本發(fā)明涉及一種雙饋風(fēng)機虛擬慣量控制后的轉(zhuǎn)速恢復(fù)方法，屬于新能源發(fā)電中的控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電近年來在全球范圍內(nèi)得到了迅猛發(fā)展。隨著風(fēng)電滲透率的不斷提高，風(fēng)電的波動性、不確定性和低可控性對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有顯著的影響?，F(xiàn)在常用的雙饋風(fēng)機(Double-fedInductionGenerator,DFIG)通過電力電子變換器與電網(wǎng)相連，具有較高的風(fēng)能捕獲效率以及有功無功解耦控制能力，同時風(fēng)機可以變轉(zhuǎn)速運行，進(jìn)行最大功率跟蹤控制(Maximumpowerpointtracking,MPPT)，提高了風(fēng)能利用率。但在MPPT控制下，風(fēng)機機械系統(tǒng)與電磁系統(tǒng)解耦，失去了傳統(tǒng)同步機的慣性響應(yīng)能力，這將導(dǎo)致系統(tǒng)慣量大幅減小，發(fā)生功率擾動后系統(tǒng)頻率的變化率和偏移量增大，甚至超出限值，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。雖然雙饋風(fēng)機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率相互解耦，但是運行時其旋轉(zhuǎn)器件(葉片，傳動軸，發(fā)電機轉(zhuǎn)子等)儲存了可觀的動能，這點與傳統(tǒng)同步機組并無二致。若在風(fēng)機控制系統(tǒng)中加入附加功率控制環(huán)節(jié)，則可在系統(tǒng)頻率變化時釋放一定的旋轉(zhuǎn)動能給電網(wǎng)或者從電網(wǎng)吸收一定的電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動能，從而在短時間內(nèi)改變風(fēng)機有功出力，模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機組的慣性響應(yīng)以及一次調(diào)頻響應(yīng)，參與電力系統(tǒng)頻率控制。這種控制稱作雙饋風(fēng)機虛擬慣量控制。虛擬慣量控制下，若系統(tǒng)發(fā)生頻率跌落，風(fēng)機為了增加出力會釋放動能。虛擬慣量控制結(jié)束后，風(fēng)機轉(zhuǎn)速將低于MPPT控制所對應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，這將使得風(fēng)機輸出的機械功率減小。為了恢復(fù)到最優(yōu)轉(zhuǎn)速，風(fēng)機還需進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)控制。通過比例(P)或者比例積分(PI)控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)的方法簡單易行，但該方法參數(shù)難以調(diào)節(jié)，P參數(shù)和I參數(shù)太小轉(zhuǎn)速恢復(fù)太慢，P參數(shù)太大容易在開始轉(zhuǎn)速恢復(fù)的時刻引起風(fēng)機功率突然下降，I參數(shù)選擇過大，雖然不會引起風(fēng)機功率突然下降，但仍然會因為積分參數(shù)太大導(dǎo)致風(fēng)機功率下降過快，這都會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的二次跌落，不利于電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。