双馈风力发电机组的控制方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种双馈风力发电机组的控制方法及系统，该方法包括以下步骤：根据有功功率和虚拟同步转速产生拖动转矩以实现调速器功能；根据风速和转子转速获得双馈风力发电机组在最大风功率输出时的转矩指令，进而实现双馈电机在稳态时的最大功率输出；根据无功功率和定子电压利用电压-无功下垂控制器产生励磁电流指令以实现励磁调节器功能；根据虚拟同步转速和励磁电流指令得到励磁电压同步旋转矢量；根据转子电流、转子电压和励磁电压同步旋转矢量控制转子变流器，以实现对双馈风力发电机组的控制。本发明的方法使双馈风机在不依赖于网侧锁相环的前提下，具备内禀性的频率和电压支撑能力，并且能减小风场机组集群对频率及电压稳定性的不利影响。
【专利说明】双馈风力发电机组的控制方法及系统
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电机控制及电力系统新能源发电【技术领域】，特别涉及一种双馈风力发电机组的控制方法及系统。
【背景技术】
[0002]大型电力系统中，常规同步发电机通过调速器和励磁调节器的控制，具备内禀的频率和电压支撑能力，同时同步发电机的转子惯量可提升电力系统的稳定性。近年来新能源发电的飞速发展，风能、太阳能等在电网中的渗透率逐渐增加，风电作为一种清洁、友好型能源已成为近年来发展最快的可再生能源之一。在各类风力发电机中，双馈风力发电机以其调速范围宽、可实现有功和无功功率的独立调节以及所需电力电子变流器容量小、成本低等优点，已成为当前市场的主流机型。
[0003]但是，当前风力发电机组的并网接口形式多样，控制策略复杂，使得机组的上网动态模型难以统一，而电力系统已有的成熟调控技术也无法应用。现有的并网型双馈风力发电机组基于交流励磁发电机的有功、无功与同步坐标轴系下d轴和q轴电流的解耦关系，实现机组的有功、无功控制。这种功率控制方式使得风力机组对电网表现出反负荷的接口特性，并且该接口特性缺乏惯量环节。在具有反负荷接口特性的风电场内，风电机组集群只能做电流源汇集，使电力系统的电压和频率的稳定性趋于恶化。同时，为了实现发电机稳态运行时的功率解耦控制，常采用基于动态同步坐标轴系建立双馈电机的控制方程，由于该同步坐标系的d轴固定在大电网的电压向量上，电机模型的控制需要基于锁相环跟踪电网，从而使得双馈机组对外表现为非自治发电单元，即不具有内禀性的频率和电压支撑能力。目前，针对新能源渗入率较高的微网系统，不少国家已经开始对其频率响应及电压支撑提出一定要求，研究认为通过虚拟同步机控制方式并网的电力电子装置具有较强的频率、电压自治能力。
[0004]目前已有部分研究开始将双馈风力发电机组进行同步化改造，但现有技术仍存在下述问题:大部分基于虚拟同步发电机的改造通过在风电场交流侧配置储能，实现风场对大电网体现出同步发电机的接口特性，但储能设备不仅提高了并网成本，而且降低了系统可靠性。部分研究虽然提出了双馈机的虚拟惯量和频率支撑的概念，但其惯量的体现及频率支撑的外特性需要依赖于电网频率甚至频率变化率，其不具有内禀的频率特性，不能脱离电网运行，且容易受锁相环影响引起运行不稳定。少量研究提出了双馈感应发电机内频率同步方法，但其未采用转子磁通定向的双馈电机模型，从控制模型角度看，未将励磁电流与同步转速独立解析；其通过滑差频率积分获得实际转子励磁相角，未能体现实际同步机调速器的功能以及虚拟同步轴系的惯量；且其未考虑风力机组在不同风速下最大输出功率的限制，所以仍不属于完整的风力机组虚拟同步化控制。
【发明内容】
[0005]本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
[0006]为此，本发明的一个目的在于提出一种双馈风力发电机组的控制方法，该方法使双馈风机在不依赖于网侧锁相环的前提下，具备内禀性的频率和电压支撑能力，并且能减小风场机组集群对频率及电压稳定性的不利影响。
[0007]本发明的第二个目的在于提供一种双馈风力发电机组的控制系统。
