權(quán)利要求書： 1.一種虛擬同步風(fēng)機(jī)的頻率動態(tài)優(yōu)化控制方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)采集直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)換流站的并網(wǎng)點三相電壓Uabc和并網(wǎng)點三相電流iabc；

(2)對于所述并網(wǎng)點三相電壓Uabc，通過鎖相環(huán)獲取直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)換流站所連接的交流電網(wǎng)頻率f，根據(jù)所述交流電網(wǎng)頻率f獲得風(fēng)機(jī)的附加無功功率參考值對所述并網(wǎng)點三相電壓Uabc和所述并網(wǎng)點三相電流iabc，通過瞬時功率計算獲取風(fēng)機(jī)輸出的無功功率Q；

ref

(3)無功功率參考值Q 、附加無功功率參考值 和無功功率Q通過PI控制得到端電壓參考值 進(jìn)一步計算得到驅(qū)動信號Sabc，并驅(qū)動風(fēng)機(jī)的變流器以實現(xiàn)頻率優(yōu)化控制；具體包括：

ref

對無功功率參考值Q 、附加無功功率參考值 和無功功率Q進(jìn)行PI控制后獲得端電壓信號參考值

對風(fēng)機(jī)的有功功率參考值Pref和有功功率P進(jìn)行虛擬同步控制后獲得內(nèi)電勢頻率參考值ωs；

對所述端電壓參考值 和所述頻率內(nèi)電勢參考值ωs進(jìn)行計算后得到變流器的驅(qū)動信號Sabc。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬同步風(fēng)機(jī)的頻率動態(tài)優(yōu)化控制方法，其特征在于，根據(jù)所述交流電網(wǎng)頻率f獲得風(fēng)機(jī)的無功功率參考值 具體包括：將交流電網(wǎng)頻率參考信號減去所述交流電網(wǎng)頻率f后分為兩路，一路依次經(jīng)過一個微分環(huán)節(jié)和一個比例環(huán)節(jié)、另一路依次經(jīng)過一個低通濾波環(huán)節(jié)和一個比例環(huán)節(jié)后，兩路信號相加得到附加無功功率參考值

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬同步風(fēng)機(jī)的頻率動態(tài)優(yōu)化控制方法，其特征在于，所述驅(qū)動信號Sabc的計算分為兩種情況：直驅(qū)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動信號Sabc通過如下公式計算：雙饋風(fēng)機(jī)的Sabc通過如下公式計算：其中，ωs為內(nèi)電勢頻率參考值，ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

4.一種虛擬同步風(fēng)機(jī)的頻率動態(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征在于，包括：采集模塊，用于采集直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)換流站的并網(wǎng)點三相電壓Uabc和并網(wǎng)點三相電流iabc；

功率獲取模塊，用于對所述并網(wǎng)點三相電壓Uabc，通過鎖相環(huán)獲取直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)換流站所連接的交流電網(wǎng)頻率f，根據(jù)所述交流電網(wǎng)頻率f獲得風(fēng)機(jī)的附加無功功率參考值對于所述并網(wǎng)點三相電壓Uabc和所述并網(wǎng)點三相電流iabc，通過瞬時功率計算獲取風(fēng)機(jī)輸出的無功功率Q；

ref

頻率優(yōu)化模塊，用于對無功功率參考值Q 、附加無功功率參考值 和無功功率Q通過PI控制得到端電壓參考值 進(jìn)一步計算得到驅(qū)動信號Sabc，并驅(qū)動風(fēng)機(jī)的變流器以實現(xiàn)ref

頻率優(yōu)化控制；具體包括所述頻率優(yōu)化模塊對無功功率參考值Q 、附加無功功率參考值和無功功率Q進(jìn)行PI控制后獲得端電壓信號參考值對風(fēng)機(jī)的有功功率參考值Pref和有功功率P進(jìn)行虛擬同步控制后獲得內(nèi)電勢頻率參考值ωs；

對所述端電壓參考值 和所述頻率內(nèi)電勢參考值ωs進(jìn)行計算后得到變流器的驅(qū)動信號Sabc。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的虛擬同步風(fēng)機(jī)的頻率動態(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)所述交流電網(wǎng)頻率f獲得風(fēng)機(jī)的無功功率參考值 具體包括：將交流電網(wǎng)頻率參考信號減去所述交流電網(wǎng)頻率f后分為兩路，一路依次經(jīng)過一個微分環(huán)節(jié)和一個比例環(huán)節(jié)、另一路依次經(jīng)過一個低通濾波環(huán)節(jié)和一個比例環(huán)節(jié)后，兩路信號相加得到附加無功功率參考值

