具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例提供了一种双馈风机等效惯量评估方法，如图1所示，所述方法，包括：

步骤101：获取稳态信息。所述稳态信息包括双馈风机的输出功率和电网频率，是双馈风机稳态运行下的输出功率和电网频率。

步骤102：根据所述双馈风机的输出功率计算初始转子角速度ω_r0。

步骤103：根据所述电网频率计算系统初始同步角速度ω_s0。

步骤104：基于所述系统初始同步角速度和所述初始转子角速度计算等效惯性时间常数，所述等效惯性时间常数用于评估双馈风机等效惯量。

在实际应用中，ω_s0可根据实时量测电网频率数据获取；不考虑风速的变化，稳态时风机的初始转子角速度ω_r0等于转子转速参考值ω_r*，ω_r*的数值与风电场的实时风速有关，实际应用中可根据功率-转速最优曲线即式(3)表达式获得。因此，利用双馈风机稳态运行下的输出功率和电网频率的量测信息分别获取ω_r0和ω_s0，进而实时评估双馈风机的等效惯量。

在实际应用中，步骤104，具体包括：

获取双馈风机参数，所述双馈风机参数包括：增益参数、频域微分算子、滤波器的时间常数、双馈风机固有惯性时间常数和双馈风机额定角速度；增益参数包括：虚拟惯量控制的微分增益、虚拟惯量控制的比例增益、锁相环的比例增益、锁相环的积分增益、速度控制器的比例增益和速度控制器的积分增益。

根据所述双馈风机参数、所述系统初始同步角速度和所述初始转子角速度计算等效惯性时间常数。

在实际应用中，双馈风机参数可根据铭牌数据或技术手册获得。

在实际应用中，所述根据所述双馈风机参数、所述系统初始同步角速度和所述初始转子角速度计算等效惯性时间常数，具体为：

根据求解公式(14)计算等效惯性时间常数。

在实际应用中，所述求解公式的确定方法为：

根据转速参考值与双馈风机输出的有功功率确定关系表达式。

以定子电压相角增量为输入以虚拟惯量控制提供的电磁转矩参考值增量为输出构建基于锁相环频率的比例微分虚拟惯量控制模型。

以双馈风机的电磁功率为输入以电磁转矩参考值增量为输出构建双馈风机的最大功率追踪模型。

以电磁转矩参考值为输入以双馈风机转子转速为输出构建双馈风机的发电机暂态模型。

根据第一动能变化量表达式和第二动能变化量表达式确定等效惯性时间常数表达式；所述第一动能变化量表达式为附加虚拟惯量控制前双馈风机惯量响应过程中的动能变化量表达式，所述第二动能变化量表达式为附加虚拟惯量控制后双馈风机惯量响应过程中的动能变化量。

根据三相同步锁相环动态方程、所述关系表达式、所述基于锁相环频率的比例微分虚拟惯量控制模型、所述双馈风机的最大功率追踪模型发电机暂态模型和所述等效惯性时间表达式确定所述求解公式。

在实际应用中，所述根据第一动能变化量表达式和第二动能变化量表达式确定等效惯性时间常数表达式，具体包括：

根据所述第一动能变化量表达式和所述第二动能变化量表达式确定虚拟转动惯量表达式。

基于所述虚拟转动惯量表达式确定等效惯性时间常数表达式。

在实际应用中，基于锁相环频率的比例微分虚拟惯量控制模型、双馈风机的最大功率追踪模型和双馈风机的发电机暂态模型统称为含虚拟惯量控制的双馈风机在转子转速时间尺度下的等效模型，结构如图2所示。

其中，双馈风机借助于锁相环实现定子电压定向控制，本发明采用目前应用广泛的三相同步锁相环，三相同步锁相环动态方程为：

其中，x_pll是跟踪定子d轴电压时的累积误差；是跟踪定子d轴电压时的累积误差的微分；u_ds为定子电压U_s的d轴分量；δ_pll表示锁相环输出的相角；表示锁相环输出的相角的微分；ω_pll为锁相环估算的dq坐标系旋转角速度；ω_s为电网同步旋转角速度；K_{i_pll}和K_{p_pll}分别为锁相环的积分增益与锁相环的比例增益。