[0008]为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种双馈风力发电机组的控制方法，包括以下步骤:获取双馈风力发电机组的有功功率、无功功率、定子电压、定子电流、转子电压、转子电流、转子转速和风速；根据所述有功功率和虚拟同步转速产生拖动转矩以实现调速器功能，其中，所述虚拟同步转速为所述拖动转矩与电磁转矩的差值通过一次积分而得到，其中，积分系数为虚拟同步轴系的惯量；根据所述风速和转子转速获得所述双馈风力发电机组在最大风功率输出时的转矩指令，并根据所述转矩指令实现双馈电机在稳态时的最大功率输出；根据所述无功功率和定子电压利用电压-无功下垂控制器产生励磁电流指令以实现励磁调节器功能；根据所述虚拟同步转速和励磁电流指令得到励磁电压同步旋转矢量；根据所述转子电流、转子电压和所述励磁电压同步旋转矢量控制转子变流器，从而实现对所述双馈风力发电机组的控制。
[0009]根据本发明实施例的双馈风力发电机组的控制方法，不依赖于网侧锁相环，具有内禀的频率、电压支撑能力；在考虑风机最大功率输出特性的前提下，实现了虚拟同步转轴的转动惯量以及类似实际同步机的调速器、励磁器的功能。其不仅可以将风电机组的上网动态模型统一为标准的同步电源模型，在风能渗透率较高的电力系统中，也能减小风场机组集群对频率及电压稳定性的不利影响。
[0010]另外，根据本发明上述实施例的双馈风力发电机组的控制方法还可以具有如下附加的技术特征:
[0011]在一些示例中，所述双馈风力发电机组包括:风力机、齿轮箱、双馈电机、变压器、转子侧变流器和网侧变流器，其中，所述风力机通过所述齿轮箱与所述双馈电机的转子相连，所述双馈电机的定子通过所述变压器与电网耦合，所述双馈电机的定子与转子之间通过所述转子变流器和网侧变流器与所述变压器相连。
[0012]在一些示例中，根据所述定子电压和定子电流计算得到所述双馈风力发电机组的有功功率和无功功率。
[0013]在一些示例中，所述根据所述有功功率和虚拟同步转速产生拖动转矩以实现调速器功能，进一步包括:根据所述有功功率和虚拟同步转速在设定的频率-有功下垂线上查找拖动功率指令，并根据所述拖动功率指令计算得到所述拖动转矩。
[0014]在一些示例中，所述在最大风功率输出时的转矩指令为频率-有功下垂线的斜率的调节信号，并且，当所述虚拟同步转速跌落较大时，下垂系数的变化率较小。
[0015]本发明第二方面的实施例还提供了一种双馈风力发电机组的控制系统，包括:第一获取模块，所述第一获取模块用于获取双馈风力发电机组的有功功率、无功功率、定子电压、定子电流、转子电压、转子电流、转子转速和风速；调速器调节模块，所述调速器调节模块用于根据所述有功功率和虚拟同步转速产生拖动转矩以实现调速器功能，其中，所述虚拟同步转速为所述拖动转矩与电磁转矩的差值通过一次积分而得到，其中，积分系数为虚拟同步轴系的惯量；第二获取模块，所述第二获取模块用于根据所述风速和转子转速获得所述双馈风力发电机组在最大风功率输出时的转矩指令，并根据所述转矩指令实现双馈电机在稳态时的最大功率输出；励磁调节器调节模块，所述励磁调节器调节模块用于根据所述无功功率和定子电压利用电压-无功下垂控制器产生励磁电流指令以实现励磁调节器功能；第三获取模块，所述第三获取模块用于根据所述虚拟同步转速和励磁电流指令得到励磁电压同步旋转矢量；控制模块，所述控制模块用于根据所述转子电流、转子电压和所述励磁电压同步旋转矢量控制转子变流器，从而实现对所述双馈风力发电机组的控制。
[0016]根据本发明实施例的双馈风力发电机组的控制系统，不依赖于网侧锁相环，具有内禀的频率、电压支撑能力；在考虑风机最大功率输出特性的前提下，实现了虚拟同步转轴的转动惯量以及类似实际同步机的调速器、励磁器的功能。其不仅可以将风电机组的上网动态模型统一为标准的同步电源模型，在风能渗透率较高的电力系统中，也能减小风场机组集群对频率及电压稳定性的不利影响。
[0017]另外，根据本发明上述实施例的双馈风力发电机组的控制系统还可以具有如下附加的技术特征:
