[0001] 本发明属于新能源发电技术领域，更具体地，涉及一种含虚拟惯量控制的直驱风机惯量特性分析方法及系统。

[0002] 随着风电在电力系统中大规模并网，一些由高渗透率风电引起的问题引起了广泛关注，其中一个显著的问题就是电力系统的频率稳定问题。这是由于风机有功功率按照MPPT曲线计算出的指令运行，且锁相环快速跟踪电网频率使得风机无法感知电网频率的变化。这些因素使得风机的转子动能被隐藏，不能像同步机一样自然而然的响应电网频率变化调整有功出力，其大规模降低系统惯性，增加频率失稳风险。目前有较多的虚拟惯量控制策略用于提升直驱风机的惯量响应能力，然而为了理清其惯量作用机理、评估风机的惯量响应能力以及便于风机虚拟惯量控制参数优化设计，准确分析参数变化时的含虚拟惯量控制直驱风机惯量特性是至关重要的。

[0003] 现有的针对含虚拟惯量控制风机惯量特性分析方法可以分为数值计算法和模型分析法，数值计算法依靠风机并网端口的相量测量单元(PMU)实时获取风机在频率扰动时的有功和频率数据，依据转子运动方程或者其导数等其他形式，利用卡尔曼滤波等辨识算法求解得到风机的时变惯性时间常数，这种方法虽然能够直观的获取风机的惯量时间常数，但由于忽略了风机的内部控制结构，并不能直接用于分析参数变化时风机的惯量特性，且依赖于风机的实时运行数据，算法也比较复杂；模型分析法则从风机的模型结构出发探究风机的惯量特性，早期的研究一般在软件中建立含虚拟惯量控制直驱风机的详细模型，并采用仿真分析的方法进行简单的探索，然而这种方法缺乏机理层面的分析，也有将虚拟惯量控制的增益系数代表风机的惯性响应能力，但这是一种近似分析且忽略了风机惯性的时变特征，也并不能分析其他参数对风机惯性的贡献。

[0079] 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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0080] 在本发明实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

[0081] 实施例一

[0082] 本实施例以一个由75台2MW的含典型df/dt虚拟惯量控制直驱发电机组组成的直驱风电场为例，其中，虚拟惯量控制用于修改转速控制器外环的指令，进行仿真分析，含虚拟惯量控制直驱风电机组的基准参数如表1所示；

[0083] 表1

[0084]

[0085] 如图1所示，本发明提供了一种含虚拟惯量控制的直驱风机惯量特性分析方法，具体包括以下步骤：

[0086] S1：获取含虚拟惯量控制的直驱风机的控制器参数、运行参数以及含虚拟惯量控制的风机结构信息；

[0087] 具体地，含虚拟惯量控制的直驱风机的控制器参数和运行参数见表1；

[0088] S2：对风机的机侧和网侧分别建立不同时间尺度下的小信号模型，并进一步构建不平衡功率输入的含虚拟惯量控制直驱风机的幅值相位运动模型；

[0089] 具体地，含虚拟惯量控制直驱风机的幅值相位运动模型可由机电时间尺度的机侧变换器小信号模型和直流电压时间尺度的网侧变换器的小信号模型组成，机侧和网侧变换器的小信号模型如图2和图3，机侧变换器小信号模型可等效为表达式G(s)，包括转速环控制器PIω、虚拟惯量控制器Gadd、以及MPPT(最大功率点跟踪：Maximum Power Point Tracking)控制等其他控制模块；网侧变换器小信号模型包括：直流电压控制器PIv、无功功率控制器PIQ以及锁相环控制器PIp；

[0090] 其中，直驱风机机侧变换器的功率传递函数表达式为：

[0091]

[0092] 其中，Pin为机侧变换器向网侧变换器传递的有功功率，θpll为锁相环控制器输出的锁相角，ωr0为转速稳态值，ψf为永磁同步电机的磁链大小，isq0为机侧变换器的q轴有功电流的稳态值，Hs为涡轮机的惯性常数，Tspeed为MPPT控制时间常数，s为微分算子；Gadd为虚拟惯量控制器等效传递函数；PIω为转速环控制器；G(s)为直驱风机机侧变换器的功率传递函数；Gmppt为MPPT控制的等效传递函数；Kw为和转速相关的风机捕获机械功率系数；

[0093] 转速环控制器等效传递函数PIω为：

[0094]

[0095] 其中，kpω为转速控制器的比例系数，kiω为转速控制器的积分系数；

[0096] 虚拟惯量控制器等效传递函数Gadd为：

[0097]

[0098] 其中，ωadd为虚拟惯量控制器产生的额外转速控制指令；Kf为虚拟惯量控制器的增益系数；Tf为虚拟惯量控制器的滤波时间常数；

[0099] MPPT控制等效传递函数为：

[0100]

[0101] 其中，Tspeed为MPPT控制时间常数,Kr为MPPT曲线等效转化系数；

[0102] 直流电压控制器等效传递函数PIv为：

[0103]

