CN115498654B - 一种基于模糊逻辑控制的永磁同步风机虚拟惯性控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于模糊逻辑控制的永磁同步风机虚拟惯性控制方法，属于永磁同步风机控制技术领域。方法包括：获取永磁同步风机的实时转子角速度以及电网系统实时频率及其参考值；计算系统频率偏差以及频率偏差变化率；基于系统频率偏差和频率偏差变化率，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊控制分析，得到频率调节系数增量，根据频率调节系数增量得到频率调节系数；根据频率调节系数以及实时转子角速度计算最大功率跟踪曲线；根据最大功率跟踪曲线确定有功功率参考值，对背靠背换流器进行控制。本发明的方法可增强风电并网系统的频率支撑能力，提升电网频率响应的有效性和优越性。
Description
技术领域
本发明涉及风机控制技术领域，特别是一种基于模糊逻辑控制的永磁同步风机虚拟惯性控制方法。
背景技术
近年来，新能源利用持续增长，电网正以新能源为主体的新型电力系统迈进。传统电网中的同步发电机具有良好的惯量和阻尼特性，随着高比例新能源和电力电子设备逐渐替代传统同步发电机组，电力系统中惯量缺失无法为电网提供支持的问题开始显现，系统内可提供的调频能力也明显降低。为此，在电力系统逐渐向低惯量方向发展时，提高电力系统惯量支撑以维持电网频率稳定具有重要研究意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于模糊逻辑控制的永磁同步风机虚拟惯性控制方法，以增强风电并网系统的频率支撑能力，提升电网频率响应的有效性和优越性。本发明采用的技术方案如下。
一方面，本发明提供一种永磁同步风机虚拟惯性控制方法，所述永磁同步风机经背靠背换流器后并入电网系统，背靠背换流器包括机侧变流器和网侧变流器；所述方法包括：
获取永磁同步风机的实时转子角速度，以及电网系统实时频率及其参考值；
根据电网系统实时频率及其参考值计算系统频率偏差，根据所述系统频率偏差计算频率偏差变化率；
基于所述系统频率偏差和频率偏差变化率，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊控制分析，得到频率调节系数增量△kλ，根据频率调节系数增量△kλ得到频率调节系数kλ；
根据频率调节系数以及所述实时转子角速度计算最大功率跟踪曲线；
根据所述最大功率跟踪曲线确定有功功率参考值，根据有功功率参考值对背靠背换流器进行控制。
可选的，所述基于所述系统频率偏差和频率偏差变化率，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊控制分析，得到频率调节系数增量△kλ，包括：
对所述系统频率偏差以及频率偏差变化率进行模糊化处理；
基于所述模糊化处理结果，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊推理，得到模糊值；
对模糊推理所得的模糊值进行解模糊化，得到频率调节系数增量△kλ；
根据△kλ以及预设的kλ0得到频率调节系数，其中：
kλ＝△kλ+kλ0。
可选的，所述预设的模糊规则为表1所示：
其中△f的论域为[-0.6，-0.3，0，0.3，0.6]，频率偏差变化率d△f/dt的论域为[-6，-3，0， 3，6]，△kλ论域为[-0.4，-0.2，0，0.2，0.4]。
可选的，所述根据频率调节系数以及所述实时转子角速度计算最大功率跟踪曲线，包括：
根据kλ频率调节系数，计算虚拟惯性控制下最大功率跟踪曲线的比例系数kVIC，公式为：
式中，ωr0为系统频率变化前的风力机角速度，kopt为预设的传统最大功率跟踪曲线下的比例系数，△fmax为实际产生的最大频率偏差值。
可选的，根据所述最大功率跟踪曲线确定有功功率参考值，包括：
根据比例系数kVIC以及所述实时转子角速度，通过以下公式确定有功功率参考值：
式中，为有功功率参考值，Pmax为输出有功功率限幅值，ωr为实时转自角速度，ω0为传统最大功率跟踪曲线中切入电角速度，ω1为进入转速恒定区时的初始电角速度，ωmax为电角速度限幅值。
