CN115313419B - 一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制方法及系统，方法包括：设计机侧变流器，机侧变流器采用直流电压外环和电流内环控制策略，机侧变流器的控制目标为直流侧电容电压恒定；在虚拟调频控制环节，确定网侧变流器的风机附加参考功率；在虚拟惯量和阻尼控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取网侧变流器的内电势虚拟相位角；在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取网侧变流器的内电势幅值；在虚拟电路计算环节，计算网侧变流器的参考电流；在电流内环控制环节，获取变流器的参考电压；将参考电压作为变流器的PWM调制信号，对网侧变流器的开关管进行控制。

Description

一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制方法及系统
技术领域
本发明涉及新能源并网控制技术领域，更具体地，涉及一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制方法及系统。
背景技术
随着“双碳”目标的提出，风力发电作为新型电力系统重要组成部分，近年来发展迅猛，我国风发电建设规模实现快速发展。
风力发电受气候环境影响，输出功率呈现间歇性与波动性等特点，风电渗透率增加，将带来电网电压与频率的稳定性问题。永磁直驱式风力发电机是目前主流的风力机型，其采用风力机直接驱动低速永磁同步交流电机产生电能，具有风能利用率和可靠性高、污染性和成本低等优势。但是永磁直驱风机经电力电子设备并网，转速与系统频率解耦，并且常运行于最大功率跟踪点(MPPT)控制模式，本身不具备常规同步机的电压和频率支撑能力。
为使直驱式风力发电机具备参与系统调频调压的功能，国内外学者进行了大量研究。对于频率调节，目前可分为两大类控制方法：减载控制和转子动能控制。减载控制可通过超速减载或变桨减载实现，但这使得风机在稳态时不能运行在最大功率点，减少了风电运行效益。转子动能控制包括虚拟惯量控制、下垂控制和综合惯量控制等，通过附加频率控制环节来释放或存储转子中的旋转动能，然而这类方法都是被动跟随电网特性变化进行控制调节，依赖锁相环实现电网同步，无法体现其主动调频支撑作用。在参与系统电压调节方面，当风电在电网中占比较少时，一般不要求其参与电压与无功控制，目前大部分研究集中在风电的低电压穿越技术。风机的调压措施主要包括改进控制策略、附加额外硬件保护电路以及增加无功补偿装置等，这些方法控制被动，增加了经济成本。因此，对于直驱风电系统的主动支撑控制方法研究具有极高的工程应用价值。
现有技术永磁直驱风力发电机组大多使用电流源控制工作模式，依赖锁相环与电网同步并网发出功率。机侧变流器控制输出功率，网侧变流器控制直流电压。锁相环控制如图1所示，基于锁相环的跟网型直驱风电系统并网控制如图2所示。
现有技术基于锁相环的跟网型直驱风电系统并网控制只能并网运行，不能单独运行，在接入弱电网时的并网稳定性较低，并且不能主动提供惯量及支撑电网频率和电压调节。
因此，需要一种技术，以实现基于构网型变流器的直驱风电系统控制控制。
发明内容
本发明技术方案提供一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制方法及系统，以解决如何基于构网型变流器进行直驱风电系统控制的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制方法，所述方法包括：
设计机侧变流器，所述机侧变流器采用直流电压外环和电流内环控制策略，所述机侧变流器的控制目标为直流侧电容电压恒定；
在虚拟调频控制环节，确定网侧变流器的风机附加参考功率；
在确定网侧变流器的风机附加参考功率后，在虚拟惯量和阻尼控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取网侧变流器的内电势虚拟相位角；
在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取网侧变流器的内电势幅值；
在虚拟电路计算环节，基于所述内电势幅值计算网侧变流器的参考电流；
在电流内环控制环节，基于所述参考电流与所述内电势虚拟相位角获取变流器的参考电压；
将所述参考电压作为所述变流器的PWM调制信号，对所述网侧变流器的开关管进行控制。
优选地，所述机侧变流器采用直流电压外环和电流内环控制策略，所述机侧变流器的控制目标为直流侧电容电压恒定，包括：
在q轴控制上，采集电容电压实际值与参考值，将电容电压实际值与参考值作差后经过PI控制得到内环q轴电流参考值；在d轴控制上，将d轴电流参考值取为0，机侧变流器控制数学表达式为：
Figure BDA0003764095110000031
其中，usd、usq、isd、isq分别为dq轴定子电压、电流分量；
Figure BDA0003764095110000032
为dq轴定子电流参考值；Udc、
Figure BDA0003764095110000033
分别为直流电压实际值、参考值；KPrin、KIrin、KProut、KIrout为控制参数；ωs为同步电角速度；Lsd、Lsq为dq轴下定子电感；ψs为直驱风机永磁体磁链。
优选地，所述在虚拟调频控制环节，确定变流器的风机附加参考功率，包括：
将下垂控制环节引入虚拟调频控制环节，响应系统频率变化；
采集网侧变流器采集的电压信号；
基于所述电压信号计算频率实测值与频率参考值的偏差量；
