一种虚拟同步双馈风电机组等效惯量确定方法和系统与流程

本发明属于虚拟同步双馈风电机组机电尺度惯量特性分析领域，具体涉及一种虚拟同步双馈风电机组等效惯量确定方法和系统。

背景技术：

电力系统的频率由各并网发电机内电势的频率共同决定，电力系统的惯量也由各并网发电机内电势的惯量来决定。对于传统的同步发电机，其内电势的频率完全由转子频率来决定，主要受不平衡有功功率驱动，对电网表现出来的惯量即为转子的机械惯量。而对于双馈风电机组采用变流器控制，使得机械部分与电气部分解耦，对外无惯量特性，通过附加控制或采用虚拟同步控制后可以表现出惯量特性，这种特性不同于传统同步机自身惯量，双馈风电机组的惯量是通过改进控制实现的但现有的还存在双馈风电机组等效惯量的量化评估手段缺乏等问题。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种虚拟同步双馈风电机组等效惯量确定方法，包括：

获取虚拟同步双馈风电机组的机械惯量、控制参数和运行点相关参数；

在高频扰动和低频扰动下分别利用终值定理对预先建立的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算模型进行近似处理，得到高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算式；

将所述机械惯量、控制参数和运行点相关参数输入到所述高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算式，得到高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量。

优选的，所述低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算式如下：

b≈0

式中，b为低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量。

优选的，所述高频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量的计算式如下：

式中，c为高频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量，为运行点相关参数中的基于初始运行点的线性化转子转速系数，tj为控制参数中的虚拟惯性时间常数，d为控制参数中的阻尼系数，h为风电机组的转子机械惯量，ωr0为运行点相关参数中的初始运行点转子转速，ωb为控制参数中的额定角频率，为运行点相关参数中的输入机械功率对桨距角在初始运行点处的偏导，kpcom为控制参数中的控制桨距角的pi控制器的比例系数；

所述基于初始运行点的线性化转子转速系数的计算式如下：

式中，r为转子绕组的电阻；lr为转子绕组的电感。

优选的，所述虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算模型的计算式如下：

其中，a为虚拟同步双馈风电机组的等效惯量，为运行点相关参数中的基于初始运行点的线性化转子转速系数，tj为控制参数中的虚拟惯性时间常数，d为控制参数中的阻尼系数，kpv为控制参数中的控制转子转速的pi控制器的比例系数，kiv为控制参数中的控制转子转速的pi控制器的积分系数，ωb为控制参数中的额定角频率，g(s)为与初始运行点转子转速相关的第一函数，h(s)为与不平衡功率相关的第二函数，s为拉普拉斯算子。

优选的，所述与初始运行点转子转速相关的第一函数的计算式如下：

所述不平衡功率相关的第二函数的计算式如下：

式中，g(s)为与初始运行点转子转速相关的第一函数，h(s)为与不平衡功率相关的第二函数，s为拉普拉斯算子，kpcom为控制参数中的控制桨距角的pi控制器的比例系数；kicom为控制参数中的控制桨距角的pi控制器的积分系数，kpitch为控制参数中的桨距角控制参数，h为风电机组的转子机械惯量，ωr0为运行点相关参数中的初始运行点转子转速，为运行点相关参数中的输入机械功率对转子转速在初始运行点处的偏导，为运行点相关参数中的输入机械功率对桨距角在初始运行点处的偏导，a为低通滤波器功率系数，b为低通滤波器的常规系数，t为低通滤波器的时间常数，pe0为初始的虚拟同步双馈风电机组不平衡功率。

基于同一发明构思，本申请还提供了一种虚拟同步双馈风电机组等效惯量确定系统，包括：获取模块、计算处理模块和等效惯量模块；

所述获取模块，用于获取虚拟同步双馈风电机组的机械惯量、控制参数和运行点相关参数；

所述计算处理模块，用于在高频扰动和低频扰动下分别利用终值定理对预先建立的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算模型进行近似处理，得到高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算式；

所述等效惯量模块，用于将所述机械惯量、控制参数和运行点相关参数输入到所述高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算式，得到高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量。

