CN105790297A - 基于内电势响应的全功率风力发电机的惯量控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于内电势响应的全功率风力发电机的惯量控制方法及装置，当全功率风力发电机系统突加或突减负荷时，通过减小锁相环带宽并改变锁相环的阻尼比，使得锁相环不能立即锁准电网相位和频率，从而使得直流母线电容电压因电网的突变而发生相应的变化；通过减小直流母线电压控制环的带宽，并调节直流母线电压环阻尼比，使得直流母线电压不会太快地调节到其参考值，利用直流母线电压的快速响应来对电网表现惯性；将直流母线测量值与直流母线电压指令值作差，将此差值乘以比例系数获得附加指令，并将附加指令加入转速环中对全功率型风电机组的转动能量进行利用，使得全功率型风电机组能对系统提供惯性支持。本发明避免了系统的低转动惯量导致频率的快速、剧烈变化。

Description

基于内电势响应的全功率风力发电机的惯量控制方法及装置

技术领域

本发明属于风力发电机领域，更具体地，涉及一种基于内电势响应的全功率风力发电机的惯量控制方法及装置。

背景技术

风电作为一种清洁、友好型能源已成为近年来发展最快的可再生能源。在各种类型的风力发电系统中，全功率型风力发电系统以其调速范围宽、可实现发电机与电网解耦、运行稳定可靠、可实现有功和无功功率的独立调节等优点，近年来发展迅速，已成为各厂家争相研究、使用的机型。全功率型风力发电系统传统控制是基于锁相同步的电流矢量控制。机侧变流器的矢量控制采用双闭环结构，即外环为风电机组转速控制环，内环为机侧d、q轴电流控制环。机侧变流器经过直流母线电容与网侧变流器相连。网侧变流器也采用双闭环结构，即外环为直流母线电压控制环和无功功率控制环，内环为网侧d、q轴电流控制环。网侧变流器利用锁相环(PLL)快速检测电网频率，以获得全功率型风电机组的并网基准角度，通过调节网侧变流器内电势来实现并网。全功率型风力发电机通过机侧变流器、直流母线电容、网侧变流器，最终实现并网，这样便实现了全功率型风力发电机的变速恒频运行、以及有功和无功功率的独立调节。

传统的基于锁相同步的电流矢量控制，实质是通过网侧变流器控制网侧电流的幅值、频率和相位实现对网侧输出有功、无功功率的控制，使全功率型风力发电系统对外表现为幅值、频率受控的电流源。传统的全功率型风电机组控制方式下，与电网动态相比，锁相环与直流母线电压环一般设计为较快。电网突加或突减负荷时，全功率型风电机组的内电势会立即作出响应。也就是说，传统控制方式下的全功率型风电机组不像常规同步电源，即无法为电网提供惯性支撑作用。

随着类似上述传统控制方式下的全功率型风电机组在电网中渗透率的提高，同步电源的比重逐渐降低，这使得电力系统的总转动惯量明显减小，而系统的低惯量会导致一旦发生突加或突减负荷，系统频率会快速、严重地偏离其额定值。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于内电势响应的全功率风力发电机的惯量控制方法及装置，旨在解决现有技术中由于低转动惯量导致频率的快速、剧烈变化的问题。

本发明提供了一种基于内电势响应的全功率风力发电机的惯量控制方法，包括下述步骤：

(1)通过减小锁相环带宽，并改变锁相环的阻尼比，使得当全功率风力发电机系统突加或突减负荷时，锁相环不能立即锁准电网相位和频率，锁相环锁出的控制参考角度能在一定时间内保持原有状态，从而使得直流母线电容电压因电网的突变而发生相应的变化；

其中，阻尼比调节范围为(1～1.1)，锁相环的带宽调节为传统锁相环带宽的十分之一左右；

(2)通过减小直流母线电压控制环的带宽，并调节直流母线电压控制环阻尼比，使得直流母线电压不会太快地调节到其参考值，而是在一定时间内保持与电网频率的同步变化，从而利用直流母线电压的快速响应来快速对电网表现惯性；

其中，直流母线电压控制环的带宽调节为传统直流母线电压控制环带宽的五分之一左右，直流母线电压控制环阻尼比调节至略大于1；

(3)检测直流母线电压值，将直流母线测量值与直流母线电压指令值作差，将此差值乘以比例系数获得附加指令，并将所述附加指令加入转速环中从而对全功率型风电机组的转动能量进行利用；其中，所述比例系数为10-30；

(4)通过重复步骤(1)、(2)、(3)对上述控制参数进行微调，使得全功率型风电机组的内电势响应得以优化，内电势会表现出相应的惯性，使得全功率型风电机组能对系统提供惯性支持。

本发明还提供了一种基于内电势响应的全功率风力发电机的惯量控制方法，包括下述步骤：

(1)通过减小锁相环带宽，并改变锁相环的阻尼比，使得当全功率风力发电机系统突加或突减负荷时，锁相环不能立即锁准电网相位和频率，锁相环锁出的控制参考角度能在一定时间内保持原有状态，从而使得直流母线电容电压因电网的突变而发生相应的变化；

