CN118117617A - 一种提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力电子变换器技术领域，公开了一种提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法，具体包括：网侧变流器采用自同步控制方法，在稳定直流电压的基础之上，反映电网频率的波动情况，并产生背靠背并网变流器并网端口的电压幅值与频率；机侧变流器采用转速优先的控制方法，一方面实现转速、转矩、功率的高动态响应调节，另一方面将直流侧的动态特征反映到机侧变流器，将直流电压波动量和直流电流分别作为转速和转矩参考值的修正量，以响应电网频率波动。本发明无需对直流电压进行微分计算，无需采用锁相环，提高了控制系统的稳定性；并有效解决了现有频率响应控制方法中存在的功率超调和转子动能浪费等问题。
Description
技术领域
本发明属于电力电子变换器技术领域，尤其涉及一种提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法。
背景技术
直驱式电机系统在风电、抽蓄、飞轮储能等行业得到广泛的应用，尽管应用场景各不相同，其拓扑结构存在高度的相似性，为此，本发明以直驱式电机系统作为研究对象，关注提升其频率响应能力的控制方法。
频率响应特性是指机组在遭受电网频率波动时的响应特性，着重于研究机组在频率波动时是否对应调节输出功率、所调节的输出功率是否符合电网的频率波动以及是否会进一步造成更严重的电网频率波动。在现有研究中，针对以背靠背变流器为并网端口的直驱式电机系统，主要有两种思路：其一，直流侧增加大容量储能；其二，释放/吸收转子动能。所述两种思路易造成直流电压波动范围大、转子动能释放不合理、输出功率超调等问题，进而导致频率支撑效果差，严重则将造成频率二次波动。部分研究将直流侧电容与转子相结合，提出了基于两者的频率频率响应控制方法，然而，有些控制方法需要采用锁相环获取电网相位，部分研究则在转子动能调节环节需要对直流侧电容电压进行微分计算，上述现有控制方法将造成系统的不稳定。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的控制方法需要采用锁相环获取电网相位，在转子动能调节环节需要对直流侧电容电压进行微分计算，会造成系统的不稳定。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法，以采用背靠背变流器进行发电或电机拖动的系统为研究对象，如直驱风电系统、全功率变速抽水蓄能系统和飞轮储能系统，用于提升电动和发电工况下机组响应电网频率波动的能力。所述方法重新构建电网频率与机组储能元件之间的关联，网侧变流器采用自同步控制方法，机侧变流器采用转速优先的控制方法，并增加惯量与阻尼控制环节，将直流电压波动量和直流电流分别作为转速和转矩参考值的修正量，以响应电网频率波动。
本发明是这样实现的，一种提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法，包括：
本发明围绕直驱式电机系统，提出提升其频率响应能力的控制方法，重新构建电网频率与机组储能元件之间的关联，以响应电网的频率波动。作为储能元件的直流侧电容及同步电机转子分别由网侧变流器和机侧变流器控制，为此，本发明对网侧变流器和机侧变流器的控制方法均进行改进。网侧变流器在直流电压控制的基础上引入无需锁相环的自同步控制环节，在实现直流电压控制的同时反映了电网的频率波动情况。机侧变流器根据直流侧电容所反映的电网频率波动情况，将直流电压与直流电流前馈至机侧变流器，实时调节电机转子释放/吸收能量。本发明无需锁相环且无需对直流电压进行微分计算，大幅提升了控制方法的可靠性和适用性，在电动及发电工况下均具有优异的频率响应效果。
进一步，网侧变流器实现机组的自同步控制，自同步控制环节可实现两个方面功能，其一，直流侧电压的控制，直流侧电压控制包括稳态时维持直流电压稳定，暂态时利用直流电压反映电网频率波动特征；其二，产生机组并网端口的电压幅值和相位，控制方法无需采用锁相环，在弱电网下可稳定运行；