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的虛擬同步風(fēng)機(jī)的頻率動態(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動信號Sabc的計算分為兩種情況：直驅(qū)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動信號Sabc通過如下公式計算：雙饋風(fēng)機(jī)的Sabc通過如下公式計算：其中，ωs為內(nèi)電勢頻率參考值，ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

說明書： 一種虛擬同步風(fēng)機(jī)的頻率動態(tài)優(yōu)化控制方法及系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)安全運(yùn)行領(lǐng)域，更具體地，涉及一種虛擬同步風(fēng)機(jī)的頻率動態(tài)優(yōu)化控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)[0002] 隨著以風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，新能源發(fā)電由于其在環(huán)境方面的優(yōu)勢在電力系統(tǒng)中的滲透水平不斷提高，以同步發(fā)電機(jī)為主導(dǎo)發(fā)電裝備

的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，面臨著重要的變革。電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本目標(biāo)在于為用戶提供滿足一定

電壓、頻率指標(biāo)的高品質(zhì)電能，在新能源發(fā)電不斷增加的同時，風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電裝備

顯著區(qū)別于傳統(tǒng)同步機(jī)的動態(tài)特性，將深刻地改變著電力系統(tǒng)的電壓及頻率動態(tài)行為，對

電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成重大威脅。頻率穩(wěn)定問題是最重要的電網(wǎng)穩(wěn)定問題之一。

[0003] 隨著以風(fēng)電為代表的新能源發(fā)電在電力系統(tǒng)中逐步取代系統(tǒng)中部分常規(guī)同步電源，其顯著區(qū)別于同步發(fā)電機(jī)的頻率響應(yīng)特性和靜態(tài)出力特性無疑將深刻地影響著系統(tǒng)的

頻率動態(tài)行為，將致使系統(tǒng)慣性能力減弱，為電力系統(tǒng)的供電充裕性帶來新的挑戰(zhàn)，惡化系

統(tǒng)頻率動態(tài)，威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，反過來也將限制風(fēng)電等新能源發(fā)電的滲透率，制約

其長遠(yuǎn)的可持續(xù)健康發(fā)展。因此，亟需對風(fēng)機(jī)進(jìn)行頻率響應(yīng)特性優(yōu)化，增加新的頻率優(yōu)化控

制方案。增強(qiáng)其對電網(wǎng)的頻率動態(tài)支撐作用。

發(fā)明內(nèi)容[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種虛擬同步風(fēng)機(jī)的頻率動態(tài)優(yōu)化控制方法及系統(tǒng)，利用風(fēng)機(jī)的無功功率功率調(diào)節(jié)能力，通過在系統(tǒng)頻率變化時改變風(fēng)機(jī)的機(jī)斷

電壓，改善系統(tǒng)的頻率動態(tài)，提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行能力。

[0005] 按照本發(fā)明的一方面，提供了一種虛擬同步風(fēng)機(jī)的頻率動態(tài)優(yōu)化控制方法，包括如下步驟：

[0006] (1)采集直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)換流站的并網(wǎng)點三相電壓Uabc和并網(wǎng)點三相電流iabc以及直流電壓Udc和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr；

[0007] (2)對于并網(wǎng)點三相電壓Uabc，通過鎖相環(huán)獲取直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)換流站所連接的交流電網(wǎng)頻率f，根據(jù)交流電網(wǎng)頻率f獲得風(fēng)機(jī)的附加無功功率參考值

[0008] 對于并網(wǎng)點三相電壓信號Uabc和并網(wǎng)點三相電流iabc，通過瞬時功率計算獲取風(fēng)機(jī)輸出的無功功率Q；

[0009] (3)無功功率參考值Qref，附加無功功率參考值 和無功功率Q通過PI控制得到端電壓參考值 進(jìn)一步計算得到驅(qū)動信號Sabc，并驅(qū)動風(fēng)機(jī)的變流器以實現(xiàn)頻率優(yōu)化控制。