其中，阻尼比调节范围为(1～1.1)，锁相环的带宽调节为传统锁相环带宽的十分之一左右；

(2)检测锁相环的q轴电压分量u_q，将u_q乘以比例系数获得附加指令，并将所述附加指令加入转速环中对全功率型风电机组的转动能量进行利用；其中所述比例系数为5-20；

(3)通过重复步骤(1)、(2)对上述控制参数进行微调，使得全功率型风电机组的内电势响应得以优化，内电势会表现出相应的惯性，使得全功率型风电机组能对系统提供惯性支持。

本发明提供了一种基于内电势响应的全功率风力发电机的控制装置，包括机侧变流器控制器、锁相环和网侧变流器控制器；所述机侧变流器控制器包括转速控制器和第一转矩指令发生器，所述第一转矩指令发生器的输入端连接直流母线电压测量值U_dc，所述转速控制器的第一输入端用于连接电机转速信号ω_r，所述转速控制器的第二输入端连接至所述第一转矩指令发生器的输出端，所述转速控制器的输出端连接至机侧变流器的反馈控制端，所述转速控制器用于根据所述电机转速信号ω_r和所述第一转矩指令发生器的输出获得机侧变流器驱动信号；所述锁相环的输入端连接至电压测量单元，用于对三相交流电网电压U_g进行锁相处理并输出电网电压矢量相位角θ；所述网侧变流器控制器包括无功功率控制器、第一直流母线电压控制器和矢量合成器；所述无功功率控制器的输入端连接至所述锁相环的输出端，所述第一直流母线电压控制器的第一输入端连接直流母线电压测量值U_dc，所述第一直流母线电压控制器的第二输入端连接至所述锁相环的输出端，所述矢量合成器的第一输入端连接至所述无功功率控制器的输出端，所述矢量合成器的第二输入端连接至第一直流母线电压控制器的输出端，所述矢量合成器的输出端连接至网侧变流器的反馈控制端，所述矢量合成器用于对所述无功功率控制器输出的无功控制信号和所述第一直流母线电压控制器输出的有功控制信号进行合成并输出网侧变流器驱动信号。

本发明提供了一种基于内电势响应的全功率风力发电机的控制装置，其特征在于，包括机侧变流器控制器、锁相环和网侧变流器控制器；所述锁相环的输入端连接至电压测量单元，用于对电压测量单元输出的三相交流电网电压U_g进行锁相处理，并由第一输出端输出电网电压矢量相位角θ，第二输出端输出q轴电压分量u_q；所述机侧变流器控制器包括转速控制器和第一转矩指令发生器，所述第二转矩指令发生器的输入端连接至所述锁相环的第二输出端，所述转速控制器的第一输入端连接至电机转速信号ω_r，所述转速控制器的第二输入端连接至所述第二转矩指令发生器的输出端，所述转速控制器的输出端连接至机侧变流器的反馈控制端，所述转速控制器用于根据所述电机转速信号ω_r和所述第二转矩指令发生器的输出获得机侧变流器驱动信号；所述网侧变流器控制器包括无功功率控制器、第二直流母线电压控制器和矢量合成器；所述无功功率控制器的输入端连接至所述锁相环的第一输出端，所述第二直流母线电压控制器的第一输入端连接直流母线电压测量值U_dc，所述第二直流母线电压控制器的第二输入端连接至所述锁相环的第一输出端，所述矢量合成器的第一输入端连接至所述无功功率控制器的输出端，所述矢量合成器的第二输入端连接至第二直流母线电压控制器的输出端，所述矢量合成器的输出端连接至网侧变流器的反馈控制端，所述矢量合成器用于对所述无功功率控制器输出的无功控制信号和所述第二直流母线电压控制器输出的有功控制信号进行合成并输出网侧变流器驱动信号。

更进一步地，所述锁相环包括坐标变换器、第一PI调节器和积分器；所述坐标变换器的第一输入端用于接收三相电网电压信号u_ga、u_gb、u_gc；第一输出端用于输出直流d轴分量u_d；第二输出端用于输出直流q轴分量u_q；所述第一PI调节器的输入端连接至所述坐标变换器的第二输出端，所述第一PI调节器用于对直流q轴分量u_q进行PI调节并输出电网电压矢量角速度ω；所述积分器的输入端连接至所述第一PI调节器的输出端，所述积分器根据所述电网电压矢量角速度ω获得电网电压矢量相位角θ并反馈给所述坐标变换器。

