本发明涉及电网需求侧响应技术领域，尤其涉及一种基于变频空调负荷的电网调节方法，以提高电网转动惯量的控制策略。
背景技术：
随着越来越多的风力、光伏发电以及电动汽车接入，电网中电源以及负荷的随机性大大地提高，传统的调频调峰手段已经不能满足需求。与此同时，物联网技术以及智能家居技术的发展，赋予了电网与负荷双向通信的能力。因此，需求侧响应(demandsideresponse,dsr)被看作未来最有前景的调频手段之一。
在众多可控负荷中，空调负荷尤其是中央空调负荷参与调峰调频的潜力最大。首先，城市空调负荷用电量巨大，用电高峰期最高可能占到尖峰负荷的30％-40％；第二，封闭的建筑空间具有较强的储热储冷的能力，短时间内调节空调功率不会影响用户的舒适度；第三，空调负荷的响应速度主要取决于控制信号的传输，现有工程的测试结果表明其响应速度满足调频调峰的要求。
技术实现要素：
本发明提供一种基于变频空调负荷的电网调节方法，解决新能源接入电网后导致电网转动惯量不足的问题，利用电网需求侧响应优化变频空调负荷控制策略，能提高微电网转动惯量，降低负荷波动时交流频率的波动幅度。
为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：
一种基于变频空调负荷的电网调节方法，包括：
在变频空调控制器中建立虚拟同步电机的仿真数学模型；
根据所述仿真数学模型建立电网调节的虚拟惯性控制环节和下垂控制环节；
通过所述虚拟惯性控制环节得到压缩机转速变化量参考值δω；
通过所述下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ωref；
将所述压缩机转动角频率参考值ωref和所述压缩机转速变化量参考值δω之和输入到磁场定向控制器控制电机转动，以调节电网的频率。
优选的，还包括：
建立虚拟同步电机的信号模型，并得到各变频空调截止频率ωc；
获取虚拟同步电机的相角裕度pm，并根据所述相角裕度pm和变频空调截止频率ωc计算虚拟同步电机的转动惯量j；
根据所述相角裕度pm的取值范围得到虚拟同步电机的转动惯量j的最大值。
优选的，所述仿真数学模型为：
其中，△ωsg为虚拟同步电机角频率扰动量，△ωg为电网电压角频率扰动量，kd为下垂系数，ωn为额定转速，△δ为功角扰动量，△pg为功率扰动量。
优选的，所述通过所述虚拟惯性控制环节得到压缩机转速变化量参考值δω，包括：
获取电网电压ug，用微分法生成与电网电压正交的虚拟电压，构成αβ静止正交坐标系，以虚拟同步电机的虚拟电动势向量的相角θv进行派克变换，得到电网电压相对于vd、vq分量，则虚拟同步电机的功角δv为：
δv＝arctan(vq/vd)；
虚拟同步电机的虚拟功率pv为：
压缩机转速变化量参考值δω为：
其中，ug为电网电压，e为虚拟电动势，xa为虚拟电抗，n为常数，δpv为功耗变化量。
优选的，所述通过所述下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ωref，包括：
根据变频空调设定温度与室内温度获取变频空调定运行功率pn，并通过公式pd＝pn+kd(ωn-ωg)计算得到变频空调的稳态输出功率pd，其中，ωg为电网电压角频率，kd为电网下垂系数；
将实际测量得到的变频空调功率与所述变频空调的稳态输出功率pd之间的差值输入至pi控制器，得到压缩机转动角频率参考值ωref。
优选的，所述通过所述下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ωref，还包括：
设变频空调的功率范围为{0，pmax}，则在电网调频时，功率的可调节范围为pn±min{(pmax-pn),pn}，其中pmax为变频空调的最大功率；
在频率误差在0.3hz时，变频空调功率达到上限，通过以下公式计算得到电网下垂系数kd：
优选的，还包括：
通过公式
根据相角裕度pm的公式
优选的，所述将所述压缩机转动角频率参考值ωref和所述压缩机转速变化量参考值δω之和输入到磁场定向控制器控制电机转动，以调节电网的频率，包括：
采集两相电流ia，ib；
