CN111969645A - 一种基于直流电容的惯性支撑并网控制系统及方法 - Google Patents

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CN111969645A CN202010698871.0A CN202010698871A CN111969645A CN 111969645 A CN111969645 A CN 111969645A CN 202010698871 A CN202010698871 A CN 202010698871A CN 111969645 A CN111969645 A CN 111969645A
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江卫华
胡为兵
史博凯
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Abstract

本发明公开本发明公开了一种基于直流电容的惯性支撑并网控制系统，所述系统包括：同步风力发电机，用于实现同步发电；滤波电感，设置于所述三相交流电的每一相的输出端；BOOST整流器，设置于发电机侧；直流电容，设置于所述BOOST整流器的输出端；逆变器，设置于电网侧；LC滤波电路，设置于电网接入端；其中，所述接入电网的三相交流电的有功功率是通过所述电网的频率，所述直流电容的电压，所述逆变器的输入电流，所述BOOST整流器的输入电流，所述同步风力发电机的定子电流、所述同步风力发电机的机械输出功率之间依次的反馈控制完成的。

Description

一种基于直流电容的惯性支撑并网控制系统及方法
技术领域
本发明涉及电力电子控制领域，尤其涉及一种基于直流电容的惯性支撑并网控制系统及方法。
背景技术
随着风电技术的发展，越来越多的风电机代替传统的同步发电机势必会减小整个系统的惯性，使发电系统的频率响应能力变弱。
目前，典型的风电机惯性控制策略是采用控制转子动能的方法，在电机侧有功控制环节引入一个能够反映系统频率改变的反馈信号，这样风电机组根据反馈信号识别系统频率的变化，可快速地调整输出的有功功率。
然而依靠转子动能提供惯性在一定程度上会会受风速、风速切入方向、发电机转子自身结构特性及系统阻尼的影响，容易导致频率振荡，输出功率波动，而影响电网稳定。因此，为了保证包含大规模风电机的电网的稳定，进一步提高风电机惯性控制的潜力，国内外大量学者针对这一问题进行了大量的研究。
如在先专利申请(CN201910320464.3)公开了一种PMSG风机提供一次调频和虚拟惯性的协调控制方法。通过建立直流电压与交流频率的耦合关系，加入直流惯性控制，让储存在直流电容中的静电能量提供虚拟惯性，以实现在背靠背变流器中提供一个比实际电容大很多的虚拟电容，为交流系统提供更多的虚拟惯性支撑。其存在的不足是，对虚拟惯性控制本身并没有提供一个简单可行的方法，另外，对虚拟惯性控制过程的有效性也缺乏可行的比较和验证的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于直流电容能量的惯性支撑并网控制系统，通过直流电容惯性控制算法改变直流电容电压降以释放或吸收电容能量从而为系统提供合理的惯性，并进一步提供了一种直流电容惯性支撑的方法及惯性支撑的验证方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一方面，提供了一种基于直流电容的惯性支撑并网控制系统，包括：
同步风力发电机，用于实现同步发电，并输出三相交流电；
滤波电感，设置于所述三相交流电的每一相的输出端，用于滤除所述同步发电机产生的低次谐波；
BOOST整流器，设置于发电机侧，用于将所述同步风力发电机产生的三相交流电转换成直流电；
直流电容，设置于所述BOOST整流器的输出端，用于稳定所述直流电的直流电压；
逆变器，设置于电网侧，用于将所述直流电转换成接入电网的三相交流电；
LC滤波电路，设置于电网接入端，用于消除并网过程中的干扰信号；
其中，所述接入电网的三相交流电的有功功率是通过所述电网的频率，所述直流电容的电压，所述逆变器的输入电流，所述BOOST整流器的输入电流，所述同步风力发电机的定子电流、所述同步风力发电机的机械输出功率之间依次的反馈控制完成的。
进一步的，所述直流电容的电压变化是根据实时采集的所述电网的频率，生成所述电网的惯性控制参数，进而通过所述惯性控制参数控制所述直流电容的电压变化。
进一步的，所述逆变器的输入电流变化是通过所述直流电容的电压变化生成PWM信号控制所述逆变器的开通与关断，进而实现对所述逆变器的输入电流的控制。
进一步的，所述接入电网的三相交流电的无功功率的控制，是通过对所述电网的实际无功功率Q与电网设定的初始无功率Q*间的实时功率偏差，经比例积分PI运算得到参考电流