[0018]在一些示例中，所述双馈风力发电机组包括:风力机、齿轮箱、双馈电机、变压器、转子侧变流器和网侧变流器，其中，所述风力机通过所述齿轮箱与所述双馈电机的转子相连，所述双馈电机的定子通过所述变压器与电网耦合，所述双馈电机的定子与转子之间通过所述转子变流器和网侧变流器与所述变压器相连。
[0019]在一些示例中，所述第一获取模块根据所述定子电压和定子电流计算得到所述双馈风力发电机组的有功功率和无功功率。
[0020]在一些示例中，所述调速器调节模块用于根据所述有功功率和虚拟同步转速在设定的频率-有功下垂线上查找拖动功率指令，并根据所述拖动功率指令计算得到所述拖动转矩。
[0021 ] 在一些示例中，所述在最大风功率输出时的转矩指令为频率-有功下垂线的斜率的调节信号，并且，当所述虚拟同步转速跌落较大时，下垂系数的变化率较小。
[0022]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0024]图1是根据本发明一个实施例的双馈风力发电机组的控制方法的流程图；
[0025]图2是根据本发明一个实施例的双馈风力发电机组的虚拟同步化控制基本框图；以及
[0026]图3是根据本发明一个实施例的双馈风力发电机组的主电路结构框图；
[0027]图4是根据本发明一个实施例的双馈风力发电机组的转子变流器控制结构图；以及
[0028]图5是根据本发明一个实施例的双馈风力发电机组的控制系统的结构框图。
【具体实施方式】
[0029]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0030]以下结合附图描述根据本发明实施例的双馈风力发电机组的控制方法及系统。
[0031]图1是根据本发明一个实施例的双馈风力发电机组的控制方法的流程图。如图1所示，根据本发明一个实施例的双馈风力发电机组的控制方法，包括以下步骤:
[0032]步骤S101，获取双馈风力发电机组的有功功率、无功功率、定子电压、定子电流、转子电压、转子电流、转子转速和风速。
[0033]在具体的实施例中，例如:用一组电压、电流传感器采样双馈风机并网处的电压信号和电流信号，也即定子电压和定子电流；用另外一组电压、电流传感器采样双馈风机转子变流器输出的电压信号和电流信号，也即转子电压和转子电流；用转速测量装置采样双馈电机的转子转速；用风速风向仪采样当前风速信号。
[0034]其中，在本发明的一个实施例中，在采样得到定子电压和定子电流之后，根据该定子电压和定子电流即可计算得到双馈风力发电机组实际输出的有功功率和无功功率。另外，也可得到定子电压有效值。
[0035]另外，在本发明的一个实施例中，双馈风力发电机组包括:风力机、齿轮箱、双馈电机、变压器、转子变流器和网侧变流器，其中，风力机通过齿轮箱与双馈电机的转子相连，双馈电机的定子通过变压器与电网耦合，双馈电机的定子与转子之间通过转子变流器和网侧变流器与变压器相连。
[0036]步骤S102，根据有功功率和虚拟同步转速(也即虚拟同步轴反馈得到的频率值)产生拖动转矩以实现调速器功能。更为具体地，根据有功功率和虚拟同步转速在设定的频率-有功下垂线上查找拖动功率指令，并根据拖动功率指令计算得到拖动转矩，进而实现调速器功能。其中，虚拟同步转速为拖动转矩与电磁转矩的差值通过一次积分而得到，其中，积分系数为虚拟同步轴系的惯量。
[0037]步骤S103，根据风速和转子转速获得双馈风力发电机组在最大风功率输出时的转矩指令，并根据转矩指令实现双馈电机在稳态时的最大功率输出。其中，在一些示例中，在最大风功率输出时的转矩指令为频率-有功功率下垂线的斜率(也即频率-有功功率下垂控制器的下垂系数)的调节信号，通过改变下垂系数，实现双馈风力发电机组在稳态时的最大功率输出。并且，在一些示例中，当虚拟同步转速跌落较大时，下垂系数的变化率较小。
[0038]步骤S104，根据无功功率和定子电压利用电压-无功下垂控制器产生励磁电流指令以实现励磁调节器功能。
[0039]步骤S105，根据虚拟同步转速和励磁电流指令得到励磁电压同步旋转矢量。具体地说，将虚拟同步转速和励磁电流指令合成即可得到励磁电压同步旋转矢量。