[0104] 其中，kpv为直流电压环的比例系数，kiv为无功功率控制器的积分系数；

[0105] 无功功率控制器PIQ为：

[0106]

[0107] 其中，kpQ为无功功率控制器的比例系数，kiQ为无功功率控制器的积分系数；

[0108] 锁相环控制器等效传递函数PIp为：

[0109]

[0110] 其中，kpp为锁相环控制器比例系数，kip为锁相环控制器积分系数；

[0111] 如图4(a)和图4(b)所示，以直驱风机接入无穷大电网为例验证本发明提供的含虚拟惯量控制直驱风机的幅值相位运动模型的模拟准确性，假设t＝5s时无穷大电网发生0.1Hz/s的频率跌落，图4(a)和图4(b)给出了本发明提供的幅值相位运动模型与真实模型的对比响应，可以看出本发明提供的幅值相位运动模型能够准确反映风机的有功输出以及直流母线电压动态，可以用于研究惯量问题。

[0112] S3：如图5所示，类比同步机的转子运动方程，依据建立的含虚拟惯量控制直驱风机的幅值相位运动模型，提取出含虚拟惯量控制直驱风机的等效惯量表达式；

[0113] 具体地，类比同步机的转子运动方程，从所建立的含虚拟惯量控制直驱风机的幅值相位运动模型的相位运动部分中提取出含虚拟惯量控制直驱风机等效惯量表达式，等效惯量表达式为：

[0114]

[0115] 其中，K1、K2、K3、K4为从所建立的含虚拟惯量控制直驱风机的幅值相位运动模型中提取出的多环路控制器参数以及风机运行参数相关的惯量系数，且K1和K2与虚拟惯量控制器引起的耦合系数M(s)相关；

[0116] 耦合系数M(s)为：

[0117]

[0118] 其中，C为直驱风机的直流侧电容的大小，Udc0为直驱风机直流侧电容的稳态值，Ut0为端电压的稳态值，E0为网侧变换器输出电压的稳态值，Xf为滤波电感的大小；

[0119] 惯量系数K1为：

[0120]

[0121] 其中，ω1为电网频率的额定角速度；

[0122] 惯量系数K2为：

[0123]

[0124] 惯量系数K3为：

[0125]

[0126] 惯量系数K4为：

[0127]

[0128] S4：改变不同的控制器参数和风机运行参数，结合伯德图幅相特性分析含虚拟惯量控制直驱风机的惯量响应特性，并给出关键的影响因素；

[0129] 具体地，在特定的运行参数下，改变转速环控制器的PI系数，虚拟惯量控制器的增益和滤波时间常数等控制器参数绘制含虚拟惯量控制直驱风机等效惯量表达式的伯德图，选取机电时间尺度的振荡频率，观察不同控制器参数下伯德图的幅相特性，如图6(a)～图6(g)所示；

[0130] 根据不同工况下伯德图幅相特性，判断不同控制器参数以及运行参数对含虚拟惯量控制直驱风机惯量的影响程度以及影响趋势，并依据影响程度给出较为关键的影响因素，从图6(a)～图6(g)的伯德图的幅相特性分析可以得出各个参数对含虚拟惯量控制直驱风机惯量特性的影响，其中，伯德图的幅值代表了风机等效惯量时间常数的大小，幅值越高说明风机整体惯性越大，伯德图的相位则代表了风机惯量响应的速度，相位越超前意味着风机的有更快的惯性响应速度，即有功达到峰值的时间越短。从幅值特性可以看出，虚拟惯量控制器、转速环控制器对其惯量影响较大，较高虚拟惯量控制器增益Kf以及较快的转速控制器动态有利于提升含向虚拟惯量控制器直驱风机的惯量响应能力，而较大的滤波时间常数Tf则会削弱风机的惯量响应能力；直流电压控制器系数几乎没有影响，有功工作点(风速)的提升也将提升风机惯性；从相位特性来看，虚拟惯量控制器的增益Kf几乎不会影响惯量响应速度，而较大的滤波时间常数Tf则会使得惯量响应变慢，转速控制器的比例控制器比例系数Kpw越大，响应速度越快，而积分系数Kiw影响不大，直流电压控制器和有功工作点的影响不大。图7(a)～图7(g)给出了控制参数和运行参数变化时含虚拟惯量控制直驱风机在电网频率扰动时有功出力的变化，验证了本发明提出的方法有效性。

[0131] 实施例2

[0132] 如图8所示，本发明实施例提供了一种含虚拟惯量控制的直驱风机惯量特性分析系统，包括：

[0133] 幅值相位运动模型的构建模块101，用于基于含虚拟惯量控制的直驱风机的控制器参数、运行参数以及含虚拟惯量控制的风机结构，对风机的机侧变换器和网侧变换器分别建立不同时间尺度下的小信号模型，构建不平衡功率输入的含虚拟惯量控制直驱风机的幅值相位运动模型；