优选的，所述低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算式如下：

b≈0

式中，b为低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量。

优选的，所述高频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量的计算式如下：

式中，c为高频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量，为运行点相关参数中的基于初始运行点的线性化转子转速系数，tj为控制参数中的虚拟惯性时间常数，d为控制参数中的阻尼系数，h为风电机组的转子机械惯量，ωr0为运行点相关参数中的初始运行点转子转速，ωb为控制参数中的额定角频率，为运行点相关参数中的输入机械功率对桨距角在初始运行点处的偏导，kpcom为控制参数中的控制桨距角的pi控制器的比例系数；

所述基于初始运行点的线性化转子转速系数的计算式如下：

式中，r为转子绕组的电阻；lr为转子绕组的电感。

优选的，所述虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算模型的计算式如下：

其中，a为虚拟同步双馈风电机组的等效惯量，为运行点相关参数中的基于初始运行点的线性化转子转速系数，tj为控制参数中的虚拟惯性时间常数，d为控制参数中的阻尼系数，kpv为控制参数中的控制转子转速的pi控制器的比例系数，kiv为控制参数中的控制转子转速的pi控制器的积分系数，ωb为控制参数中的额定角频率，g(s)为与初始运行点转子转速相关的第一函数，h(s)为与不平衡功率相关的第二函数，s为拉普拉斯算子。

优选的，所述与初始运行点转子转速相关的第一函数的计算式如下：

所述不平衡功率相关的第二函数的计算式如下：

式中，g(s)为与初始运行点转子转速相关的第一函数，h(s)为与不平衡功率相关的第二函数，s为拉普拉斯算子，kpcom为控制参数中的控制桨距角的pi控制器的比例系数；kicom为控制参数中的控制桨距角的pi控制器的积分系数，kpitch为控制参数中的桨距角控制参数，h为风电机组的转子机械惯量，ωr0为运行点相关参数中的初始运行点转子转速，为运行点相关参数中的输入机械功率对转子转速在初始运行点处的偏导，为运行点相关参数中的输入机械功率对桨距角在初始运行点处的偏导，a为低通滤波器功率系数，b为低通滤波器的常规系数，t为低通滤波器的时间常数，pe0为初始的虚拟同步双馈风电机组不平衡功率。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

本发明提供的一种虚拟同步双馈风电机组等效惯量确定方法和系统，包括：获取虚拟同步双馈风电机组的机械惯量、控制参数和运行点相关参数；在高频扰动和低频扰动下分别利用终值定理对预先建立的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算模型进行近似处理，得到高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算式；将所述机械惯量、控制参数和运行点相关参数输入到所述高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算式，得到高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量，本发明对不同的场景下的等效惯量进行分析，大大提高了虚拟同步双馈风电机组对电网表现出的惯量的准确性和全面性。

附图说明

图1是本发明提供一种虚拟同步双馈风电机组等效惯量确定方法的流程示意图；

图2是本发明提供的一种虚拟同步双馈风机小信号模型示意图；

图3是本发明提供的一种虚拟同步双馈风机运动方程模型示意图；

图4是本发明提供一种虚拟同步双馈风电机组等效惯量确定系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。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。

实施例1：

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明一种虚拟同步双馈风电机组等效惯量确定方法，包括：

步骤1：获取虚拟同步双馈风电机组的机械惯量、控制参数和运行点相关参数；

步骤2：在高频扰动和低频扰动下分别利用终值定理对预先建立的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算模型进行近似处理，得到高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算式；

步骤3：将所述机械惯量、控制参数和运行点相关参数输入到所述高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算式，得到高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量。

不同于同步发电机组惯量的自然属性，虚拟同步双馈风电机组，对电网表现出的惯量将不只由转子机械惯量决定，而是会受控制参数、运行点等多种因素的影响，传统的惯量分析方法已经不再适应，需要提出一种新的虚拟同步双馈风电机组惯量分析方法。本实施中首先基于虚拟同步双馈风电机组的运动方程模型简化表达式，推导等效惯量的表达式，然后分析了不同频率扰动对虚拟同步风电机组等效惯量的影响，充分体现了对虚拟同步双馈风电机组电网表现出的惯量将不只由转子机械惯量决定，而是会受控制参数、运行点等多种因素的影响。