机侧变流器根据直流侧电容电压和电流的变化特征，以转子动能作为响应电网频率波动的能量载体，动态调节转子动能，将直流侧电容的电压和电流偏差量分别作为机侧变流器控制环节的转速和转矩修正量；
直流侧电容作为网侧变流器和机侧变流器直流侧连接的能量缓冲载体，与同步电机转子同时作为频率波动时频率响应的储能元件，直流侧电容起到反映电网频率波动情况和提供能量缓冲的作用，同步电机的转子则作为频率响应的核心能量来源，若两者容量和响应时间取得平衡，则可实现直流侧电压波动范围小、转子动能释放合理，可有效避免频率二次跌落。
进一步，网侧变流器实现机组的自同步控制，具体步骤包括：
S101，采样网侧变流器交流侧三相电压和电流，计算网侧交流侧输出无功功率Q g，采样直流侧电容上的电压u dc和电流i dc；
S102，给定无功功率参考值Q* g，网侧电压幅值参考值U g，直流电压参考值u dc_ref，同步角频率ω* g；
S103，计算出的无功功率经由低通滤波器滤除高频分量后，与无功功率参考值做差得到无功功率误差，经由PI控制器得到网侧电压偏差量，其值与电压幅值参考值相加后得到调制电压的幅值U t；
S104，直流侧电压参考值和实际值各自取平方后相减，再与直流侧电容大小的一半相乘，即Cdc/2，得到功率偏差量；
S105，功率偏差量经由系数1/Kg1得到角频率的偏差量，与同步角频率相加得到网侧变流器自同步角频率，进一步由积分环节得到网侧变流器自同步相位θ g1；
S106，功率偏差量经由系数1/Kg2获取相位偏差θ g2，相位偏差量用于将直流电压偏差转换为相位前馈量，以实现直流侧电容电压的稳态控制；
S107，网侧变流器自同步相位与相位偏差量相加后得到调制电压相位θ g；
S108，S103和S107中的调制电压幅值U t和相位θ g组合成正弦形式的调制电压，并经过SPWM调制得到网侧变流器开关管控制信号gw。
进一步，机侧变流器对同步电机转速、转矩和功率进行控制，在此基础上采用惯量和阻尼控制环节，具体步骤包括：
S201，采样机侧变流器交流侧三相电流i sa，i sb，i sc；使用转速编码器获取同步电机角速度ω s和相位θ s；
S202，将机侧变流器交流侧三相电流i sa，i sb，i sc通过坐标变换成两相旋转坐标系下的d轴和q轴电流i sd，i sq，
S203，给定d轴电流参考值i sd*，同步电机角速度参考值ω* s；
S204，将d轴电流参考值i sd*与d轴电流i sd相减，获取d轴电流误差，经过PI控制器得到调制电压d轴分量u sd；
S205，惯量及阻尼控制环节，将直流侧电流经由低通滤波器和系数K i，得到转矩修正量T com；将直流电压经由系数K u，得到转速修正量ω com；
S206，同步电机角速度参考值ω* s与同步电机角速度ω s相减，再减去转速修正量ω com，得到转速误差，经由PI控制器，得到转矩指令；
S207，转矩指令与转矩修正量相减后经由比例系数Km，得到q轴电流参考值i sq*；
S208，将q轴电流参考值i sq*与q轴电流i sq相减，获取q轴电流误差，经过PI控制器得到调制电压q轴分量u sq；
S209，S204和S208所得的调制电压d轴分量u sd和调制电压q轴分量u sq，经由坐标反变换得到三相静止坐标系下调制电压u sa，u sb，u sc，并经过SVPWM调制得到网侧变流器开关管控制信号gw。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法的直驱式电机系统，包括：原动机/负载、同步电机、机侧变流器、网侧变流器、直流侧电容、滤波器、机侧变流器控制单元和网侧变流器控制单元；
原动机/负载是对同步电机转轴上机械相连部件的总称，即用于体现直驱式电机系统可运行于发电与电动工况；机侧变流器交流侧与同步电机定子相连，机侧变流器直流侧与直流侧电容和网侧变流器直流侧连接；网侧变流器交流侧经滤波器并网；网侧变流器、直流侧电容和机侧变流器的组合可称为背靠背变流器；
机侧变流器控制环节输出端口与机侧变流器中开关器件的控制端口相连；网侧变流器控制环节输出端口与网侧变流器中开关器件的控制端口相连。
进一步，直驱式电机系统为采用背靠背变流器进行并网的发电系统及电力拖动系统，具体为：直驱风力发电系统、全功率变速抽水蓄能系统和飞轮储能系统；
直驱风力发电系统属于采用背靠背变流器并网的发电系统；