更进一步地，所述第一直流母线电压控制器包括第一加法器、第二PI调节器、第二加法器和第三PI调节器；所述第一加法器的第一输入端用于接收直流母线电压参考值U_{dc_ref}，第二输入端用于接收直流母线电压测量值U_dc；根据所述直流母线电压参考值和所述直流母线电压测量值获得直流母线电压偏差；所述第二PI调节器的输入端连接至所述第一加法器的输出端，用于对所述直流母线电压偏差进行PI调节后获得d轴参考电流I_{d_ref}；所述第二加法器的第一输入端连接至所述第二PI调节器的输出端，所述第二加法器的第二输入端用于连接d轴测量电流I_d，根据所述d轴参考电流I_{d_ref}与d轴测量电流I_d获得d轴电流偏差；所述第三PI调节器的输入端连接至所述第二加法器的输出端，用于对d轴电流偏差进行PI调节并获得网侧变流器内电势矢量d轴分量。

更进一步地，所述第一转矩指令发生器包括第一低通滤波器、第三加法器和第一增益放大器；所述第一低通滤波器的输入端接收直流母线电压测量值U_dc，所述第三加法器的第一输入端连接至所述第一低通滤波器的输出端，所述第三加法器的第二输入端连接直流母线电压参考值U_{dc_ref}，所述第一增益放大器的输入端连接至所述第三加法器的输出端。

更进一步地，所述第二转矩指令发生器包括依次连接的第二低通滤波器和第二增益放大器。

更进一步地，包括下述步骤：

(1.1)采集并网点的三相交流电网电压U_g，并对所述三相交流电网电压U_g进行锁相处理获得电网电压矢量相位角θ；

(1.2)对所述电网电压矢量相位角θ进行静止坐标系与旋转坐标系之间的变换，获得无功控制信号，根据直流母线电压测量值U_dc和所述电网电压矢量相位角θ获得有功控制信号，并对所述无功控制信号和所述有功控制信号进行矢量合成，获得用于控制网侧变流器的控制信号；

(1.3)根据所述直流母线电压测量值U_dc获得附加转矩指令值，并根据电机转速信号ω_r和所述附加转矩指令值获得用于调节机组转速的机侧变流器控制信号。

更进一步地，包括下述步骤：

(2.1)采集并网点的三相交流电网电压U_g，并对所述三相交流电网电压U_g进行锁相处理获得电网电压矢量相位角θ和q轴电压分量u_q；

(2.2)对所述电网电压矢量相位角θ进行静止坐标系和旋转坐标系之间的变换获得无功控制信号，根据所述电网电压矢量相位角θ获得有功控制信号，并将所述无功控制信号和所述有功控制信号进行矢量合成处理，获得用于控制网侧变流器的控制信号；

(2.3)根据所述q轴电压分量u_q生成附加转矩指令值，根据电机转速信号ω_r和所述附加转矩指令值获得用于调节机组转速的机侧变流器控制信号。

本发明利用锁相环的锁相误差使得直流母线电容电压因电网的突变而发生相应的变化，从而使得直流母线电容上的能量能快速地被利用来响应电网的功率突变，极大地提高了全功率风机的惯量响应速度。该技术方案下，由于惯量响应时间尺度与直流电压环控制时间尺度相当，使得全功率风机的惯量响应能及时抑制系统频率波动，使得系统阻尼性增强。直流母线电压信号送往机侧变流器，对风力机转子动能加以利用，及时补充直流母线电容能量，增大风力机对系统表现的惯量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于优化内电势响应的全功率型风力发电机惯量控制方法第一种实现方案的原理框图；

图2是锁相环的结构框图；

图3是第一直流母线电压控制器的结构框图；

图4是第一转矩指令发生器的结构框图；

图5是本发明实施例提供的基于优化内电势响应的全功率型风力发电机惯量控制方法第二种实现方案的原理框图；

图6是第二转矩指令发生器的结构框图。

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。

本发明涉及到一种应用于并网全功率型风力发电机及含电压源型或电流源型的其他一切并网变流器装置的新型惯量控制方法，更具体地，涉及到一种通过优化并网变流装置的内电势响应，来实现电源对电网表现出惯性的控制方式。本发明主要以基于优化内电势响应的惯量控制方法在全功率型风力发电机中的应用为例，阐述该惯量控制方法的思想。

本发明所要解决的技术问题就是克服传统控制方式下全功率型风电机组无法对系统提供惯性支持的缺点，提出一种新型的基于优化内电势响应的全功率风力发电机惯量控制方法。从而使得全功率型风电机组对系统提供惯性支持，避免了系统的低转动惯量导致频率的快速、剧烈变化。本发明使得全功率型风电机组对系统的惯性响应极为迅速，对提高系统的阻尼、减小系统频率的震荡有显著效果，可以减小甚至避免随着全功率风机在电力系统中所占比例增加而引起的系统总转动惯量变低的问题，从而进一步提高风电在电力系统中的渗透率。

按照本发明，提出了一种基于优化内电势响应的全功率型风力发电机惯量控制方法，该方法有两种实现手段。该发明第一种实现手段包括以下内容：

(i)通过调节PI参数，减小锁相环带宽，使其变为传统锁相环带宽的十分之一左右，并改变锁相环阻尼比，阻尼比调节至略大于1(1～1.1)，使得当系统突加或突减负荷时，锁相环不能立即锁准电网相位和频率，锁相环锁出的控制参考角度能在一定时间内保持原有状态，从而使得直流母线电容电压因电网的突变而发生相应的变化。