当所述偏差量超过设定频率死区后，通过将所述偏差量乘以下垂系数获取风机附加参考功率，模拟同步发电机组的下垂特性；
ΔPref＝Kp(f*-f) |f*-f|≥fdeadzone
其中，ΔPref为风机附加参考功率；Kp为下垂系数；f*为频率参考值；f为频率实测值；fdeadzone为设定频率死区。
优选地，所述在虚拟惯量和阻尼控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取网侧变流器的内电势虚拟相位角，包括：
模拟同步发电机有功-频率动态特性，将网侧变流器有功功率参考值作为同步发电机输入机械功率；
通过机械功率的变化值调节转子转速，获取对系统频率变化的有功输出响应，模型数学公式为：
Figure BDA0003764095110000041
其中，θ为网侧变流器输出内电势虚拟相位角；ω为变流器输出内电势虚拟角速度；J为虚拟转动惯量；Pref为有功功率参考值，可对应于传统同步机的输入机械功率；P为变流器实际输出有功功率；ω0为系统额定角速度；DEqu为等效虚拟阻尼系数；Tw为隔直环节时间常数；T3、T4为移相环节时间常数；KD为转速偏差放大倍数；s为拉普拉斯算子。
优选地，所述在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取网侧变流器的内电势幅值，包括：
励磁系统采集网侧变流器输出端电压与端电流，计算虚拟励磁控制环节的输入信号为：
VC＝|U+(RC+jXC)Ig|
其中，VC为励磁控制环节输入电压信号；U为网侧变流器端电压；Ig为网侧变流器输出端电流；RC为调差电阻；XC为调差电抗；j为虚单位；
同步发电机三阶实用模型中的转子电压平衡方程，计及励磁系统动态：
Figure BDA0003764095110000051
其中，Eqe为与励磁电压呈线性关系的强制空载电动势；K为调节器增益；Kv为比例积分选择因子；T1、T2为电压调节器时间常数；V*为励磁调压器参考电压；V为计算得励磁调压器实际电压信号；T′d0为励磁绕组时间常数；E'q为暂态电势；id为d轴电流分量，取为逆变器输出d轴电流参考值
Figure BDA0003764095110000052
xd为同步电抗；x'd为d轴暂态电抗；Em为变流器输出内电势幅值。
优选地，所述在虚拟电路计算环节，基于所述内电势幅值计算网侧变流器的参考电流，包括：
将虚拟内电势幅值Em∠θ定位到dq坐标系，并规定虚拟内电势幅值dq轴参考值
Figure BDA0003764095110000053
和
Figure BDA0003764095110000054
Figure BDA0003764095110000055
其中，
Figure BDA0003764095110000056
为输出电流参考值；
Figure BDA0003764095110000057
为虚拟内电势幅值；Ud+jUq为实测交流侧电压；R+jX为虚拟支路阻抗；
基于交流系统对风电系统的性能需求对dq轴参考电流进行限幅，总电流限幅Idqlim根据系统侧交流电压的低压限流曲线确定，将限幅后的
Figure BDA0003764095110000058
作为内环控制的参考电流。
优选地，所述在电流内环控制环节，基于所述参考电流与所述内电势虚拟相位角获取变流器的参考电压，包括：
将电流参考值
Figure BDA0003764095110000059
与电流实测值Igd、Igq作差，并经过PI控制及前馈解耦控制环节，获取参考电压波信号ed、eq，并依据内电势虚拟相位角θ经过派克反变换得到三相静止坐标系下的参考电压。
基于本发明的另一方面，本发明提供一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制系统，所述系统包括：
第一控制单元，用于设计机侧变流器，所述机侧变流器采用直流电压外环和电流内环控制策略，所述机侧变流器的控制目标为直流侧电容电压恒定；
确定单元，用于在虚拟调频控制环节，确定变流器的风机附加参考功率；
第一获取单元，用于在确定变流器的风机附加参考功率后，在虚拟惯量和阻尼控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取网侧变流器的内电势虚拟相位角；
第二获取单元，用于在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取网侧变流器的内电势幅值；
第三获取单元，用于在虚拟电路计算环节，基于所述内电势幅值计算网侧变流器的参考电流；
第四获取单元，用于在电流内环控制环节，基于所述参考电流与所述内电势虚拟相位角获取变流器的参考电压；
第二控制单元，用于将所述参考电压作为所述变流器的PWM调制信号，对所述网侧变流器的开关管进行控制。
优选地，所述第一控制单元，用于机侧变流器采用直流电压外环和电流内环控制策略，所述机侧变流器的控制目标为直流侧电容电压恒定，包括：
在q轴控制上，采集电容电压实际值与参考值，将电容电压实际值与参考值作差后经过PI控制得到内环q轴电流参考值；在d轴控制上，将d轴电流参考值取为0，机侧变流器控制数学表达式为：
Figure BDA0003764095110000061
其中，usd、usq、isd、isq分别为dq轴定子电压、电流分量；
Figure BDA0003764095110000071
为dq轴定子电流参考值；Udc、
Figure BDA0003764095110000072
分别为直流电压实际值、参考值；KPrin、KIrin、KProut、KIrout为控制参数；ψs为同步电角速度；Lsd、Lsq为dq轴下定子电感；ψs为直驱风机永磁体磁链。