飞轮储能系统属于采用背靠背变流器并网的电力拖动系统；
全功率变速抽水蓄能系统具有发电和电动两种运行工况。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法的步骤。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法的步骤。
第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
频率响应特性作为并网设备重要的特性之一，是所有并网设备亟需具备的响应能力。本发明提供了一种提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法，以采用背靠背变流器进行发电或电机拖动的系统为研究对象，如直驱风电系统、全功率变速抽水蓄能系统和飞轮储能系统，用于提升电动和发电工况下机组响应电网频率波动的能力。本发明适用对象为一系列具有相似拓扑结构的直驱式电机系统，该系统在多应用场景下受到了广泛的应用，其中包含了发电运行工况和电动运行工况，因而，本发明所提供的方法的适用对象广、普适性强。
所述方法重新构建电网频率与机组储能元件之间的关联，改进了网侧变流器和机侧变流器的控制，具体体现在：网侧变流器采用自同步控制方法，在稳定直流电压的基础之上，反映电网频率的波动情况，并产生背靠背并网变流器并网端口的电压幅值与频率；机侧变流器采用转速优先的控制方法，一方面实现转速、转矩、功率的高动态响应调节，另一方面将直流侧的动态特征反映到机侧变流器，将直流电压波动量和直流电流分别作为转速和转矩参考值的修正量，以响应电网频率波动。本发明所提供的方法无需对直流电压进行微分计算，更加贴近工程实际；且无需采用锁相环，提高了控制系统的稳定性。与此同时，由于该方法的能量传递是以直流侧电容作为中间媒介，有效地解决了现有频率响应控制方法中存在的功率超调和转子动能浪费等问题。
第二，考虑到直驱式电机系统在多领域的广泛应用，本发明提供的控制方法具有应用领域广、频率响应能力强等优势。直驱式电机系统在风力发电、抽水蓄能、飞轮储能等领域均有着一定程度的应用，所述方法是将这一类型的电力传动系统作为一个整体，针对现有设备频率响应特性薄弱的缺陷，提出了较为广泛适用的提升频率响应特性的控制方法。
第三，本发明以直驱式电机系统为研究对象，直驱式电机系统在风力发电、抽水蓄能、飞轮储能等领域已取得广泛的应用，但该系统普遍缺乏频率响应能力，无法在电网频率波动时主动进行频率响应。因此，本发明提出了一种提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法，实现了无需锁相环、无需对直流侧电压进行微分计算，大幅提升了控制方法的稳定性及可靠性。
第四、本发明的控制方法在提升直驱式电机系统的频率响应能力、增强系统稳定性、提供适应性更强的控制策略以及优化能量利用等方面实现了显著的技术进步。
提高频率响应能力：本发明能够显著提高直驱式电机系统对电网频率波动的响应能力，特别是在弱电网环境下。
增强系统稳定性：通过有效的能量缓冲和优化的频率响应机制，减少系统稳定性问题，如频率二次跌落。
适应性更强的控制策略：自同步控制环节无需复杂的锁相环，使得系统在弱电网条件下也能稳定运行。
能量利用的优化：平衡直流侧电容和同步电机转子的能量，优化了能量的利用和释放，增强了系统的整体效能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的直驱式电机系统拓扑结构图；
图2是本发明实施例提供的提升直驱式电机系统频率响应能力控制方法的核心流程图；
图3是本发明实施例提供的网侧变流器控制框图；
图4是本发明实施例提供的机侧变流器控制框图；
图5是本发明实施例提供的电网频率波形图；
图6是本发明实施例提供的自同步环节输出频率波形图；
图7是本发明实施例提供的直流侧电容电压波形图；
图8是本发明实施例提供的直流侧电容电流波形图；
图9是本发明实施例提供的同步电机转速波形图；
图10是本发明实施例提供的直驱式电机系统并网点输出有功功率波形图。
