双馈风力发电机组的电压控制型虚拟同步方法技术

本文公开了一种双馈风力发电机组的电压控制型虚拟同步方法，通过对同步机的惯性及调频调压特性进行模拟，使得机组能够区别于传统电流控制型下不响应电网频率变化的特征，从而具有基于电压控制型并通过虚拟惯性对弱电网电压和频率支撑的能力。本方法提出并实现内环以基于自适应的定子虚拟阻抗和传输线路跌落电压前馈补偿的改进型双馈发电机定子电压转子电流双闭环结构进行控制，包含定子电压和转子电流之间的交叉控制，同时外环以虚拟同步实现算法进行控制的VCT‑DFIG虚拟同步控制结构，实现了任何实际阻抗的弱网条件下VCT‑DFIG并网运行的输出功率控制及其有效解耦，所设计的控制结构使得双馈发电机具有更大的惯性和频率支撑能力。

【技术实现步骤摘要】
双馈风力发电机组的电压控制型虚拟同步方法
本专利技术围绕新能源发电
，研究双馈发电机控制方法，涉及一种并弱网运行的电压控制型策略，特别是涉及双馈风力发电机组的电压控制型虚拟同步方法。
技术介绍
随着可再生能源并网运行不断发展，高渗透率、大容量的新能源应用使得电网呈现出低惯量和弱阻尼的特性，另外基于分布式形式的能源利用和较长距离的输电线也引起的不可忽略的线路阻抗，因此光伏及风电等分布式新能源发电并弱电网运行时存在一系列由于电网“弱”(低惯量、弱阻尼、高线路阻抗和低短路容量比)特性下机网交互作用的运行性能和安全性问题。同时，弱电网故障穿越要求风机不脱网运行，也有必要具有对弱电网主动支撑能力。近年来通过对同步机调速及励磁器特性模拟实现的虚拟同步思想能够满足相应的要求，但是针对光伏逆变器虚拟同步控制的分析较多，如何在风电中实现虚拟同步控制以及相关分析虽有涉及，但仍然相当匮乏。已经公开的相关文献如题为“具有自主电网同步与弱网稳定运行能力的双馈风电机组控制方法”(张琛，蔡旭，李征，《中国电机工程学报》，2017，37(02)：476-486)的文章；该文章提出了一种双馈风力发电机组并网运行的虚拟同步控制思想，这种基于虚拟惯量的控制策略能够实现对弱电网的频率支撑，也进一步提高了双馈发电机在弱网中运行的稳定性。该文提出的现有技术存在以下的不足：1)所设计的控制策略使得双馈风电机组定、转子侧在电气特性上等效为电压源，但是未体现对定子端电压特性的分析和验证；2)转子侧变流器采用转子磁链自定向的虚拟同步控制方法，存在磁链观测困难的问题，采用电流/电压模型进行计算也存在滞后和估计误差、且易受发电机参数迁移的影响，且在磁链角度存在误差时控制上不能实现完全解耦；3)控制策略设计停留在虚拟惯量实现的层面上，没有分析弱电网的特性及其机网交互作用引起的功率耦合和振荡问题，没有提出并网有功和无功功率控制的完整解决方案。另外，题为“虚拟同步发电机的功率动态耦合机理及同步频率谐振抑制策略”(李武华，王金华，杨贺雅，顾云杰，杨欢，何湘宁，《中国电机工程学报》，2017，37((02)：381-391)的文章；该文章较为系统地分析了虚拟同步发电机的功率动态耦合机理及等效阻尼，设计了可以有效削弱同步频率谐振对虚拟同步机系统稳定影响的谐振抑制方案，但是该文提出的现有技术存在以下的不足：1)分析对象是并网逆变器，功率耦合效应的分析未延伸到双馈风力发电机的虚拟同步控制；2)尽管指出功率耦合会降低系统增益裕度、加剧同步频率谐振发生的可能性，且通过谐振抑制策略可提高系统稳定性，但仍未解决有功和无功功率的耦合。综上所述，如何选取合适的矢量定向和完全解耦控制方法，并且设法解决并弱电网运行的双馈发电机的功率耦合和振荡，提高双馈风机基于虚拟同步并网运行的性能和稳定性，正是亟待解决的关键问题。
技术实现思路
