和H_i,SG分别为第i台发电机的功率基值和惯性时间常数，S_B为系统功率基值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，扩张状态观测器为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=(z_1-{\hat{z}}_1)\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{z}}}_1={\hat{z}}_2+(1/2H_0)u-{\mathrm{\&beta;}}_{01}{e}_1\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{z}}}_2=-{\mathrm{\&beta;}}_{02}\mathrm{fal}(e_1,\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&delta;})\end{array}\right.$

其中，其中，z₁＝Δf_e，z₂＝[(Δp_G+Δp_T-Δp_L-DΔf)/2H+ΔP_IR/2H-ΔP_IR/2H₀]，和分别为z₁和z₂的估计值，e₁为实际值z₁与估计值的偏差，u为扩张状态观测器的输入，u＝ΔP_IR，β₀₁、β₀₂为扩张状态观测器的参数，函数fal(e₁,α,δ)表达式为：

$\mathrm{fal}(e_1,\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{cc}{\left|e_1\right|}^{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{sign}\left(e_1\right),& \left|e_1\right|>\mathrm{\&delta;}\\ e_1/{\mathrm{\&delta;}}^{1-\mathrm{\&alpha;}},& \left|e_1\right|\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.,$

式中，参数0<α<1，δ为滤波因子，sign为符号函数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第二获取模块50还用于在有功参考增量中加入模拟同步发电机一次调频的有功参考增量获取双馈风机虚拟惯量控制方程，双馈风机虚拟惯量控制方程为：

$\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}}=-K_{\mathrm{IR}}\&CenterDot;2H_0{\hat{z}}_2-K_{\mathrm{pf}}{\hat{z}}_1,$

其中，K_IR称为风机惯性响应参与系数，K_pf为等效频率调节效应系数。用于模拟同步发电机的惯性响应，用于模拟同步发电机的一次调频，和为状态观测量，H₀为系统惯性时间常数的估计值。

具体地，在本发明的一个实施例中，参照图2所示，本发明实施例包括以下步骤：

步骤1：建立风电附加虚拟惯量控制之后的电力系统频率响应模型。当电力系统发生负荷扰动(负荷并网或发电机退出运行)后，系统频率响应方程为

$2H\frac{\mathrm{d\&Delta;}{f}_e}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\&Delta;}{p}_G+\mathrm{\&Delta;}{p}_W+\mathrm{\&Delta;}{p}_T-\mathrm{\&Delta;}{p}_L-\mathrm{D\&Delta;}{f}_e---\left(1\right)$

其中，Δp_G为常规同步发电的输出功率变化量，Δp_W为风力发电的输出功率变化量，Δp_T为所考察系统与相邻系统之间交换功率的变化量，Δp_L为系统有功负荷的变化量，Δf_e为系统频率偏移，H为系统惯性时间常数，D为系统的负荷阻尼系数。

在加入风电附加虚拟惯量控制之后，当电力系统发生负荷扰动后，系统频率动态响应方程变为

$2H\frac{\mathrm{d\&Delta;}{f}_e}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\&Delta;}{p}_G+\mathrm{\&Delta;}{p}_{\mathrm{IR}}+\mathrm{\&Delta;}{p}_T-\mathrm{\&Delta;}{p}_L-\mathrm{D\&Delta;}{f}_e---\left(2\right)$

式中，ΔP_IR表示风电虚拟惯量控制所产生的有功参考值增量，其余各量意义与式(1)相同。将式(2)写成标准的一阶系统形式，如式(3)所示：

$\frac{\mathrm{d\&Delta;}{f}_e}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{2H}(\mathrm{\&Delta;}{p}_G+\mathrm{\&Delta;}{p}_T-\mathrm{\&Delta;}{p}_L-\mathrm{D\&Delta;}{f}_e)+\frac{1}{2H}\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}}---\left(3\right)$

步骤2：计算系统惯性时间常数的估计值H₀。实际中，系统的惯性时间常数的真值H很难精确获得，但其大致估计值H₀可由所有在线运行发电机的惯性时间常数计算得出，如式(4)所示：

$H_0=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_{i,\mathrm{SG}}\&CenterDot;S_{i,N}}{S_B}---\left(4\right)$

其中，n为同步发电机的总数，S_i,N和H_i,SG分别为第i台发电机的功率基值和惯性时间常数，S_B为系统功率基值。

步骤3：将模型转化为可设计扩张状态观测器的标准形式。利用式(4)计算出的系统惯性时间常数的估计值H₀，可将式(3)改写成

$\frac{\mathrm{d\&Delta;}{f}_e}{\mathrm{dt}}=[\frac{1}{2H}(\mathrm{\&Delta;}{p}_G+\mathrm{\&Delta;}{p}_T-\mathrm{\&Delta;}{p}_L-\mathrm{D\&Delta;}{f}_e)+(\frac{1}{2H}-\frac{1}{2H_0})\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}}]+\frac{1}{2H_0}\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}}---\left(5\right)$