优选地，所述确定单元，用于在虚拟调频控制环节，确定变流器的风机附加参考功率，包括：
将下垂控制环节引入虚拟调频控制环节，响应系统频率变化；
采集网侧变流器采集的电压信号；
基于所述电压信号计算频率实测值与频率参考值的偏差量；
当所述偏差量超过设定频率死区后，通过将所述偏差量乘以下垂系数获取风机附加参考功率，模拟同步发电机组的下垂特性；
ΔPref＝Kp(f*-f) |f*-f|≥fdeadzone
其中，ΔPref为风机附加参考功率；Kp为下垂系数；f*为频率参考值；f为频率实测值；fdeadzone为设定频率死区。
优选地，所述第一获取单元，具体用于：
模拟同步发电机有功-频率动态特性，将网侧变流器有功功率参考值作为同步发电机输入机械功率；
通过机械功率的变化值调节转子转速，获取对系统频率变化的有功输出响应，模型数学公式为：
Figure BDA0003764095110000073
其中，θ为网侧变流器输出内电势虚拟相位角；ω为变流器输出内电势虚拟角速度；J为虚拟转动惯量；Pref为有功功率参考值，可对应于传统同步机的输入机械功率；P为变流器实际输出有功功率；ω0为系统额定角速度；DEqu为等效虚拟阻尼系数；Tw为隔直环节时间常数；T3、T4为移相环节时间常数；KD为转速偏差放大倍数；s为拉普拉斯算子。
优选地，所述第二获取单元，具体用于：
励磁系统采集网侧变流器输出端电压与端电流，计算虚拟励磁控制环节的输入信号为：
VC＝|U+(RC+jXC)Ig|
其中，VC为励磁控制环节输入电压信号；U为网侧变流器端电压；Ig为网侧变流器输出端电流；RC为调差电阻；XC为调差电抗；j为虚单位；
同步发电机三阶实用模型中的转子电压平衡方程，计及励磁系统动态：
Figure BDA0003764095110000081
其中，Eqe为与励磁电压呈线性关系的强制空载电动势；K为调节器增益；Kv为比例积分选择因子；T1、T2为电压调节器时间常数；V*为励磁调压器参考电压；V为计算得励磁调压器实际电压信号；T′d '0为励磁绕组时间常数；E'q为暂态电势；id为d轴电流分量，取为逆变器输出d轴电流参考值
Figure BDA0003764095110000082
xd为同步电抗；x'd为d轴暂态电抗；Em为变流器输出内电势幅值。
优选地，所述第三获取单元，具体用于：
将虚拟内电势幅值Em∠θ定位到dq坐标系，并规定虚拟内电势幅值dq轴参考值
Figure BDA0003764095110000083
和
Figure BDA0003764095110000084
Figure BDA0003764095110000085
其中，
Figure BDA0003764095110000091
为输出电流参考值；
Figure BDA0003764095110000092
为虚拟内电势幅值；Ud+jUq为实测交流侧电压；R+jX为虚拟支路阻抗；
基于交流系统对风电系统的性能需求对dq轴参考电流进行限幅，总电流限幅Idqlim根据系统侧交流电压的低压限流曲线确定，将限幅后的
Figure BDA0003764095110000093
作为内环控制的参考电流。
优选地，所述第四获取单元，具体用于：
将电流参考值
Figure BDA0003764095110000094
与电流实测值Igd、Igq作差，并经过PI控制及前馈解耦控制环节，获取参考电压波信号ed、eq，并依据内电势虚拟相位角θ经过派克反变换得到三相静止坐标系下的参考电压。
本发明技术方案提供一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制方法及系统，其中方法包括：设计机侧变流器，机侧变流器采用直流电压外环和电流内环控制策略，机侧变流器的控制目标为直流侧电容电压恒定；在虚拟调频控制环节，确定变流器的风机附加参考功率；在确定变流器的风机附加参考功率后，在虚拟惯量和阻尼控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取网侧变流器的内电势虚拟相位角；在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取网侧变流器的内电势幅值；在虚拟电路计算环节，基于内电势幅值计算网侧变流器的参考电流；在电流内环控制环节，基于参考电流与内电势虚拟相位角获取变流器的参考电压；将参考电压作为变流器的PWM调制信号，对网侧变流器的开关管进行控制。本发明技术方案提出的一种基于构网型变流器的新型永磁直驱风电系统控制方法，可以避免传统直驱风机控制的锁相环依赖，增强永磁直驱风力发电机组参与系统调频调压的主动支撑能力，对风电友好接入发挥了重要作用，可有效提升风能消纳水平，促进新能源的开发与利用。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据现有实施方式的电流源型变流器锁相环控制框示意图；
图2为根据现有实施方式的基于锁相环的跟网型直驱风电系统并网控制框示意图；
图3为根据本发明优选实施方式的一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制方法流程图；
图4为根据本发明优选实施方式的直驱风电系统整体控制框示意图；
图5为根据本发明优选实施方式的虚拟调频控制框示意图图；
图6为根据本发明优选实施方式的虚拟惯量和阻尼控制框示意图；
图7为根据本发明优选实施方式的虚拟励磁控制框示意图；