本专利技术旨在基于已有部分研究的基础上，围绕弱电网低惯量、弱阻尼和线路阻抗特性及其对并入弱网运行的双馈风电机组运行性能的影响，主要目的是为了解决机网交互作用下的功率耦合以及振荡等问题，实现双馈发电机对弱电网支撑和并网有功、无功功率控制。本专利技术提出并且实现双馈风力发电机组的一种能保证双馈风机功率输出稳定有效和频率支撑的电压控制型虚拟同步方法。本专利技术的目的是这样实现的。本专利技术提出了一种双馈风力发电机组的电压控制型虚拟同步方法，按照以下步骤进行：步骤1，采样双馈发电机的定子电压三相交流信号Usa，Usb，Usc、定子输出电流三相交流信号Isa，Isb，Isc和转子线圈电流三相交流信号Ira，Irb，Irc，通过光电编码器提取双馈发电机的转子旋转角速度ωr，根据转子旋转角速度ωr和双馈发电机的极对数p经过转子角度计算方程得到双馈发电机的转子角度θr；所述转子角度计算方程为：s为拉普拉斯算子；步骤2，将步骤1中采集的定子电压三相交流信号Usa，Usb，Usc、定子输出电流三相交流信号Isa，Isb，Isc和转子线圈电流三相交流信号Ira，Irb，Irc，经过三相abc静止坐标系到两相dq旋转坐标系的坐标变换，得到双馈发电机的定子电压dq分量Usd，Usq、定子输出电流dq分量Isd，Isq和转子线圈电流dq分量Ird，Irq；步骤3，根据步骤2中得到的定子电压dq分量Usd，Usq和定子输出电流dq分量Isd，Isq，经过功率计算方程得到双馈发电机向电网输出的平均有功功率和平均无功功率步骤4，根据双馈发电机给定的有功功率指令Pref和无功功率指令Qref、步骤3中的得到的平均有功功率和平均无功功率经过虚拟同步算法方程得到双馈发电机的定子电压指令Uref和定子虚拟同步角频率指令ωref；步骤5，首先根据步骤4中得到的定子虚拟同步角频率指令ωref得到双馈发电机的定子虚拟同步角度θs，然后根据定子虚拟同步角度θs和步骤1中得到的双馈发电机的转子角度θr，经过转差角度计算方程得到双馈发电机的转差角度θsl；步骤6，经过定子虚拟阻抗自适应控制方程得到双馈发电机的定子虚拟阻抗压降dq分量Uvd，Uvq，经过电压前馈补偿控制方程得到双馈发电机的前馈补偿电压Uc，然后根据定子虚拟阻抗压降dq分量Uvd，Uvq、前馈补偿电压Uc和步骤4中得到的定子电压指令Uref，经过基于双馈发电机定子电压矢量定向的定子电压给定控制方程计算得到双馈发电机的定子电压给定dq分量Usd_ref，Usq_ref；步骤7，根据步骤6中得到的定子电压给定dq分量Usd_ref，Usq_ref和步骤2中得到的定子电压dq分量Usd，Usq，使用定子电压比例-积分调节器进行定子电压闭环控制，经过定子电压闭环控制方程得到定子电压比例-积分调节器输出的转子电流调节信号dq分量Ird_piu，Irq_piu；步骤8，首先根据步骤7中得到的定子电压比例-积分调节器输出的电流调节信号dq分量Ird_piu，Irq_piu，经过交叉控制方程得到双馈发电机的转子电流给定dq分量Ird_ref，Irq_ref，再把Ird_ref，Irq_ref和步骤2中得到的转子线圈电流dq分量Ird，Irq，使用转子电流比例-积分调节器进行转子电流闭环控制，经过转子电流闭环控制方程得到转子电流比例-积分调节器输出的定子电压调节信号dq分量Usd_pii，Usq_pii；步骤9，首先通过步骤5中计算得到的双馈发电机的转差角度θsl，将步骤8中得到的定子电压调节信号dq分量Usd_pii，Usq_pii经过两相dq旋转坐标系变换到两相αβ静止坐标系变换到的2r/2s坐标变换得到定子电压调制信号αβ分量Usα_m，Usβ_m，再根据定子电压调制信号αβ分量Usα_m，Usβ_m和直流母线电压Udc生成双馈发电机转子侧变流器开关管的SVPWM控制信号Sabc。优选的，步骤3所述功率计算方程为：其中，ωf为一阶低通滤波器的截止频率。优选的，步骤4所述虚拟同步算法方程为：其中，ω0为电网的同步角频率，E0为双馈发电机的虚拟同步空载电压，J为模拟同步机的虚拟转动惯量时间常数，D为模拟的阻尼系数，kw为有功下垂系数，n为无功下垂系数。