Figure BDA0002592270920000032
再对所述参考电流
Figure BDA0002592270920000033
与所述同步风力发电机的q轴电流Isq间的实时电流偏差，经比例积分PI运算得到一个q轴参考电压
Figure BDA0002592270920000034
根据所述q轴参考电压
Figure BDA0002592270920000035
与所述同步风力发电机实际的q轴电压间的实时电压偏差，对所述同步风力发电机的无功功率进行控制。
另一方面，提供了一种直流电容惯性支撑并网控制方法，包括：
将同步风力发电机输出功率经BOOST整流器、直流电容、逆变器和LC滤波电路接入电网，并形成权利要求1-4任一所述惯性支撑并网控制系统；
构建基于所述直流电容惯性支撑的同步风力发电系统的并网动态模型；
所述并网动态模型根据所述同步发电机的输出功率Ps和传输到电网的功率Pg之间与所述直流电容的电压Vdc的变化关系，控制同步发电机的输出功率Ps与所述传输到电网的功率Pg间的平衡，其中的关系表达式为：
Figure BDA0002592270920000031
其中，C为等效电容，Vdc为所述直流电容的电压，Ps为所述同步发电机的输出功率，Pg为所述电网的功率；
在所述并网动态模型中，对其中的所述直流电容设置不同惯性控制参数Kdc，记录不同惯性控制参数下，所述同步风力发电系统的系统频率和有功功率的参数变化，选择系统频率在预设频率上下波动小于0.1HZ，且有功功率与预设有功功率的偏差小于1MW的直流电容惯性控制参数为预定惯性控制参数；
利用所述预定惯性控制参数对实际中的所述同步风力发电系统的有功功率进行控制。
进一步的，所述并网动态模型中对所述直流电容设置不同惯性控制参数时，所述惯性控制参数Kdc分别设置为Kdc＝5、Kdc＝10或Kdc＝15。
所述选择系统频率在预设频率上下波动小于0.1HZ，且有功功率与预设有功功率的偏差小于1MW的直流电容惯性控制参数为预定惯性控制参数的过程包括：
根据所述同步风力发电机的机械惯性与所述同步风力发电系统的系统频率的关系公式：
Figure BDA0002592270920000041
其中，H为所述同步风力发电机的惯性常数，f为所述系统频率，Pf为所述同步风力发电机的机械输出功率，Pg为所述电网的功率；
令式(2)中的Pf等于式(1)中的Ps，得公式：
Figure BDA0002592270920000042
其中，Vdc为所述直流电容的电压，Hdc为所述直流电容的等效虚拟惯性常数，C为等效电容，f为所述系统频率；
对式(3)两边积分得公式：
Figure BDA0002592270920000043
其中，Vdc0和f0分别为所述直流电容的电压标准值和所述系统频率的频率标准值；
对式(4)进行线性化处理得公式：
CVdcΔVdc＝2Hdcf0Δf (5)
其中，C为等效电容，Vdc为所述直流电容的电压，ΔVdc为所述直流电容的检测电压与初始电压之差，Hdc为所述直流电容的等效虚拟惯性常数，f0为所述系统频率的频率标准值，Δf为所述系统步骤的检测频率与初始频率之差；
根据所述直流电容的惯性控制公式：
Figure BDA0002592270920000053
其中，
Figure BDA0002592270920000054
为所述直流电容的电压初始值，Kdc1为第一子惯性控制参数，Kdc2第二子惯性控制参数，Vdc0为所述直流电容的电压标准值；
令Kdc＝Kdc1+Kdc2，可得：
Figure BDA0002592270920000052
其中，
Figure BDA0002592270920000055
为所述直流电容的电压初始值，Kdc为惯性控制参数，Δf为所述系统步骤的检测频率与初始频率之差，Vdc0为所述直流电容的电压标准值；
根据式(5)和式(7)可得Hdc与Kdc之间的关系为：
Figure BDA0002592270920000051
其中，Hdc为所述直流电容的等效虚拟惯性常数，Kdc为惯性控制参数，C为等效电容，Vdc0为所述直流电容的电压标准值，f0为所述系统频率的频率标准值；
通过代入不同的惯性控制参数Kdc，根据不同惯性控制参数Kdc下，系统频率和有功功率的偏差，确定预定惯性控制参数。
又一方面，一种用于上述任一所述惯性支撑并网控制系统的验证方法，包括：
搭建同步风力发电系统的直流电容惯性支撑的第一仿真模型，所述同步风力发电系统至少包括同步风力发电机、BOOST整流器、逆变器、LC滤波电路和直流电容；
在设定的所述同步风力发电机的输出功率和所述电网的电网频率下，以不同的直流电容惯性控制参数，通过所述第一仿真模型对所述同步风力发电系统的直流电容惯性支撑进行仿真；