图8为根据本发明优选实施方式的虚拟电路控制框示意图；图9为根据本发明优选实施方式的一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制系统结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图3为根据本发明优选实施方式的一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制方法流程图。本发明提供一种基于构网型变流器的新型直驱风电系统控制策略，将模拟发电机转子运动方程和暂态电压方程的三阶发电机模型应用于直驱风力发电系统控制，构造一种构网型变流器直驱风电系统控制模型，实现系统电压、频率和惯量的主动支撑。
本发明提供一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制方法，方法包括：
步骤101：设计机侧变流器，机侧变流器采用直流电压外环和电流内环控制策略，机侧变流器的控制目标为直流侧电容电压恒定；
优选地，机侧变流器采用直流电压外环和电流内环控制策略，机侧变流器的控制目标为直流侧电容电压恒定，包括：
在q轴控制上，采集电容电压实际值与参考值，将电容电压实际值与参考值作差后经过PI控制得到内环q轴电流参考值；在d轴控制上，将d轴电流参考值取为0，机侧变流器控制数学表达式为：
Figure BDA0003764095110000111
其中，usd、usq、isd、isq分别为dq轴定子电压、电流分量；
Figure BDA0003764095110000112
为dq轴定子电流参考值；Udc、
Figure BDA0003764095110000113
分别为直流电压实际值、参考值；KPrin、KIrin、KProut、KIrout为控制参数；ωs为同步电角速度；Lsd、Lsq为dq轴下定子电感；ψs为直驱风机永磁体磁链。
本发明对机侧变流器进行控制。机侧变流器采用直流电压外环和电流内环控制策略，控制目标为直流侧电容电压恒定。q轴控制上，采集电容电压实际值与参考值，作差后经过PI控制得到内环q轴电流参考值；d轴控制上，将d轴电流参考值取为0。机侧变流器控制数学表达式为：
Figure BDA0003764095110000114
其中，usd、usq、isd、isq为dq轴定子电压、电流分量；
Figure BDA0003764095110000115
为dq轴定子电流参考值；Udc、
Figure BDA0003764095110000121
分别为直流电压实际值、参考值；KPrin、KIrin、KProut、KIrout为控制参数；ψs为同步电角速度；Lsd、Lsq为dq轴下定子电感；ψs为直驱风机永磁体磁链。
本发明对网侧变流器进行控制。网侧变流器控制框图如图5至图8所示，本发明采用构网型变流器控制策略，包括虚拟调速控制环节、虚拟惯量和阻尼控制环节、虚拟励磁控制环节、虚拟电路计算环节和电流内环控制环节。
步骤102：在虚拟调频控制环节，确定网侧变流器的风机附加参考功率；
优选地，在虚拟调频控制环节，确定变流器的风机附加参考功率，包括：
将下垂控制环节引入虚拟调频控制环节，响应系统频率变化；
采集网侧变流器采集的电压信号；
基于电压信号计算频率实测值与频率参考值的偏差量；
当偏差量超过设定频率死区后，通过将偏差量乘以下垂系数获取风机附加参考功率，模拟同步发电机组的下垂特性；
ΔPref＝Kp(f*-f) |f*-f|≥fdeadzone
其中，ΔPref为风机附加参考功率；Kp为下垂系数；f*为频率参考值；f为频率实测值；fdeadzone为设定频率死区。
本发明对网侧变流器采用虚拟调速控制环节。虚拟调速控制中引入下垂控制环节，响应系统频率变化，当从网侧直接采集电压信号计算出的频率实测值与参考值偏差量超过死区环节后，乘以下垂系数，产生附加功率，模拟同步发电机组的下垂特性。
ΔPref＝Kp(f*-f) |f*-f|≥fdeadzone
其中，ΔPref为附加参考功率；Kp为下垂系数；f*为参考频率；f为实测频率；fdeadzone为设定频率死区。
风机有功参考值Pref为附加参考功率ΔPref与通过最大功率跟踪控制得到的功率PMPPT相加得到，公式如下：
Pref＝PMPPT+ΔPref
步骤103：在确定变流器的风机附加参考功率后，在虚拟惯量和阻尼控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取网侧变流器的内电势虚拟相位角；
优选地，在虚拟惯量和阻尼控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取网侧变流器的内电势虚拟相位角，包括：
模拟同步发电机有功-频率动态特性，将网侧变流器有功功率参考值作为同步发电机输入机械功率；
通过机械功率的变化值调节转子转速，获取对系统频率变化的有功输出响应，模型数学公式为：
Figure BDA0003764095110000131
其中，θ为网侧变流器输出内电势虚拟相位角；ω为变流器输出内电势虚拟角速度；J为虚拟转动惯量；Pref为有功功率参考值，可对应于传统同步机的输入机械功率；P为变流器实际输出有功功率；ω0为系统额定角速度；DEqu为等效虚拟阻尼系数；Tw为隔直环节时间常数；T3、T4为移相环节时间常数；KD为转速偏差放大倍数；s为拉普拉斯算子。
本发明的控制包括虚拟惯量和阻尼控制环节。模拟同步发电机有功-频率动态特性，将网侧变流器有功功率参考值视为同步发电机输入机械功率，输入机械功率的变化可以调节转子转速，实现对系统频率变化的有功输出响应。模型数学公式如下：
Figure BDA0003764095110000141