优选的，步骤5所述转差角度计算方程为：θsl＝θs-θr。优选的，步骤6所述定子虚拟阻抗自适应控制方程为：Uvd＝RvIs本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双馈风力发电机组的电压控制型虚拟同步方法，其特征在于，按照以下步骤进行：步骤1，采样双馈发电机的定子电压三相交流信号Usa，Usb，Usc、定子输出电流三相交流信号Isa，Isb，Isc和转子线圈电流三相交流信号Ira，Irb，Irc，通过光电编码器提取双馈发电机的转子旋转角速度ωr，根据转子旋转角速度ωr和双馈发电机的极对数p经过转子角度计算方程得到双馈发电机的转子角度θr；所述转子角度计算方程为：

【技术特征摘要】
1.一种双馈风力发电机组的电压控制型虚拟同步方法，其特征在于，按照以下步骤进行：步骤1，采样双馈发电机的定子电压三相交流信号Usa，Usb，Usc、定子输出电流三相交流信号Isa，Isb，Isc和转子线圈电流三相交流信号Ira，Irb，Irc，通过光电编码器提取双馈发电机的转子旋转角速度ωr，根据转子旋转角速度ωr和双馈发电机的极对数p经过转子角度计算方程得到双馈发电机的转子角度θr；所述转子角度计算方程为：s为拉普拉斯算子；步骤2，将步骤1中采集的定子电压三相交流信号Usa，Usb，Usc、定子输出电流三相交流信号Isa，Isb，Isc和转子线圈电流三相交流信号Ira，Irb，Irb，经过三相abc静止坐标系到两相dq旋转坐标系的坐标变换，得到双馈发电机的定子电压dq分量Usd，Usq、定子输出电流dq分量Isd，Isq和转子线圈电流dq分量Ird，Irq；步骤3，根据步骤2中得到的定子电压dq分量Usd，Usq和定子输出电流dq分量Isd，Isq，经过功率计算方程得到双馈发电机向电网输出的平均有功功率和平均无功功率步骤4，根据双馈发电机给定的有功功率指令Pref和无功功率指令Qref、步骤3中的得到的平均有功功率和平均无功功率经过虚拟同步算法方程得到双馈发电机的定子电压指令Uref和定子虚拟同步角频率指令ωref；步骤5，首先根据步骤4中得到的定子虚拟同步角频率指令ωref得到双馈发电机的定子虚拟同步角度θs，然后根据定子虚拟同步角度θs和步骤1中得到的双馈发电机的转子角度θr，经过转差角度计算方程得到双馈发电机的转差角度θsl；步骤6，经过定子虚拟阻抗自适应控制方程得到双馈发电机的定子虚拟阻抗压降dq分量Uvd，Uvq，经过电压前馈补偿控制方程得到双馈发电机的前馈补偿电压Uc，然后根据定子虚拟阻抗压降dq分量Uvd，Uvq、前馈补偿电压Uc和步骤4中得到的定子电压指令Uref，经过基于双馈发电机定子电压矢量定向的定子电压给定控制方程计算得到双馈发电机的定子电压给定dq分量Usd_ref，Usq_ref；步骤7，根据步骤6中得到的定子电压给定dq分量Usd_ref，Usq_ref和步骤2中得到的定子电压dq分量Usd，Usq，使用定子电压比例-积分调节器进行定子电压闭环控制，经过定子电压闭环控制方程得到定子电压比例-积分调节器输出的转子电流调节信号dq分量Ird_piu，Irq_piu；步骤8，首先根据步骤7中得到的定子电压比例-积分调节器输出的电流调节信号dq分量Ird_piu，Irq_piu，经过交叉控制方程得到双馈发电机的转子电流给定dq分量Ird_ref，Irq_ref，再把Ird_ref，Irq_ref和步骤2中...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢震，靳晓雯，张兴，孟浩，杨淑英，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34