由此可見，基于P或者PI控制器的轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略仍然存在缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提出一種雙饋風(fēng)機虛擬慣量控制后的轉(zhuǎn)速恢復(fù)方法，采用擴張狀態(tài)觀測器估計雙饋風(fēng)機的機械功率，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計加速功率曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)，可有效改善傳統(tǒng)基于比例或者比例積分控制器轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略參數(shù)難以調(diào)節(jié)、容易引起系統(tǒng)頻率二次跌落的問題。本發(fā)明提出的雙饋風(fēng)機虛擬慣量控制后的轉(zhuǎn)速恢復(fù)方法，包括如下步驟：(1)建立雙饋風(fēng)機的傳動鏈運動模型如下：其中，Hm為與雙饋風(fēng)機的葉片、輪轂、低速傳動軸、齒輪箱、高速傳動軸和發(fā)電機轉(zhuǎn)子等效的質(zhì)塊的慣性時間常數(shù)，D為質(zhì)塊的自阻尼系數(shù)，Hm和D均為由雙饋風(fēng)機廠商提供的雙饋風(fēng)機固有參數(shù)，ωw為雙饋風(fēng)機的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速(弧度/s)，Te為雙饋風(fēng)機的異步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，Tm為雙饋風(fēng)機的捕獲的機械轉(zhuǎn)矩；在上式的兩邊同時乘以ωw，得到雙饋風(fēng)機的傳動鏈運動模型的功率形式：其中，Pm是雙饋風(fēng)機捕獲的機械功率，Pe是雙饋風(fēng)機輸出的電磁功率，Dωw2是雙饋風(fēng)機傳動過程中機械功率的損耗，雙饋風(fēng)機捕獲的機械功率Pm為：Pm＝0.5ρCp(λ,β)πR2vw3上式中，ρ為空氣密度(kg/m3)；vw為風(fēng)速(m/s)；R為雙饋風(fēng)機的風(fēng)輪半徑(m)，πR2為雙饋風(fēng)機的葉片掃過的面積(m2)；Cp(λ,β)是雙饋風(fēng)機的風(fēng)能利用系數(shù)，可近似表達(dá)為其中λ為葉尖速比，是風(fēng)輪葉尖的線速度與風(fēng)速之比，ωw為雙饋風(fēng)機的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速(弧度/s)，a1～8是雙饋風(fēng)機風(fēng)能利用系數(shù)表達(dá)式中的參數(shù)，根據(jù)實際風(fēng)機風(fēng)能利用特性擬合得到，λi是計算過程中的中間變量，β為雙饋風(fēng)機葉片的槳距角；(2)將上述功率形式的雙饋風(fēng)機的傳動鏈運動模型改寫成一階標(biāo)準(zhǔn)形式如下:(3)上述步驟(2)的一階標(biāo)準(zhǔn)形式的雙饋風(fēng)機的傳動鏈運動模型在擴張狀態(tài)后改寫為如下形式：上式中，表示雙饋風(fēng)機的輸出機械功率PM的微分，令狀態(tài)擴張狀態(tài)z2＝PM/Hm，輸入u＝Pe，輸入系數(shù)b＝-1/Hm，構(gòu)造如下的擴張狀態(tài)觀測器如下：利用上述擴張狀態(tài)觀測器，計算得到雙饋風(fēng)機的輸出機械功率PM的估計值和雙饋風(fēng)機轉(zhuǎn)速平方的估計值其中，是機械功率估計值的微分值，是轉(zhuǎn)速平方估計值的微分值，α,δ,β01,β02分別為擴張狀態(tài)觀測器參數(shù)，其中，參數(shù)α取值為0.5，濾波因子取值范圍為控制器采樣時間的500-1500倍，數(shù)β01,β02的取值范圍分別為50-500和500-2000；D和Hm為雙饋風(fēng)機自身參數(shù)，由雙饋風(fēng)機生產(chǎn)廠家測定并提供，轉(zhuǎn)速ωw可由雙饋風(fēng)機角度編碼器測得，電磁功率Pe由功率儀測量得到；