本发明涉及新能源发电领域，具体涉及弱电网下双馈风电机组的一种基于锁相环状态空间的虚拟惯量优化控制方法。
背景技术：
1、随着我国能源结构优化不断深入，风能等作为清洁可再生能源得到广泛开发与利用，在风力发电建设中双馈风电机组由于其较高的性价比和发电性能优势被广泛应用。在高比例风电集中并网、升压外送场景，较长的输电线路造就双馈风电机组并网点呈现高阻抗的弱电网特征，并网点电压波动频繁；同时随着新能源的渗透率不断提升，电力电子接口的占有率升高，使电网等效惯量不断降低，频率支撑能力减弱，弱电网下双馈风电机组振荡失稳风险增加，影响了系统的稳定性。
2、针对电网等效惯量不足的问题，现有解决方案采用虚拟惯量控制，即借助风力发电系统存在桨叶、发电机组等大转动惯量环节，通过模拟同步机组特性，使风电机组具备类似的“惯量响应”特性，进而提高电网等效惯量。然而，虚拟惯量控制以频率微分为基本结构，需要检测电网频率并进行微分处理，且弱电网下存在电压幅值受功率变化影响、电压谐波含量较高等问题，其必备的串联低通滤波器降低了动态响应速度，这导致双馈风电机组通过常规虚拟惯量控制快速响应电网频率变化和稳定控制之间存在冲突。虚拟惯量控制仍旧面临稳定性不足、参数敏感度高等问题，进一步增大了虚拟惯量控制应用的难度。因此，在弱电网下快速而稳定实现虚拟惯量控制依旧是核心难点，有待进一步研究突破。
技术实现思路
1、本发明为克服虚拟惯量控制中快速性与稳定性存在天然矛盾的不足之处，提出一种基于锁相环状态空间的虚拟惯量优化控制方法，以期解决虚拟惯量控制中频率微分导致控制系统稳定性下降的问题，同时消除使用低通滤波器带来响应速度变慢的问题，从而能实现弱电网下双馈风电机组主动支撑电网频率，提升其虚拟惯量控制策略的稳定裕度，并能增强虚拟惯量控制系统整体鲁棒性。
2、本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：
3、本发明一种基于锁相环状态空间的虚拟惯量优化控制方法的特点在于，是应用于弱电网下双馈发电机、机侧变流器所组成的双馈风力发电系统中，并按如下步骤进行：
4、步骤1、采集定子侧的数据并计算双馈发电机的的d轴、q轴定子磁链ψsd、ψsq；
5、步骤2、采集转子侧的数据并转换为转子电流在同步旋转坐标系下的d轴、q轴直流分量ird、irq；
6、步骤3、分析基于前置广义二阶积分器的对称锁相环小信号模型，得到锁相环小信号模型的开环传递函数；
7、步骤4、建立锁相环的状态空间方程；
8、步骤5、利用式(1)得到虚拟惯量控制中频率微分项
9、
10、式(1)中，a0、a1、a2表示系数矩阵中三个系数，β2、β3表示输入矩阵系数；us2表示定子电压在同步旋转坐标系下的q轴直流分量；s表示拉普拉斯算子；ωs表示电网频率信号；
11、步骤6、计算虚拟惯量控制系数kv和补偿有功电流ird_v；
12、步骤7、将转子电流给定值ird_ref与虚拟惯量补偿指令ird_v叠加后，获得新的转子电流指令ird_ref1；
13、步骤8、计算同步旋转坐标系下的d轴、q轴转子电流指令ird_ref1、irq_ref分别与d轴、q轴转子电流反馈ird、irq的偏差，并输入转子电流内环的pi调节器中进行处理，输出的d轴、q轴结果再分别与前馈解耦项进行线性运算，从而得到同步旋转坐标系下的d轴、q轴转子电压指令urd_ref、urq_ref；
14、步骤9、d轴、q轴转子电压指令urd_ref、urq_ref经svpwm环节进行调制后，生成转子侧变流器开关管控制信号s1-s6，用于实现双馈风电机组虚拟惯量优化下的并网控制。
15、本发明所述的一种基于锁相环状态空间的虚拟惯量优化控制方法的特点也在于，所述步骤1包括：
16、采样双馈发电机的定子三相电压usa、usb、usc和定子三相电流isa、isb、isc，并带入式(2)所示的坐标变换环节中，获得定子电压在同步旋转坐标系下的d轴、q轴直流分量usd、usq以及定子电流在同步旋转坐标系下的d轴、q轴直流分量isd、isq：
17、
18、式(2)中，θ为坐标变换的定向角度，xa、xb、xc代表双馈发电机在三相静止坐标系下的三相定子电压，xd、xq代表定子电压/电流在同步旋转坐标系下的d轴、q轴直流分量；
19、利用式(3)得到双馈发电机的的d轴、q轴定子磁链ψsd、ψsq：
20、
21、式(3)中，ls、lm分别表示双馈发电机在同步旋转坐标系下的定子自感和定转子互感。
22、所述步骤2是采集双馈发电机的三相转子电流ira、irb、irc与转子电角速度θr，并带入式(4)所示的坐标变换环节中，获得转子电流在同步旋转坐标系下的d轴、q轴直流分量ird、irq：
23、
24、所述步骤3中是将采集的三相定子电压进行两相正交坐标变换，得定子电压α轴分量vα0和定子电压β轴分量vβ0，再与外部的输入角度δθs一起输入所述前置广义二阶积分器的对称锁相环小信号模型中进行运算后，得d轴输出角度θd和q轴输出角度θq；并将d轴输出角度θd记为角度小信号δθ；
25、利用式(5)得到锁相环小信号模型的开环传递函数：
26、
