本发明涉及双馈风机领域，尤指一种双馈风电虚拟同步机转速恢复方法、装置及系统。
背景技术：
随着传统能源的日益枯竭和环境问题的日益加剧，以光伏、风电为代表的新能源发电技术发展迅猛，而双馈风机在其中占到了相当大的比例。由于双馈风机采用异步发电机，其输出功率与电网频率和电压几乎不存在耦合，故难以为电网提供必要的频率和电压支撑。随着双馈风机在电网中渗透率的不断提高，迫切要求双馈风机具备与传统同步发电机类似的调频调压能力，虚拟同步机(virtualsynchronousgenerator,vsg)技术提供了一种解决方案。
为了保证风电运行的经济性，工程实用的双馈风机虚拟同步机(简称风机)均采用不预留备用容量的方法；当电网发生频率扰动事件时，通过释放部分转子动能为电网提供短时有功功率支撑。双馈风机均设有转速下限保护，在风电调频过程中当风机转速下跌到较低值时，风机必须退出调频并逐渐将转速提升到初始值。在风机退出调频的瞬间，风机输出电磁功率将大幅跌落，造成系统频率的二次跌落。当风机调频策略不当时，频率二次跌落问题会非常严重，甚至远大于系统频率一次跌落的深度。
目前在工程应用中当双馈风机虚拟同步机退出调频时，风机电磁功率按照当前转速在mppt(最大功率点跟踪)曲线上对应的功率值给定，电磁功率会瞬间大幅度跌落，造成严重的频率二次跌落问题。一些文献中提出了风机退出调频时改善二次跌落的方法，分别从风电单机和场站两方面入手。单机方面，一些学者提出了基于功率跟踪曲线切换的惯性控制策略，通过在转速恢复过程中不断修正跟踪曲线比例系数，使得电磁功率基本维持在调频前的水平。此方法无法为系统提供必要的一次调频，实现方法复杂，需在线实时修正系数，不易工程实现。一些文献提出转速延迟恢复方法，恢复过程中不断计算有功参考值，改善频率特性；然而，此方法需要实时准确测量风速作为算法的输入信号。场站方面，部分文献提出在风场送出端配置一定容量的储能，从而补偿转速恢复过程中风机出力的跌落；该方法可有效提高风电调频性能，但大大提高了系统的成本。另有学者提出风场内不同风机之间的协同控制，充分利用风机间出力的差异，合理配置风机退出调频的时机；然而，此方法需要场站级的中央控制器，且需要高速通讯网络保证场站和单机之间的信息交互。
可见，现有技术和方法均存在成本高、实现难、可靠性低的特性，无法在工程中大规模推广应用。
技术实现要素：
针对风机退出调频时出现严重的频率二次跌落，现有技术成本高、实现难及可靠性低的问题，为了解决这些问题，本发明实施例提供一种双馈风电虚拟同步机转速恢复方法、装置及系统，所述方法包括，
采集风机的转速，判断所述风机的转速是否达到下限值；
当所述风机的转速达到下限值时，在所述风机的转速不变的条件下，将所述风机的输出功率调整至一功率固定值，所述功率固定值是根据所述风机的转速达到下限值时的风速与风轮角频率计算得到的；
保持所述输出功率不变，并将所述风机的转速调整至一跟踪转速，所述跟踪转速是根据所述功率固定值确定的；
根据最大功率点跟踪曲线，将所述风机的转速恢复至所述风速对应的稳态工作点下的风机转速。
本发明实施例还提供一种双馈风电虚拟同步机转速恢复装置，所述装置包括，
采集模块，用于采集风机的转速，判断所述风机的转速是否达到下限值；
功率调整模块，用于当所述风机的转速达到下限值时，在所述风机的转速不变的条件下，将所述风机的输出功率调整至一功率固定值；所述功率固定值是根据所述风机的转速达到下限值时的风速与风轮角频率计算得到的；
转速调整模块，用于保持所述输出功率不变，并将所述风机的转速调整至一跟踪转速，所述跟踪转速是根据所述功率固定值确定的；
转速恢复模块，用于根据最大功率点跟踪曲线，将所述风机的转速恢复至所述风速对应的稳态工作点下的风机转速。
本发明实施例还提供一种双馈风电虚拟同步机转速恢复系统，所述系统包括主控单元、变流器控制单元、变流器与双馈电机；
所述主控单元采集风机转速，判断所述风机转速是否达到下限值；
