CN105226681A - 一种针对短时风电功率波动的水电机组调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对短时风电功率波动的水电机组调频控制方法，属于水力发电控制技术及电力系统频率调节控制技术领域，该方法以电力系统整体作为控制对象，将短时风电功率波动作为系统的不确定性扰动，同时综合考虑风电波动特性及电力系统动态特性，采用H∞鲁棒控制方法对水电机组一次调频反馈控制进行重新设计。与现有水电站普遍采用的PID控制相比，该方法将能有效地减少风电功率波动造成的系统频率偏差，提高了水电机组对短时风电功率波动的调节响应性能，同时，也减少了由于风电功率波动对系统中火电机组造成的额外调频负担。

Description

一种针对短时风电功率波动的水电机组调频控制方法

技术领域

本发明涉及一种针对短时风电功率波动的水电机组调频控制方法，属于水力发电控制技术及电力系统频率调节控制技术领域。

背景技术

随着大规模风电的不断并网，系统中风电容量比重不断增加。风电功率波动加剧了系统有功功率的不平衡，造成系统频率偏差增大。同时，由于目前风电场主流使用的双馈感应风力发电机的有功-频率的弱惯性，其对传统同步发电机的替代使得系统整体惯性降低，当系统出现短时功率缺额时，系统的频率变化率以及最大频率偏差都将增大。

水力发电机组出力响应迅速，调节方式多样，是电力系统调频的重要手段。随着大规模风电的不断接入，水电机组将在电力系统频率调节，尤其是一次调频中发挥更加重要的作用。然而，水电机组调频装置目前普遍采用PID控制策略，其控制参数的整定依据水电站自身动态特性，未考虑造成系统频率偏差的扰动源特性。当系统内接入大量风电时，持续的风电功率波动使得水电机组出力调节更为频繁，采用PID控制的水电机组对短时持续的风电功率波动的调节性能受到限制。

因此，有必要针对风电波动特性对水电机组一次调频控制进行改进设计，以更大限度的减小由短时风电功率波动带来的系统频率偏差，提高水电机组频率调节响应性能。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种有效地减少风电功率波动造成的系统频率偏差，提高水电机组对短时风电功率波动的调节响应性能，同时，也减少由于风电功率波动对系统中火电机组造成的额外调频负担的一种针对短时风电功率波动的水电机组调频控制方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种针对短时风电功率波动的水电机组调频控制方法，其特征在于，具体方法是寻找水电机组最优反馈控制器K(s)，使得K(s)与包含风电出力特性的广义电力系统状态方程组成的闭环系统函数增益最小，其中，所述包含风电出力特性的广义电力系统状态方程为：

${\stackrel{\·}{x}}_w=A_w{x}_w+B_{w}U$ 式一

${\mathrm{\ΔP}}_e^w=C_w{x}_w+D_{w}U$

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}\\ {\stackrel{\·}{x}}_w\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}A& {\mathrm{FC}}_w\\ 0& A_w\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ x_w\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}F{D}_w\\ B_w\end{array}\right]U+\left[\begin{array}{c}B\\ 0\end{array}\right]{\mathrm{\Δu}}_t$ 式二

采用标准Hankel范数最优降阶法降阶方法对状态方程式二进行降阶，得到降阶后的广义电力系统整体状态方程；

所述H∞鲁棒控制目标基于式三，式中G(s)为控制器K(s)与广义电力系统模型组成的闭环传递函数表示形式，σ表示奇异值，sup表示上确界；

$min\[{||G\left(s\right)||}_{\mathrm{\∞}}=\underset{w}{\sup }{\mathrm{\σ}}_{\max }\left(G\right(j\mathrm{\ω}\left)\right)\]$ 式三

采用基于线性矩阵不等式的方法求解得到K(s)。

因此，本发明具有如下优点：主要针对短时风电功率波动带来的电力系统一次调频问题，其以电力系统降阶模型作为控制对象，短时风电功率波动作为系统的不确定性有界扰动，并考虑风电功率波动特性及电力系统动态特性，在水电机组调频控制系统中采用鲁棒控制策略，能够有效地减少系统频率偏差，提高机组频率调节性能。