其中，步骤1具体包括：在虚拟同步双馈风电机组中采集机械惯量、控制参数和运行点相关参数，这里的控制参数包括：虚拟惯性时间常数、阻尼系数、虚拟同步双馈风电机的额定角频率、桨距角补偿控制参数和转子绕组的电阻及电感；这里的运行点相关参数包括：输入机械功率对桨距角在初始运行点处的偏导、初始运行点转子转速和基于初始运行点的线性化转子转速系数。

步骤2具体包括：i、虚拟同步双馈风机运动方程等效建模，这里的建模也包括虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算模型。

i、虚拟同步双馈风机运动方程等效建模；

建立如图2所示虚拟同步双馈风机的小信号模型，该模型计及了虚拟同步双馈风机的不同运行工作区的控制，如图中虚线框所示。a1，a2，a3分别代表mppt区，恒转速区，恒功率区。

图2所示虚拟同步双馈风机小信号模型中附加阻尼控制环节在建模过程中引入了内电势和端电压之间的功角信息，而功角信息又由输出有功和无功功率以及内电势的幅值三个量通过有功和无功功率表达式间接表示，从而产生了不平衡无功功率到内电势频率的耦合支路。

考虑功角主要与有功功率相关，无功对功角的影响较小。此外，端电压的调节速度也远大于频率调节的速度，所以在分析机电尺度的惯量特性和频率过程时，无功支路对内电势频率的影响可以近似忽略不计，虚拟同步双馈风电机组的内电势频率动态仍可看做主要受不平衡有功功率驱动，类比同步机运动方程的形式，对上述模型进行变换，可以推得如图3所示的虚拟同步双馈风机运动方程模型，图中可以看到等效惯量，提取所述当前等效惯量，当前等效惯量的计算式如下：

式中，a为虚拟同步双馈风电机组的等效惯量，为运行点相关参数中的基于初始运行点的线性化转子转速系数，tj为控制参数中的虚拟惯性时间常数，d为控制参数中的阻尼系数，kpv为控制参数中的控制转子转速的pi控制器的比例系数，kiv为控制参数中的控制转子转速的pi控制器的积分系数，ωb为控制参数中的额定角频率，g(s)为与初始运行点转子转速相关的第一函数，h(s)为与不平衡功率相关的第二函数，s为拉普拉斯算子，r为转子绕组的电阻；lr为转子绕组的电感，kδpe为发电机功角对输出电磁功率在初始运行点处的偏导，deq(s)为等效阻尼，δ为虚拟同步双馈风电机组的功角，pe为虚拟同步双馈风电机组的输出电磁功率，将由转速变化和桨距角变化引起的输入机械功率的变化δpm1，δpm2与不平衡功率(δpin-δpe)的变化合并到一起，经过转子机械惯量驱动转子转速δωr的变化。其中，g(s)和h(s)具体表达式如下：

式中，g(s)为与初始运行点转子转速相关的第一函数，h(s)为与不平衡功率相关的第二函数，s为拉普拉斯算子，kpcom为控制参数中的控制桨距角的pi控制器的比例系数；kicom为控制参数中的控制桨距角的pi控制器的积分系数，kpitch为控制参数中的桨距角控制参数，h为风电机组的转子机械惯量，ωr0为运行点相关参数中的初始运行点转子转速，为运行点相关参数中的输入机械功率对转子转速在初始运行点处的偏导，为运行点相关参数中的输入机械功率对桨距角在初始运行点处的偏导，pm为输入机械功率，β为桨距角，a为低通滤波器功率系数，b为低通滤波器的常规系数，t为低通滤波器的时间常数，pe0为初始的虚拟同步双馈风电机组不平衡功率。

根据上方计算式可知，双馈虚拟同步控制风机对电网表现出的惯量将不只由转子机械惯量决定，而是会受控制参数、运行点等多种因素的影响。

步骤3具体包括：ii。

ii、虚拟同步双馈风电机组惯量评估(这里的评估主要是在高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量)。