当所述风机转速达到下限值时，所述主控单元将根据所述风机的转速达到下限值时的风速与风轮角频率计算得到的功率固定值，输出到所述变流器控制单元；
所述变流器控制单元根据所述功率固定值，输出开关指令至所述变流器，控制所述变流器的输出电流值；
所述双馈电机根据所述输出电流值，调整所述双馈电机的电磁功率至所述功率固定值，使得所述风机转速升至一跟踪转速；
所述主控单元根据最大功率点跟踪曲线得到一功率参考值，并将所述功率参考值输出到所述变流器控制单元，使得所述风机转速升至所述风速对应的稳态工作点下的风机转速。
本发明通过采用改变风机输出功率的方式，大幅度改善了传统转速恢复方法带来的严重的频率二次跌落问题，在不增加设备成本的条件下，为风电虚拟同步机技术的进一步推广应用提供了有力的支持，由此达到成本低且易工程实现的解决了频率二次跌落问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a及图1b为现有技术中mppt转速恢复方式的仿真图；
图2为本发明实施例一种双馈风电虚拟同步机转速恢复方法的流程图；
图3为本发明实施例一种双馈风电虚拟同步机转速恢复方法的原理示意图；
图4为本发明实施例一种双馈风电虚拟同步机转速恢复装置的结构示意图；
图5为本发明实施例一种双馈风电虚拟同步机转速恢复系统的结构示意图；
图6a与图6b为本发明实施例一种双馈风电虚拟同步机转速恢复方法的仿真图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种双馈风电虚拟同步机转速恢复方法、装置及系统。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1a及图1b所示为现有技术中mppt转速恢复方式的仿真图，图1a中显示了双馈风机装机占比20％的电网中发生4％的负荷扰动时系统的频率特性。图1b显示了为风电(风机电磁功率)调频的两个阶段，即惯性支撑阶段和转速恢复阶段。惯性支撑阶段电磁功率增发，风机转速不断下降，风机输入机械功率随之下降。当风机转速达到设定的下限时，如果采用现有的mppt曲线恢复方式，则电磁功率瞬间跌落到mppt跟踪曲线上当前转速对应的功率值，随后转速和电磁功率逐渐恢复。从图1a中可见，风电采用mppt曲线恢复方式进行调频与风电不调频相比，虽然能一定程度减小频率一次跌落的深度，却造成严重的二次跌落。
如图2所示为本发明实施例一种双馈风电虚拟同步机转速恢复方法的流程图，所述方法包括，
s1，采集风机的转速，判断所述风机的转速是否达到下限值；
s2，当所述风机的转速达到下限值时，在所述风机的转速不变的条件下，将所述风机的输出功率调整至一功率固定值，所述功率固定值是根据所述风机的转速达到下限值时的风速与风轮角频率计算得到的；
s3，保持所述输出功率不变，并将所述风机的转速调整至一跟踪转速，所述跟踪转速是根据所述功率固定值确定的；
s4，根据最大功率点跟踪曲线，将所述风机的转速恢复至所述风速对应的稳态工作点下的风机转速。
在本实施例中，通过采集风机转速，判断当前风机转速是否达到下限值。当风机转速达到下限时，将风机的输出功率调整至功率固定值，调整输出功率的过程时间极短，因此，在输出功率调整时，风机的转速不变。其中，功率固定值是通过当前的风速，即当风机转速达到下限值时的风速，以及当前风轮角频率得到的。
其中，风机输出功率调整为功率固定值后，保持输出功率不变，风机转速上升至跟踪转速，跟踪转速是由功率固定值确定的。在风机转速调整至跟踪转速之后，根据mppt(最大功率点跟踪)曲线，将风机转速恢复至当前风速对应的稳态工作点下的转速。
作为本发明的一个实施例，所述功率固定值是根据所述风机的转速达到下限值时的风速与风轮角频率计算得到的包括，根据如下公式计算λ：
其中，ω为风轮角频率，υ为风速，r为风轮半径；根据如下公式计算机械功率pm：