其中，θ为网侧变流器输出内电势虚拟相位角；ω为变流器输出内电势虚拟角速度；J为虚拟转动惯量；Pref为有功功率参考值，可对应于传统同步机的输入机械功率；P为变流器实际输出有功功率；ω0为系统额定角速度。通过虚拟调速控制环节得到变流器内电势虚拟相位角θ；DEqu为等效虚拟阻尼系数，由并联的两部分组成：其中，前一项D为虚拟阻尼系数，后一项由一级隔直环节与一级移相环节组成，增强虚拟阻尼控制能力，Tw为隔直环节时间常数，T3、T4为移相环节时间常数，KD为转速偏差放大倍数。
步骤104：在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取网侧变流器的内电势幅值；
优选地，在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取网侧变流器的内电势幅值，包括：
励磁系统采集网侧变流器输出端电压与端电流，计算虚拟励磁控制环节的输入信号为：
VC＝|U+(RC+jXC)Ig|
其中，VC为励磁控制环节输入电压信号；U为网侧变流器端电压；Ig为网侧变流器输出端电流；RC为调差电阻；XC为调差电抗；j为虚单位；
同步发电机三阶实用模型中的转子电压平衡方程，计及励磁系统动态：
Figure BDA0003764095110000142
其中，Eqe为与励磁电压呈线性关系的强制空载电动势；K为调节器增益；Kv为比例积分选择因子；T1、T2为电压调节器时间常数；V*为励磁调压器参考电压；V为计算得励磁调压器实际电压信号；T′d0为励磁绕组时间常数；E'q为暂态电势；id为d轴电流分量，取为逆变器输出d轴电流参考值
Figure BDA0003764095110000151
xd为同步电抗；x'd为d轴暂态电抗；Em为变流器输出内电势幅值。
本发明在虚拟励磁控制环节，借鉴同步发电机励磁系统典型控制模型以及同步发电机三阶实用模型。励磁系统采集网侧变流器输出端电压与端电流，计算此时虚拟励磁控制环节的输入信号为：
VC＝|U+(RC+jXC)Ig|
其中，VC为励磁控制环节输入电压信号；U为变流器端电压；Ig为变流器输出端电流；RC为调差电阻，XC为调差电抗，可使虚拟调节控制系统具有适当的调差特性。该调差环节的引入可以防止并联运行的发电设备同时调一个母线电压时引起振荡。
通过对该输入信号的偏差控制改变励磁电压进而影响内电势幅值，达到机组与系统无功交换的目的。考虑同步发电机三阶实用模型中的转子电压平衡方程，计及励磁系统动态，更准确地模拟同步机的出力特性。模型数学公式如下：
Figure BDA0003764095110000152
其中，Eqe为与励磁电压呈线性关系的强制空载电动势；K为调节器增益；Kv为比例积分选择因子；T1、T2为电压调节器时间常数；V*为励磁调压器参考电压；V为计算得励磁调压器实际电压信号；T′d0为励磁绕组时间常数；E'q为暂态电势；id为d轴电流分量，取为逆变器输出d轴电流参考值
Figure BDA0003764095110000153
xd为同步电抗；x'd为d轴暂态电抗；Em为变流器输出内电势幅值。
步骤105：在虚拟电路计算环节，基于内电势幅值计算网侧变流器的参考电流；
优选地，在虚拟电路计算环节，基于内电势幅值计算网侧变流器的参考电流，包括：
将虚拟内电势幅值Em∠θ定位到dq坐标系，并规定虚拟内电势幅值dq轴参考值
Figure BDA0003764095110000161
和
Figure BDA0003764095110000162
Figure BDA0003764095110000163
其中，
Figure BDA0003764095110000164
为输出电流参考值；
Figure BDA0003764095110000165
为虚拟内电势幅值；Ud+jUq为实测交流侧电压；R+jX为虚拟支路阻抗；
基于交流系统对风电系统的性能需求对dq轴参考电流进行限幅，总电流限幅Idqlim根据系统侧交流电压的低压限流曲线确定，将限幅后的
Figure BDA0003764095110000166
作为内环控制的参考电流。
本发明在虚拟电路计算环节将将虚拟内电势Em∠θ定位到dq坐标系，并规定内电势dq轴参考值
Figure BDA0003764095110000167
和
Figure BDA0003764095110000168
计算参考电流得：
Figure BDA0003764095110000169
其中，
Figure BDA00037640951100001610
为输出电流参考值；
Figure BDA00037640951100001611
为虚拟内电势；Ud+jUq为实测交流侧电压；R+jX为虚拟支路阻抗。
之后再依据交流系统对风电系统的性能需求对dq轴参考电流进行限幅，总电流限幅Idqlim根据系统侧交流电压的低压限流曲线确定。限幅后的
Figure BDA00037640951100001612
作为内环控制的电流参考值。
步骤106：在电流内环控制环节，基于参考电流与内电势虚拟相位角获取变流器的参考电压；
优选地，在电流内环控制环节，基于参考电流与内电势虚拟相位角获取变流器的参考电压，包括：
将电流参考值
Figure BDA00037640951100001613
与电流实测值Igd、Igq作差，并经过PI控制及前馈解耦控制环节，获取参考电压波信号ed、eq，并依据内电势虚拟相位角θ经过派克反变换得到三相静止坐标系下的参考电压。
步骤107：将参考电压作为变流器的PWM调制信号，对网侧变流器的开关管进行控制。
本发明电流内环控制环节的控制框图如图4所示。将上述步骤得到的电流参考值
Figure BDA0003764095110000171