记录不同的直流电容惯性控制参数下，所述同步风力发电系统的系统频率和有功功率的参数变化，选择系统频率在预设频率上下波动小于0.1HZ，且有功功率与预设有功功率的偏差小于1MW的直流电容电压惯性控制参数为预定惯性控制参数；
在所述预定惯性控制参数下，通过所述第一仿真模型对所述同步发电系统的直流电容惯性支撑进行仿真，得到所述第一仿真模型的系统频率曲线和有功功率曲线；
搭建所述同步风力发电系统的同步风力发电机惯性支撑的第二仿真模型，并在所述设定的所述同步风力发电机的输出功率和所述电网的电网频率下，通过第二仿真模型对所述同步风力发电系统的同步风力发电机惯性支撑进行仿真，得到所述第二仿真模型的系统频率曲线和有功功率曲线；
对所述第一仿真模型的系统频率曲线和有功功率曲线与所述第二仿真模型的系统频率曲线和有功功率曲线分别进行比较，通过所述系统频率曲线和有功功率曲线在所述第一仿真模型和所述第二仿真模型的差异，验证所述直流电容惯性支撑对所述电网的惯性支撑作用。
本发明的有益效果是：
1、通过在逆变器控制中加入直流电容惯性控制算法，通过及时、准确地改变直流电容电压释放或吸收电容能量，实现对系统的惯性支撑。
2、通过直流电容电压下垂控制不仅为电网提供了更大的惯性支撑，也有效提高了发电机与电网之间功率转换效率。
3、通过建立并网动态模型，可使预定惯性控制参数在模型中通过运算推导得出，然后再将推导出的预定惯性控制参数直接用于实际的直流电容惯性支撑控制中。
4、通过建立第一、第二仿真模型实现了对直流电容惯性支撑过程不同有惯性控制参数下惯性支撑的有效性验证。
本发明附加的方面的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，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明一个实施例所述系统的结构框图；
图2为图1中部分结构的展开示意图；
图3为图1所述系统中有功功率控制示意图；
图4为图1所述系统中无功功率控制示意图；
图5本发明另一实施例所述直流电容惯性支撑方法流程图；
图6为图5的中控制信号作用关系示意图；
图7为图5中采用不同直流电容惯性控制参数时，输出有功功率对比图；
图8为本发明又一实施所述直流电容惯性支撑的验证方法流程图；
图9为图8实施例中第一仿真模型与第二仿真模型输出有功功率对比图；
图10为图8实施例中第一仿真模型与第二仿真模型的电网频率对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1为本发明实施例所述系统的结构框图。
图2为图1中部分结构的展开示意图。
图3为图1所述系统中有功功率控制示意图。
参见图1、2所示，一种基于直流电容的惯性支撑并网控制系统，包括：
同步风力发电机1，用于实现同步发电，并输出三相交流电；
滤波电感2，设置于所述三相交流电的每一相的输出端，用于滤除所述同步发电机产生的低次谐波；
整流器3，设置于发电机侧，用于将所述同步风力发电机产生的三相交流电转换成直流电；
直流电容4，设置于所述整流器的输出端，用于稳定所述直流电的直流电压；
逆变器5，设置于电网侧，用于将所述直流电转换成接入电网的三相交流电；
LC滤波电路6，设置于电网接入端，用于消除并网过程中的干扰信号；
其中，所述接入电网的三相交流电的有功功率是通过所述电网的频率，所述直流电容的电压，所述逆变器的输入电流，所述BOOST整流器的输入电流，所述同步风力发电机的定子电流、所述同步风力发电机的机械输出功率之间依次的反馈控制完成的。
具体的反馈控制过程是通过最大功率点跟踪MPPT的方法对有功功率进行跟踪，经过比例积分PI运算得到一个直流参考电流iL-ref，该直流参考电流iL-ref与所述整流器输出的直流电流iL通过比例积分PI运算得到控制所述同步风力发电机转速的脉宽调制PWM信号占空比，从而实现有功功率的控制。
最大功率点跟踪是通过MPPT控制器实现，通过检测主回路直流电压及输出电流，算出同步风力发电机的输出功率，并实现对最大功率点的追踪。
比例积分PI运算是通过比例积分控制器实现，即通过对最小功率到最大功率变化过程中直流电流的积分得到直流参考电流iL-ref，再将直流参考电流iL-ref与所述整流器输出的直流电流通过比例积分PI运算得到脉宽调制PWM信号占空比，然后根据PWM信号占空比决定对电机有功功率的调节。
具体是，当PWM信号占空比增大，则通过提高直流电容输出的直流电流来增加电机转速，进而提高电机的有功功率；反之，则通过降低直流电容输出的直流电流减慢电机转速，进而降低电机有功功率的输出。
图4为图1所述系统中无功功率控制示意图。
参见图4，本实施例中进一步的，所述同步风力发电机无功功率的控制是通过对电网的实际无功功率Q与电网设定的初始无功率Q*间的偏差，经比例积分PI运算得到参考电流
Figure BDA0002592270920000092