(ii)在(i)的基础上，通过调节PI参数，减小直流母线电压控制环带宽，使其变为传统直流母线电压控制环带宽的五分之一左右，并调节直流母线电压控制环阻尼比，阻尼比调节至略大于1，使得直流母线电压不会太快地调节到其参考值，而是在一定时间内保持与电网频率的同步变化，从而利用直流母线电压的快速响应来快速对电网表现惯性。

(iii)检测(ii)中直流母线电压值，将其与直流母线电压指令值作差，将此差值乘以适当比例系数(该比例系数取决于直流母线电压跌落水平，决定了想要从风力机转子中取得多少能量，取值范围一般为10-30)，作为附加指令加入转速环，从而对全功率型风电机组的转动能量进行利用。

(iv)协调(i)(ii)(iii)中的控制参数，这里所谓的协调指的是在(i)(ii)(iii)的参数调整原则下，反复对上述控制参数进行微调，以使得直流母线电压的稳定性得以保证，这与具体的发电端形式以及其他控制参数有关，无法一概而论。协调(i)(ii)(iii)中的控制参数，使得全功率型风电机组的内电势响应得以优化，内电势会表现出相应的惯性，使得全功率型风电机组能对系统提供惯性支持。

本发明中，第二种实现手段包括以下内容：

(i)与第一种实现手段的(i)相同。

(ii)检测(i)中优化的锁相环的q轴电压分量u_q(见图2)，将u_q乘以适当比例系数(该比例系数取决于想要从风力机转子中取得多少能量，标幺制下取值范围一般为5-20)，作为附加指令加入转速环，从而对全功率型风电机组的转动能量进行利用。

(iii)协调(i)(ii)中的控制参数，这里所谓的协调指的是在(i)(ii)的参数调整原则下，反复对上述控制参数进行微调，以使得直流母线电压的稳定性得以保证，这与具体的发电端形式以及其他控制参数有关，无法一概而论。协调(i)(ii)中的控制参数，使得全功率型风电机组的内电势响应得以优化，内电势会表现出相应的惯性，使得全功率型风电机组能对系统提供惯性支持。本发明提出的基于优化内电势响应的全功率型风力发电机惯量控制方法，除了可以应用于全功率型风力发电机之外，还可应用于其他一切包含电压源或电流源型并网变流器设备，包括双馈型风力发电机组(DFIG)、STATCOM、轻型直流输电系统(HVDC)、及带储能的并网变流器装置等。

本发明提供了一种新型的控制方式，使全功率型风电机组能对电力系统提供惯性支持，从而增加电力系统的总转动惯量，以支撑系统频率。本发明对锁相环进行了优化，适当降低其带宽，同时提高其阻尼特性，使得锁相环在正常工况下锁准电网电压的能力不变，而当系统功率不平衡时，利用锁相环的锁相误差使得直流母线电容或风力机转子能迅速做出响应，从而使得风力机对电网表现的内电势具有跟相同容量的同步机具有相同甚至更好的惯性响应特性。从而使得全功率型风电机组对系统提供惯性支持，提高了系统的总转动惯量和同步阻尼，避免了系统的低转动惯量导致频率的快速、剧烈变化，对系统频率稳定有重要作用。

下面结合附图，以全功率型风力发电机为例，说明基于优化内电势响应的惯量控制方法在风力发电系统中的应用。

图1是第一种实现手段下的全功率型风力发电机组简化的结构示意图。风机桨叶1，全功率型发电机2，全功率型发电机通过背靠背的机侧变流器3、网侧变流器5实现并网，机侧变流器3与网侧变流器5经过直流电容4耦合在一起，并网滤波器6，升压变压器8，电网9；还包括机侧变流器控制器10、锁相环11和网侧变流器控制器12；机侧变流器控制器10包括转速控制器101和第一转矩指令发生器102，第一转矩指令发生器102的输入端连接直流母线电压测量值U_dc，转速控制器101的第一输入端用于连接电机转速信号ω_r，转速控制器101的第二输入端连接至第一转矩指令发生器102的输出端，转速控制器101的输出端连接至机侧变流器3的反馈控制端，转速控制器101用于根据电机转速信号ω_r和第一转矩指令发生器102的输出获得机侧变流器驱动信号；锁相环11的输入端连接至电压测量单元7，用于对三相交流电网电压U_g进行锁相处理并输出电网电压矢量相位角θ；网侧变流器控制器12包括无功功率控制器121、第一直流母线电压控制器122和矢量合成器123；无功功率控制器121的输入端连接至锁相环11的输出端，第一直流母线电压控制器122的第一输入端连接直流母线电压测量值U_dc，第一直流母线电压控制器122的第二输入端连接至所述锁相环11的输出端，矢量合成器123的第一输入端连接至无功功率控制器121的输出端，矢量合成器123的第二输入端连接至第一直流母线电压控制器122的输出端，矢量合成器123的输出端连接至网侧变流器5的反馈控制端，矢量合成器123用于对无功功率控制器121输出的无功控制信号和第一直流母线电压控制器122输出的有功控制信号进行合成并输出网侧变流器驱动信号。