其中，cp(λ,β)为风能利用系数，是叶尖速比λ和桨距角β的函数，ρ为空气密度，s为风轮扫风面积；根据如下公式计算得到功率固定值p2，
p2＝pm-δp2(3)
其中，δp2为功率固定值增量，δp2＞0。
在本实施例中，通过采集到的风速与风机角频率，可以根据式(1)计算得到叶尖速比，再根据式(2)计算得到机械功率，为了提升风机转速，机械功率需大于风机的功率固定值。因此，根据式(3)在机械功率的基础上，减小相应的增量，由此可以得到风机的功率固定值。
作为本发明的一个实施例，所述跟踪转速是根据所述功率固定值确定的包括，根据所述最大功率点跟踪曲线，所述功率固定值所对应的转速为所述跟踪转速。
在本实施例中，根据mppt曲线，功率固定值在该曲线上有一对应的转速值，该转速值为跟踪转速。
作为本发明的一个实施例，在所述采集风机的转速之前，所述方法还包括，控制所述风机启动调频，以使所述风机的输出功率上升。
其中，恢复风机转速前，风机进入调频阶段，用于支撑电网。在风机的调频阶段，风机的输出功率上升，由此导致风机转速下降。
在本实施例中，所述方法还包括，当所述风机的转速达到下限值时，控制所述风机退出调频。
其中，风机在调频阶段时，转速不断下降，当风机转速下降到转速的下限值时，风机退出调频。
如图3所示为本发明实施例一种双馈风电虚拟同步机转速恢复方法的原理示意图，图中两条曲线分别为风机mppt跟踪曲线(实线)和某风速v下风机的机械功率曲线。初始时，风机运行在a点。当电网频率发生跌落时，风机启动调频，电磁功率上升到b点。支撑过程中风机转速逐渐下降，当转速达到转速下限时(c点)，风机虚拟同步机退出调频。若采用传统的mppt曲线恢复方式，则风机输出电磁功率瞬间跌落到e点，随后沿着mppt跟踪曲线逐渐恢复。可见，采用传统mppt曲线恢复方式时，风机输出功率沿a-b-c-e-a轨迹运动，在退出调频的瞬间电磁功率发生幅值为δpe1+δpe2的跌落，造成严重的频率二次跌落。为了减小电磁功率跌落深度，使得风机退出调频时电磁功率跌落到高于e点的f点，并保持这一固定值直至与mppt跟踪曲线相交于g点。随后，电磁功率沿着g-a逐渐恢复。可见，采用转速综合恢复方式时风机输出功率沿a-b-c-f-g-a轨迹运动，退出调频时电磁功率跌落幅度为δpe1+δpe3，可以大幅改善频率二次跌落问题。需要注意的是，为了保证转速恢复，f点必须低于退出调频时风机的机械功率d点。
通过本发明的方法，采用改变风机输出功率的方式，大幅度改善了传统转速恢复方法带来的严重的频率二次跌落问题，在不增加设备成本的条件下，为风电虚拟同步机技术的进一步推广应用提供了有力的支持，由此达到成本低且易工程实现的解决了频率二次跌落问题。
如图4所示为本发明实施例一种双馈风电虚拟同步机转速恢复装置的结构示意图，图中所述装置包括，采集模块10，用于采集风机的转速，判断所述风机的转速是否达到下限值；
功率调整模块20，用于当所述风机的转速达到下限值时，在所述风机的转速不变的条件下，将所述风机的输出功率调整至一功率固定值；所述功率固定值是根据所述风机的转速达到下限值时的风速与风轮角频率计算得到的；
转速调整模块30，用于保持所述输出功率不变，并将所述风机的转速调整至一跟踪转速，所述跟踪转速是根据所述功率固定值确定的；
转速恢复模块40，用于根据最大功率点跟踪曲线，将所述风机的转速恢复至所述风速对应的稳态工作点下的风机转速。
在本实施例中，通过采集模块10采集风机转速，判断当前风机转速是否达到下限值。当风机转速达到下限时，功率调整模块20将风机的输出功率调整至功率固定值，调整输出功率的过程时间极短，因此，在输出功率调整时，风机的转速不变。其中，功率固定值是通过当前的风速，即当风机转速达到下限值时的风速，以及当前风轮角频率得到的。
其中，风机输出功率调整为功率固定值后，转速调整模块30保持输出功率不变，调整风机转速上升至跟踪转速，跟踪转速是由功率固定值确定的。在风机转速调整至跟踪转速之后，转速恢复模块40根据mppt(最大功率点跟踪)曲线，将风机转速恢复至当前风速对应的稳态工作点下的转速。