比例微分虚拟惯量控制是在风电机组常规控制的基础上引入一个与系统频率偏差的比例和微分量相关的辅助功率。当系统频率波动时，双馈风机通过锁相环估算dq坐标系旋转角速度ω_pll来测量系统频率，虚拟惯量控制提供的电磁转矩参考值增量ΔT_vic的频域表达式(基于锁相环频率的比例微分虚拟惯量控制模型)为：

其中，K_dvic和K_pvic分别为虚拟惯量控制的微分增益和虚拟惯量控制的比例增益；T_f为滤波器的时间常数；Δω_pll为锁相环估算的角速度变化，s表示频域微分算子，Δδ_s为定子电压相角增量，根据上述内容，可以得到基于锁相环频率的比例微分虚拟惯量控制模型如图3所示，其中输入为定子电压相角增量Δδ_s，输出为虚拟惯量控制提供的电磁转矩参考值增量ΔT_vic。

其中，最大功率追踪模型包含最大功率追踪(maximum power point tracking，MPPT)控制和速度控制器。实际中由于叶轮处平均风速不可直接测量，因此通常根据机组的输出功率大小来计算相应的转速指令值大小。风机输出功率P_e计算转速参考值ω_r*的近似算法(关系表达式)为：

当实际检测到的双馈风机转子转速ω_r与MPPT获得的转速参考值ω_r*间出现转速偏差时，以转速偏差作为输入量经速度控制器调节发电机电磁转矩参考值来帮助转子转速恢复到最佳运行状态。最大功率追踪模型下的电磁转矩参考值增量ΔT*的传递函数表达式(双馈风机的最大功率追踪模型)为：

其中，K_ps和K_is分别为速度控制器的比例增益和速度控制器的积分增益；ω_r为风机实际转速。根据上述内容，可以得到双馈风机的最大功率追踪模型如图4所示，其中输入为双馈风机的电磁功率(输出功率)P_e，输出为最大功率追踪模型下的电磁转矩参考值增量ΔT*。

其中，虚拟惯量控制提供的电磁转矩参考值增量ΔT_vic的频域表达式(基于锁相环频率的比例微分虚拟惯量控制模型)和最大功率追踪模型下的电磁转矩参考值增量ΔT*的传递函数表达式(双馈风机的最大功率追踪模型)，可以得到转子电流控制的电磁转矩参考值T_e ^*，转子侧变流器控制通过定子电压定向矢量控制实现，定子磁链方程和电压方程为：

其中，ψ_ds和ψ_qs分别为d轴定子磁链和q轴定子磁链；u_ds和u_qs分别为定子电压U_s在d轴、q轴上的分量；X_s为定子电感；X_m为定转子互感；i_ds和i_dr分别为定子绕组和转子绕组d轴电流；i_qs和i_qr分别为分别为定子绕组和转子绕组q轴电流，ψ_s为定子磁链、U_s为定子电压。

转子电流控制的电磁转矩方程为：

其中，T_e为电磁转矩；p为定子绕组极对数，右上角加“*”代表风机各参数的指令值。

发电机转子运动方程为：

T_m-T_e＝2H_dω_r·s (7)

其中，T_m为双馈风机机械转矩；H_d为双馈风机固有惯性时间常数；ω_r为双馈风机转子转速。

双馈风机的发电机暂态模型(公式6和公式7)如图5所示，其中输入为转子电流控制的电磁转矩参考值T_e ^*，输出为双馈风机转子转速ω_r，(根据公式6的第二个公式得到i_qr ^*，根据i_qr ^*得到i_qr，根据i_qr和公式6的第一个公式得到T_e，根据T_e得到ω_r)，k₁＝-2X_s/(3pX_m)，Gq(s)为电流内环控制环节，电流内环控制响应速度远快于转子转速尺度，认为转子电流快速跟踪指令值可认为Gq(s)≈1。