附图说明

图1为本发明方法的总流程图。

图2为实施例风电场风电功率历史实测数据功率谱密度曲线和其对应的拟合曲线。

图3为实施例包含风电出力特性的广义系统幅频响应曲线。

图4为水电机组采用本发明方法生成的鲁棒控制器和传统PID控制器下的闭环系统幅频响应曲线。

图5为水电机组采用本发明方法生成的鲁棒控制器和传统PID控制器在短时风电出力波动下的系统频率响应。

图6为水电机组采用本发明方法生成的鲁棒控制器和传统PID控制器在短时风电出力波动下的水电机组的出力响应。

图7为水电机组采用本发明方法生成的鲁棒控制器和传统PID控制器在短时风电出力波动下的火电机组的出力响应。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如图1所示，本发明提供一种针对短时风电波动的水电机组调频鲁棒控制设计的方法，具体包括以下的实施步骤：

1、对风电场历史实测有功出力数据进行统计分析，拟合风电出力波动特性。采用快速傅里叶变换(FFT)方法计算风电场历史功率数据的功率谱密度(PSD)，得到风电出力波动幅值在频域内的分布；利用有理分式形式传递函数(1)的幅频响应曲线对风电功率PSD进行拟合。

$W\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_e^w\left(s\right)}{U\left(s\right)}=\frac{a\·s}{s^2+b\·s+c}---\left(1\right)$

例如，在本实施例的区域电网中，包含3个风电场，9台火电机组及1台水电机组，3个风电场装机容量之和占电网总装机容量约20％。风电场出力历史实测数据的功率谱密度曲线及其相应拟合曲线如图2所示，其中PSD曲线幅值已进行归一化处理，W(s)中a,b,c三个参数分别为0.01，0.01，0.005。由图中可知，风电波动存在明显的特征频率，风电波动成分主要集中在特征频率附近。采用本发明所建议的有理分式能对风电出力波动特征有较好的拟合。

2、分别建立水电机组、火电机组动态模型，并通过直流潮流计算模型建立电力系统整体状态方程。

建立水电机组状态方程(2)，其中，x_h为水电机组模型状态变量；Δu_t为水电机组调速器的输出控制量；为水电机组电磁功率变化；A_h、B_h、E_h为状态方程系数矩阵。

${\stackrel{\·}{x}}_h=A_h{x}_h+B_h{\mathrm{\Δu}}_t+E_h{\mathrm{\ΔP}}_e^h---\left(2\right)$

建立火电机组状态方程(3)，其中x_g为火电机组模型状态变量；为火电机组电磁功率变化；A_g、E_g为状态方程系数矩阵。

${\stackrel{\·}{x}}_g=A_g{x}_g+E_g{\mathrm{\ΔP}}_e^g---\left(3\right)$

通过将状态方程(2)、(3)中的状态变量叠加，将方程(2)、(3)合写为(4)。

$\stackrel{\·}{x}=A_{0}x+B_0{\mathrm{\Δu}}_t+E_0\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{P}_e^g\\ {\mathrm{\ΔP}}_e^h\end{array}\right]---\left(4\right)$

对直流潮流计算模型ΔP＝H·Δθ进行分块，得状态方程(5),其中， Δθ_h、Δθ_g、Δθ_w、Δθ_l分别为电力系统中水电机组、火电机组、风电场及负荷连接母线处的功率和相角变化；H为电力网络的节点导纳矩阵。

将式(5)代入式(4)，消去假定负荷在调频过程中保持不变由此得到电力系统整体状态方程(6)：

$\stackrel{\·}{x}=Ax+{\mathrm{B\Δu}}_t+{\mathrm{F\ΔP}}_e^w---\left(6\right)$

式(6)中，风电波动作为系统扰动量，水电机组调速器输出Δu_t作为系统控制量。

例如，本实施例中，分别对电网中的水电机组和火电机组建立状态方程，并根据直流潮流模型建立实施例电网整体状态方程，方程阶数为40。

3、将表征风电出力特性的传递函数W(s)写为状态方程形式(7),式中，A_w、B_w、C_w、D_w为状态方程系数矩阵。将方程(6)、(7)合写为方程(8)，即为包含风电出力特性的广义电力系统状态方程。

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_w=A_w{x}_w+B_{w}U\\ {\mathrm{\ΔP}}_e^w=C_w{x}_w+D_{w}U\end{array}---\left(7\right)$

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}\\ {\stackrel{\·}{x}}_w\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}A& {\mathrm{FC}}_w\\ 0& A_w\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ x_w\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}F{D}_w\\ B_w\end{array}\right]U+\left[\begin{array}{c}B\\ 0\end{array}\right]{\mathrm{\Δu}}_t---\left(8\right)$