[0010] 進(jìn)一步地，根據(jù)交流電網(wǎng)頻率f獲得風(fēng)機(jī)的無功功率參考值 具體包括：[0011] 將交流電網(wǎng)頻率參考信號減去交流電網(wǎng)頻率f后分為兩路，一路先經(jīng)過一個微分環(huán)節(jié)在經(jīng)過一個比例環(huán)節(jié)，另一路經(jīng)過一個低通濾波環(huán)節(jié)再經(jīng)過一個比例環(huán)節(jié)，兩路信號

相加得到附加無功功率參考值

[0012] 更進(jìn)一步地，步驟(3)具體包括：[0013] 對無功功率參考值Qref，附加無功功率參考值 和無功功率Q進(jìn)行PI控制后獲得端電壓信號參考值 其中，PI控制器包括比例系數(shù)kp_var和積分系數(shù)ki_var，實際系統(tǒng)中的

這兩個參數(shù)需根據(jù)實際系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸入與輸出的關(guān)系為：

[0014][0015] 其中，s為拉普拉斯算子。[0016] 對風(fēng)機(jī)的有功功率參考值Pref和有功功率P進(jìn)行虛擬同步控制后獲得頻率參考值ωs；其中，虛擬控制器包括虛擬慣量系數(shù)TJ，實際系統(tǒng)中的這個參數(shù)需根據(jù)實際系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)

節(jié)，輸入與輸出的關(guān)系為：

[0017] 對端電壓參考值 頻率內(nèi)電勢參考值ωs通過計算后得到變流器的驅(qū)動信號Sabc。直驅(qū)風(fēng)機(jī)的Sabc通過如下公式計算：

[0018][0019] 雙饋風(fēng)機(jī)的Sabc通過如下公式計算：[0020][0021][0022] 按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種虛擬同步風(fēng)機(jī)的頻率動態(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)，包括：

[0023] 采集模塊，用于采集直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)換流站的并網(wǎng)點三相電壓Uabc和并網(wǎng)點三相電流iabc；

[0024] 功率獲取模塊，用于對并網(wǎng)點三相電壓Uabc，通過鎖相環(huán)獲取直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)換流站所連接的交流電網(wǎng)頻率f，根據(jù)交流電網(wǎng)頻率f獲得風(fēng)機(jī)的附加無功功率參考值

[0025] 對于并網(wǎng)點三相電壓Uabc和并網(wǎng)點三相電流iabc，通過瞬時功率計算獲取風(fēng)機(jī)輸出的無功功率Q；

[0026] 頻率優(yōu)化模塊，用于對無功功率參考值Qref、無功功率參考值 和無功功率Q通過PI控制得到端電壓參考值 進(jìn)一步計算得到驅(qū)動信號Sabc，并驅(qū)動風(fēng)機(jī)的變流器以實現(xiàn)

頻率優(yōu)化控制。

[0027] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，需要在風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的無功功率控制上加入基于頻率的前級控制，將檢測到的頻率信號以及頻率信號的微分引入到無功功

率參考值上。在交流電網(wǎng)發(fā)生擾動后電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時，該控制方法將頻率信號的變化

傳遞到無功功率上，無功功率在變化時會相應(yīng)的引起端電壓變化，從而影響電網(wǎng)的頻率動

態(tài)，不僅能夠保持風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時對其所連接的交流系統(tǒng)頻率動態(tài)提供優(yōu)化的效果，

保障了含風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及電網(wǎng)友好性。

附圖說明[0028] 圖1是本發(fā)明實施例雙饋風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；[0029] 圖2是本發(fā)明實施例虛擬同步控制雙饋風(fēng)機(jī)的機(jī)側(cè)變流器控制結(jié)構(gòu)圖；[0030] 圖3是本發(fā)明實施例頻率優(yōu)化控制的控制結(jié)構(gòu)圖；[0031] 圖4是本發(fā)明另一實施例直驅(qū)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；[0032] 圖5是本發(fā)明另一實施例虛擬同步控制雙饋風(fēng)機(jī)的網(wǎng)側(cè)變流器控制結(jié)構(gòu)圖。具體實施方式[0033] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案以及優(yōu)點更加明白，以下結(jié)合附圖以及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，

并不用于限定本發(fā)明。

[0034] 本發(fā)明實施例的虛擬同步風(fēng)機(jī)頻率優(yōu)化控制方法包括如下步驟：[0035] (1)采集直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)換流站的并網(wǎng)點三相電壓Uabc和并網(wǎng)點三相電流iabc以及直流電壓Udc和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr；