(4)根據(jù)上述雙饋風(fēng)機的輸出機械功率PM，利用下式計算得到雙饋風(fēng)機的加速功率：其中ωw為雙饋風(fēng)機轉(zhuǎn)速，ωw0為雙饋風(fēng)機需要恢復(fù)到的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，ωwrec為雙饋風(fēng)機虛擬慣量控制后開始恢復(fù)時的風(fēng)機轉(zhuǎn)速，ΔPC為設(shè)定的常數(shù)，取值范圍為(0.05-0.5)×雙饋風(fēng)機額定功率，f(T)為一個隨恢復(fù)時間T變化的常數(shù)；(5)根據(jù)上述雙饋風(fēng)機的加速功率和估計得到的機械功率，計算得到轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中雙饋風(fēng)機的電磁功率為實現(xiàn)虛擬慣量控制后轉(zhuǎn)速恢復(fù)。本發(fā)明提出的雙饋風(fēng)機虛擬慣量控制后的轉(zhuǎn)速恢復(fù)方法，其優(yōu)點是：1、本發(fā)明方法能實時估計風(fēng)機難以測量的捕獲和輸出的機械功率，并在此基礎(chǔ)上合理安排風(fēng)機加速功率，可以在雙饋風(fēng)機快速恢復(fù)轉(zhuǎn)速的同時避免電網(wǎng)中二次頻率跌落以及風(fēng)機恢復(fù)過慢等問題。2、本發(fā)明方法的控制過程簡單明確，僅需修改風(fēng)機參考功率指令即可實施。3、本發(fā)明方法中的擴張狀態(tài)觀測器，采用非線性結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強，對狀態(tài)的估計較為精確，對不同工況的適應(yīng)性強，無需調(diào)整參數(shù)，即可在大多數(shù)工況下取得較好的控制效果。附圖說明圖1為本發(fā)明方法中的加速功率梯形遞增函數(shù)f(T)。圖2為本發(fā)明方法的流程框圖。圖3為本發(fā)明方法的實施例中，簡單兩區(qū)域測試系統(tǒng)示意圖。圖4為實施例中系統(tǒng)頻率變化曲線。圖5為實施例中風(fēng)機轉(zhuǎn)速變化曲線。具體實施方式本發(fā)明提出的雙饋風(fēng)機虛擬慣量控制后的轉(zhuǎn)速恢復(fù)方法，其流程框圖如圖2所示，包括如下步驟：(1)建立雙饋風(fēng)機的傳動鏈運動模型如下：其中，Hm為與雙饋風(fēng)機的葉片、輪轂、低速傳動軸、齒輪箱、高速傳動軸和發(fā)電機轉(zhuǎn)子等效的質(zhì)塊的慣性時間常數(shù)，D為質(zhì)塊的自阻尼系數(shù)，Hm和D均為由雙饋風(fēng)機廠商提供的雙饋風(fēng)機固有參數(shù)，ωw為雙饋風(fēng)機的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速(弧度/s)，Te為雙饋風(fēng)機的異步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，Tm為雙饋風(fēng)機的捕獲的機械轉(zhuǎn)矩；在上式的兩邊同時乘以ωw，得到雙饋風(fēng)機的傳動鏈運動模型的功率形式：其中，Pm是雙饋風(fēng)機捕獲的機械功率，Pe是雙饋風(fēng)機輸出的電磁功率，是雙饋風(fēng)機傳動過程中機械功率的損耗，雙饋風(fēng)機捕獲的機械功率Pm為：Pm＝0.5ρCp(λ,β)πR2vw3上式中，ρ為空氣密度(kg/m3)；vw為風(fēng)速(m/s)；R為雙饋風(fēng)機的風(fēng)輪半徑(m)，πR2為雙饋風(fēng)機的葉片掃過的面積(m2)；Cp(λ,β)是雙饋風(fēng)機的風(fēng)能利用系數(shù)，可近似表達(dá)為其中λ為葉尖速比，是風(fēng)輪葉尖的線速度與風(fēng)速之比，ωw為雙饋風(fēng)機的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速(弧度/s)，a1～8是雙饋風(fēng)機風(fēng)能利