[0040]步骤S106，根据转子电流、转子电压和励磁电压同步旋转矢量控制转子变流器，从而实现对双馈风力发电机组的控制。具体地说，如图2所示，将双馈风力发电机组的转子变流器的电压信号及电流信号与励磁电压同步旋转矢量经过转子磁通定向的双馈电机模型调制后，输出转子变流器的电压指令，并通过载波调制后得到开关信号控制转子变流器，进而实现双馈风机的虚拟同步化控制。
[0041]作为具体的例子，以下结合图2至图3对本发明实施例的双馈风力发电机组的控制方法进行示例性描述。
[0042]具体而言，如图2所示，在调速器模型中，包括第一至第三输入端，以及第一和第二输出端。第一输入端用于接收虚拟同步轴的转速(频率)信号，第二输入端用于接收当前输出的有功功率，第三输入端用于接收当前最大风功率输出时的转矩指令信号，第一输出端为拖动转矩值，第二输出端为电磁转矩值。调速器模型根据上述的输入信号在设定的频率-有功下垂线上查找当前的拖动功率指令，并进一步计算输出转矩值。
[0043]如图2中的励磁调机器模型，其第一输入端用于接收双馈风机(双馈风力发电机组)并网处的定子电压有效值信号，第二输入端用于接收当前输出的无功功率，输出端输出励磁电流指令值。该励磁调节器根据上述的输入信号在设定的电压-无功下垂线上查找当前的无功功率指令，并进一步计算励磁电流指令值。
[0044]如图2所示，在最大功率跟踪模块输入调速器后，可实现双馈风力发电机组的可变下垂控制模型。具体地说，通过采样当前风速与双馈电机的转子转速，计算最大风功率输出时的电磁转矩指令，该指令作为所述频率-有功下垂线的斜率的调节信号，从而可改变调速器模型的第二输出端拖动转矩的输出值。该可变下垂控制模型可实现双馈风机稳态时的最大风功率输出。更进一步地，在虚拟同步轴的同步转速跌落较大时，下垂系数的变化率较小，从而释放双馈电机的转子动能支撑电网频率，当转子转速跌落至下限或当电网中其余并联机组响应了频率变化后，下垂系数的变化率变大，使得双馈风机恢复最大功率输出状态。
[0045]进一步地，在图2中，虚拟同步轴系的第一输入端为调速器的第一输出端拖动转矩，虚拟同步轴系的第二输入端为调速器的第二输出端电磁转矩，拖动转矩与电磁转矩之差通过积分得到虚拟同步转子加速度，转矩之差的积分系数即为虚拟惯量，转子加速度再经过一次积分得到虚拟同步转速。因此，该虚拟同步轴系实现了双馈风力发电机组的频率内禀性，可以在不依赖于电网频率信息的前提下实现对系统的频率支撑。
[0046]另外，如图2所示，对于转子磁通定向同步旋转坐标系下的双馈风力发电机模型。同步旋转坐标系将双馈电机定子、转子的电磁关系变换至同一旋转速度的坐标系下，此旋转速度为虚拟同步轴系的转速；将同步旋转坐标系的方向定于转子磁通上，超前转子磁通90°方向上的电压矢量为定子反电势。在转子磁通定向同步旋转坐标系下列写的双馈电机模型，可以按虚拟同步机方式，根据同步转速和励磁电流指令，实现双馈电机频率和定子端电压的控制。
[0047]如图3所示，为双馈风力发电机组的主电路结构图。其中，风力机主轴通过齿轮箱与双馈电机的转子相连接；双馈电机定子输出端通过三相变压器耦合与电网相连接；双馈电机的定子与转子之间还通过网侧变流器、直流母线电容、转子侧变流器相连接。更进一步地，定子电压、定子电流信号可通过传感器从图3中的双馈电机定子侧采样得到；而转子电压、转子电流信号可通过传感器从图3中的双馈电机转子侧采样得到；转子转速信号通过双馈风机转子上的测量装置得到；当前风速信号通过风力机上的风速风向测量仪得到。具体地说，本发明实施例的方法中的虚拟同步化控制主要通过图3中的转子侧变流器实现。
[0048]图4所示为双馈风力发电机组的转子变流器控制结构，主要包括三大部分:(I)机械轴模型；(2)调速器控制模型；(3)励磁调节器控制模型。【具体实施方式】如下:
[0049]如图4所示，风机输入功率(101)除以转子转速(102)得到实际转子驱动转矩(103)，实际转子驱动转矩(103)减去电磁转矩(210)后通过实际转子轴系(105)得到转子加速度(106)，再经过积分后得到转子转速(102)。在该示例中，由于机械轴模型是实际存在，所以对于控制系统，仅需测量转子实际转速信号。