再对该参考电流
Figure BDA0002592270920000094
与所述同步风力发电机的q轴电流Isq间的偏差，经比例积分PI运算得到一个q轴参考电压
Figure BDA0002592270920000095
根据所述q轴参考电压
Figure BDA0002592270920000093
与所述同步风力发电机实际的q轴电压间的偏差，对所述同步风力发电机的无功功率进行控制。
电枢绕组是一个感性元件，对于感性元件来说，一般电流都是滞后于电压90度。在电机dq轴，亦即纵横轴的电压方程中，dq轴成90度的关系。
上述实施例的控制过程中，q轴电流、电压是由ABC三相电压电流通过Clark变换与park变换形成的。而电机无功功率主要由q轴电压与电流产生的，因此控制过程中参照，经PI运算得到的q轴参考电压，即可通过调节直流电容电压控制电机的无功功率。
图5本发明实施例所述直流电容惯性支撑方法流程图。
图6为图5的中控制信号作用关系示意图。
参见图5、6，一种用于同步风力发电系统的直流电容惯性支撑的方法10，包括：
S11，步风力发电机输出功率经BOOST整流器、直流电容、逆变器和LC滤波电路接入电网；
S12，构建基于所述直流电容惯性支撑的同步风力发电系统并网动态模型；
S13，所述并网动态模型根据所述同步发电机的输出功率Ps和传输到电网的功率Pg之间与所述直流电容的电压Vdc的变化关系，控制同步发电机的输出功率Ps与所述传输到电网的功率Pg间的平衡，其中的关系表达式为：
Figure BDA0002592270920000091
其中，C为等效电容，Vdc为所述直流电容的电压，Ps为所述同步发电机的输出功率，Pg为所述电网的功率；
S14，在所述并网动态模型中，对其中的直流电容设置不同惯性控制参数Kdc，记录不同惯性控制参数下，其中的同步风力发电系统的系统频率和有功功率的参数变化，选择系统频率在预设频率上下波动小于0.1HZ，且有功功率与预设有功功率的偏差小于1MW的直流电容惯性控制参数为预定惯性控制参数；
S15，利用所述预定惯性控制参数对实际中的所述同步风力发电系统的有功功率进行控制。
步骤S11-S13是构建并网动态模型，并在该模型中利用所述直流电容的电压降控制所述逆变器的功率和传输到电网的功率间的平衡的过程。
动态模型是指描述系统各参量之间随时间变化而变化的规律的数学表达式。是描述与操作时间和顺序有关的系统特征、影响更改的事件、事件的序列、事件的环境以及事件的组织的模型。一般用含有连续或离散时间变量的数学方程来表达。
本实施例中的并网动态模型包括基由Matlab/Simulink搭建的惯性支撑并网控制系统的第一仿真模型和第二仿真模型。其中，第一仿真模型是的输入参量包括同步风力发电机，BOOST整流器、直流电容、逆变器和LC滤波电路的参量。第二仿真模型与第一仿真模型的不同之处仅在于，不包括直流电容的参量，即第二仿真模型是没有直流电容性支撑的同步风力发电系统的仿真模型。其中的验证是指对第一仿真模型中产生的系统频率曲线和有功功率曲线与第二仿真模型中产生的系统频率曲线和有功功率曲线进行比较，通过系统频率曲线和有功功率曲线在两个仿真模型中的差异，来验证直流电容惯性支撑的有效性。
上述第一仿真模型与第二仿真模型在本申请实施例中均是由Matlab/Simulink搭建的惯性支撑并网控制系统的不同的并网动态模型。在并网动态模型中可以通过直流电容电压稳定在某一值时来判断功率平衡。而且，在模型中这也是一个必然结果，即只要当模型能正常构建和运行，所述逆变器的功率和传输到电网的功率就必然平衡，而且直流电容电压也一定稳定在某一确定值。
步骤S14中，进一步的，所述选择系统频率在预设频率上下波动小于0.1HZ，且有功功率与预设有功功率的偏差小于1MW的直流电容惯性控制参数为预定惯性控制参数的过程包括：
根据所述同步风力发电机的机械惯性与所述同步风力发电系统的系统频率的关系公式：
Figure BDA0002592270920000111
其中，H为所述同步风力发电机的惯性常数，f为所述系统频率，Pf为所述同步风力发电机的机械输出功率，Pg为所述电网的功率，
令式(2)中的Pf等于式(1)中的Ps，得公式：
Figure BDA0002592270920000112
其中，Vdc为所述直流电容的电压，Hdc为所述直流电容的等效虚拟惯性常数，C为等效电容，f为所述系统频率；
对式(3)两边积分得公式：
Figure BDA0002592270920000113
其中，Vdc0和f0分别为所述直流电容的电压标准值和所述系统频率的频率标准值；
对式(4)进行线性化处理得公式：
CVdcΔVdc＝2Hdcf0Δf (5)
其中，C为等效电容，Vdc为所述直流电容的电压，ΔVdc为所述直流电容的检测电压与初始电压之差，Hdc为所述直流电容的等效虚拟惯性常数，f0为所述系统频率的频率标准值，Δf为所述系统步骤的检测频率与初始频率之差；