即将叙述的第一种技术方案的技术优点在于，其利用锁相环的锁相误差使得直流母线电容电压因电网的突变而发生相应的变化，从而使得直流母线电容上的能量能快速地被利用来响应电网的功率突变，极大地提高了全功率风机的惯量响应速度。该技术方案下，由于惯量响应时间尺度与直流电压环控制时间尺度相当，使得全功率风机的惯量响应能及时抑制系统频率波动，使得系统阻尼性增强。直流母线电压信号送往机侧变流器，对风力机转子动能加以利用，及时补充直流母线电容能量，增大风力机对系统表现的惯量。在本发明实施例中，基于优化内电势响应的全功率风力发电机惯量控制方法第一种实现手段具体实施步骤如下：

(i)用一组三个电压传感器7采集得到并网点的三相交流电网电压U_g，该三相交流电网电压送至锁相环11，得到电网电压矢量相位角θ。测得的直流母线电压U_dc分别送至网侧变流器控制器12和机侧变流器控制器10；

(ii)将电网电压矢量相位角θ送至网侧变流器控制器12，用以实现静止坐标系和旋转坐标系之间的变换，无功功率控制器121产生无功控制信号，优化的直流母线电压控制器122产生有功控制信号，无功控制信号和有功控制信号通过矢量合成123统一为一个控制矢量，该矢量用以生成网侧变流器控制信号；

(iii)将电机转速信号ω_r送至转速控制器101，第一转矩指令发生器102利用直流母线电压信号U_dc等信息生成附加转矩指令值，转速控制器101利用附加转矩指令以及电机转速信号ω_r来获得用于调节机组转速的机侧变流器控制信号。

图2示出了锁相环的结构；锁相环11包括坐标变换器111、第一PI调节器112和积分器113；坐标变换器111的第一输入端用于接收三相电网电压信号u_ga、u_gb、u_gc；第一输出端用于输出直流d轴分量u_d；第二输出端用于输出直流q轴分量u_q；第一PI调节器112的输入端连接至坐标变换器111的第二输出端，第一PI调节器112用于对直流q轴分量u_q进行PI调节并输出电网电压矢量角速度ω；积分器113的输入端连接至第一PI调节器112的输出端，积分器113根据电网电压矢量角速度ω获得电网电压矢量相位角θ并反馈给所述坐标变换器111。

电网电压信号u_ga、u_gb、u_gc经过abc/dq坐标变换操作后，变为直流d轴分量u_d和q轴分量u_q，q轴分量u_q经过PI调节后输出为电网电压矢量角速度ω，此角速度经过积分环节之后输出为电网电压矢量相位角θ。需要说明的是，锁相环(即优化的PLL)与传统PLL最大的不同在于，优化的PLL带宽要远远低于传统PLL，约为0.7Hz左右，而其阻尼一般略大于传统PLL。这样优化PLL，可以使得当电网突加或突减负荷时，锁相环锁出来的相角不会极快地相应变动，从而使得网侧变流器内电势的位置不会极快地变化，从而体现出该内电势的惯性。

图3示出了第一直流母线电压控制器结构；第一直流母线电压控制器122包括第一加法器1221、第二PI调节器1222、第二加法器1223和第三PI调节器1224；第一加法器1221的第一输入端用于接收直流母线电压参考值U_{dc_ref}，第二输入端用于接收直流母线电压测量值U_dc；根据直流母线电压参考值和所述直流母线电压测量值获得直流母线电压偏差；第二PI调节器1222的输入端连接至第一加法器1221的输出端，用于对直流母线电压偏差进行PI调节后获得d轴参考电流I_{d_ref}；第二加法器1223的第一输入端连接至第二PI调节器1222的输出端，第二加法器1223的第二输入端用于连接d轴测量电流I_d，根据所述d轴参考电流I_{d_ref}与d轴测量电流I_d获得d轴电流偏差；第三PI调节器1224的输入端连接至所述第二加法器1223的输出端，用于对d轴电流偏差进行PI调节并获得网侧变流器内电势矢量d轴分量。

直流母线电压参考值U_{dc_ref}与直流母线电压测量值U_dc作差得到其差值，经优化的PI调节后输出为d轴参考电流I_{d_ref}，d轴参考电流I_{d_ref}与d轴测量电流I_d作差，经PI调节之后输出为网侧变流器内电势矢量d轴分量。需要说明的是，第二PI调节器1222(即优化的PI调节器)与传统直流母线电压PI调节器最大的不同在于，优化的PI调节器带宽比传统稍低，约为1Hz左右，而其阻尼一般略大于传统直流母线电压PI调节器。