[0050]进一步地，从虚拟同步轴输出端得到的虚拟同步转速(201)除以2π得到内禀频率(202)，再依据由频率基值(203)和有功下垂系数(204)设定好的频率-有功下垂线(214)查找拖动功率指令(205)，然后拖动功率指令(205)除以虚拟同步转速(201)得到拖动转矩指令(206);输出的有功功率(209)除以转子转速(102)得到电磁功率(210);拖动转矩(206)与电磁转矩(210)作用在虚拟同步轴系(207)上得到虚拟同步转子加速度，再经过积分后得到虚拟同步转速(201)，再经过积分后可得到虚拟同步相角(208)。
[0051]另外，依据检测得到的定子端电压有效值(301)，在由电压基值(302)和无功下垂系数(303)设定好的电压-无功下垂线(307)上查找无功功率指令(304)，该指令与实际输出的无功功率(305)经过PI调节器后，得到励磁电流幅值(306)。
[0052]最后，虚拟同步转速(201)与转子转速(102)之差为转差转速(106)，虚拟同步相角(208)与励磁电流幅值(306)通过幅值相角合成器(212)生成励磁电压矢量(213);转差转速(106)和励磁电压(213)即作为转子变流器的参考信号，经过载波比较产生开关控制信号，作用于变流器的开关管，进而实现虚拟同步化控制。
[0053]进而，通过上述的步骤，使得双馈风机不依赖于网侧锁相环，具备内禀的频率和电压支撑能力。并且在控制模型中体现出虚拟同步轴系以及同步轴虚拟惯量的特征，并可以完全效仿同步电机的调速器和励磁调节器功能。同时，上述过程考虑了风能的有限性，使得双馈风机稳态输出功率跟踪当前最大风功率。
[0054]根据本发明实施例的双馈风力发电机组的控制方法，不依赖于网侧锁相环，具有内禀的频率、电压支撑能力；在考虑风机最大功率输出特性的前提下，实现了虚拟同步转轴的转动惯量以及类似实际同步机的调速器、励磁器的功能。其不仅可以将风电机组的上网动态模型统一为标准的同步电源模型，在风能渗透率较高的电力系统中，也能减小风场机组集群对频率及电压稳定性的不利影响。
[0055]本发明第二方面的实施例还提供了一种双馈风力发电机组的控制系统。如图5所不，根据本发明一个实施例的双馈风力发电机组的控制系统500,包括:第一获取模块510、调速器调节模块520、第二获取模块530、励磁调节器调节模块540、第三获取模块550和控制模块560。
[0056]其中，第一获取模块510用于获取双馈风力发电机组的有功功率、无功功率、定子电压、定子电流、转子电压、转子电流、转子转速和风速。
[0057]在具体的实施例中，例如:用一组电压、电流传感器采样双馈风机并网处的电压信号和电流信号，也即定子电压和定子电流；用另外一组电压、电流传感器采样双馈风机转子变流器输出的电压信号和电流信号，也即转子电压和转子电流；用转速测量装置采样双馈电机的转子转速；用风速风向仪采样当前风速信号。
[0058]更为具体地，在一些示例中，第一获取模块510根据定子电压和定子电流计算得到双馈风力发电机组的有功功率和无功功率。换言之，即在采样得到定子电压和定子电流之后，根据该定子电压和定子电流即可计算得到双馈风力发电机组实际输出的有功功率和无功功率。另外，也可得到定子电压有效值。
[0059]另外，在本发明的一个实施例中，双馈风力发电机组包括:风力机、齿轮箱、双馈电机、变压器、转子侧变流器和网侧变流器，其中，风力机通过齿轮箱与双馈电机的转子相连，双馈电机的定子通过变压器与电网耦合，双馈电机的定子与转子之间通过转子变流器和网侧变流器与变压器相连。
[0060]调速器调节模块520用于根据有功功率和虚拟同步转速产生拖动转矩以实现调速器功能。更为具体地，在一些示例中，调速器调节模块520用于根据有功功率和虚拟同步转速在设定的频率-有功下垂线上查找拖动功率指令，并根据拖动功率指令计算得到拖动转矩，进而实现调速器功能。其中，虚拟同步转速为拖动转矩与电磁转矩的差值通过一次积分而得到，其中，积分系数为虚拟同步轴系的惯量。