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。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明主要针对以下现有技术的问题和缺陷进行改进，实现显著的技术进步：
频率响应能力不足：现有技术中的直驱式电机系统在电网频率波动时，响应能力受限，难以有效地调节和适应频率的变化，特别是在弱电网环境下。
能量缓冲能力不足：传统直驱式电机系统缺乏有效的能量缓冲机制，使得在频率波动时，系统稳定性受影响，容易出现频率二次跌落等问题。
控制策略的局限性：现有控制策略往往依赖于复杂的锁相环机制，不适用于弱电网条件下的稳定运行。
针对现有技术存在的问题，本发明采用的技术方案为：
重新构建电网频率与储能元件关联：通过网侧变流器和机侧变流器，实现电网频率与直流侧电容及同步电机转子之间的有效关联。
网侧变流器的自同步控制：引入无需锁相环的自同步控制环节，反映电网频率波动，同时维持直流电压稳定。
机侧变流器的动态调节：根据直流侧电容电压和电流的变化，调节电机转子的动能，以响应电网频率波动。
能量缓冲与频率响应优化：利用直流侧电容作为能量缓冲载体，同步电机转子作为核心能量来源，实现频率波动时的有效响应和能量平衡。
本发明实施例的两个具体应用实施例为：
实施例 1：弱电网环境下的频率波动响应
本实施例适用于风力发电、太阳能发电等直驱式电机系统在弱电网环境下的频率波动响应，确保系统稳定运行并提高能量利用效率。
频率波动检测：在弱电网环境下，网侧变流器检测到电网频率的波动。
自同步控制：网侧变流器采用自同步控制环节，无需锁相环，直接反映电网的频率波动。
直流电压调节：网侧变流器调节直流侧电压，以维持稳定并反映电网频率波动情况。
机侧变流器响应：机侧变流器根据直流侧电压和电流的变化，动态调节电机转子的动能，实时释放或吸收能量。
频率响应执行：通过协调直流侧电容和同步电机转子的能量响应，有效应对电网频率的波动，保持系统稳定。
实施例 2：突发故障时的能量缓冲与频率调整
本实施例适用于直驱式电机系统在电网发生突发故障时的快速响应，如风电场或光伏电站，通过快速动态调节，维持电网的稳定并减轻故障带来的影响。
故障检测：系统检测到电网中的突发故障，如线路断裂或大负载突然脱网。
直流侧电压控制：在故障发生时，网侧变流器快速调节直流侧电压，以反映电网的频率变化。
能量缓冲机制：直流侧电容作为能量缓冲载体，暂时存储或释放能量，以减轻故障对系统的冲击。
转子动能调节：机侧变流器依据直流电压和电流变化，调整电机转子的动能，协助稳定电网频率。
故障后恢复：故障消除后，系统通过逐步调节直流侧电压和转子动能，恢复到正常运行状态。
图1是本发明提供的直驱式电机系统结构图，所述直驱式电机系统为采用背靠背变流器进行并网的发电系统及电力拖动系统，具体为：直驱风力发电系统、全功率变速抽水蓄能系统和飞轮储能系统；
直驱风力发电系统属于采用背靠背变流器并网的发电系统；飞轮储能系统属于采用背靠背变流器并网的电力拖动系统；全功率变速抽水蓄能系统具有发电和电动两种运行工况；
所述直驱式电机系统，其特征在于，直驱式电机系统包括：原动机/负载、同步电机、机侧变流器、网侧变流器、直流侧电容、滤波器、机侧变流器控制单元和网侧变流器控制单元；
所述原动机/负载是对同步电机转轴上机械相连部件的总称，即用于体现直驱式电机系统可运行于发电与电动工况；所述机侧变流器交流侧与同步电机定子相连，机侧变流器直流侧与直流侧电容和网侧变流器直流侧连接；网侧变流器交流侧经滤波器并网；所述网侧变流器、直流侧电容和机侧变流器的组合可称为背靠背变流器；
所述机侧变流器控制环节输出端口与机侧变流器中开关器件的控制端口相连；所述网侧变流器控制环节输出端口与网侧变流器中开关器件的控制端口相连。
本发明提供了一种提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法；
图2是本发明所提供的提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法的核心流程图，具体为：
通过所述网侧变流器和机侧变流器联合控制响应电网的频率波动；
所述网侧变流器实现机组的自同步控制，所述自同步控制环节可实现两个方面功能，其一，直流侧电压的控制，所述直流侧电压控制包括稳态时维持直流电压稳定，暂态时利用直流电压反映电网频率波动特征；其二，产生机组并网端口的电压幅值和相位，所述控制方法无需采用锁相环，在弱电网下可稳定运行；