以上技术方案中，通过系统频率偏差值可以调整kVIC数值，再通过本发明优化后的功率跟踪曲线公式计算发电机有功功率参考值，根据该值作用于机侧变流器通过最大功率跟踪对电网系统频率进行调节的环节，当系统输出功率与负荷消耗不等时，将会补偿产生功率差，从而为系统提供频率支撑。
第二方面，本发明提供一种永磁同步风机虚拟惯性控制装置，所述永磁同步风机经背靠背换流器后并入电网系统，背靠背换流器包括机侧变流器和网侧变流器；所述永磁同步风机虚拟惯性控制装置包括：
数据获取模块，被配置用于获取永磁同步风机的实时转子角速度，以及电网系统实时频率及其参考值；
偏差计算模块，被配置用于根据电网系统实时频率及其参考值计算系统频率偏差，根据所述系统频率偏差计算频率偏差变化率；
频率调节系数计算模块，被配置用于基于所述系统频率偏差和频率偏差变化率，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊控制分析，得到频率调节系数增量△kλ，根据频率调节系数增量△kλ得到频率调节系数kλ；
最大功率跟踪曲线确定模块，被配置用于根据频率调节系数以及所述实时转子角速度计算最大功率跟踪曲线；
以及，有功控制模块，被配置用于根据所述最大功率跟踪曲线确定有功功率参考值，根据有功功率参考值对背靠背换流器进行控制。
可选的，所述频率调节系数计算模块基于所述系统频率偏差和频率偏差变化率，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊控制分析，得到频率调节系数增量△kλ，包括：
对所述系统频率偏差以及频率偏差变化率进行模糊化处理；
基于所述模糊化处理结果，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊推理，得到模糊值；
对模糊推理所得的模糊值进行解模糊化，得到频率调节系数增量△kλ；
根据△kλ以及预设的kλ0得到频率调节系数，其中：
kλ＝△kλ+kλ0。
可选的，所述最大功率跟踪曲线确定模块根据频率调节系数以及所述实时转子角速度计算最大功率跟踪曲线，包括：
根据kλ频率调节系数，计算虚拟惯性控制下最大功率跟踪曲线的比例系数kVIC，公式为：
式中，ωr0为系统频率变化前的风力机角速度，kopt为预设的传统最大功率跟踪曲线下的比例系数，△fmax为实际产生的最大频率偏差值。
可选的，所述有功控制模块根据所述最大功率跟踪曲线确定有功功率参考值，包括：
根据比例系数kVIC以及所述实时转子角速度，通过以下公式确定有功功率参考值：
式中，为有功功率参考值，Pmax为输出有功功率限幅值，ωr为实时转自角速度，ω0为传统最大功率跟踪曲线中切入电角速度，ω1为进入转速恒定区时的初始电角速度，ωmax为电角速度限幅值。
第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如第一方面所介绍的一种永磁同步风机虚拟惯性控制方法。
有益效果
本发明通过将基于模拟控制的虚拟惯性控制和功率跟踪曲线的关系结合起来，当电网频率发生变化时，通过模糊控制器计算得出虚拟惯性控制中频率调节系数增量，进而确定频率调节系数，再根据频率调节系数计算虚拟惯性控制下最大功率跟踪曲线的比例系数，进而利用优化后功率跟踪曲线公式确定发电机有功功率参考值，进行机侧变流器的控制以调节发电机所发功率，为电网提供动态频率支撑，能够充分利用风机的快速调节能力，让基于模糊逻辑方法的永磁同步风机虚拟控制策略更具有实用性。
附图说明
图1所示为永磁同步直驱风机并网系统的结构示意图；
图2所示为本发明一种实施例中基于模糊逻辑控制的虚拟惯性控制原理示意框图；
图3为本发明一种实施例中所采用的的模糊控制中隶属度函数示意图；
图4所示为3机9节点组网系统拓扑；
图5所示为模糊控制方法在MPPT控制下系统频率及输出功率的变化曲线图；
图6所示为模糊控制方法在固定惯性系数控制下系统频率及输出功率的变化曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步描述。
本发明的技术构思为：将基于功率跟踪的虚拟惯量控制与模糊控制相结合，使频率偏差量以及频率偏差变化率作为模糊逻辑的输入变量，利用模糊规则对频率调节系数进行在线调整，得到模糊控制器的输出变量即频率调节系数增量，进而确定用于计算最大功率跟踪曲线的频率调节系数，达到灵活调节惯量目的。在最大功率跟踪计算环节，本发明对最大功率跟踪曲线公式进行了优化，考虑发电机转子实时角速度选择不同的计算方式，获得对应的有功功率参考值，进而对机侧变流器进行控制，可充分利用风机的快速调节能力，有效实现为电网提供动态频率支撑，从而保障系统的频率稳定。