将两相电流ia，ib经过clarke变换后得到两轴正交电流量iα，iβ；
将正交电流量iα，iβ经过旋转变换后得到正交的电流量id、iq，其中iq与转矩有关，id与磁通有关；
将得到的id与iq分别输入到pi控制器，得到对应的输出vd和vq；
通过传感器得到电机转过的角度θ，并与vd、vq进行逆park变换，得到二轴电流量vα,vβ；
将vα,vβ进行clarke逆变换，得到需要的三相电压，并输给逆变电桥以驱动电机转动。
本发明提供一种基于变频空调负荷的电网调节方法，通过建立虚拟同步电机的仿真数学模型，在电网频率发生波动时，变频空调的输出功率能模拟同等容量的空载同步电机的输出功率及转速的变化过程。解决新能源接入电网后导致电网转动惯量不足的问题，能提高微电网转动惯量，降低负荷波动时交流频率的波动幅度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的具体实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1：本发明提供一种基于变频空调负荷的电网调节方法示意图；
图2：本发明实施例提供的基于虚拟电机的变频空调的控制结构图；
图3：本发明实施例提供的不同控制方法下单组变频空调总功率的仿真结果示意图；
图4：本发明实施例提供的不同控制方法下微电网频率的仿真结果示意图；
图5：为本发明提供的磁场定向控制器foc结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
针对当前新能源接入电网后导致电网转动惯量不足的问题，利用电网需求侧响应优化变频空调负荷控制策略，本发明提供一种基于变频空调负荷的电网调节方法，通过建立虚拟同步电机的仿真数学模型，在电网频率发生波动时，变频空调的输出功率能模拟同等容量的空载同步电机的输出功率及转速的变化过程。能提高微电网转动惯量，降低负荷波动时交流频率的波动幅度。
如图1所示，为本发明提供的一种基于变频空调负荷的电网调节方法示意图，该方法包括以下步骤：
s1：在变频空调控制器中建立虚拟同步电机的仿真数学模型。
s2：根据所述仿真数学模型建立变频空调的虚拟惯性控制环节和下垂控制环节。
s3：通过所述虚拟惯性控制环节得到压缩机转速变化量参考值δω。
s4：通过所述下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ωref。
s5：将所述压缩机转动角频率参考值ωref和所述压缩机转速变化量参考值δω之和输入到磁场定向控制器控制电机转动，以调节电网的频率。
进一步，还包括：
s6：建立虚拟同步电机的信号模型，并得到各变频空调截止频率ωc。
s7：获取虚拟同步电机的相角裕度pm，并根据所述相角裕度pm和变频空调截止频率ωc计算虚拟同步电机的转动惯量j。
s8：根据所述相角裕度pm的取值范围得到虚拟同步电机的转动惯量j的最大值。
具体地，如图2所示，为本发明提供的一种基于虚拟电机的变频空调控制结构示意图。在电网频率发生变化时，采集电网电压ug，将电网电压通过虚拟惯性控制环节得到压缩机转速变化量参考值δω，同时将电网电压通过下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ωref，然后将两者之和输至磁场定向控制器foc进行控制，以实现调节电网的频率，降低负荷波动时交流频率的波动幅度，提高电网的转动惯量。
进一步，所述仿真数学模型为：
其中，j为同步电机转动惯量；△ωsg为同步电机角频率扰动量；△ωg为电网电压角频率扰动量；kd为下垂系数；ωn为额定转速，△δ为功角扰动量，△pg为功率扰动量。
更进一步，所述通过所述虚拟惯性控制环节得到压缩机转速变化量参考值δω，包括：
获取电网电压ug，用微分法生成与电网电压正交的虚拟电压，构成αβ静止正交坐标系，以虚拟同步电机的虚拟电动势向量的相角θv进行派克变换，得到电网电压相对于vd、vq分量，则虚拟同步电机的功角δv为：
δv＝arctan(vq/vd)；
虚拟同步电机的虚拟功率pv为：
压缩机转速变化量参考值δω为：