[0061]第二获取模块530用于根据风速和转子转速获得双馈风力发电机组在最大风功率输出时的转矩指令，并根据转矩指令实现双馈电机在稳态时的最大功率输出。其中，在一些示例中，在最大风功率输出时的转矩指令为频率-有功功率下垂线的斜率(也即频率-有功功率下垂控制器的下垂系数)的调节信号，通过改变下垂系数，实现双馈风力发电机组在稳态时的最大功率输出。并且，在一些示例中，当虚拟同步转速跌落较大时，下垂系数的变化率较小。
[0062]励磁调节器调节模块540用于根据无功功率和定子电压利用电压-无功下垂控制器产生励磁电流指令以实现励磁调节器功能。
[0063]第三获取模块550用于根据虚拟同步转速和励磁电流指令得到励磁电压同步旋转矢量。具体地说，将虚拟同步转速和励磁电流指令合成即可得到励磁电压同步旋转矢量。
[0064]控制模块560用于根据转子电流、转子电压和励磁电压同步旋转矢量控制转子变流器，从而实现对双馈风力发电机组的控制。具体地说，如图2所示，将双馈风力发电机组的转子变流器的电压信号及电流信号与励磁电压同步旋转矢量经过转子磁通定向的双馈电机模型调制后，输出转子变流器的电压指令，并通过载波调制后得到开关信号控制转子变流器，进而实现双馈风机的虚拟同步化控制。
[0065]以下结合图1，以一个具体例子来说明该控制系统500所涉及到的各部件的端口连接关系。
[0066]如图1所示，定子电压、电流检测模块的输入端与双馈风机的定子连接，有功、无功检测模块的输入端与双馈风机的定子连接，转子电压、电流检测模块的输入端与双馈风机的转子连接，转子转速检测模块的输入端与双馈风机的转子连接；内禀频率检测模块的输入端与虚拟同步轴的输出端相连；调速器模块的三个输入端分别与有功检测模块的输出端、内禀频率检测模块的输出端和最大功率跟踪模块的输出端相连，调速器模块的输出端与虚拟同步轴的输入端相连；励磁器模块的两个输入端分别与定子端电压检测模块的输出端和无功检测模块的输出端相连；虚拟同步轴的输出端、励磁器的输出端、经过坐标变换的转子转速检测模块及定转子电压电流检测模块的输出端与转子磁通定向的双馈电机模型的输入端相连；转子磁通定向的双馈电机模型的输出端经坐标变换后与转子变流器控制信号输入端相连。
[0067]对本发明实施例的双馈风力发电机组的控制系统500的具体示例性描述参见前述对控制方法的示例性描述部分，为减少冗余，此处不再赘述。
[0068]根据本发明实施例的双馈风力发电机组的控制系统，不依赖于网侧锁相环，具有内禀的频率、电压支撑能力；在考虑风机最大功率输出特性的前提下，实现了虚拟同步转轴的转动惯量以及类似实际同步机的调速器、励磁器的功能。其不仅可以将风电机组的上网动态模型统一为标准的同步电源模型，在风能渗透率较高的电力系统中，也能减小风场机组集群对频率及电压稳定性的不利影响。
[0069]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0070]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0071]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0072]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0073]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0074]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【权利要求】