实施例1
本实施例介绍一种永磁同步风机虚拟惯性控制方法，参考图1所示，本实施例方法所适用的永磁同步风机并网系统中，永磁同步风机经背靠背换流器、升压变压器后并入电网系统，背靠背换流器包括机侧变流器和网侧变流器，网侧换流器用于定直流电压控制，机侧换流器用于跟踪风机输出最大功率并实现对电网频率的调节。在本实施例中，机侧换流器中功率跟踪环节采用模糊控制，通过与频率变化率建立联系实现对风电机组发出的有功功率进行灵活调节，来支撑系统频率。
具体的，本实施例的永磁同步风机虚拟惯性控制方法包括：
获取永磁同步风机的实时转子角速度，以及电网系统实时频率及其参考值；
根据电网系统实时频率及其参考值计算系统频率偏差，根据所述系统频率偏差计算频率偏差变化率；
基于所述系统频率偏差和频率偏差变化率，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊控制分析，得到频率调节系数增量△kλ，根据频率调节系数增量△kλ得到频率调节系数kλ；
根据频率调节系数以及所述实时转子角速度计算最大功率跟踪曲线；
根据所述最大功率跟踪曲线确定有功功率参考值，根据有功功率参考值对背靠背换流器进行控制。
以上方案中，系统频率偏差及频率变差的变化率计算为现有技术。
本实施例中，基于系统频率偏差和频率偏差变化率，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊控制分析，得到频率调节系数增量△kλ，包括：
S11，对所述系统频率偏差△f以及频率偏差变化率d△f/dt进行模糊化处理。
S12，基于所述模糊化处理结果，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊推理，得到模糊值；其中，预设的模糊规则为表1所示：
其中△f的论域为[-0.6，-0.3，0，0.3，0.6]，频率偏差变化率d△f/dt的论域为[-6，-3，0， 3，6]，△kλ论域为[-0.4，-0.2，0，0.2，0.4]。
预设的隶属度函数参考图3所示。
S13，对模糊推理所得的模糊值进行解模糊化，得到频率调节系数增量△kλ；
S14，根据△kλ以及预设的kλ0得到频率调节系数，其中：
kλ＝△kλ+kλ0
此时可根据频率调节系数以及所述实时转子角速度计算最大功率跟踪曲线，具体即：根据kλ频率调节系数，计算虚拟惯性控制下最大功率跟踪曲线的比例系数kVIC，公式为：
式中，ωr0为系统频率变化前的风力机角速度，kopt为预设的传统最大功率跟踪曲线下的比例系数，△fmax为实际产生的最大频率偏差值。
在得到虚拟惯性控制下最大功率跟踪曲线的比例系数kVIC后，根据比例系数kVIC以及实时转子角速度，通过以下优化后的最大功率跟踪公式确定有功功率参考值：
式中，为有功功率参考值，Pmax为输出有功功率限幅值，ωr为实时转自角速度，ω0为传统最大功率跟踪曲线中切入电角速度，ω1为进入转速恒定区时的初始电角速度，ωmax为电角速度限幅值。
综合以上两个公式，可以看出，风电机组的虚拟惯量除了与自身的固有惯量有关外，还取决于系统频率变化前的风力机角速度ωr0以及频率调节系数ωr0，同时，比例系数kVIC不同，所生成的功率跟踪曲线也不同，通过调整比例系数kVIC数值，结合实时转子角速度，可以找出最优功率跟踪曲线。
然后可根据有功功率参考值对机侧换流器的频率调节环节进行控制，为系统提供惯量支撑。
以上技术方案中，通过系统频率偏差值可以调整kVIC数值，再通过本发明优化后的功率跟踪曲线公式计算发电机有功功率参考值，根据该值作用于机侧变流器通过最大功率跟踪对电网系统频率进行调节的环节，当系统输出功率与负荷消耗不等时，将会补偿产生功率差，从而为系统提供频率支撑。
效果验证
搭建如图4所示的由风电机组并网以及两台同步发电机组组成三机九节点测试系统，为所构建的3机9节点组网系统拓扑结构图，该系统包含有三个恒阻抗负载和变压器，调频机组SG1、恒功率机组SG2以及PMSG风力发电机组。PMSG定子通过全功率变流器与电网相连，由网侧变流器实现风电机组的并网运行并保证机组输送的电能质量，因此PMSG风电机组的输出特性完全取决于变频器的控制系统设计和风速变化。