在实际应用中，第一动能变化量表达式为双馈风机惯量响应过程中的动能变化量可用转子转速变化量和固有转动惯量表示：

其中，P，S_N，J_DFIG，ω_r0，Δω_r分别为双馈风机极对数、额定容量、固有转动惯量、初始转子角速度和转子角速度增量。

在实际应用中，第二动能变化量表达式为在附件加虚拟惯量控制后，双馈风机转速与系统角速度耦合，惯量响应过程中的动能变化量可用系统同步角速度变化量与虚拟转动惯量表示：

其中，J_eq，ω_s0，Δω_s分别为双馈风机虚拟转动惯量、系统初始同步角速度和系统同步角速度增量。

在实际应用中，虚拟转动惯量表达式

在实际应用中，基于所述虚拟转动惯量表达式确定等效惯性时间常数表达式：

基于虚拟转动惯量的表达式，结合等效惯性时间常数的物理意义，可确定等效惯性时间常数表达式为：

其中，ω_N为双馈风机额定角速度。

在实际应用中，根据三相同步锁相环动态方程、所述关系表达式、所述基于锁相环频率的比例微分虚拟惯量控制模型、所述双馈风机的最大功率追踪模型、发电机暂态模型和所述等效惯性时间表达式确定所述求解公式，具体包括：

根据双馈风机在转子转速时间尺度下的等效模型、三相同步锁相环动态方程和所述关系表达式，可以得到DFIG电磁转矩增量传递函数关系式为：

不考虑机械转矩的变化，由式(7)得转子运动方程增量频域表达式为：

2H_dsΔω_r＝-ΔT_e (13)

结合等效惯性时间表达式，根据公式(12)和公式(13)，可推导求解公式为。

其中，H_eq表示等效惯性时间常数，K_dvic表示虚拟惯量控制的微分增益，s表示频域微分算子，K_pvic表示虚拟惯量控制的比例增益，T_f表示滤波器的时间常数，K_{p_pll}表示锁相环的比例增益，K_{i_pll}表示锁相环的积分增益，ω_r0表示初始转子角速度，ω_s0表示系统初始同步角速度，H_d表示双馈风机固有惯性时间常数，K_ps表示速度控制器的比例增益，K_is表示速度控制器的积分增益，ω_N表示双馈风机额定角速度。

本实施例应用上述方法对改进的四机两区测试系统如图6所示进行处理，双馈风机替换节点1的同步机，通过一台变压器的单元接线方式连接到节点5。系统频率事故通过节点7处的负荷突增来模拟，测试时间为5s，以负荷突增时刻作为起始时间。图7和图8分别为双馈风机在不同工况下(P_e＝0.3和P_e＝0.6)等效惯性时间常数评估值与真实值的比较结果。

由图7和图8可以看出，双馈风机等效惯性时间常数在不同工况下的评估值与真实值随时间变化的趋势基本一致，验证了本发明所提出的一种基于转子动能虚拟惯量控制的双馈风机等效惯量评估方法的准确性。