图4示出第一种实现手段下的第一转矩指令发生器的结构；第一转矩指令发生器102包括第一低通滤波器1021、第三加法器1022和第一增益放大器1023；第一低通滤波器1021的输入端接收直流母线电压测量值U_dc，第三加法器1022的第一输入端连接至第一低通滤波器1021的输出端，第三加法器1022的第二输入端连接直流母线电压参考值U_{dc_ref}，第一增益放大器1023的输入端连接至所述第三加法器1022的输出端。

直流母线电压U_dc经低通滤波之后输出为滤波后的直流母线电压，再与直流母线电压参考值U_{dc_ref}作差后经过增益放大得到附加转矩指令值。

图5是第二种实现手段下的全功率型风力发电机组简化的结构示意图。风机桨叶1，全功率型发电机2，全功率型发电机通过背靠背的机侧变流器3、网侧变流器5实现并网，机侧变流器3与网侧变流器5经过直流电容4耦合在一起，并网滤波器6，升压变压器8，电网9；还包括：机侧变流器控制器10、锁相环11和网侧变流器控制器12；锁相环11的输入端连接至电压测量单元7，用于对电压测量单元7输出的三相交流电网电压U_g进行锁相处理，并由第一输出端输出电网电压矢量相位角θ，第二输出端输出q轴电压分量u_q；机侧变流器控制器10包括转速控制器101和第一转矩指令发生器102，第二转矩指令发生器103的输入端连接至锁相环11的第二输出端，转速控制器101的第一输入端连接至电机转速信号ω_r，转速控制器101的第二输入端连接至第二转矩指令发生器103的输出端，转速控制器101的输出端连接至机侧变流器3的反馈控制端，转速控制器101用于根据所述电机转速信号ω_r和所述第二转矩指令发生器103的输出获得机侧变流器驱动信号；网侧变流器控制器12包括无功功率控制器121、第二直流母线电压控制器120和矢量合成器123；无功功率控制器121的输入端连接至锁相环11的第一输出端，第二直流母线电压控制器120的第一输入端连接直流母线电压测量值U_dc，第二直流母线电压控制器120的第二输入端连接至所述锁相环11的第一输出端，矢量合成器123的第一输入端连接至无功功率控制器121的输出端，矢量合成器123的第二输入端连接至第二直流母线电压控制器120的输出端，矢量合成器123的输出端连接至网侧变流器5的反馈控制端，矢量合成器123用于对无功功率控制器121输出的无功控制信号和第二直流母线电压控制器120输出的有功控制信号进行合成并输出网侧变流器驱动信号。

即将叙述的第二种技术方案的技术优点在于，锁相环的锁相误差直接送往机侧变流器，对风力机转子动能加以利用，使得风力机能快速对系统进行惯性响应。其控制结构简单，不涉及到直流母线电压的机网侧协调控制，因此直流母线电压稳定性更好。比起业界以及相关学术界经常提到的通过检测电网频率变化率来利用风力机转子能力从而使风力机对系统表现惯性的方法来讲，第二种技术方案避免了微分计算，更易实现，同时惯性响应速度更快，对系统频率波动的阻尼效果更好。在本发明实施例中，基于优化内电势响应的全功率风力发电机惯量控制方法第二种实现手段具体实施步骤如下：

(i)用一组三个电压传感器7采集得到并网点的三相交流电网电压U_g，该三相交流电网电压送至优化的PLL11，得到电网电压矢量相位角θ和q轴电压分量u_q。测得的直流母线电压U_dc分别送至网侧变流器控制器12和机侧变流器控制器10；

(ii)将电网电压矢量相位角θ送至网侧变流器控制器12，用以实现静止坐标系和旋转坐标系之间的变换，无功功率控制器121产生无功控制信号，直流母线电压控制器16'产生有功控制信号，无功控制信号和有功控制信号通过矢量合成123统一为一个控制矢量，该矢量用以生成网侧变流器控制信号；

(iii)将电机转速信号ω_r送至转速控制器101，附加转矩指令发生器14'利用q轴电压分量u_q来生成附加转矩指令值，转速控制器101利用附加转矩指令以及电机转速信号ω_r获得用于调节机组转速的机侧变流器控制信号。

在第二种实现手段下的优化的PLL与第一种实现手段完全相同，具体参见上文图2；在此不再赘述。

图6示出了第二转矩指令发生器的结构；第二转矩指令发生器103包括依次连接的第二低通滤波器1031和第二增益放大器1032。q轴电压分量u_q经低通滤波之后输出为滤波后的q轴电压分量,再经过增益放大后获得附加转矩指令值。

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 (10)

1.一种基于内电势响应的全功率风力发电机的惯量控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)通过减小锁相环带宽，并改变锁相环的阻尼比，使得当全功率风力发电机系统突加或突减负荷时，锁相环不能立即锁准电网相位和频率，锁相环锁出的控制参考角度能在一定时间内保持原有状态，从而使得直流母线电容电压因电网的突变而发生相应的变化；