[0036] (2)對于并網(wǎng)點電壓信號Uabc，計算得到端電壓幅值Ut，并通過鎖相環(huán)獲取直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)換流站所連接的交流電網(wǎng)頻率f，根據(jù)交流電網(wǎng)頻率f獲得風(fēng)機(jī)的附加無功功

率參考值

[0037] 對于并網(wǎng)點三相電壓信號Uabc和并網(wǎng)點三相電流iabc，通過瞬時功率計算獲取風(fēng)機(jī)輸出的無功功率Q；

ref

[0038] (3)無功功率參考值Q ，附加無功功率參考值 和無功功率Q通過PI控制得到端電壓參考值 進(jìn)一步計算得到驅(qū)動信號Sabc，并驅(qū)動風(fēng)機(jī)的變流器以實現(xiàn)頻率優(yōu)化控制。

[0039] 其中，根據(jù)交流電網(wǎng)頻率f獲得風(fēng)機(jī)的無功功率參考值 具體包括：[0040] 將交流電網(wǎng)頻率參考信號減去交流電網(wǎng)頻率f后分為兩路，一路先經(jīng)過一個微分環(huán)節(jié)在經(jīng)過一個比例環(huán)節(jié)，另一路經(jīng)過一個低通濾波環(huán)節(jié)再經(jīng)過一個比例環(huán)節(jié)，兩路信號

相加得到附加無功功率參考值

[0041] 更進(jìn)一步地，步驟(3)具體包括：ref

[0042] 對無功功率參考值Q ，附加無功功率參考值 和無功功率Q進(jìn)行PI控制后獲得端電壓信號參考值 其中，PI控制器包括比例比例系數(shù)kp_var和積分系數(shù)ki_var，實際系統(tǒng)

中的這兩個參數(shù)需根據(jù)實際系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸入與輸出的關(guān)系為：

[0043][0044] 對風(fēng)機(jī)的有功功率參考值Pref和有功功率P進(jìn)行虛擬同步控制后獲得頻率參考值ωs；其中，虛擬控制器包括虛擬慣量系數(shù)TJ，實際系統(tǒng)中的這個參數(shù)需根據(jù)實際系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)

節(jié)，輸入與輸出的關(guān)系為：

[0045] 對端電壓參考值 頻率內(nèi)電勢參考值ωs通過計算后得到變流器的驅(qū)動信號Sabc。對端電壓參考值 頻率內(nèi)電勢參考值ωs通過計算后得到變流器的驅(qū)動信號Sabc。直

驅(qū)風(fēng)機(jī)的Sabc通過如下公式計算：

[0046][0047] 雙饋風(fēng)機(jī)的Sabc通過如下公式計算：[0048][0049][0050] 為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的一種虛擬同步風(fēng)機(jī)頻率優(yōu)化控制方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

[0051] 實施例一[0052] 圖1示出了雙饋風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖：雙饋風(fēng)機(jī)的定子直接與并網(wǎng)變壓器相連，轉(zhuǎn)子通過背靠背變流器與并網(wǎng)變壓器相連，變壓器另一端與電網(wǎng)相連。圖中并網(wǎng)點交流三相電壓

Uabc、并網(wǎng)點交流三相電流iabc、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr以及直流電壓Udc，是與本發(fā)明實施例相關(guān)的需

要采集的信號。

[0053] 圖2示出了本發(fā)明實例提供的帶頻率優(yōu)化控制的虛擬同步雙饋風(fēng)機(jī)的控制結(jié)構(gòu)圖：該控制器包含有功功率控制、無功功率及端電壓控制和頻率優(yōu)化控制。鎖相環(huán)通過并網(wǎng)

點交流三相電壓Uabc計算得到交流電網(wǎng)頻率f和，頻率優(yōu)化控制器通過交流電網(wǎng)頻率f得到

附加無功功率參考值 并網(wǎng)點交流三相電壓Uabc利用CLARK變換得到并網(wǎng)點交流電壓的α

軸分量Uα、β軸分量Uβ，并網(wǎng)點交流三相電流iabc利用CLARK變換得到并網(wǎng)點交流電電流的α軸

分量iα、β軸分量iβ，，并計算有功功率P和無功功率Q：

[0054][0055]ref

[0056] 無功功率參考值Q ，附加無功功率參考值 和無功功率Q經(jīng)過無功功率控制的PI控制器得到端電壓參考值 端電壓參考值 與端電壓Ut經(jīng)過端電壓的PI控制器得