根据所述直流电容的惯性控制公式：
Figure BDA0002592270920000121
其中，
Figure BDA0002592270920000122
为所述直流电容的电压初始值，Kdc1为第一子惯性控制参数，Kdc2第二子惯性控制参数，Vdc0为所述直流电容的电压标准值；
令Kdc＝Kdc1+Kdc2，可得：
Figure BDA0002592270920000123
其中，
Figure BDA0002592270920000124
为所述直流电容的电压初始值，Kdc为惯性控制参数，Δf为所述系统步骤的检测频率与初始频率之差，Vdc0为所述直流电容的电压标准值；
根据式(5)和式(7)可得Hdc与Kdc之间的关系为：
Figure BDA0002592270920000125
其中，Hdc为所述直流电容的等效虚拟惯性常数，Kdc为惯性控制参数，C为等效电容，Vdc0为所述直流电容的电压标准值，f0为所述系统频率的频率标准值；
通过代入不同的惯性控制参数Kdc，根据不同惯性控制参数Kdc下，系统频率和有功功率的偏差，确定预定惯性控制参数。
图7为图5中采用不同直流电容惯性控制参数时，输出有功功率对比图。
参见图5、6、7，在本实施例中，进一步的，在所述并网动态模型中所述代入不同的惯性控制参数Kdc时，所述惯性控制参数Kdc，可选的分别设置为Kdc＝5、Kdc＝10和Kdc＝15。
在不同惯性控制参数下在所述并网动态模型中观察系统频率与有功功率的变化可选出一个预定惯性控制参数，并可设定该参数所产生的系统惯性为最优惯性。例如：将直流电容惯性控制参数分别设置为Kdc＝5，其中，Kdc1＝4.5，Kdc2＝0.5；Kdc＝10，其中，Kdc1＝8.5，Kdc2＝1.5；Kdc＝15，其中，Kdc1＝12.25，Kdc2＝2.75，在所述模型中对系统按不同Kdc的设置进行仿真。最后通过对仿真结果中不同Kdc设置下系统频率与有功功率比较分析可得，当Kdc＝5时，系统频率较稳定，有功功率预定，即系统频率在预设频率上下波动小于0.1HZ，且有功功率与预设有功功率的偏差小于1MW。因此，可设定该预定惯性控制参数为5。
图8为本发明又一实施所述直流电容惯性支撑的验证方法流程图；
图9为图8实施例中第一仿真模型与第二仿真模型输出有功功率对比图；
图10为图8实施例中第一仿真模型与第二仿真模型的电网频率对比图。
参见图8、9、10，一种同步风力发电系统的直流电容惯性支撑的验证方法20，包括：
S21，搭建同步风力发电系统的直流电容惯性支撑的第一仿真模型，所述同步风力发电系统至少包括同步风力发电机、BOOST整流器、逆变器、LC滤波电路和直流电容；
S22，在设定的所述同步风力发电机的输出功率和所述电网的电网频率下，以不同的直流电容惯性控制参数，通过所述第一仿真模型对所述同步风力发电系统的直流电容惯性支撑进行仿真；
S23，记录不同的直流电容惯性控制参数下，所述同步风力发电系统的系统频率和有功功率的参数变化，选择系统频率在预设频率上下波动小于0.1HZ，且有功功率与预设有功功率的偏差小于1MW的直流电容电压惯性控制参数为预定惯性控制参数；
S24，在所述预定惯性控制参数下，通过所述第一仿真模型对所述同步发电系统的直流电容惯性支撑进行仿真，得到所述第一仿真模型的系统频率曲线和有功功率曲线；
S25，搭建所述同步风力发电系统的同步风力发电机惯性支撑的第二仿真模型，并在所述设定的所述同步风力发电机的输出功率和所述电网的电网频率下，通过第二仿真模型对所述同步风力发电系统的同步风力发电机惯性支撑进行仿真，得到所述第二仿真模型的系统频率曲线和有功功率曲线；
S26，对所述第一仿真模型的系统频率曲线和有功功率曲线与所述第二仿真模型的系统频率曲线和有功功率曲线分别进行比较，通过所述系统频率曲线和有功功率曲线在所述第一仿真模型和所述第二仿真模型的差异，验证所述直流电容惯性支撑对所述电网的惯性支撑作用。
如图8、9所示，本实施列中所述第一仿真模型对应于直流电容惯性支撑模型，所述第二仿真模型对应于同步风力发电机惯性支撑模型。
步骤S21-S24，是搭建第一仿真模型，并在预定惯性控制参数下，通过所述第一仿真模型对所述同步发电系统的直流电容惯性支撑进行仿真，得到所述第一仿真模型的系统频率曲线和有功功率曲线的过程。
步骤S25-S26，是搭建第二仿真模型，并在所述设定的所述同步风力发电机的输出功率和所述电网的电网频率下，通过第二仿真模型对所述同步风力发电系统的同步风力发电机惯性支撑进行仿真，得到所述第二仿真模型的系统频率曲线和有功功率曲线，以及通过所述系统频率曲线和有功功率曲线在所述第一仿真模型和所述第二仿真模型的差异，验证所述直流电容惯性支撑对所述电网的惯性支撑作用的过程。