其中，阻尼比调节范围为(1～1.1)，锁相环的带宽调节为传统锁相环带宽的十分之一左右；

(2)通过减小直流母线电压控制环的带宽，并调节直流母线电压环阻尼比，使得直流母线电压不会太快地调节到其参考值，而是在一定时间内保持与电网频率的同步变化，从而利用直流母线电压的快速响应来快速对电网表现惯性；

其中，直流母线电压控制环的带宽调节为传统直流母线电压控制环带宽的五分之一左右，直流母线电压控制环阻尼比调节至略大于1；

(3)检测直流母线电压值，将直流母线测量值与直流母线电压指令值作差，将此差值乘以比例系数获得附加指令，并将所述附加指令加入转速环中从而对全功率型风电机组的转动能量进行利用；其中，所述比例系数为10-30；

(4)通过重复步骤(1)、(2)、(3)对上述控制参数进行微调，使得全功率型风电机组的内电势响应得以优化，内电势会表现出相应的惯性，使得全功率型风电机组能对系统提供惯性支持。

2.一种基于内电势响应的全功率风力发电机的惯量控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)通过减小锁相环带宽，并改变锁相环的阻尼比，使得当全功率风力发电机系统突加或突减负荷时，锁相环不能立即锁准电网相位和频率，锁相环锁出的控制参考角度能在一定时间内保持原有状态，从而使得直流母线电容电压因电网的突变而发生相应的变化；

其中，阻尼比调节范围为(1～1.1)，锁相环的带宽调节为传统锁相环带宽的十分之一左右；

(2)检测锁相环的q轴电压分量u_q，将u_q乘以比例系数获得附加指令，并将所述附加指令加入转速环中对全功率型风电机组的转动能量进行利用；其中所述比例系数为5-20；

(3)通过重复步骤(1)、(2)对上述控制参数进行微调，使得全功率型风电机组的内电势响应得以优化，内电势会表现出相应的惯性，使得全功率型风电机组能对系统提供惯性支持。

3.一种基于内电势响应的全功率风力发电机的控制装置，其特征在于，包括机侧变流器控制器(10)、锁相环(11)和网侧变流器控制器(12)；

所述机侧变流器控制器(10)包括转速控制器(101)和第一转矩指令发生器(102)，所述第一转矩指令发生器(102)的输入端连接直流母线电压测量值U_dc，所述转速控制器(101)的第一输入端用于连接电机转速信号ω_r，所述转速控制器(101)的第二输入端连接至所述第一转矩指令发生器(102)的输出端，所述转速控制器(101)的输出端连接至机侧变流器(3)的反馈控制端，所述转速控制器(101)用于根据所述电机转速信号ω_r和所述第一转矩指令发生器(102)的输出获得机侧变流器驱动信号；

所述锁相环(11)的输入端连接至电压测量单元(7)，用于对三相交流电网电压U_g进行锁相处理并输出电网电压矢量相位角θ；

所述网侧变流器控制器(12)包括无功功率控制器(121)、第一直流母线电压控制器(122)和矢量合成器(123)；所述无功功率控制器(121)的输入端连接至所述锁相环(11)的输出端，所述第一直流母线电压控制器(122)的第一输入端连接直流母线电压测量值U_dc，所述第一直流母线电压控制器(122)的第二输入端连接至所述锁相环(11)的输出端，所述矢量合成器(123)的第一输入端连接至所述无功功率控制器(121)的输出端，所述矢量合成器(123)的第二输入端连接至第一直流母线电压控制器(122)的输出端，所述矢量合成器(123)的输出端连接至网侧变流器(5)的反馈控制端，所述矢量合成器(123)用于对所述无功功率控制器(121)输出的无功控制信号和所述第一直流母线电压控制器(122)输出的有功控制信号进行合成并输出网侧变流器驱动信号。

4.一种基于内电势响应的全功率风力发电机的控制装置，其特征在于，包括机侧变流器控制器(10)、锁相环(11)和网侧变流器控制器(12)；

所述锁相环(11)的输入端连接至电压测量单元(7)，用于对电压测量单元(7)输出的三相交流电网电压U_g进行锁相处理，并由第一输出端输出电网电压矢量相位角θ，第二输出端输出q轴电压分量u_q；

所述机侧变流器控制器(10)包括转速控制器(101)和第一转矩指令发生器(102)，所述第二转矩指令发生器(103)的输入端连接至所述锁相环(11)的第二输出端，所述转速控制器(101)的第一输入端连接至电机转速信号ω_r，所述转速控制器(101)的第二输入端连接至所述第二转矩指令发生器(103)的输出端，所述转速控制器(101)的输出端连接至机侧变流器(3)的反馈控制端，所述转速控制器(101)用于根据所述电机转速信号ω_r和所述第二转矩指令发生器(103)的输出获得机侧变流器驱动信号；