本实施例提供了一种与上述方法对应的双馈风机等效惯量评估系统，如图9所示，所述系统包括：

获取模块A1，用于获取稳态信息，所述稳态信息包括双馈风机的输出功率和电网频率。

初始转子角速度确定模块A2，用于根据所述双馈风机的输出功率计算初始转子角速度。

系统初始同步角速度确定模块A3，用于根据所述电网频率计算系统初始同步角速度。

等效惯性时间常数确定模块A4，用于基于所述系统初始同步角速度和所述初始转子角速度计算等效惯性时间常数，所述等效惯性时间常数用于评估双馈风机等效惯量。

作为一种可选的实施方式，所述等效惯性时间常数确定模块，具体包括：

获取子模块，用于获取双馈风机参数，所述双馈风机参数包括：增益参数、频域微分算子、滤波器的时间常数、双馈风机固有惯性时间常数和双馈风机额定角速度。

等效惯性时间常数确定子模块，用于根据所述双馈风机参数、所述系统初始同步角速度和所述初始转子角速度计算等效惯性时间常数。

作为一种可选的实施方式，所述等效惯性时间常数确定子模块，具体包括：

求解单元，用于根据求解公式

计算等效惯性时间常数，其中，H_eq表示等效惯性时间常数，K_dvic表示虚拟惯量控制的微分增益，s表示频域微分算子，K_pvic表示虚拟惯量控制的比例增益，T_f表示滤波器的时间常数，K_{p_pll}表示锁相环的比例增益，K_{i_pll}表示锁相环的积分增益，ω_r0表示初始转子角速度，ω_s0表示系统初始同步角速度，H_d表示双馈风机固有惯性时间常数，K_ps表示速度控制器的比例增益，K_is表示速度控制器的积分增益，ω_N表示双馈风机额定角速度。

作为一种可选的实施方式，双馈风机等效惯量评估系统，还包括：

关系表达式确定模块，用于根据转速参考值与双馈风机输出的有功功率确定关系表达式。

第一模型构建模块，用于以定子电压相角增量为输入以虚拟惯量控制提供的电磁转矩参考值增量为输出构建基于锁相环频率的比例微分虚拟惯量控制模型。

第二模型构建模块，用于以双馈风机的电磁功率为输入以电磁转矩参考值增量为输出构建双馈风机的最大功率追踪模型。

第三模型构建模块，用于以电磁转矩参考值为输入以双馈风机转子转速为输出构建双馈风机的发电机暂态模型。

等效惯性时间常数表达式确定模块，用于根据第一动能变化量表达式和第二动能变化量表达式确定等效惯性时间常数表达式。所述第一动能变化量表达式为附加虚拟惯量控制前双馈风机惯量响应过程中的动能变化量表达式，所述第二动能变化量表达式为附加虚拟惯量控制后双馈风机惯量响应过程中的动能变化量。

求解公式确定模块，用于根据三相同步锁相环动态方程、所述关系表达式、所述基于锁相环频率的比例微分虚拟惯量控制模型、所述双馈风机的最大功率追踪模型发电机暂态模型和所述等效惯性时间表达式确定所述求解公式。

作为一种可选的实施方式，所述等效惯性时间常数表达式确定模块，具体包括：

虚拟转动惯量表达式确定子模块，用于根据所述第一动能变化量表达式和所述第二动能变化量表达式确定虚拟转动惯量表达式。

等效惯性时间常数表达式确定子模块，用于基于所述虚拟转动惯量表达式确定等效惯性时间常数表达式。

本发明有以下技术效果：

(1)本发明计算速度快、复杂程度低，仅需双馈风机稳态运行时的量测数据即可较为精准地实时在线评估双馈风机等效惯量，具有很好的应用价值。

(2)结合系统稳态运行下的量测数据，准确评估含虚拟惯量控制的双馈风机等效惯量具有重大意义，其可以为风电机组控制参数整定和虚拟惯量分配提供科学依据，有利于调度运行人员掌握系统惯量的时空分布情况，进而为实际系统安全预警和实时紧急控制策略提供参考。

(3)现有方法需要扰动信息，而此方法需要的是稳态信息，并且现有方法需要根据频率曲线精确测定计算频率变化率，计算量大，复杂程度高，而本方法不需要计算频率变化率。另外，从研究目的上说，现有惯量评估方法大多聚焦于整个系统的等效惯量，而本文是针对风机自身惯量，在经历上述两步改进后，本方法结果依旧较为精准。

(4)转子转速控制时间尺度动态问题，主要是由风力机相关控制、发电机转速控制、锁相环控制等控制以及该时间尺度储能元件(转子)的动态所产生的稳定问题，适合于虚拟惯量响应研究。因此，含虚拟惯量控制的双馈风机在转子转速时间尺度下的等效模型可以有针对性地解决双馈风机等效惯量评估问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。