在系统正常运行情况下，已知系统共载负荷1800MW，由调频机组SG1、恒功率机组SG2 以及风电机组共同承担。其中调频机组SG1主要用于对系统惯性及频率提供支撑；恒功率机组SG2发出固定有功功率400MW，用于模拟系统惯性缺失，不具备调频能力；风电机组并网系统用于对本文所提控制策略进行验证，系统额定频率为50Hz。在系统正常运行第6s时，突增500MW负荷，测试本发明的控制策略的动态响应，对比不同控制下系统频率和输出功率。
如图5所示为无虚拟惯性控制方式下及MPPT控制下系统频率及输出功率波形。从图中可以看出，负荷突增时，系统频率显著下跌，频率下降约至49.43Hz，波动范围较大，且有小范围振荡。功率主要由调频机组增发有功支，撑负荷，恒功率机组SG2发出有功不变。
如图6所示为固定惯性系数控制方式下系统频率及输出功率波形。此时观察频率波形可得知，系统频率也存在下跌的情况，但相比无虚拟惯性控制方式下，频率下降范围明显降低，仅跌值49.72Hz。风电机组发出有功上升后恢复恒定输出，为系统频率提供了一定的支撑效果。
在基于模糊控制的自适应惯性控制方式下系统频率及输出功率波形图中，当突增负荷后，系统频率最低值为49.85Hz，下降范围最小，且风电机组发出有功上升较高后恢复恒定输出。
在不同控制下系统频率响应波形图中，系统在突增负荷情况下，本发明提出的基于模糊控制的自适应调整惯性系数频率下跌最小，且最快达到稳定，更加验证了该控制的有效性。
通过对比三种控制方式下系统频率及输出功率波形，当系统突增负荷时，三种不同控制方式下系统频率都有所降低，对应的频率最低值分别为49.43Hz、49.72Hz和49.85Hz。本发明所提出的基于模糊控制的自适应惯性控制，频率降低的幅值最小，其频率偏差值相比固定频率调节系数的惯性控制再次减小约53％，这验证了本发明所提的基于模糊逻辑方法的永磁同步风机虚拟控制策略方法的有效性，能够控制风电机组发出有功增多为系统提供支撑，显著提升系统频率支撑能力，增强系统稳定性，在负荷变化时，能提供可靠的频率支撑。
实施例2
与实施例1基于相同的发明构思，本实施例介绍一种永磁同步风机虚拟惯性控制装置，其包括：
数据获取模块，被配置用于获取永磁同步风机的实时转子角速度，以及电网系统实时频率及其参考值；
偏差计算模块，被配置用于根据电网系统实时频率及其参考值计算系统频率偏差，根据所述系统频率偏差计算频率偏差变化率；
频率调节系数计算模块，被配置用于基于所述系统频率偏差和频率偏差变化率，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊控制分析，得到频率调节系数增量△kλ，根据频率调节系数增量△kλ得到频率调节系数kλ；
最大功率跟踪曲线确定模块，被配置用于根据频率调节系数以及所述实时转子角速度计算最大功率跟踪曲线；
以及，有功控制模块，被配置用于根据所述最大功率跟踪曲线确定有功功率参考值，根据有功功率参考值对背靠背换流器进行控制。
以上各功能模块的具体功能实现参考实施例1的相关内容，不予赘述。
实施例3
本实施例介绍一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如实施例1所介绍的一种永磁同步风机虚拟惯性控制方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (4)
1.一种永磁同步风机虚拟惯性控制方法，所述永磁同步风机经背靠背换流器后并入电网系统，背靠背换流器包括机侧变流器和网侧变流器；其特征是，方法包括：
获取永磁同步风机的实时转子角速度，以及电网系统实时频率及其参考值；
根据电网系统实时频率及其参考值计算系统频率偏差，根据所述系统频率偏差计算频率偏差变化率；
基于所述系统频率偏差和频率偏差变化率，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊控制分析，得到频率调节系数增量Δkλ，根据频率调节系数增量Δkλ得到频率调节系数kλ；
根据频率调节系数以及所述实时转子角速度计算最大功率跟踪曲线；
根据所述最大功率跟踪曲线确定有功功率参考值，根据有功功率参考值对背靠背换流器进行控制；其中，
所述基于系统频率偏差和频率偏差变化率，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊控制分析，得到频率调节系数增量Δkλ，包括：