所述网侧变流器控制器(12)包括无功功率控制器(121)、第二直流母线电压控制器(120)和矢量合成器(123)；所述无功功率控制器(121)的输入端连接至所述锁相环(11)的第一输出端，所述第二直流母线电压控制器(120)的第一输入端连接直流母线电压测量值U_dc，所述第二直流母线电压控制器(120)的第二输入端连接至所述锁相环(11)的第一输出端，所述矢量合成器(123)的第一输入端连接至所述无功功率控制器(121)的输出端，所述矢量合成器(123)的第二输入端连接至第二直流母线电压控制器(120)的输出端，所述矢量合成器(123)的输出端连接至网侧变流器(5)的反馈控制端，所述矢量合成器(123)用于对所述无功功率控制器(121)输出的无功控制信号和所述第二直流母线电压控制器(120)输出的有功控制信号进行合成并输出网侧变流器驱动信号。

5.如权利要求3或4所述的全功率风力发电机的控制装置，其特征在于，所述锁相环(11)包括坐标变换器(111)、第一PI调节器(112)和积分器(113)；

所述坐标变换器(111)的第一输入端用于接收三相电网电压信号u_ga、u_gb、u_gc；第一输出端用于输出直流d轴分量u_d；第二输出端用于输出直流q轴分量u_q；

所述第一PI调节器(112)的输入端连接至所述坐标变换器(111)的第二输出端，所述第一PI调节器(112)用于对直流q轴分量u_q进行PI调节并输出电网电压矢量角速度ω；

所述积分器(113)的输入端连接至所述第一PI调节器(112)的输出端，所述积分器(113)根据所述电网电压矢量角速度ω获得电网电压矢量相位角θ并反馈给所述坐标变换器(111)。

6.如权利要求3所述的全功率风力发电机的控制装置，其特征在于，所述第一直流母线电压控制器(122)包括第一加法器(1221)、第二PI调节器(1222)、第二加法器(1223)和第三PI调节器(1224)；

所述第一加法器(1221)的第一输入端用于接收直流母线电压参考值U_{dc_ref}，第二输入端用于接收直流母线电压测量值U_dc；根据所述直流母线电压参考值和所述直流母线电压测量值获得直流母线电压偏差；

所述第二PI调节器(1222)的输入端连接至所述第一加法器(1221)的输出端，用于对所述直流母线电压偏差进行PI调节后获得d轴参考电流I_{d_ref}；

所述第二加法器(1223)的第一输入端连接至所述第二PI调节器(1222)的输出端，所述第二加法器(1223)的第二输入端用于连接d轴测量电流I_d，根据所述d轴参考电流I_{d_ref}与d轴测量电流I_d获得d轴电流偏差；

所述第三PI调节器(1224)的输入端连接至所述第二加法器(1223)的输出端，用于对d轴电流偏差进行PI调节并获得网侧变流器内电势矢量d轴分量。

7.如权利要求3所述的全功率风力发电机的控制装置，其特征在于，所述第一转矩指令发生器(102)包括第一低通滤波器(1021)、第三加法器(1022)和第一增益放大器(1023)；

所述第一低通滤波器(1021)的输入端接收直流母线电压测量值U_dc，所述第三加法器(1022)的第一输入端连接至所述第一低通滤波器(1021)的输出端，所述第三加法器(1022)的第二输入端连接直流母线电压参考值U_{dc_ref}，所述第一增益放大器(1023)的输入端连接至所述第三加法器(1022)的输出端。

8.如权利要求4所述的全功率风力发电机的控制装置，其特征在于，所述第二转矩指令发生器(103)包括依次连接的第二低通滤波器(1031)和第二增益放大器(1032)。

9.一种基于权利要求3所述的全功率风力发电机的惯量控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1.1)采集并网点的三相交流电网电压U_g，并对所述三相交流电网电压U_g进行锁相处理获得电网电压矢量相位角θ；

(1.2)对所述电网电压矢量相位角θ进行静止坐标系与旋转坐标系之间的变换，获得无功控制信号，根据直流母线电压测量值U_dc和所述电网电压矢量相位角θ获得有功控制信号，并对所述无功控制信号和所述有功控制信号进行矢量合成，获得用于控制网侧变流器的控制信号；

(1.3)根据所述直流母线电压测量值U_dc获得附加转矩指令值，并根据电机转速信号ω_r和所述附加转矩指令值获得用于调节机组转速的机侧变流器控制信号。

10.一种基于权利要求4所述的全功率风力发电机的惯量控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

(2.1)采集并网点的三相交流电网电压U_g，并对所述三相交流电网电压U_g进行锁相处理获得电网电压矢量相位角θ和q轴电压分量u_q；

(2.2)对所述电网电压矢量相位角θ进行静止坐标系和旋转坐标系之间的变换获得无功控制信号，根据所述电网电压矢量相位角θ获得有功控制信号，并将所述无功控制信号和所述有功控制信号进行矢量合成处理，获得用于控制网侧变流器的控制信号；

(2.3)根据所述q轴电压分量u_q生成附加转矩指令值，根据电机转速信号ω_r和所述附加转矩指令值获得用于调节机组转速的机侧变流器控制信号。