27、式(5)中，us0表示定子电压的有效值，gpi表示锁相环中pi调节器的传递函数，且gpi(s)＝kp+ki/s，其中，kp表示gpi(s)的比例控制系数，ki表示gpi(s)的积分控制系数，ωp为同步旋转坐标系下二阶广义积分器的等效低通滤波器的截止频率，为锁相环的q轴输出角频率，s表示拉普拉斯算子。
28、所述步骤4包括：
29、利用式(6)得到锁相环的角度小信号δθ对于电压小信号δusq的闭环传递函数：
30、
31、式(6)中，ωz表示锁相环中pi调节器系数的比值；
32、利用式(7)构建频率微分小信号的表达式：
33、
34、式(7)中，δθ表示锁相环输出角度小信号，表示小信号δθ的二次微分项；
35、利用式(8)得到锁相环对应的状态空间方程：
36、
37、式(8)中，a0、a1、a2表示系数矩阵中三个系数，且a0＝us0kpωpωz、a1＝us0kpωp、a2＝ωp，x0、x2、x3为选取的状态变量，x1表示角度小信号δθ，x2表示角度小信号微分x3表示角度小信号二次微分表示状态变量x1、x2、x3的微分，且表示频率的微分，并作为虚拟惯量控制的核心量β1、β2、β3表示输入矩阵系数，且β1＝0，β2＝kpωp，β3＝kpωpωz-kpωpωp；β0表示传输矩阵系数，且β0＝0；
38、利用式(9)所示的不含微分环节的方程表示
39、
40、所述步骤6包括：
41、利用式(10)得到归算后的虚拟惯量控制系数kv：
42、
43、式(10)中，jv表示虚拟惯量控制中转子等效的转动惯量，sslip表示双馈发电机转差率；
44、利用式(11)得到虚拟惯量控制下d轴额外补偿的转子电流指令ird v：
45、
46、所述步骤8中是利用式(12)得到同步旋转坐标系下的d轴、q轴转子电压指令urd_ref、urq_ref：
47、
48、式(12)中，kpi和kii分别为转子电流环中pi调节器的比例系数和积分系数，ωsl表示转差频率，系数σ＝1-l2m/(ls/lr)，lr表示归算到定子侧的转子电感。
49、本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述虚拟惯量优化控制方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
50、本发明一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序的特点在于，所述计算机程序被处理器运行时执行所述虚拟惯量优化控制方法的步骤。
51、与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：
52、1、本发明提出一种采用锁相环状态空间计算频率微分量的结构，能够提高弱电网下电网的等效惯量，同时有效抑制电网频率波动。相比于传统方案能够更好优化锁相环结构，改善了虚拟惯量控制中稳定性和快速性的冲突，从而提升了双馈发电机系统的稳定性；
53、2、本发明通过锁相环状态空间结构得到频率微分项，实现了虚拟惯量控制中频率微分信号的获取，有效降低了虚拟惯量控制中参数选取和计算的复杂度；
54、3、本发明计算频率微分项的系数表达式均有低通滤波特性，能够有效抑制高频扰动，避免了使用低通滤波器带来的相位滞后和响应速度变慢的问题，提升了系统的动态响应速度。
1.一种基于锁相环状态空间的虚拟惯量优化控制方法，其特征在于，是应用于弱电网下双馈发电机、机侧变流器所组成的双馈风力发电系统中，并按如下步骤进行：
2.根据权利要求1所述的一种基于锁相环状态空间的虚拟惯量优化控制方法，其特征在于，所述步骤1包括：
3.根据权利要求2所述的一种基于锁相环状态空间的虚拟惯量优化控制方法，其特征在于，所述步骤2是采集双馈发电机的三相转子电流ira、irb、irc与转子电角速度θr，并带入式(4)所示的坐标变换环节中，获得转子电流在同步旋转坐标系下的d轴、q轴直流分量ird、irq：
4.根据权利要求3所述的一种基于锁相环状态空间的虚拟惯量优化控制方法，其特征在于，所述步骤3中是将采集的三相定子电压进行两相正交坐标变换，得定子电压α轴分量vα0和定子电压β轴分量vβ0，再与外部的输入角度△θs一起输入所述前置广义二阶积分器的对称锁相环小信号模型中进行运算后，得d轴输出角度θd和q轴输出角度θq；并将d轴输出角度θd记为角度小信号△θ；
5.根据权利要求4所述的一种基于锁相环状态空间的虚拟惯量优化控制方法，其特征在于，所述步骤4包括：
6.根据权利要求5所述的一种基于锁相环状态空间的虚拟惯量优化控制方法，其特征在于，所述步骤6包括：
7.根据权利要求6所述的一种基于锁相环状态空间的虚拟惯量优化控制方法，其特征在于，所述步骤8中是利用式(12)得到同步旋转坐标系下的d轴、q轴转子电压指令urd_ref、urq_ref：
8.一种电子设备，包括存储器以及处理器，其特征在于，所述存储器用于存储支持处理器执行权利要求1-7中任一所述虚拟惯量优化控制方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
9.一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1-7中任一所述虚拟惯量优化控制方法的步骤。