与电流实测值Igd、Igq作差，并经过PI控制及前馈解耦控制环节等，得到电压参考波信号ed、eq，之后依据变流器输出内电势虚拟相位角θ经过派克反变换得到三相静止坐标系下的电压参考波。最后将其作为PWM调制信号，实现对网侧变流器开关管的控制。
本发明提出的一种基于构网型变流器的新型永磁直驱风电系统控制方法，可以避免传统直驱风机控制的锁相环依赖，增强永磁直驱风力发电机组参与系统调频调压的主动支撑能力，对风电友好接入发挥了重要作用，可有效提升风能消纳水平，促进新能源的开发与利用。
图9为根据本发明优选实施方式的一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制系统结构图。
如图9所示，本发明提供一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制系统，系统包括：
第一控制单元601，用于设计机侧变流器，机侧变流器采用直流电压外环和电流内环控制策略，机侧变流器的控制目标为直流侧电容电压恒定；优选地，第一控制单元601，用于机侧变流器采用直流电压外环和电流内环控制策略，机侧变流器的控制目标为直流侧电容电压恒定，包括：
在q轴控制上，采集电容电压实际值与参考值，将电容电压实际值与参考值作差后经过PI控制得到内环q轴电流参考值；在d轴控制上，将d轴电流参考值取为0，机侧变流器控制数学表达式为：
Figure BDA0003764095110000172
其中，usd、usq、isd、isq分别为dq轴定子电压、电流分量；
Figure BDA0003764095110000181
为dq轴定子电流参考值；Udc、
Figure BDA0003764095110000182
分别为直流电压实际值、参考值；KPrin、KIrin、KProut、KIrout为控制参数；ψs为同步电角速度；Lsd、Lsq为dq轴下定子电感；ψs为直驱风机永磁体磁链。
确定单元602，用于在虚拟调频控制环节，确定变流器的风机附加参考功率；优选地，确定单元602，用于在虚拟调频控制环节，确定变流器的风机附加参考功率，包括：
将下垂控制环节引入虚拟调频控制环节，响应系统频率变化；
采集网侧变流器采集的电压信号；
基于电压信号计算频率实测值与频率参考值的偏差量；
当偏差量超过设定频率死区后，通过将偏差量乘以下垂系数获取风机附加参考功率，模拟同步发电机组的下垂特性；
ΔPref＝Kp(f*-f) |f*-f|≥fdeadzone
其中，ΔPref为风机附加参考功率；Kp为下垂系数；f*为频率参考值；f为频率实测值；fdeadzone为设定频率死区。
第一获取单元603，用于在确定变流器的风机附加参考功率后，在虚拟惯量和阻尼控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取网侧变流器的内电势虚拟相位角；
优选地，第一获取单元603，用于在虚拟惯量和阻尼控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取网侧变流器的内电势虚拟相位角，包括：
模拟同步发电机有功-频率动态特性，将网侧变流器有功功率参考值作为同步发电机输入机械功率；
通过机械功率的变化值调节转子转速，获取对系统频率变化的有功输出响应，模型数学公式为：
Figure BDA0003764095110000191
其中，θ为网侧变流器输出内电势虚拟相位角；ω为变流器输出内电势虚拟角速度；J为虚拟转动惯量；Pref为有功功率参考值，可对应于传统同步机的输入机械功率；P为变流器实际输出有功功率；ω0为系统额定角速度；DEqu为等效虚拟阻尼系数；Tw为隔直环节时间常数；T3、T4为移相环节时间常数；KD为转速偏差放大倍数；s为拉普拉斯算子。
第二获取单元604，用于在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取网侧变流器的内电势幅值；
优选地，第二获取单元604，用于在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取网侧变流器的内电势幅值，包括：
励磁系统采集网侧变流器输出端电压与端电流，计算虚拟励磁控制环节的输入信号为：
VC＝|U+(RC+jXC)Ig|
其中，VC为励磁控制环节输入电压信号；U为网侧变流器端电压；Ig为网侧变流器输出端电流；RC为调差电阻；XC为调差电抗；j为虚单位；
同步发电机三阶实用模型中的转子电压平衡方程，计及励磁系统动态：
Figure BDA0003764095110000192
其中，Eqe为与励磁电压呈线性关系的强制空载电动势；K为调节器增益；Kv为比例积分选择因子；T1、T2为电压调节器时间常数；V*为励磁调压器参考电压；V为计算得励磁调压器实际电压信号；T′d0为励磁绕组时间常数；E'q为暂态电势；id为d轴电流分量，取为逆变器输出d轴电流参考值
Figure BDA0003764095110000201
xd为同步电抗；x'd为d轴暂态电抗；Em为变流器输出内电势幅值。
第三获取单元605，用于在虚拟电路计算环节，基于内电势幅值计算网侧变流器的参考电流；优选地，第三获取单元605，用于在虚拟电路计算环节，基于内电势幅值计算网侧变流器的参考电流，包括：
将虚拟内电势幅值Em∠θ定位到dq坐标系，并规定虚拟内电势幅值dq轴参考值
Figure BDA0003764095110000202
和
Figure BDA0003764095110000203
Figure BDA0003764095110000204
其中，
Figure BDA0003764095110000205