用系數(shù)表達(dá)式中的參數(shù)，具體數(shù)值可以根據(jù)實際風(fēng)機風(fēng)能利用特性擬合得到，一組典型取值為0.5176,116.0,0.4,5.0,-21.0,0.0068,0.08,0.035，λi是計算過程中的中間變量，β為雙饋風(fēng)機葉片的槳距角；(2)將上述功率形式的雙饋風(fēng)機的傳動鏈運動模型改寫成一階標(biāo)準(zhǔn)形式如下:(3)擴張狀態(tài)觀測器是在一般觀測器的基礎(chǔ)上，將影響系統(tǒng)被控輸出的總擾動擴張成新的狀態(tài)變量，然后對系統(tǒng)狀態(tài)變量和總擾動進(jìn)行估計的一種非線性觀測器，其具體原理如下。對于如下非線性不確定一階系統(tǒng)：其中x是狀態(tài)變量，f(x,w(t))為未知函數(shù)，w(t)為未知外擾，u為控制輸入，b為控制輸入系數(shù)。如果對b可以準(zhǔn)確估計，則可令a(t)＝f(x,w(t))，表示系統(tǒng)的總擾動。對于上述一階非線性不確定系統(tǒng)，取新的狀態(tài)變量為：則新的狀態(tài)方程為：對于上式所示的系統(tǒng)，可以構(gòu)造出如下的擴張狀態(tài)觀測器：其中為狀態(tài)觀測量，β01,β02為擴張狀態(tài)觀測器的參數(shù)。函數(shù)fal(ε,α,δ)的表達(dá)式為：由于雙饋風(fēng)機的輸出機械功率PM等于雙饋風(fēng)機捕獲的機械功率減去傳動損耗的功率，即因此上述一階標(biāo)準(zhǔn)形式的雙饋風(fēng)機的傳動鏈運動模型在擴張狀態(tài)后改寫為如下形式：上式中，表示雙饋風(fēng)機的輸出機械功率PM的微分，令狀態(tài)擴張狀態(tài)(干擾)z2＝PM/Hm，輸入u＝Pe，輸入系數(shù)b＝-1/Hm，構(gòu)造如下的擴張狀態(tài)觀測器如下：利用上述擴張狀態(tài)觀測器，計算得到雙饋風(fēng)機的輸出機械功率PM的估計值和雙饋風(fēng)機轉(zhuǎn)速平方的估計值其中，是機械功率估計值的微分值，是轉(zhuǎn)速平方估計值的微分值，α,δ,β01,β02分別為擴張狀態(tài)觀測器參數(shù)，其中，參數(shù)α取值為0.5，濾波因子δ為比系統(tǒng)采樣時間稍大的數(shù)以加強濾波效果，具體數(shù)值可以根據(jù)實際實驗效果適當(dāng)調(diào)整，取值范圍為控制器采樣時間的500-1500倍，參數(shù)β01主要與狀態(tài)z1的估計效果有關(guān)，參數(shù)β02與擴張狀態(tài)z2的估計效果有關(guān)。參數(shù)β01,β02的取值越大，估計收斂的效果越好，但太大的值在實際系統(tǒng)中容易引起擴張狀態(tài)觀測器輸出的振蕩，參數(shù)β01,β02的取值范圍分別為50-500和500-2000，一種工程中實用的整定方法如下：先選擇參數(shù)使得系統(tǒng)穩(wěn)定(實際上在很大范圍內(nèi)參數(shù)都可以使系統(tǒng)穩(wěn)定)，然后再調(diào)整參數(shù)使得估計效果既快速又精確。在雙饋風(fēng)機虛擬慣量轉(zhuǎn)速恢復(fù)方法中，需要獲得參數(shù)D,Hm，狀態(tài)以及輸入Pe。其中D和Hm是都是雙饋風(fēng)機自身參數(shù)，同一型號的雙饋風(fēng)機應(yīng)當(dāng)這些參數(shù)基本一致，可由生產(chǎn)廠家測定并提供。轉(zhuǎn)速ωw可由角度編碼器測得，電磁功率Pe可由功率儀測量得到。(4)根據(jù)上述雙饋風(fēng)機的輸出機械功率PM，利用下式計算得到雙饋風(fēng)機的加速功率：其中ωw為雙饋風(fēng)機轉(zhuǎn)速，ωw0為雙饋風(fēng)機需要恢復(fù)到的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，ωwrec為雙饋風(fēng)機虛擬慣量控制后開始恢復(fù)時的風(fēng)機轉(zhuǎn)速，ΔPC為設(shè)定的常數(shù)，取值范圍為(0.05-0.5)×雙饋風(fēng)機額定功率，f(T)為一個隨恢復(fù)時間T變化的常數(shù)，(如圖1所示，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為f(T)的取值，設(shè)定m和T2的取值，使得m的取值范圍為-0.2到-0.05，T1為轉(zhuǎn)速恢復(fù)開始時刻，T2-T1的值取值范圍為15-45秒。