采用标准Hankel范数最优降阶法降阶方法对状态方程(8)进行降阶，得到降阶后的广义电力系统整体状态方程。

例如，本实施例中，将三个风电场的特性拟合状态方程与实施例电网整体状态方程合写为广义系统状态方程，方程阶数为46。对广义系统状态方程降阶，降阶后方程阶数为20。图3所示为广义系统降阶前后的幅频响应曲线对比图，由图中可以看出，广义系统幅频响应曲线中明显包含了风电出力波动特征，且本发明建议的降阶方法能够保证降阶后的系统方程保持了原系统的主要动态特征。

4、寻找水电机组最优反馈控制器K(s)，使得K(s)与广义电力系统模型组成的闭环系统函数增益最小。H∞鲁棒控制目标可用式(9)表示，式中G(s)为控制器K(s)与广义电力系统模型组成的闭环传递函数表示形式，σ表示奇异值，sup表示上确界。将式(9)所示的H∞鲁棒控制问题转化为等价的优化问题，采用基于线性矩阵不等式(LMI)的方法求解得到K(s)。

$min\[{||G\left(s\right)||}_{\mathrm{\∞}}=\underset{w}{\sup }{\mathrm{\σ}}_{\max }\left(G\right(j\mathrm{\ω}\left)\right)\]---\left(9\right)$

例如，本实施例中，采用H∞鲁棒控制的LMI算法对降阶后的广义系统状态方程进行求解，得到水电机组调频鲁棒控制器K(s)。将鲁棒控制器与水电机组传统的PID控制器进行对比：图4所示为水电机组分别配备二者控制器时系统闭环传递函数的幅频响应曲线，鲁棒控制器对应曲线在风电波动特征频率处增益明显减小，产生“凹陷”，由此说明鲁棒控制器针对风电波动特征进行了针对性的调节。

通过以上步骤，得到针对风电场出力波动的水电机组的调频鲁棒控制器。采用历史实测数据作为风电波动输入信号，在时域内对实施例系统进行仿真验证，并与PID调节结果对比，结果如图5～7所示。

图5为实施例系统在短时风电波动下的频率响应，由图可以看出，水电机组在使用常用的PID控制器时，系统频率偏差超过0.03Hz，而采用本发明设计的鲁棒控制器时系统频率偏差明显减少。

图6为实施例系统中水电机组的出力响应，由图可以看出，在采用鲁棒控制器时，水电机组的响应幅度相较于采用PID控制器时大大增加，说明鲁棒控制方法增大了水电机组在风电波动调节中的响应程度。

图7为实施例系统中某台火电机组的出力响应。水电机组采用鲁棒控制器后，火电机组的出力响应变化幅值相应减少，火电机组获得了更平稳的出力输出。这说明采用本发明设计的鲁棒控制器后，水电机组承当了更多的风电波动调节任务，减少了风电出力波动对火电机组造成的额外调频负担。

通过以上对比可以看出：本发明所提出的针对短时风电出力波动的水电机组调频控制方法，将电力系统整体作为控制对象，以输入信号权重的形式考虑风电波动特性，针对性的对风电波动进行调节抑制。与现有水电站普遍采用的PID控制相比，该方法将能有效地减少风电功率波动造成的系统频率偏差，提高了水电机组对短时风电功率波动的调节响应性能，同时，也减少了由于风电功率波动对系统中火电机组造成的额外调频负担。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种针对短时风电功率波动的水电机组调频控制方法，其特征在于，具体方法是寻找水电机组最优反馈控制器K(s)，使得K(s)与包含风电出力特性的广义电力系统状态方程组成的闭环系统函数增益最小，其中，所述包含风电出力特性的广义电力系统状态方程基于：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_w=A_w{x}_w+B_{w}U\\ {\mathrm{\ΔP}}_e^w=C_w{x}_w+D_{w}U\end{array}$ 式一

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}\\ {\stackrel{\·}{x}}_w\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}A& {\mathrm{FC}}_w\\ 0& A_w\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ x_w\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}F{D}_w\\ B_w\end{array}\right]U+\left[\begin{array}{c}B\\ 0\end{array}\right]{\mathrm{\Δu}}_t$ 式二

采用标准Hankel范数最优降阶法降阶方法对状态方程式二进行降阶，得到降阶后的广义电力系统整体状态方程；

所述H∞鲁棒控制目标基于式三，式中G(s)为控制器K(s)与广义电力系统模型组成的闭环传递函数表示形式，σ表示奇异值，sup表示上确界；

$min\[\left|\right|G\left(s\right)|{|}_{\mathrm{\∞}}=\underset{w}{\sup }{\mathrm{\σ}}_{\max }\left(G\right(j\mathrm{\ω}\left)\right)\]$ 式三

采用基于线性矩阵不等式的方法求解得到K(s)。