令a(t)＝[(Δp_G+Δp_T-Δp_L-DΔf)/2H+ΔP_IR/2H-ΔP_IR/2H₀]，则式(5)可写为

$\frac{\mathrm{d\&Delta;}{f}_e}{\mathrm{dt}}=a\left(t\right)+\frac{1}{2H_0}\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}}---\left(6\right)$

式中，a(t)表示除风电外电力系统其它所有总有功不平衡对频率变化率的影响，亦即系统未知总扰动为a(t)。

令状态变量x＝Δf_e，控制输入u＝ΔP_IR，则可得

$\stackrel{\&CenterDot;}{x}=a\left(t\right)+\frac{1}{2H_0}u---\left(7\right)$

步骤4：设计扩张状态观测器。令新的状态变量z₁＝x，z₂＝a(t)，输出y＝z₁＝x，则针对式(7)的扩张状态观测器为

$\left\{\begin{array}{c}{e}_1=(z_1-{\hat{z}}_1)\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{z}}}_1={\hat{z}}_2+(1/2H_0)u-{\mathrm{\&beta;}}_{01}{e}_1\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{\hat{z}}}_2=-{\mathrm{\&beta;}}_{02}\mathrm{fal}(e_1,\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&delta;})\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，和为状态观测量，β₀₁、β₀₂为扩张状态观测器的参数，函数fal(e₁,α,δ)表达式为 $\mathrm{fal}(e_1,\mathrm{\&alpha;},\mathrm{\&delta;})=\left\{\begin{array}{cc}{\left|e_1\right|}^{\mathrm{\&alpha;}}\mathrm{sign}\left(e_1\right),& \left|e_1\right|>\mathrm{\&delta;}\\ e_1/{\mathrm{\&delta;}}^{1-\mathrm{\&alpha;}},& \left|e_1\right|\&le;\mathrm{\&delta;}\end{array}\right.,$ 式中，参数0<α<1，可取为0.5；参数δ为滤波因子，表示fal(e₁,α,δ)函数的线性段长度；sign为符号函数，当e₁≥0时，sign(e₁)＝1；当e₁<0时，sign(e₁)＝-1。

只要通过仿真调试等方式合理选取参数β₀₁、β₀₂，式(8)所示的扩张状态观测器输出的观测变量将渐近于x(即系统频率偏移量Δf_e)，而观测变量将渐近于a(t)(即除风电外电力系统其它所有总有功不平衡对频率变化率的影响)。

步骤5：在上述扩张状态观测器的基础上来设计风机虚拟惯量控制策略(即确定有功参考增量ΔP_IR)。与系统频率变化率成比例的有功参考增量如式(9)所示：

$\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}}=-K_{\mathrm{IR}}\&CenterDot;2H_0{\hat{z}}_2\&ap;-K_{\mathrm{IR}}\&CenterDot;2H_{0}a\left(t\right)---\left(9\right)$

式中，K_IR称为风机惯性响应参与系数，其取值范围为0≤K_IR<1。

在式(9)的基础上加入模拟同步发电机一次调频的有功参考增量，则可得到基于扩张状态观测器的双馈风机虚拟惯量控制策略为

$\mathrm{\&Delta;}{P}_{\mathrm{IR}}=-K_{\mathrm{IR}}\&CenterDot;2H_0{\hat{z}}_2-K_{\mathrm{pf}}{\hat{z}}_1---\left(10\right)$

式中，K_pf为等效频率调节效应系数。式10中等号右边第一项用于模拟同步发电机的惯性响应，第二项用于模拟同步发电机的一次调频。

需要说明的是，本发明实施例的系统的具体实现方式与方法部分的具体实现方式类似。

根据本发明实施例提出的双馈风机虚拟惯量的控制装置，通过系统惯性时间常数的估计值和电力系统频率响应方程设计扩张状态观测器，以通过扩张状态观测器得到有功参考增量，实现获取双馈风机虚拟惯量控制方程的目的，避免了微分器难以实现的难题，并且可以方便地考虑风电虚拟惯量控制对系统总惯量的相对贡献大小，结构简单。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种双馈风机虚拟惯量的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立风电附加虚拟惯量控制之后的电力系统频率响应方程；