为输出电流参考值；
Figure BDA0003764095110000206
为虚拟内电势幅值；Ud+jUq为实测交流侧电压；R+jX为虚拟支路阻抗；
基于交流系统对风电系统的性能需求对dq轴参考电流进行限幅，总电流限幅Idqlim根据系统侧交流电压的低压限流曲线确定，将限幅后的
Figure BDA0003764095110000207
作为内环控制的参考电流。
第四获取单元606，用于在电流内环控制环节，基于参考电流与内电势虚拟相位角获取变流器的参考电压；
优选地，第四获取单元606，用于在电流内环控制环节，基于参考电流与内电势虚拟相位角获取变流器的参考电压，包括：
将电流参考值
Figure BDA0003764095110000208
与电流实测值Igd、Igq作差，并经过PI控制及前馈解耦控制环节，获取参考电压波信号ed、eq，并依据内电势虚拟相位角θ经过派克反变换得到三相静止坐标系下的参考电压。
第二控制单元607，用于将参考电压作为变流器的PWM调制信号，对网侧变流器的开关管进行控制。
本发明优选实施方式的一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制系统与本发明另一优选实施方式的一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制方法相对应，在此不再进行赘述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个//该[装置、组件等]”都被开放地解释为装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (12)

1.一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制方法，所述方法包括：
设计机侧变流器，所述机侧变流器采用直流电压外环和机侧电流内环控制策略，所述机侧变流器的控制目标为直流侧电容电压恒定；
在虚拟调频控制环节，确定网侧变流器的风机附加参考功率，包括：
将下垂控制环节引入虚拟调频控制环节，响应系统频率变化；
采集网侧变流器采集的电压信号；
基于所述电压信号计算频率实测值与频率参考值的偏差量；
当所述偏差量超过设定频率死区后，通过将所述偏差量乘以下垂系数获取风机附加参考功率，模拟同步发电机组的下垂特性；
ΔPref＝Kp(f*-f) |f*-f|≥fdeadzone
其中，ΔPref为风机附加参考功率；Kp为下垂系数；f*为频率参考值；f为频率实测值；fdeadzone为设定频率死区；
在确定网侧变流器的风机附加参考功率后，在虚拟惯量和阻尼控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取网侧变流器的内电势虚拟相位角；
在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取网侧变流器的内电势幅值；
在虚拟电路计算环节，基于所述内电势幅值计算网侧变流器的参考电流；
在网侧电流内环控制环节，基于所述参考电流与所述内电势虚拟相位角获取网侧变流器的参考电压；
将所述网侧变流器的参考电压作为所述网侧变流器的PWM调制信号，对所述网侧变流器的开关管进行控制。
2.根据权利要求1所述的方法，所述机侧变流器采用直流电压外环和电流内环控制策略，所述机侧变流器的控制目标为直流侧电容电压恒定，包括：
在q轴控制上，将采集的电容电压实际值与参考值作差后经过PI控制得到内环q轴电流参考值；在d轴控制上，将d轴电流参考值取为0，机侧变流器控制数学表达式为：
其中，usd、usq、isd、isq分别为dq轴定子电压、电流分量；为dq轴定子电流参考值；Udc、分别为直流电压实际值、参考值；KPrin、KIrin、KProut、KIrout为控制参数；ωs为同步电角速度；Lsd、Lsq为dq轴下定子电感；ψs为直驱风机永磁体磁链，s为拉普拉斯算子。
3.根据权利要求1所述的方法，所述在虚拟惯量和阻尼控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取网侧变流器的内电势虚拟相位角，包括：
模拟同步发电机有功-频率动态特性，将网侧变流器有功功率参考值作为同步发电机输入机械功率；
通过机械功率的变化值调节转子转速，获取对系统频率变化的有功输出响应，模型数学公式为：
其中，θ为网侧变流器输出内电势虚拟相位角；ω为网侧变流器输出内电势虚拟角速度；J为虚拟转动惯量；Pref为有功功率参考值，对应于传统同步机的输入机械功率；P为网侧变流器实际输出有功功率；ω0为系统额定角速度；DEqu为等效虚拟阻尼系数；Tw为隔直环节时间常数；T3、T4为移相环节时间常数；KD为转速偏差放大倍数；s为拉普拉斯算子；PMPPT为最大功率跟踪控制得到的功率；D为虚拟阻尼系数。
4.根据权利要求3所述的方法，所述在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取网侧变流器的内电势幅值，包括：
励磁系统采集网侧变流器输出端电压与端电流，计算虚拟励磁控制环节的输入信号为：
VC＝U+(RC+jXC)Ig
其中，VC为励磁控制环节输入电压信号；U为网侧变流器端电压；Ig为网侧变流器输出端电流；RC为调差电阻；XC为调差电抗；j为虚单位；
同步发电机三阶实用模型中的转子电压平衡方程，计及励磁系统动态：