其中，ug为电网电压，e为虚拟电动势，xa为虚拟电抗，n为常数，δpv为功耗变化量。
在实际应用中，配电网电压一般在0.95～1.05倍额定电压之间波动，同时由于pfc控制下变频空调功率因数固定约等于1.0，无法参与电网电压调节，e取固定值。因此，令常数kp＝uge/xa。
由于单相交流电功率为一个工频周期内的平均值，对功率的测量具有一定的滞后。考虑到变频空调输出功率可近似认为与压缩机转速呈线性关系，为了使变频空调功率快速跟踪虚拟惯量环节的参考功率，故取：
进一步，所述通过所述下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ωref，包括：
根据变频空调设定温度与室内温度获取变频空调定运行功率pn，并通过公式pd＝pn+kd(ωn-ωg)计算得到变频空调的稳态输出功率pd，其中，ωg为电网电压角频率，kd为电网下垂系数。
将实际测量得到的变频空调功率与所述变频空调的稳态输出功率pd之间的差值输入至pi控制器，得到压缩机转动角频率参考值ωref。
综上，将△ω与下垂控制环节求得的ωref叠加后，输入到磁场定向控制器foc进行电压调频。
所述通过所述下垂控制环节得到压缩机转动角频率参考值ωref，还包括：
设变频空调的功率范围为{0，pmax}，则在电网调频时，功率的可调节范围为pn±min{(pmax-pn),pn}，其中pmax为变频空调的最大功率；
在频率误差在0.3hz时，变频空调功率达到上限，通过以下公式计算得到电网下垂系数kd：
更进一步，建立虚拟同步电机的小信号模型，通过以下公式得到各变频空调截止频率表达式ωc：
根据以下相角裕度pm的表达式，在保留一定的相角裕度(30°～50°)时，计算得到转动惯量j的最大值；
其中，ωg为电网电压角频率，pmax为变频空调的最大功率，kp为常数，∠tp(ωc)为虚拟惯性环节的环路增益幅值。
具体地，在如图3所示，三相交流接入三组每组7台变频空调的系统进行验证，组成每组的变频空调运行点、下垂系数等参数相同。
假定每台变频空调的设定温度以及所处环境室温已知，求得各变频空调的额定运行点，如表1第二列所示，根据下垂系数kd的公式得到如表1第三列所示，由相角裕度pm求得各变频空调转动惯量，如表1第四列所示。表1如下所示：
表1一组中变频空调参数
在实际应用中，可在负荷波动时变频空调在普通下垂控制或在本申请方法进行控制，图3、图4为负荷波动时变频空调在普通下垂控制以及所提控制策略下系统动态过程的仿真结果。需要说明的是，图3和图4中图示的所提算法为基于虚拟同步电机的变频空调负荷控制。从图3可以看出，冲击负荷接入瞬间，相比于下垂控制所提控制策略下的变频空调功率下调速度更快，更迅速地降低了微电网的功率不平衡。由图4可知，应用所提控制策略以后，微电网频率跌落速率都得到了较大的减缓。
如图5所示，为本发明提供的磁场定向控制器foc结构示意图，所述磁场定向控制器foc的工作过程如下：
步骤1、首先采集两相电流ia，ib。
步骤2、经过clarke变换后得到两轴正交电流量iα，iβ。
步骤3、经过旋转变换后得到正交的电流量id、iq，其中iq与转矩有关，id与磁通有关。在实际控制中，常将id置为0。得到的这两个量不是时变的，因此可以单独的对这两个量进行控制，类似直流量控制一样。而不需要知道具体要给电机三相具体的电压为多少。
步骤4、将第3步中得到的id与iq量分别送进pi调节器，得到对应的输出vd和vq。
步骤5、通过传感器得到电机转过的角度。
步骤6、进行逆park变换，得到二轴电流量vα,vβ。
步骤7、对步骤6步中的vα,vβ进行clarke逆变换，得到实际需要的三相电压输入给逆变电桥，驱动电机转动。
可见，本发明提供一种基于变频空调负荷的电网调节方法，通过建立虚拟同步电机的仿真数学模型，在电网频率发生波动时，变频空调的输出功率能模拟同等容量的空载同步电机的输出功率及转速的变化过程。解决新能源接入电网后导致电网转动惯量不足的问题，能提高微电网转动惯量，降低负荷波动时交流频率的波动幅度。
以上依据图示所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。