到機(jī)端電壓參考值Ur；風(fēng)機(jī)的有功功率參考值Pref和有功功率P進(jìn)行虛擬同步控制后獲得頻

率參考值ωs，減去轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr得到滑差頻率參考值ωslip，機(jī)端電壓參考值Ur和滑差頻率

參考值ωslip計算后得到變流器驅(qū)動信號，驅(qū)動雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)側(cè)變流器。

[0057] 圖3示出了頻率優(yōu)化控制器的具體控制結(jié)構(gòu)圖。在圖2中可以看到，頻率優(yōu)化控制器在無功功率控制器的前級。將交流電網(wǎng)頻率參考信號減去交流電網(wǎng)頻率f后分為兩路，一

路先經(jīng)過一個微分環(huán)節(jié)在經(jīng)過一個比例環(huán)節(jié)，另一路經(jīng)過一個低通濾波環(huán)節(jié)再經(jīng)過一個比

例環(huán)節(jié)，兩路信號相加得到附加無功功率參考值 頻率優(yōu)化控制器的輸入輸出關(guān)系為：

[0058][0059] 低通濾波環(huán)節(jié)作用為濾去交流電網(wǎng)的頻率f的高頻信號，微分環(huán)節(jié)用一個高通濾波器替代，增益環(huán)節(jié)可調(diào)節(jié)實際的頻率優(yōu)化效果。頻率優(yōu)化控制器根據(jù)交流電網(wǎng)的頻率f的

變化調(diào)節(jié)附加無功功率參考值 雙饋風(fēng)機(jī)的機(jī)側(cè)控制會根據(jù)無功功率參考值的變化調(diào)

節(jié)實際的機(jī)端電壓，從而能夠在端電壓產(chǎn)生相應(yīng)的電壓變化改變電網(wǎng)的功率，最終優(yōu)化頻

率動態(tài)。

[0060] 實施例二[0061] 圖4示出了直驅(qū)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖：直驅(qū)風(fēng)機(jī)的定子通過背靠背變流器與并網(wǎng)變壓器相連，變壓器另一端與電網(wǎng)相連。圖中并網(wǎng)點交流三相電壓Uabc、并網(wǎng)點交流三相電流iabc以

及直流電壓Udc，是與本發(fā)明實施例相關(guān)的需要采集的信號。

[0062] 圖5示出了本發(fā)明實例提供的帶頻率優(yōu)化控制的虛擬同步直驅(qū)風(fēng)機(jī)的控制結(jié)構(gòu)圖：該控制器包含有功功率控制、無功功率及端電壓控制和頻率優(yōu)化控制。其中頻率優(yōu)化控

制器的具體控制框圖在圖3中示出。鎖相環(huán)通過并網(wǎng)點交流三相電壓Uabc計算得到交流電網(wǎng)

頻率f和，頻率優(yōu)化控制器通過交流電網(wǎng)頻率f得到附加無功功率參考值

[0063] 圖3示出了頻率優(yōu)化控制器的具體控制結(jié)構(gòu)圖。在圖2中可以看到，頻率優(yōu)化控制器在無功功率控制器的前級。將交流電網(wǎng)頻率參考信號減去交流電網(wǎng)頻率f后分為兩路，一

路先經(jīng)過一個微分環(huán)節(jié)在經(jīng)過一個比例環(huán)節(jié)，另一路經(jīng)過一個低通濾波環(huán)節(jié)再經(jīng)過一個比

例環(huán)節(jié)，兩路信號相加得到附加無功功率參考值 頻率優(yōu)化控制器的輸入輸出關(guān)系為：

[0064][0065] 低通濾波環(huán)節(jié)作用為濾去交流電網(wǎng)的頻率f的高頻信號，微分環(huán)節(jié)用一個高通濾波器替代，增益環(huán)節(jié)可調(diào)節(jié)實際的頻率優(yōu)化效果。頻率優(yōu)化控制器根據(jù)交流電網(wǎng)的頻率f的

變化調(diào)節(jié)附加無功功率參考值 雙饋風(fēng)機(jī)的機(jī)側(cè)控制會根據(jù)無功功率參考值的變化調(diào)

節(jié)實際的機(jī)端電壓，從而能夠在端電壓產(chǎn)生相應(yīng)的電壓變化改變電網(wǎng)的功率，最終優(yōu)化頻

率動態(tài)。

[0066] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含

在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。