本实施的工作主要在于解决通过搭建仿真模型以验证直流电容惯性支撑有效性，所选择预定控制参数是否恰当，以及在模型中寻找合适参数并用于实际的直流电容惯性支撑系统的问题。
进一步的，本实施例所述第一仿真模型中，其中不同的所述惯性控制参数Kdc分别设置为Kdc＝5、Kdc＝10和Kdc＝15。
在不同惯性控制参数下在所述第一仿真模型中观察系统频率与有功功率的变化可选出一个预定惯性控制参数，并可设定该参数所产生的系统惯性为最优惯性。
本实施例中，进一步的，所述选择系统频率在预设频率上下波动小于0.1HZ，且有功功率与预设有功功率的偏差小于1MW的直流电容电压惯性控制参数为预定惯性控制参数的过程包括：
根据所述同步风力发电机的机械惯性与所述同步风力发电系统的系统频率的关系公式：
Figure BDA0002592270920000151
其中，H为所述同步风力发电机的惯性常数，f为所述系统频率，Pf为所述同步风力发电机的机械输出功率，Pg为所述电网的功率；
令式(2)中的Pf等于式(1)中的Ps，得公式：
Figure BDA0002592270920000152
其中，Vdc为所述直流电容的电压，Hdc为所述直流电容的等效虚拟惯性常数，C为等效电容，f为所述系统频率；
对式(3)两边积分得公式：
Figure BDA0002592270920000153
其中，Vdc0和f0分别为所述直流电容的电压标准值和所述系统频率的频率标准值；
对式(4)进行线性化处理得公式：
CVdcΔVdc＝2Hdcf0Δf (5)
其中，C为等效电容，Vdc为所述直流电容的电压，ΔVdc为所述直流电容的检测电压与初始电压之差，Hdc为所述直流电容的等效虚拟惯性常数，f0为所述系统频率的频率标准值，Δf为所述系统步骤的检测频率与初始频率之差；
根据所述直流电容的惯性控制公式：
Figure BDA0002592270920000161
其中，
Figure BDA0002592270920000162
为所述直流电容的电压初始值，Kdc1为第一子惯性控制参数，Kdc2第二子惯性控制参数，Vdc0为所述直流电容的电压标准值；
令Kdc＝Kdc1+Kdc2，可得：
Figure BDA0002592270920000163
其中，
Figure BDA0002592270920000164
为所述直流电容的电压初始值，Kdc为惯性控制参数，Δf为所述系统步骤的检测频率与初始频率之差，Vdc0为所述直流电容的电压标准值，所述
Figure BDA0002592270920000165
值可根据PWM频率进行调节；
根据式(5)和式(7)可得Hdc与Kdc之间的关系为：
Figure BDA0002592270920000166
其中，Hdc为所述直流电容的等效虚拟惯性常数，Kdc为惯性控制参数，C为等效电容，Vdc0为所述直流电容的电压标准值，f0为所述系统频率的频率标准值；
通过代入不同的惯性控制参数Kdc，根据不同惯性控制参数Kdc下，系统频率和有功功率的偏差，确定预定惯性控制参数。
本实施例中，进一步的，所述
Figure BDA0002592270920000167
值，即所述直流电容的电压初始值，可根据脉宽调制PWM的频率进行调节。亦即在所述直流电容惯性支撑对所述电网的惯性支撑作用验证过程，所述直流电容的电压初始值可根据脉宽调制PWM的频率进行相应调整，以验证不同情形下惯性支撑作用的有效性和预定惯性控制参数选择的恰当性。
读者应理解，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必针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。
上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于直流电容的惯性支撑并网控制系统，其特征在于，包括：
同步风力发电机，用于实现同步发电，并输出三相交流电；
滤波电感，设置于所述三相交流电的每一相的输出端，用于滤除所述同步发电机产生的低次谐波；
BOOST整流器，设置于发电机侧，用于将所述同步风力发电机产生的三相交流电转换成直流电；
直流电容，设置于所述BOOST整流器的输出端，用于稳定所述直流电的直流电压；
逆变器，设置于电网侧，用于将所述直流电转换成接入电网的三相交流电；
LC滤波电路，设置于电网接入端，用于消除并网过程中的干扰信号；