作为本发明的一个实施例，所述功率固定值是根据所述风机的转速达到下限值时的风速与风轮角频率计算得到的包括，根据如下公式计算λ：
其中，ω为风轮角频率，υ为风速，r为风轮半径；根据如下公式计算机械功率pm：
其中，cp(λ,β)为风能利用系数，是叶尖速比λ和桨距角β的函数，ρ为空气密度，s为风轮扫风面积；根据如下公式计算得到功率固定值p2，
p2＝pm-δp2(3)
其中，δp2为功率固定值增量，δp2＞0。
在本实施例中，通过采集到的风速与风机角频率，可以根据式(1)计算得到叶尖速比，再根据式(2)计算得到机械功率，为了提升风机转速，机械功率需大于风机的功率固定值。因此，根据式(3)在机械功率的基础上，减小相应的增量，由此可以得到风机的功率固定值。
作为本发明的一个实施例，所述跟踪转速是根据所述功率固定值确定的包括，根据所述最大功率点跟踪曲线，所述功率固定值所对应的转速为所述跟踪转速。
在本实施例中，根据mppt曲线，功率固定值在该曲线上有一对应的转速值，该转速值为跟踪转速。
作为本发明的一个实施例，在采集模块采集风机的转速之前，所述装置还包括调频启动模块50，用于控制所述风机启动调频，以使所述风机的输出功率上升。
其中，恢复风机转速前，调频启动模块50控制风机进入调频阶段，用于支撑电网。在风机的调频阶段，风机的输出功率上升，由此导致风机转速下降。
在本实施例中，所述装置还包括调频退出模块60，用于当所述风机的转速达到下限值时，控制所述风机退出调频。
其中，风机在调频阶段时，转速不断下降，当风机转速下降到转速的下限值时，调频退出模块60控制风机退出调频。
通过本发明的装置，采用改变风机输出功率的方式，大幅度改善了传统转速恢复方法带来的严重的频率二次跌落问题，在不增加设备成本的条件下，为风电虚拟同步机技术的进一步推广应用提供了有力的支持，由此达到成本低且易工程实现的解决了频率二次跌落问题。
如图5所示为本发明实施例一种双馈风电虚拟同步机转速恢复系统的结构示意图，图中所述系统包括主控单元100、变流器控制单元200、变流器300与双馈电机400；
所述主控单元100采集风机转速，判断所述风机转速是否达到下限值；
当所述风机转速达到下限值时，所述主控单元100将根据所述风机的转速达到下限值时的风速与风轮角频率计算得到的功率固定值，输出到所述变流器控制单元200；
所述变流器控制单元200根据所述功率固定值，输出开关指令至所述变流器300，控制所述变流器300的输出电流值；
所述双馈电机400根据所述输出电流值，调整所述双馈电机400的电磁功率至所述功率固定值，使得所述风机转速升至一跟踪转速；
所述主控单元100根据最大功率点跟踪曲线得到一功率参考值，并将所述功率参考值输出到所述变流器控制单元200，使得所述风机转速升至所述风速对应的稳态工作点下的风机转速。
在本实施例中，在本实施例中，主控单元100通过采集风机转速，判断当前风机转速是否达到下限值。当风机转速达到下限时，将风机的输出功率调整至功率固定值，调整输出功率的过程时间极短，因此，在输出功率调整时，风机的转速不变。其中，功率固定值是通过当前的风速，即当风机转速达到下限值时的风速，以及当前风轮角频率得到的，并将该功率固定值输出至变流器控制单元200。
变流器控制单元200根据功率固定值，向变流器300输出开关指令，由此控制变流器300的输出电流。变流器300的一端连接于电网，变流器300的另一端与双馈电机400连接，并将输出电流输出至双馈电机400。双馈电机400根据输出电流，调整其输出的电磁功率，使电磁功率值等于功率固定值，由此使得风机的转速调整至跟踪转速。