所述机侧变流器根据直流侧电容电压和电流的变化特征，以转子动能作为响应电网频率波动的能量载体，动态调节转子动能，将直流侧电容的电压和电流偏差量分别作为机侧变流器控制环节的转速和转矩修正量；
所述直流侧电容作为网侧变流器和机侧变流器直流侧连接的能量缓冲载体，与所述同步电机转子同时作为频率波动时频率响应的储能元件，直流侧电容起到反映电网频率波动情况和提供能量缓冲的作用，同步电机的转子则作为频率响应的核心能量来源，若两者容量和响应时间取得平衡，则可实现直流侧电压波动范围小、转子动能释放合理，可有效避免频率二次跌落。
图3是本发明提供的网侧变流器控制框图，网侧变流器实现机组的自同步控制，其步骤在于：
（1）采样网侧变流器交流侧三相电压和电流，计算网侧交流侧输出无功功率Q g，采样直流侧电容上的电压u dc和电流i dc；
（2）给定无功功率参考值Q* g，网侧电压幅值参考值U g，直流电压参考值u dc_ref，同步角频率ω* g；
（3）所述计算出的无功功率经由低通滤波器滤除高频分量后，与无功功率参考值做差得到无功功率误差，经由PI控制器得到网侧电压偏差量，其值与电压幅值参考值相加后得到调制电压的幅值U t；
（4）所述直流侧电压参考值和实际值各自取平方后相减，再与直流侧电容大小的一半相乘，即Cdc/2，得到功率偏差量；
（5）所述功率偏差量经由系数1/Kg1得到角频率的偏差量，与同步角频率相加得到网侧变流器自同步角频率，进一步由积分环节得到网侧变流器自同步相位θ g1；
（6）所述功率偏差量经由系数1/Kg2获取相位偏差θ g2，所述相位偏差量用于将直流电压偏差转换为相位前馈量，以实现直流侧电容电压的稳态控制；
（7）所述网侧变流器自同步相位与相位偏差量相加后得到调制电压相位θ g；
（8）所述步骤（3）和步骤（7）中的调制电压幅值U t和相位θ g组合成正弦形式的调制电压，并经过SPWM调制得到网侧变流器开关管控制信号gw。
图4是本发明所提供的机侧变流器控制框图，机侧变流器对同步电机转速、转矩和功率进行控制，在此基础上引入惯量和阻尼控制环节，其步骤在于：
（1）采样机侧变流器交流侧三相电流i sa，i sb，i sc；使用转速编码器获取同步电机角速度ω s和相位θ s；
（2）将机侧变流器交流侧三相电流i sa，i sb，i sc通过坐标变换成两相旋转坐标系下的d轴和q轴电流i sd，i sq，
（3）给定d轴电流参考值i sd*，同步电机角速度参考值ω* s；
（4）将d轴电流参考值i sd*与d轴电流i sd相减，获取d轴电流误差，经过PI控制器得到调制电压d轴分量u sd；
（5）所述惯量及阻尼控制环节，将直流侧电流经由低通滤波器和系数Ki，得到转矩修正量T com；将直流电压经由系数Ku，得到转速修正量ω com；
（6）同步电机角速度参考值ω* s与同步电机角速度ω s相减，再减去转速修正量ω com，得到转速误差，经由PI控制器，得到转矩指令；
（7）所述转矩指令与转矩修正量相减后经由比例系数Km，得到q轴电流参考值i sq*；
（8）将q轴电流参考值i sq*与q轴电流i sq相减，获取q轴电流误差，经过PI控制器得到调制电压q轴分量u sq；
（9）所述步骤（4）和步骤（8）所得的调制电压d轴分量u sd和调制电压q轴分量u sq，经由坐标反变换得到三相静止坐标系下调制电压u sa，u sb，u sc，并经过SVPWM调制得到网侧变流器开关管控制信号gw。
本发明的应用实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法的步骤。
本发明所针对的直驱式电机系统普遍应用于风力发电系统、可变速抽水蓄能系统和飞轮储能系统。在风力发电系统中，本发明所提供的方法可应用于风力发电系统的机侧变流器和网侧变流器，若电网频率发生波动，风力发电系统随之进行实时调节，主动支撑电网频率。在抽水蓄能系统中，本发明的优势在于所述控制方法在发电和电动工况下均适用，因而，无需针对不同工况重新设计与切换不同的控制方法。