其中，所述接入电网的三相交流电的有功功率是通过所述电网的频率，所述直流电容的电压，所述逆变器的输入电流，所述BOOST整流器的输入电流，所述同步风力发电机的定子电流、所述同步风力发电机的机械输出功率之间依次的反馈控制完成的。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述直流电容的电压变化是根据实时采集的所述电网的频率，生成所述电网的惯性控制参数，进而通过所述惯性控制参数控制所述直流电容的电压变化。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述逆变器的输入电流变化是通过所述直流电容的电压变化生成PWM信号控制所述逆变器的开通与关断，进而实现对所述逆变器的输入电流的控制。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述接入电网的三相交流电的无功功率的控制，是通过对所述电网的实际无功功率Q与电网设定的初始无功率Q*间的实时功率偏差，经比例积分PI运算得到参考电流
Figure FDA0002592270910000021
再对所述参考电流
Figure FDA0002592270910000022
与所述同步风力发电机的q轴电流Isq间的实时电流偏差，经比例积分PI运算得到一个q轴参考电压
Figure FDA0002592270910000023
根据所述q轴参考电压
Figure FDA0002592270910000024
与所述同步风力发电机实际的q轴电压间的实时电压偏差，对所述同步风力发电机的无功功率进行控制。
5.一种直流电容惯性支撑并网控制方法，其特征在于，包括：
将同步风力发电机输出功率经BOOST整流器、直流电容、逆变器和LC滤波电路接入电网，并形成权利要求1-4任一所述惯性支撑并网控制系统；
构建基于所述直流电容惯性支撑的同步风力发电系统的并网动态模型；
所述并网动态模型根据所述同步发电机的输出功率Ps和传输到电网的功率Pg之间与所述直流电容的电压Vdc的变化关系，控制同步发电机的输出功率Ps与所述传输到电网的功率Pg间的平衡，其中的关系表达式为：
Figure FDA0002592270910000025
其中，C为等效电容，Vdc为所述直流电容的电压，Ps为所述同步发电机的输出功率，Pg为所述电网的功率；
在所述并网动态模型中，对其中的所述直流电容设置不同惯性控制参数Kdc，记录不同惯性控制参数下，所述同步风力发电系统的系统频率和有功功率的参数变化，选择系统频率在预设频率上下波动小于0.1HZ，且有功功率与预设有功功率的偏差小于1MW的直流电容惯性控制参数为预定惯性控制参数；
利用所述预定惯性控制参数对实际中的所述同步风力发电系统的有功功率进行控制。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述并网动态模型中对所述直流电容设置不同惯性控制参数时，所述惯性控制参数Kdc分别设置为Kdc＝5、Kdc＝10或Kdc＝15。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述选择系统频率在预设频率上下波动小于0.1HZ，且有功功率与预设有功功率的偏差小于1MW的直流电容惯性控制参数为预定惯性控制参数的过程包括：
根据所述同步风力发电机的机械惯性与所述同步风力发电系统的系统频率的关系公式：
Figure FDA0002592270910000031
其中，H为所述同步风力发电机的惯性常数，f为所述系统频率，Pf为所述同步风力发电机的机械输出功率，Pg为所述电网的功率；
令式(2)中的Pf等于式(1)中的Ps，得公式：
Figure FDA0002592270910000032
其中，Vdc为所述直流电容的电压，Hdc为所述直流电容的等效虚拟惯性常数，C为等效电容，f为所述系统频率；
对式(3)两边积分得公式：
Figure FDA0002592270910000033
其中，Vdc0和f0分别为所述直流电容的电压标准值和所述系统频率的频率标准值；
对式(4)进行线性化处理得公式：
CVdcΔVdc＝2Hdcf0Δf (5)
其中，C为等效电容，Vdc为所述直流电容的电压，ΔVdc为所述直流电容的检测电压与初始电压之差，Hdc为所述直流电容的等效虚拟惯性常数，f0为所述系统频率的频率标准值，Δf为所述系统步骤的检测频率与初始频率之差；
根据所述直流电容的惯性控制公式：
Figure FDA0002592270910000041
其中，
Figure FDA0002592270910000042
为所述直流电容的电压初始值，Kdc1为第一子惯性控制参数，Kdc2第二子惯性控制参数，Vdc0为所述直流电容的电压标准值；
令Kdc＝Kdc1+Kdc2，可得：
Figure FDA0002592270910000043
其中，
Figure FDA0002592270910000044
为所述直流电容的电压初始值，Kdc为惯性控制参数，Δf为所述系统步骤的检测频率与初始频率之差，Vdc0为所述直流电容的电压标准值；
根据式(5)和式(7)可得Hdc与Kdc之间的关系为：