根据在线运行发电机的惯性时间常数获取系统惯性时间常数的估计值；

根据所述系统惯性时间常数的估计值和所述电力系统频率响应方程获取扩张状态观测器的标准形式；

根据所述扩张状态观测器的标准形式设计扩张状态观测器；以及

通过所述扩张状态观测器得到有功参考增量，以获取双馈风机虚拟惯量控制方程。

2.根据权利要求1所述的双馈风机虚拟惯量的控制方法，其特征在于，所述电力系统频率响应方程为：

其中，Δf_e为系统频率偏移量H为系统惯性时间常数，Δp_G为常规同步发电的输出功率变化量，Δp_T为所考察系统与相邻系统之间交换功率的变化量，Δp_L为系统有功负荷的变化量，Δf_e为系统频率偏移，D为系统的负荷阻尼系数，ΔP_IR表示风电虚拟惯量控制所产生的有功参考值增量，t为时间变量。

3.根据权利要求2所述的双馈风机虚拟惯量的控制方法，其特征在于，根据以下公式获取所述系统惯性时间常数的估计值：

其中，n为同步发电机的总数，S_i,N和H_i,SG分别为第i台发电机的功率基值和惯性时间常数，S_B为系统功率基值。

4.根据权利要求3所述的双馈风机虚拟惯量的控制方法，其特征在于，所述扩张状态观测器为：

其中，z₁＝Δf_e，z₂＝[(Δp_G+Δp_T-Δp_L-DΔf)/2H+ΔP_IR/2H-ΔP_IR/2H₀]，和分别为z₁和z₂的估计值，e₁为实际值z₁与估计值的偏差，u为扩张状态观测器的输入，u＝ΔP_IR，β₀₁、β₀₂为扩张状态观测器的参数，函数fal(e₁,α,δ)表达式为：

式中，参数0<α<1，δ为滤波因子，sign为符号函数。

5.根据权利要求4所述的双馈风机虚拟惯量的控制方法，其特征在于，在所述有功参考增量中加入模拟同步发电机一次调频的有功参考增量获取所述双馈风机虚拟惯量控制方程，所述双馈风机虚拟惯量控制方程为：

其中，K_IR称为风机惯性响应参与系数，K_pf为等效频率调节效应系数。用于模拟同步发电机的惯性响应，用于模拟同步发电机的一次调频，和为状态观测量，H₀为所述系统惯性时间常数的估计值。

6.一种双馈风机虚拟惯量的控制装置，其特征在于，包括：

构建模块，用于建立风电附加虚拟惯量控制之后的电力系统频率响应方程；

估计模块，用于根据在线运行发电机的惯性时间常数获取系统惯性时间常数的估计值；

第一获取模块，用于根据所述系统惯性时间常数的估计值和所述电力系统频率响应方程获取扩张状态观测器的标准形式；

设计模块，用于根据所述扩张状态观测器的标准形式设计扩张状态观测器；以及

第二获取模块，用于通过所述扩张状态观测器得到有功参考增量，以获取双馈风机虚拟惯量控制方程。

7.根据权利要求6所述的双馈风机虚拟惯量的控制装置，其特征在于，所述电力系统频率响应方程为：

其中，Δf_e为系统频率偏移量H为系统惯性时间常数，Δp_G为常规同步发电的输出功率变化量，Δp_T为所考察系统与相邻系统之间交换功率的变化量，Δp_L为系统有功负荷的变化量，Δf_e为系统频率偏移，D为系统的负荷阻尼系数，ΔP_IR表示风电虚拟惯量控制所产生的有功参考值增量，t为时间变量。

8.根据权利要求7所述的基于扩张状态观测器的双馈风机虚拟惯量的控制装置，其特征在于，根据以下公式获取所述系统惯性时间常数的估计值：

其中，n为同步发电机的总数，S_i,N和H_i,SG分别为第i台发电机的功率基值和惯性时间常数，S_B为系统功率基值。

9.根据权利要求8所述的基于扩张状态观测器的双馈风机虚拟惯量的控制装置，其特征在于，所述扩张状态观测器为：

其中，_z1＝Δf_e，z₂＝[(Δp_G+Δp_T-Δp_L-DΔf)/2H+ΔP_IR/2H-ΔP_IR/2H₀]，和分别为z₁和z₂的估计值，e₁为实际值z₁与估计值的偏差，u为扩张状态观测器的输入，u＝ΔP_IR，β₀₁、β₀₂为扩张状态观测器的参数，函数fal(e₁,α,δ)表达式为：

式中，参数0<α<1，δ为滤波因子，sign为符号函数。

10.根据权利要求9所述的双馈风机虚拟惯量的控制装置，其特征在于，所述第二获取模块还用于在所述有功参考增量中加入模拟同步发电机一次调频的有功参考增量获取所述双馈风机虚拟惯量控制方程，所述双馈风机虚拟惯量控制方程为：

其中，K_IR称为风机惯性响应参与系数，K_pf为等效频率调节效应系数。用于模拟同步发电机的惯性响应，用于模拟同步发电机的一次调频，和为状态观测量，H₀为所述系统惯性时间常数的估计值。