运用MATLAB/Simulink仿真实验平台对本发明所提方案进行仿真验证，仿真主要目的在于验证电网频率波动后，所述控制方法是否具备响应电网频率波动的能力，仿真结果如图5~图10；仿真过程如下，电网电压幅值为380V，直流侧电容电压为800V，1s前电网频率维持50Hz；1s时电网频率跌落0.5Hz，此后频率为49.5Hz，直到仿真结束。
图5为电网频率波形，如图所示，1s时由50Hz跌落至49.5Hz，此时自同步环节输出频率如图6所示，与电网频率具有相似的变化趋势。直流侧电容两端功率不平衡，导致直流侧电容电压波动，进而反映到自同步环节所产生的频率，与此同时，功率不平衡导致直流侧电容电流方向向外，如图7和图8所示。
所述方法将电容电压和电流分别前馈至电机转速和转矩控制，以此将功率缺口转移到电机侧，由电机来提供频率跌落时的功率支撑。如图9所示，电机转速变化趋势受到直流侧电容电压和电流的特性影响，频率跌落初期，电容响应速度快于电机，因而在电容上产生了部分功率缺口，随着电机响应频率跌落，该功率缺口逐渐由电机补足；而后频率跌落到49.5Hz后，电网频率与自同步环节输出频率相同，即可表明电网再无功率需求，电机停止减速，维持当前速度稳定运行。
图10为并网点有功功率波形，输入直驱式电机系统为正方向，因此在频率跌落时，直驱式电机系统向电网输出功率，提供惯量支撑。
值得注意的是由于仿真中的直驱式点击系统接入无穷大电网，这里频率稳定到49.5Hz是受到无穷大电网的牵制而造成的，无法恢复到50Hz，尽管如此在频率跌落过程中直流电容上的电压和电流和电机转速均有响应，因此仍可证明该方法具有响应电网频率的能力。
本发明的应用实施例提供了一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法的步骤。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，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，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法，其特征在于，包括：
重新构建电网频率与机组储能元件之间的关联，响应电网的频率波动，作为储能元件的直流侧电容及同步电机转子分别由网侧变流器和机侧变流器控制；
网侧变流器在直流电压控制的基础上引入无需锁相环的自同步控制环节，在实现直流电压控制的同时反映了电网的频率波动情况；机侧变流器根据直流侧电容所反映的电网频率波动情况，将直流电压与直流电流前馈至机侧变流器，实时调节电机转子释放/吸收能量。
2.如权利要求1所述的提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法，其特征在于，具体步骤为：
通过网侧变流器和机侧变流器联合控制响应电网的频率波动；
网侧变流器实现机组的自同步控制，自同步控制环节可实现两个方面功能，其一，直流侧电压的控制，直流侧电压控制包括稳态时维持直流电压稳定，暂态时利用直流电压反映电网频率波动特征；其二，产生机组并网端口的电压幅值和相位，控制方法无需采用锁相环，在弱电网下可稳定运行；
机侧变流器根据直流侧电容电压和电流的变化特征，以转子动能作为响应电网频率波动的能量载体，动态调节转子动能，将直流侧电容的电压和电流偏差量分别作为机侧变流器控制环节的转速和转矩修正量；
直流侧电容作为网侧变流器和机侧变流器直流侧连接的能量缓冲载体，与同步电机转子同时作为频率波动时频率响应的储能元件，直流侧电容起到反映电网频率波动情况和提供能量缓冲的作用，同步电机的转子则作为频率响应的核心能量来源，若两者容量和响应时间取得平衡，则可实现直流侧电压波动范围小、转子动能释放合理，可有效避免频率二次跌落。
3.如权利要求1所述的提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法，其特征在于，网侧变流器实现机组的自同步控制，具体步骤包括：
S101，采样网侧变流器交流侧三相电压和电流，计算网侧交流侧输出无功功率Q g，采样直流侧电容上的电压u dc和电流i dc；
S102，给定无功功率参考值Q* g，网侧电压幅值参考值U g，直流电压参考值u dc_ref，同步角频率ω* g；