其中，Eqe为与励磁电压呈线性关系的强制空载电动势；K为调节器增益；Kv为比例积分选择因子；T1、T2为电压调节器时间常数；V*为励磁调压器参考电压；V为计算得励磁调压器实际电压信号；T′d0为励磁绕组时间常数；E'q为暂态电势；id为d轴电流分量，取为逆变器输出d轴电流参考值xd为同步电抗；x'd为d轴暂态电抗；Em为网侧变流器输出内电势幅值。
5.根据权利要求4所述的方法，所述在虚拟电路计算环节，基于所述内电势幅值计算网侧变流器的参考电流，包括：
将虚拟内电势幅值Em∠θ定位到dq坐标系，并规定虚拟内电势幅值dq轴参考值和
其中，为输出电流参考值；为虚拟内电势幅值；Ud+jUq为实测交流侧电压；R+jX为虚拟支路阻抗；
基于交流系统对风电系统的性能需求对dq轴参考电流进行限幅，总电流限幅Idqlim根据系统侧交流电压的低压限流曲线确定，将限幅后的 作为内环控制的参考电流。
6.根据权利要求5所述的方法，所述在网侧电流内环控制环节，基于所述参考电流与所述内电势虚拟相位角获取网侧变流器的参考电压，包括：
将电流参考值与电流实测值Igd、Igq作差，并经过PI控制及前馈解耦控制环节，获取参考电压波信号ed、eq，并依据内电势虚拟相位角θ经过派克反变换得到三相静止坐标系下的参考电压。
7.一种基于构网型变流器的直驱风电系统控制系统，所述系统包括：
第一控制单元，用于设计机侧变流器，所述机侧变流器采用直流电压外环和机侧电流内环控制策略，所述机侧变流器的控制目标为直流侧电容电压恒定；
确定单元，用于在虚拟调频控制环节，确定变流器的风机附加参考功率；所述确定单元，具体用于：
将下垂控制环节引入虚拟调频控制环节，响应系统频率变化；
采集网侧变流器采集的电压信号；
基于所述电压信号计算频率实测值与频率参考值的偏差量；
当所述偏差量超过设定频率死区后，通过将所述偏差量乘以下垂系数获取风机附加参考功率，模拟同步发电机组的下垂特性；
ΔPref＝Kp(f*-f)f*-f≥fdeadzone
其中，ΔPref为风机附加参考功率；Kp为下垂系数；f*为频率参考值；f为频率实测值；fdeadzone为设定频率死区；
第一获取单元，用于在确定变流器的风机附加参考功率后，在虚拟惯量和阻尼控制环节，基于设定的有功功率参考值和实际输出的有功功率获取网侧变流器的内电势虚拟相位角；
第二获取单元，用于在虚拟励磁控制环节，基于励磁调压器的实际电压信号与参考电压信号获取网侧变流器的内电势幅值；
第三获取单元，用于在虚拟电路计算环节，基于所述内电势幅值计算网侧变流器的参考电流；
第四获取单元，用于在网侧电流内环控制环节，基于所述参考电流与所述内电势虚拟相位角获取网侧变流器的参考电压；
第二控制单元，用于将所述网侧变流器的参考电压作为所述网侧变流器的PWM调制信号，对所述网侧变流器的开关管进行控制。
8.根据权利要求7所述的系统，所述第一控制单元，具体用于：
在q轴控制上，将采集的电容电压实际值与参考值作差后经过PI控制得到内环q轴电流参考值；在d轴控制上，将d轴电流参考值取为0，机侧变流器控制数学表达式为：
其中，usd、usq、isd、isq分别为dq轴定子电压、电流分量；为dq轴定子电流参考值；Udc、分别为直流电压实际值、参考值；KPrin、KIrin、KProut、KIrout为控制参数；ωs为同步电角速度；Lsd、Lsq为dq轴下定子电感；ψs为直驱风机永磁体磁链，s为拉普拉斯算子。
9.根据权利要求7所述的系统，所述第一获取单元，具体用于：
模拟同步发电机有功-频率动态特性，将网侧变流器有功功率参考值作为同步发电机输入机械功率；
通过机械功率的变化值调节转子转速，获取对系统频率变化的有功输出响应，模型数学公式为：
其中，θ为网侧变流器输出内电势虚拟相位角；ω为网侧变流器输出内电势虚拟角速度；J为虚拟转动惯量；Pref为有功功率参考值，可对应于传统同步机的输入机械功率；P为变流器实际输出有功功率；ω0为系统额定角速度；DEqu为等效虚拟阻尼系数；Tw为隔直环节时间常数；T3、T4为移相环节时间常数；KD为转速偏差放大倍数；s为拉普拉斯算子；PMPPT为最大功率跟踪控制得到的功率；D为虚拟阻尼系数。
10.根据权利要求9所述的系统，所述第二获取单元，具体用于：
励磁系统采集网侧变流器输出端电压与端电流，计算虚拟励磁控制环节的输入信号为：
VC＝U+(RC+jXC)Ig
其中，VC为励磁控制环节输入电压信号；U为网侧变流器端电压；Ig为网侧变流器输出端电流；RC为调差电阻；XC为调差电抗；j为虚单位；
同步发电机三阶实用模型中的转子电压平衡方程，计及励磁系统动态：
其中，Eqe为与励磁电压呈线性关系的强制空载电动势；K为调节器增益；Kv为比例积分选择因子；T1、T2为电压调节器时间常数；V*为励磁调压器参考电压；V为计算得励磁调压器实际电压信号；T′d0为励磁绕组时间常数；E'q为暂态电势；id为d轴电流分量，取为逆变器输出d轴电流参考值xd为同步电抗；x'd为d轴暂态电抗；Em为网侧变流器输出内电势幅值。
11.根据权利要求10所述的系统，所述第三获取单元，具体用于：
将虚拟内电势幅值Em∠θ定位到dq坐标系，并规定虚拟内电势幅值dq轴参考值和
其中，为输出电流参考值；为虚拟内电势幅值；Ud+jUq为实测交流侧电压；R+jX为虚拟支路阻抗；
基于交流系统对风电系统的性能需求对dq轴参考电流进行限幅，总电流限幅Idqlim根据系统侧交流电压的低压限流曲线确定，将限幅后的 作为内环控制的参考电流。
12.根据权利要求11所述的系统，所述第四获取单元，具体用于：
将电流参考值与电流实测值Igd、Igq作差，并经过PI控制及前馈解耦控制环节，获取参考电压波信号ed、eq，并依据内电势虚拟相位角θ经过派克反变换得到三相静止坐标系下的参考电压。
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