虚拟同步双馈风电机组等效惯量是一个与扰动频率、控制参数、初始运行点等因素均有关的传递函数。从频域的角度对虚拟同步控制双馈风电机组惯量进行分析，对于较低频率和较高频率的扰动，分别有如下近似：

式中，b为低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量。

式中，c为高频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量，为运行点相关参数中的基于初始运行点的线性化转子转速系数，tj为控制参数中的虚拟惯性时间常数，d为控制参数中的阻尼系数，h为风电机组的转子机械惯量，ωr0为运行点相关参数中的初始运行点转子转速，ωb为控制参数中的额定角频率，为运行点相关参数中的输入机械功率对桨距角在初始运行点处的偏导，kpcom为控制参数中的控制桨距角的pi控制器的比例系数。

由在高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量的计算式可知，对于较低频率的扰动，虚拟同步双馈风电机组的等效惯量大小近似于0；而对于较高频率的扰动，等效惯量大小趋近于一个常数，其数值受转子机械惯量、各控制参数以及初始运行点的影响；而在工频下虚拟同步双馈风电机组的等效惯量是一个与控制参数、初始运行点等因素均有关的数值。

实施例2：

基于同一发明构思，本发明还提供了一种虚拟同步双馈风电机组等效惯量确定系统，如图4所示，包括：获取模块、计算处理模块和等效惯量模块；

其中获取模块，用于获取虚拟同步双馈风电机组的机械惯量、控制参数和运行点相关参数；

其中计算处理模块，用于在高频扰动和低频扰动下分别利用终值定理对预先建立的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算模型进行近似处理，得到高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算式；

其中等效惯量模块，用于将所述机械惯量、控制参数和运行点相关参数输入到所述高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算式，得到高频扰动和低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量。

所述低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算式如下：

b≈0

式中，b为低频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量。

所述高频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量的计算式如下：

式中，c为高频扰动下的虚拟同步双馈风电机组等效惯量，为运行点相关参数中的基于初始运行点的线性化转子转速系数，tj为控制参数中的虚拟惯性时间常数，d为控制参数中的阻尼系数，h为风电机组的转子机械惯量，ωr0为运行点相关参数中的初始运行点转子转速，ωb为控制参数中的额定角频率，为运行点相关参数中的输入机械功率对桨距角在初始运行点处的偏导，kpcom为控制参数中的控制桨距角的pi控制器的比例系数；

所述基于初始运行点的线性化转子转速系数的计算式如下：

式中，r为转子绕组的电阻；lr为转子绕组的电感。

所述虚拟同步双馈风电机组等效惯量计算模型的计算式如下：

其中，a为虚拟同步双馈风电机组的等效惯量，为运行点相关参数中的基于初始运行点的线性化转子转速系数，tj为控制参数中的虚拟惯性时间常数，d为控制参数中的阻尼系数，kpv为控制参数中的控制转子转速的pi控制器的比例系数，kiv为控制参数中的控制转子转速的pi控制器的积分系数，ωb为控制参数中的额定角频率，g(s)为与初始运行点转子转速相关的第一函数，h(s)为与不平衡功率相关的第二函数，s为拉普拉斯算子。

所述与初始运行点转子转速相关的第一函数的计算式如下：

所述不平衡功率相关的第二函数的计算式如下：

式中，g(s)为与初始运行点转子转速相关的第一函数，h(s)为与不平衡功率相关的第二函数，s为拉普拉斯算子，kpcom为控制参数中的控制桨距角的pi控制器的比例系数；kicom为控制参数中的控制桨距角的pi控制器的积分系数，kpitch为控制参数中的桨距角控制参数，h为风电机组的转子机械惯量，ωr0为运行点相关参数中的初始运行点转子转速，为运行点相关参数中的输入机械功率对转子转速在初始运行点处的偏导，为运行点相关参数中的输入机械功率对桨距角在初始运行点处的偏导，a为低通滤波器功率系数，b为低通滤波器的常规系数，t为低通滤波器的时间常数，pe0为初始的虚拟同步双馈风电机组不平衡功率。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。