此策略一方面通過梯形函數(shù)f(T)，使得在轉(zhuǎn)速恢復(fù)的最初階段，風(fēng)機有功出力不至于降得太低；另一方面，當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速ωw從ωwrec恢復(fù)到ωw0的過程中，系數(shù)(ωw0-ωw)/(ωw0-ωwrec)也逐漸減小到0。因此，相對采用比例或者比例積分(控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)的方法，這種轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略可以更好地避免轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程對系統(tǒng)頻率造成的不利影響。)。從圖1中可以看出，f(T)從小于0的數(shù)開始，這是為了進(jìn)一步減小開始轉(zhuǎn)速恢復(fù)時雙饋風(fēng)機有功出力的跌落。(5)根據(jù)上述雙饋風(fēng)機的加速功率和估計得到的機械功率，計算得到轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中雙饋風(fēng)機的電磁功率為實現(xiàn)虛擬慣量控制后轉(zhuǎn)速恢復(fù)。以下介紹本發(fā)明方法的一個實施例：實驗系統(tǒng)中電力系統(tǒng)模型采用簡化后的電力系統(tǒng)有功-頻率響應(yīng)模型，該模型中發(fā)電機方程采用二階搖擺方程，忽略發(fā)電機的電壓勵磁調(diào)節(jié)，保留完整的調(diào)速器模型；系統(tǒng)采用直流潮流模型。所有實驗中的擾動均為在母線1增加0.1p.u.的負(fù)荷。電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示、參數(shù)以及擾動參數(shù)如表1所示。具體實施本發(fā)明方法的步驟如下：(1)建立雙饋風(fēng)機的傳動鏈運動模型如下：其中，Hm為與雙饋風(fēng)機的葉片、輪轂、低速傳動軸、齒輪箱、高速傳動軸和發(fā)電機轉(zhuǎn)子等效的質(zhì)塊的慣性時間常數(shù)，本例中為5.4s，D為質(zhì)塊的自阻尼系數(shù)，由于這個參數(shù)通常較小，本例中忽略此參數(shù)，設(shè)其為0。ωw為雙饋風(fēng)機的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速(弧度/s)，Te為雙饋風(fēng)機的異步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，Tm為雙饋風(fēng)機的捕獲的機械轉(zhuǎn)矩；在上式的兩邊同時乘以ωw，得到雙饋風(fēng)機的傳動鏈運動模型的功率形式：其中，Pm是雙饋風(fēng)機捕獲的機械功率，Pe是雙饋風(fēng)機輸出的電磁功率，是雙饋風(fēng)機傳動過程中機械功率的損耗，雙饋風(fēng)機捕獲的機械功率Pm為：Pm＝0.5ρCp(λ,β)πR2vw3上式中，ρ為空氣密度(kg/m3)；vw為風(fēng)速(m/s)；R為雙饋風(fēng)機的風(fēng)輪半徑(m)，πR2為雙饋風(fēng)機的葉片掃過的面積(m2)；Cp(λ,β)是雙饋風(fēng)機的風(fēng)能利用系數(shù)，可近似表達(dá)為其中λ為葉尖速比，是風(fēng)輪葉尖的線速度與風(fēng)速之比，ωw為雙饋風(fēng)機的