对所述系统频率偏差以及频率偏差变化率进行模糊化处理；
基于所述模糊化处理结果，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊推理，得到模糊值；
对模糊推理所得的模糊值进行解模糊化，得到频率调节系数增量Δkλ；
根据Δkλ以及预设的kλ0得到频率调节系数，其中：
kλ＝Δkλ+kλ0；
所述根据频率调节系数以及所述实时转子角速度计算最大功率跟踪曲线，包括：
根据kλ频率调节系数，计算虚拟惯性控制下最大功率跟踪曲线的比例系数kVIC，公式为：
式中，ωr0为系统频率变化前的风力机角速度，kopt为预设的传统最大功率跟踪曲线下的比例系数，Δfmax为实际产生的最大频率偏差值；
根据所述最大功率跟踪曲线确定有功功率参考值，包括：
根据比例系数kVIC以及所述实时转子角速度，通过以下公式确定有功功率参考值：
式中，为有功功率参考值，Pmax为输出有功功率限幅值，ωr为实时转自角速度，ω0为传统最大功率跟踪曲线中切入电角速度，ω1为进入转速恒定区时的初始电角速度，ωmax为电角速度限幅值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述预设的模糊规则如下表所示：
其中Δf的论域为[-0.6，-0.3，0，0.3，0.6]，频率偏差变化率dΔf/dt的论域为[-6，-3，0，3，6]，Δkλ论域为[-0.4，-0.2，0，0.2，0.4]。
3.一种永磁同步风机虚拟惯性控制装置，所述永磁同步风机经背靠背换流器后并入电网系统，背靠背换流器包括机侧变流器和网侧变流器；其特征是，所述永磁同步风机虚拟惯性控制装置包括：
数据获取模块，被配置用于获取永磁同步风机的实时转子角速度，以及电网系统实时频率及其参考值；
偏差计算模块，被配置用于根据电网系统实时频率及其参考值计算系统频率偏差，根据所述系统频率偏差计算频率偏差变化率；
频率调节系数计算模块，被配置用于基于所述系统频率偏差和频率偏差变化率，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊控制分析，得到频率调节系数增量Δkλ，根据频率调节系数增量Δkλ得到频率调节系数kλ；
最大功率跟踪曲线确定模块，被配置用于根据频率调节系数以及所述实时转子角速度计算最大功率跟踪曲线；
以及，有功控制模块，被配置用于根据所述最大功率跟踪曲线确定有功功率参考值，根据有功功率参考值对背靠背换流器进行控制；
其中：
所述频率调节系数计算模块基于所述系统频率偏差和频率偏差变化率，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊控制分析，得到频率调节系数增量Δkλ，包括：
对所述系统频率偏差以及频率偏差变化率进行模糊化处理；
基于所述模糊化处理结果，利用预设的模糊规则和隶属函数进行模糊推理，得到模糊值；
对模糊推理所得的模糊值进行解模糊化，得到频率调节系数增量Δkλ；
根据Δkλ以及预设的kλ0得到频率调节系数，其中：
kλ＝Δkλ+kλ0；
所述最大功率跟踪曲线确定模块根据频率调节系数以及所述实时转子角速度计算最大功率跟踪曲线，包括：
根据kλ频率调节系数，计算虚拟惯性控制下最大功率跟踪曲线的比例系数kVIC，公式为：
式中，ωr0为系统频率变化前的风力机角速度，kopt为预设的传统最大功率跟踪曲线下的比例系数，Δfmax为实际产生的最大频率偏差值；
所述有功控制模块根据所述最大功率跟踪曲线确定有功功率参考值，包括：
根据比例系数kVIC以及所述实时转子角速度，通过以下公式确定有功功率参考值：
式中，为有功功率参考值，Pmax为输出有功功率限幅值，ωr为实时转自角速度，ω0为传统最大功率跟踪曲线中切入电角速度，ω1为进入转速恒定区时的初始电角速度，ωmax为电角速度限幅值。
4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1或2所述的永磁同步风机虚拟惯性控制方法。
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|---|---|
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