Figure FDA0002592270910000045
其中，Hdc为所述直流电容的等效虚拟惯性常数，Kdc为惯性控制参数，C为等效电容，Vdc0为所述直流电容的电压标准值，f0为所述系统频率的频率标准值；
通过代入不同的惯性控制参数Kdc，根据不同惯性控制参数Kdc下，系统频率和有功功率的偏差，确定预定惯性控制参数。
8.一种用于权利要求1-4任一所述惯性支撑并网控制系统的验证方法，其特征在于，包括：
搭建同步风力发电系统的直流电容惯性支撑的第一仿真模型，所述同步风力发电系统至少包括同步风力发电机、BOOST整流器、逆变器、LC滤波电路和直流电容；
在设定的所述同步风力发电机的输出功率和所述电网的电网频率下，以不同的直流电容惯性控制参数，通过所述第一仿真模型对所述同步风力发电系统的直流电容惯性支撑进行仿真；
记录不同的直流电容惯性控制参数下，所述同步风力发电系统的系统频率和有功功率的参数变化，选择系统频率在预设频率上下波动小于0.1HZ，且有功功率与预设有功功率的偏差小于1MW的直流电容电压惯性控制参数为预定惯性控制参数；
在所述预定惯性控制参数下，通过所述第一仿真模型对所述同步发电系统的直流电容惯性支撑进行仿真，得到所述第一仿真模型的系统频率曲线和有功功率曲线；
搭建所述同步风力发电系统的同步风力发电机惯性支撑的第二仿真模型，并在所述设定的所述同步风力发电机的输出功率和所述电网的电网频率下，通过第二仿真模型对所述同步风力发电系统的同步风力发电机惯性支撑进行仿真，得到所述第二仿真模型的系统频率曲线和有功功率曲线；
对所述第一仿真模型的系统频率曲线和有功功率曲线与所述第二仿真模型的系统频率曲线和有功功率曲线分别进行比较，通过所述系统频率曲线和有功功率曲线在所述第一仿真模型和所述第二仿真模型的差异，验证所述直流电容惯性支撑对所述电网的惯性支撑作用。
9.根据权利要求8所述的验证方法，其特征在于，还包括：
在所述第一仿真模型中，其中不同的所述惯性控制参数Kdc分别设置为Kdc＝5、Kdc＝10和Kdc＝15。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述选择系统频率在预设频率上下波动小于0.1HZ，且有功功率与预设有功功率的偏差小于1MW的直流电容电压惯性控制参数为预定惯性控制参数的过程包括：
根据所述同步风力发电机的机械惯性与所述同步风力发电系统的系统频率的关系公式：
Figure FDA0002592270910000061
其中，H为所述同步风力发电机的惯性常数，f为所述系统频率，Pf为所述同步风力发电机的机械输出功率，Pg为所述电网的功率；
令式(2)中的Pf等于式(1)中的Ps，得公式：
Figure FDA0002592270910000062
其中，Vdc为所述直流电容的电压，Hdc为所述直流电容的等效虚拟惯性常数，C为等效电容，f为所述系统频率；
对式(3)两边积分得公式：
Figure FDA0002592270910000063
其中，Vdc0和f0分别为所述直流电容的电压标准值和所述系统频率的频率标准值；
对式(4)进行线性化处理得公式：
CVdcΔVdc＝2Hdcf0Δf (5)
其中，C为等效电容，Vdc为所述直流电容的电压，ΔVdc为所述直流电容的检测电压与初始电压之差，Hdc为所述直流电容的等效虚拟惯性常数，f0为所述系统频率的频率标准值，Δf为所述系统步骤的检测频率与初始频率之差；
根据所述直流电容的惯性控制公式：
Figure FDA0002592270910000064
其中，
Figure FDA0002592270910000065
为所述直流电容的电压初始值，Kdc1为第一子惯性控制参数，Kdc2第二子惯性控制参数，Vdc0为所述直流电容的电压标准值；
令Kdc＝Kdc1+Kdc2，可得：
Figure FDA0002592270910000071
其中，
Figure FDA0002592270910000072
为所述直流电容的电压初始值，Kdc为惯性控制参数，Δf为所述系统步骤的检测频率与初始频率之差，Vdc0为所述直流电容的电压标准值，所述
Figure FDA0002592270910000073
值可根据PWM频率进行调节；
根据式(5)和式(7)可得Hdc与Kdc之间的关系为：
Figure FDA0002592270910000074
其中，Hdc为所述直流电容的等效虚拟惯性常数，Kdc为惯性控制参数，C为等效电容，Vdc0为所述直流电容的电压标准值，f0为所述系统频率的频率标准值；
通过代入不同的惯性控制参数Kdc，根据不同惯性控制参数Kdc下，系统频率和有功功率的偏差，确定预定惯性控制参数。
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