其中，主控单元100根据最大功率点跟踪曲线得到功率参考值，并将功率参考值输出到变流器控制单元200。变流器控制单元200根据该功率参考值重新输出另一开关指令至变流器300，控制变流器300的输出电流，将输出电流输出至双馈电机400。双馈电机400根据输出电流，调整其输出的电磁功率，使电磁功率值等于功率参考值，由此使得风机转速升至当前风速对应的稳态工作点下的风机转速。
作为本发明的一个实施例，所述根据所述风机的转速达到下限值时的风速与风轮角频率计算得到的功率固定值包括，根据如下公式计算λ：
其中，ω为风轮角频率，υ为风速，r为风轮半径；根据如下公式计算机械功率pm：
其中，cp(λ,β)为风能利用系数，是叶尖速比λ和桨距角β的函数，ρ为空气密度，s为风轮扫风面积；根据如下公式计算得到功率固定值p2，
p2＝pm-δp2(3)
其中，δp2为功率固定值增量，δp2＞0。
在本实施例中，通过采集到的风速与风机角频率，可以根据式(1)计算得到叶尖速比，再根据式(2)计算得到机械功率，为了提升风机转速，机械功率需大于风机的功率固定值。因此，根据式(3)在机械功率的基础上，减小相应的增量，由此可以得到风机的功率固定值。
作为本发明的一个实施例，所述跟踪转速为根据所述最大功率点跟踪曲线，所述功率固定值所对应的转速。
在本实施例中，根据mppt曲线，功率固定值在该曲线上有一对应的转速值，该转速值为跟踪转速。
作为本发明的一个实施例，所述系统还包括齿轮箱500，连接于风轮600与所述双馈电机400之间，用于匹配所述风轮600与所述双馈电机400的转速。
在本实施例中，齿轮箱500连接于风轮600(风机叶轮)与双馈电机400之间，用以匹配风轮600的低转速与双馈电机400的高转速。
作为本发明的一个实施例，所述变流器控制单元200还用于采集并网点频率，并将所述并网点频率发送至所述主控单元100。
在本实施例中，变流器控制单元200将采集到的并网点频率，输出至主控单元100，用于调频参考值计算，该频率参考值用于风机的调频阶段。
通过本发明的系统，采用改变风机输出功率的方式，大幅度改善了传统转速恢复方法带来的严重的频率二次跌落问题，在不增加设备成本的条件下，为风电虚拟同步机技术的进一步推广应用提供了有力的支持，由此达到成本低且易工程实现的解决了频率二次跌落问题。
如图6a与图6b所示为本发明实施例一种双馈风电虚拟同步机转速恢复方法的仿真图，图中仿真条件为风机占比为20％，施加4％系统容量的负荷扰动。图6a为转速恢复时的频率波形，图中包括现有技术中的mppt恢复方式，以及本发明中的恢复方法，在不同功率固定值情况下的频率波形。从图中可以看出，功率固定值选取为0.25pu、0.30pu及0.35pu，显然，功率固定值越高，对二次跌落的改善效果越好。需要注意的是，功率固定值的选取不得高于当前风机输入的机械功率，否则风机转速会持续下降。在满足上述要求的前提下，功率固定值应尽可能选取较大值，从而最大程度改善频率二次跌落问题。从图6a中还可以明显看出，本发明中的风机转速恢复方法，对于二次跌落改善的效果要远远好于现有技术中的mttp恢复方法。
图6b为转速恢复时的电磁功率波形，图中包括现有技术中的mppt恢复方式，以及本发明中的恢复方法，在不同功率固定值情况下的功率波形。与图6a中的规律一致，功率固定值越高，对功率跌落的改善效果越好。因此，从图6a及图6b中可以明显看出，本发明中的风机转速恢复方法，对于二次跌落及功率跌落改善的效果要远远好于现有技术中的mttp恢复方法。
通过本发明采用改变风机输出功率的方式，大幅度改善了传统转速恢复方法带来的严重的频率二次跌落问题，在不增加设备成本的条件下，为风电虚拟同步机技术的进一步推广应用提供了有力的支持，由此达到成本低且易工程实现的解决了频率二次跌落问题。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，比如rom/ram、磁碟、光盘等。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。