[0134] 等效惯量表达式提取模块102，用于根据建立的含虚拟惯量控制直驱风机的幅值相位运动模型中相位运动部分，提取出含虚拟惯量控制直驱风机的等效惯量表达式；

[0135] 惯量响应特性分析模块103，用于基于含虚拟惯量控制直驱风机的等效惯量表达式，通过改变不同的控制器参数和风机运行参数，结合伯德图幅相特性分析含虚拟惯量控制直驱风机的惯量响应特性；其中，伯德图的幅值代表风机等效惯量时间常数的大小，伯德图的相位代表风机惯量响应速度。

[0136] 进一步优选地，幅值相位运动模型的构建模块中机侧变换器小信号模型包括：转速环控制器、虚拟惯量控制器以及MPPT控制；网侧变换器小信号模型包括：直流电压控制器、无功功率控制器以及锁相环控制器。

[0137] 进一步优选地，等效惯量表达式提取模块中等效惯量表达式为：

[0138]

[0139] 其中，K1、K2、K3、K4为从含虚拟惯量控制直驱风机的幅值相位运动模型中提取出的多环路控制参数以及风机运行参数相关的惯量系数；K1和K2与虚拟惯量控制器引起的耦合系数M(s)相关；

[0140] 其中，耦合系数M(s)为：

[0141]

[0142] 其中，C为直驱风机的直流侧电容的大小，Udc0为直驱风机直流侧电容的稳态值，Ut0为端电压的稳态值，E0为网侧变换器输出电压的稳态值，Xf为滤波电感的大小；PIv为直流电压控制器；PIp为锁相环控制器；G(s)为直驱风机机侧变换器的功率传递函数；

[0143] 惯量系数K1为：

[0144]

[0145] 其中，ω1为电网频率的额定角速度；

[0146] 惯量系数K2为：

[0147]

[0148] 惯量系数K3为：

[0149]

[0150] 惯量系数K4为：

[0151]

[0152] 进一步优选地，惯量响应特性分析模块中惯性响应特性的分析方法为：

[0153] 在不同运行参数下，改变转速环控制器的PI系数、虚拟惯量控制器的增益和滤波时间常数，绘制含虚拟惯量控制直驱风机的等效惯量表达式的伯德图，选取机电时间尺度的振荡频率，分析不同控制器参数下伯德图的幅相特性，获取影响惯量响应的运行参数和控制器参数。

[0154] 进一步优选地，幅值相位运动模型的构建模块中风机运行参数包括：额定功率、额定电网线电压、额定电网频率、直流母线电压、直流电容、风速、风机机械时间常数和MPPT滤波时间常数；风机的控制器参数包括：速度控制器PI系数、直流电压控制器PI系数、无功功率控制器参数和虚拟惯量控制参数。

[0155] 综上所述，本发明与现有技术相比，存在以下优势：

[0156] 本发明提供了一种含虚拟惯量控制的直驱风机惯量特性分析方法及系统，可以用于分析不同控制器参数对含虚拟惯量控制直驱风机等效惯性的影响程度以及影响趋势，为惯量控制参数的设计提供指导。

[0157] 本发明提供了一种含虚拟惯量控制的直驱风机惯量特性分析方法及系统，可以用于分析风机运行参数变化时风机的惯量特性，为含有负载运行工况的含虚拟惯量控制直驱风电场的惯量特性的评估奠定理论基础。

[0158] 本发明提供了一种含虚拟惯量控制的直驱风机惯量特性分析方法及系统，采用机侧和网侧分开建模，并通过虚拟惯量控制进行联系的建模思路使得模型具有清晰物理过程和较好的可扩展性，适用于不同的虚拟惯量控制方式下含虚拟惯量控制直驱风电机组惯量特性的分析。

[0159] 应当理解的是，上述系统用于执行上述实施例中的方法，系统中相应的程序模块，其实现原理和技术效果与上述方法中的描述类似，该系统的工作过程可参考上述方法中的对应过程，此处不再赘述。

[0160] 基于上述实施例中的方法，本发明实施例提供了一种电子设备。该设备可以包括：至少一个用于存储程序的存储器和至少一个用于执行存储器存储的程序的处理器。其中，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行上述实施例中所描述的方法。

[0161] 基于上述实施例中的方法，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行上述实施例中的方法。

[0162] 基于上述实施例中的方法，本发明实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在处理器上运行时，使得处理器执行上述实施例中的方法。

[0163] 可以理解的是，本发明的实施例中的处理器可以是中央处理单元(centralprocessing unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signalprocessor，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件，硬件部件或者其任意组合。通用处理器可以是微处理器，也可以是任何常规的处理器。

[0164] 本发明的实施例中的方法步骤可以通过硬件的方式来实现，也可以由处理器执行软件指令的方式来实现。软件指令可以由相应的软件模块组成，软件模块可以被存放于随机存取存储器(random access memory，RAM)、闪存、只读存储器(read‑only memory，ROM)、可编程只读存储器(programmable rom，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electrically EPROM，EEPROM)、寄存器、硬盘、移动硬盘、CD‑ROM或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。

[0165] 在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程系统。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘(solid state disk，SSD))等。

[0166] 可以理解的是，在本发明的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本发明的实施例的范围。

[0167] 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。