S103，计算出的无功功率经由低通滤波器滤除高频分量后，与无功功率参考值做差得到无功功率误差，经由PI控制器得到网侧电压偏差量，其值与电压幅值参考值相加后得到调制电压的幅值U t；
S104，直流侧电压参考值和实际值各自取平方后相减，再与直流侧电容大小的一半相乘，即Cdc/2，得到功率偏差量；
S105，功率偏差量经由系数1/Kg1得到角频率的偏差量，与同步角频率相加得到网侧变流器自同步角频率，进一步由积分环节得到网侧变流器自同步相位θ g1；
S106，功率偏差量经由系数1/Kg2获取相位偏差θ g2，相位偏差量用于将直流电压偏差转换为相位前馈量，以实现直流侧电容电压的稳态控制；
S107，网侧变流器自同步相位与相位偏差量相加后得到调制电压相位θ g；
S108，S103和S107中的调制电压幅值U t和相位θ g组合成正弦形式的调制电压，并经过SPWM调制得到网侧变流器开关管控制信号gw。
4.如权利要求1所述的提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法，其特征在于，机侧变流器对同步电机转速、转矩和功率进行控制，在此基础上采用惯量和阻尼控制环节，具体步骤包括：
S201，采样机侧变流器交流侧三相电流i sa，i sb，i sc；使用转速编码器获取同步电机角速度ω s和相位θ s；
S202，将机侧变流器交流侧三相电流i sa，i sb，i sc通过坐标变换成两相旋转坐标系下的d轴和q轴电流i sd，i sq，
S203，给定d轴电流参考值i sd*，同步电机角速度参考值ω* s；
S204，将d轴电流参考值i sd*与d轴电流i sd相减，获取d轴电流误差，经过PI控制器得到调制电压d轴分量u sd；
S205，惯量及阻尼控制环节，将直流侧电流经由低通滤波器和系数Ki，得到转矩修正量T com；将直流电压经由系数Ku，得到转速修正量ω com；
S206，同步电机角速度参考值ω* s与同步电机角速度ω s相减，再减去转速修正量ω com，得到转速误差，经由PI控制器，得到转矩指令；
S207，转矩指令与转矩修正量相减后经由比例系数Km，得到q轴电流参考值i sq*；
S208，将q轴电流参考值i sq*与q轴电流i sq相减，获取q轴电流误差，经过PI控制器得到调制电压q轴分量u sq；
S209，S204和S208所得的调制电压d轴分量u sd和调制电压q轴分量u sq，经由坐标反变换得到三相静止坐标系下调制电压u sa，u sb，u sc，并经过SVPWM调制得到网侧变流器开关管控制信号gw。
5.一种实现如权利要求1~4任意一项所述提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法的直驱式电机系统，其特征在于，包括：原动机/负载、同步电机、机侧变流器、网侧变流器、直流侧电容、滤波器、机侧变流器控制单元和网侧变流器控制单元；
原动机/负载是对同步电机转轴上机械相连部件的总称，即用于体现直驱式电机系统可运行于发电与电动工况；机侧变流器交流侧与同步电机定子相连，机侧变流器直流侧与直流侧电容和网侧变流器直流侧连接；网侧变流器交流侧经滤波器并网；网侧变流器、直流侧电容和机侧变流器的组合可称为背靠背变流器；
机侧变流器控制环节输出端口与机侧变流器中开关器件的控制端口相连；网侧变流器控制环节输出端口与网侧变流器中开关器件的控制端口相连。
6.如权利要求5所述的直驱式电机系统，其特征在于，直驱式电机系统为采用背靠背变流器进行并网的发电系统及电力拖动系统，具体为：直驱风力发电系统、全功率变速抽水蓄能系统和飞轮储能系统；
直驱风力发电系统属于采用背靠背变流器并网的发电系统；
飞轮储能系统属于采用背靠背变流器并网的电力拖动系统；
全功率变速抽水蓄能系统具有发电和电动两种运行工况。
7.一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如权利要求1~4任意一项所述的提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如权利要求1~4任意一项所述的提升直驱式电机系统频率响应能力的控制方法的步骤。
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