1.一种双馈风力发电机组的控制方法，其特征在于，包括以下步骤: 获取双馈风力发电机组的有功功率、无功功率、定子电压、定子电流、转子电压、转子电流、转子转速和风速； 根据所述有功功率和虚拟同步转速产生拖动转矩以实现调速器功能，其中，所述虚拟同步转速为所述拖动转矩与电磁转矩的差值通过一次积分而得到，其中，积分系数为虚拟同步轴系的惯量； 根据所述风速和转子转速获得所述双馈风力发电机组在最大风功率输出时的转矩指令，并根据所述转矩指令实现双馈电机在稳态时的最大功率输出； 根据所述无功功率和定子电压利用电压-无功下垂控制器产生励磁电流指令以实现励磁调节器功能； 根据所述虚拟同步转速和励磁电流指令得到励磁电压同步旋转矢量； 根据所述转子电流、转子电压和所述励磁电压同步旋转矢量控制转子变流器，从而实现对所述双馈风力发电机组的控制。
2.根据权利要求1所述的双馈风力发电机组的控制方法，其特征在于，所述双馈风力发电机组包括:风力机、齿轮箱、双馈电机、变压器、转子侧变流器和网侧变流器，其中，所述风力机通过所述齿轮箱与所述双馈电机的转子相连，所述双馈电机的定子通过所述变压器与电网耦合，所述双馈电机的定子与转子之间通过所述转子变流器和网侧变流器与所述变压器相连。
3.根据权利要求1所述的双馈风力发电机组的控制方法，其特征在于，根据所述定子电压和定子电流计算得到所述双馈风力发电机组的有功功率和无功功率。
4.根据权利要求1所述的双馈风力发电机组的控制方法，其特征在于，所述根据所述有功功率和虚拟同步转速产生拖动转矩以实现调速器功能，进一步包括: 根据所述有功功率和虚拟同步转速在设定的频率-有功下垂线上查找拖动功率指令，并根据所述拖动功率指令计算得到所述拖动转矩。
5.根据权利要求1所述的双馈风力发电机组的控制方法，其特征在于，所述在最大风功率输出时的转矩指令为频率-有功下垂线的斜率的调节信号，并且，当所述虚拟同步转速跌落较大时，下垂系数的变化率较小。
6.一种双馈风力发电机组的控制系统，其特征在于，包括: 第一获取模块，所述第一获取模块用于获取双馈风力发电机组的有功功率、无功功率、定子电压、定子电流、转子电压、转子电流、转子转速和风速； 调速器调节模块，所述调速器调节模块用于根据所述有功功率和虚拟同步转速产生拖动转矩以实现调速器功能，其中，所述虚拟同步转速为所述拖动转矩与电磁转矩的差值通过一次积分而得到，其中，积分系数为虚拟同步轴系的惯量； 第二获取模块，所述第二获取模块用于根据所述风速和转子转速获得所述双馈风力发电机组在最大风功率输出时的转矩指令，并根据所述转矩指令实现双馈电机在稳态时的最大功率输出； 励磁调节器调节模块，所述励磁调节器调节模块用于根据所述无功功率和定子电压利用电压-无功下垂控制器产生励磁电流指令以实现励磁调节器功能； 第三获取模块，所述第三获取模块用于根据所述虚拟同步转速和励磁电流指令得到励磁电压同步旋转矢量； 控制模块，所述控制模块用于根据所述转子电流、转子电压和所述励磁电压同步旋转矢量控制转子变流器，从而实现对所述双馈风力发电机组的控制。
7.根据权利要求6所述的双馈风力发电机组的控制系统，其特征在于，所述双馈风力发电机组包括:风力机、齿轮箱、双馈电机、变压器、转子侧变流器和网侧变流器，其中，所述风力机通过所述齿轮箱与所述双馈电机的转子相连，所述双馈电机的定子通过所述变压器与电网耦合，所述双馈电机的定子与转子之间通过所述转子变流器和网侧变流器与所述变压器相连。
8.根据权利要求6所述的双馈风力发电机组的控制系统，其特征在于，所述第一获取模块根据所述定子电压和定子电流计算得到所述双馈风力发电机组的有功功率和无功功率。
9.根据权利要求6所述的双馈风力发电机组的控制系统，其特征在于，所述调速器调节模块用于根据所述有功功率和虚拟同步转速在设定的频率-有功下垂线上查找拖动功率指令，并根据所述拖动功率指令计算得到所述拖动转矩。
10.根据权利要求6所述的双馈风力发电机组的控制系统，其特征在于，所述在最大风功率输出时的转矩指令为频率-有功下垂线的斜率的调节信号，并且，当所述虚拟同步转速跌落较大时，下垂系数的变化率较小。
【文档编号】H02J3/38GK104201711SQ201410380230
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月4日 优先权日:2014年8月4日
【发明者】柴建云, 孙旭东, 赵杨阳 申请人:清华大学