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速(弧度/s)，a1～8是雙饋風(fēng)機風(fēng)能利用系數(shù)表達(dá)式中的參數(shù)，具體數(shù)值可以根據(jù)實際風(fēng)機風(fēng)能利用特性擬合得到，本例取值為0.5176,116.0,0.4,5.0,-21.0,0.0068,0.08,0.035，λi是計算過程中的中間變量，沒有實際的物理意義，β為雙饋風(fēng)機葉片的槳距角；本例試驗系統(tǒng)計算全部采用標(biāo)幺值，對ρ，vw，R均不取具體值，只假設(shè)這些參數(shù)剛好滿足在實驗風(fēng)速下MPPT控制時出力為0.2p.u.，風(fēng)機最優(yōu)轉(zhuǎn)速為1p.u.。若風(fēng)速發(fā)生改變，則按照修改對應(yīng)的最大功率，按照修改對應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速。(2)將上述功率形式的雙饋風(fēng)機的傳動鏈運動模型改寫成一階標(biāo)準(zhǔn)形式如下:(3)由于雙饋風(fēng)機的輸出機械功率PM等于雙饋風(fēng)機捕獲的機械功率減去傳動損耗的功率，即因此上述一階標(biāo)準(zhǔn)形式的雙饋風(fēng)機的傳動鏈運動模型在擴張狀態(tài)后改寫為如下形式：上式中，表示雙饋風(fēng)機的輸出機械功率PM的微分，令狀態(tài)擴張狀態(tài)(干擾)z2＝PM/Hm，輸入u＝Pe，輸入系數(shù)b＝-1/Hm，構(gòu)造如下的擴張狀態(tài)觀測器如下：函數(shù)fal(ε,α,δ)的表達(dá)式為：利用上述擴張狀態(tài)觀測器，計算得到雙饋風(fēng)機的輸出機械功率PM的估計值和雙饋風(fēng)機轉(zhuǎn)速平方的估計值其中，是機械功率估計值的微分值，是轉(zhuǎn)速平方估計值的微分值，α,δ,β01,β02分別為擴張狀態(tài)觀測器參數(shù)，經(jīng)過調(diào)試，參數(shù)α取值為0.5，濾波因子δ取為采樣時間的1000倍，參數(shù)β01,β02的取值分別取為280和1000。參數(shù)D和Hm都是已知參數(shù)，轉(zhuǎn)速ωw可由角度編碼器測得，電磁功率Pe可由功率儀測量到。4)根據(jù)上述雙饋風(fēng)機的輸出機械功率PM，利用下式計算得到雙饋風(fēng)機的加速功率：其中ωw為雙饋風(fēng)機轉(zhuǎn)速，ωw0為雙饋風(fēng)機需要恢復(fù)到的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，ωwrec為雙饋風(fēng)機虛擬慣量控制后開始恢復(fù)時的風(fēng)機轉(zhuǎn)速，ΔPC為設(shè)定的常數(shù)，取值為0.2倍雙饋風(fēng)機額定功率，f(T)為一個隨恢復(fù)時間T變化的常數(shù)，如附圖1所示，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為f(T)的取值，設(shè)定m和T2的取值，本例中設(shè)m的取值-0.15，T1為轉(zhuǎn)速恢復(fù)開始時刻，T2-T1的值取值為34.5秒。根據(jù)上述雙饋風(fēng)機的加速功率和估計得到的機械功率，計算得到轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程中雙饋風(fēng)機的電磁功率為實現(xiàn)虛擬慣量控制后轉(zhuǎn)速恢復(fù)。此外，在虛擬慣量控制Kpf＝0.5,Kdf＝30(以系統(tǒng)容量基值作為基值)，持續(xù)時間為20s。作為對比目標(biāo)采用比例控制器，參數(shù)設(shè)為：KP＝0.8。表1簡單兩母線電力系統(tǒng)參數(shù)由附圖4和附圖5的結(jié)果可知，與傳統(tǒng)的基于比例控制器的轉(zhuǎn)速恢復(fù)策略相比，該方法可以在保證轉(zhuǎn)速恢復(fù)速度的同時避免頻率的二次跌落。