CN108400599A - 一种风力发电并网系统中upfc的协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电并网系统中UPFC的协调控制方法，通过测量单元采集风机的转速偏差信号，经过高速信号传输通道发送至UPFC控制器，UPFC串并联侧换流器基于d‑q解耦控制，引入风机转速偏差及计算其变化率作为辅助信号，附加在串联侧有功功率控制器、并联测并联节点电压控制器侧，通过设计模糊逻辑附加控制器在线自适应地调整辅助信号的大小，实现不同运行工况下，UPFC对母线电压、线路潮流以及系统能振荡情况的协调控制，达到多目标的协调控制效果。

Description

一种风力发电并网系统中UPFC的协调控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种风力发电并网系统中UPFC的协调控制方法。

背景技术

随着越来越大容量的风力发电机并入电网运行，多种复杂工况下系统的稳定问题愈加严峻，统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)应用到电力系统中，具有调节线路潮流、维持母线电压、提高暂态稳定性等多种控制目标，然而这些控制目标的实现并不完全统一，若UPFC采用单一目标的控制策略，则不能满足电力系统多种运行工况的要求。为了充分发挥UPFC的价值，实现UPFC的多目标协调控制效果成为趋势。

发明内容

为了实现UPFC多目标协调控制，本发明提出了一种风力发电并网系统中的 UPFC的协调控制方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种风力发电并网系统中UPFC的协调控制方法，具体步骤为：建立含有UPFC 的风力发电机并网的电力系统模型；建立UPFC的串并联侧控制器的模型；建立测量风力发电机转速、计算速度偏差Δw和其变化率的单元模块；以速度偏差Δw和其变化率作为辅助控制信号，设计模糊逻辑控制器，并利用模糊逻辑控制器的输出来控制风力发电并网系统中的UPFC。

UPFC包含串联逆变器、并联逆变器、串联变压器、并联变压器、直流电容器、串联侧控制器、并联测控制器，其中串联侧逆变器通过串联变压器串入线路，并联侧逆变器通过并联变压器接入母线，两个逆变器共同并联一个直流电容器。

UPFC的串并联侧控制器采用d-q解耦控制策略，并联侧控制d轴分量实现对直流电容器电压的稳定控制，q轴实施对并网点母线电压控制，串联侧d轴分量对线路有功功率进行控制，q轴对线路无功功率实现控制。其控制器数学模型如下：

并联侧控制器数学模型：

式中：w_s为同步角速度，i_shd、i_shq分别为并联侧换流器输入电流的d、q轴分量， U_s并联母线电压，R_sh、L_sh分别为并联侧换流器进线的等效电阻和电感，k_sh-iP、k_sh-iI分别为并联测换流器的电流控制器的比例、积分系数，i_{shd_ref}、i_{shq_ref}分别为并联测换流器输入电流d、q轴分量的指令值。

串联侧控制器数学模型：

式中：i_sed、i_seq分别为串联侧换流器输入电流的d、q轴分量，R_se、L_se分别为串联侧换流器进线的等效电阻和电感，U_12d、U_12q分别为串联变压器输出电压的d、q轴分量，k_se-iP、k_se-iI分别为串联侧换流器的电流控制器的比例、积分系数，i_{shd_ref}、 i_{shq_ref}分别为并联侧换流器输入电流d、q轴分量的指令值。

风力发电机组，通过转速测量单元，获取风力发电机的转速Δw，经过高速通信发送给UPFC控制器单元，UPFC控制器将转速偏差Δw及其导数即变化率作为辅助信号，经过模糊逻辑控制器的计算，以一定的倍数放大加入到并联侧母线电压控制及串联侧的线路有功功率控制器输入。

模糊逻辑控制器的设计主要有模糊化接口、知识库、模糊推理机、解模糊借口四个部分组成；

首先，速度偏差信号Δw及其变化率信号作为输入量，即无差信号E和误差信号变化率EC，进行处理变成模糊逻辑控制器要求的输入；将已经处理过的输入变量进行尺度变换，选择变换的论域范围，计算相应的转换因子L_i(i＝1,2,3,4)；将已变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原精确的输入量变成模糊量，并用相应的模糊集合来表示；其次，选择输入、输出量的隶属分布函数，选择模糊推理方法；依据控制要求，选择专家经验法、观察法、基于过程的模糊模型法、基于自主学习法等制定模糊规则；最后，选择去模糊化的方法，平均值法或者重心法等方法，进行k1、k2大小的模糊计算。

模糊逻辑控制器，为所设计的模糊逻辑控制器具有通用性，将经过转换后的输入量Δw和的范围设定为[-1,1]，清晰化后的输入量范围设定为[0,1]，针对不同的系统，转换因子L_i(i＝1,2,3,4)的大小按需求调整。

模糊逻辑控制器输入量的隶属函数选取三角型分布函数，输出量的隶属函数选取高斯分布函数，模糊推理选取Mamdani法，去模糊化选取平均值法。

本发明所达到的有益效果：

1.采用模糊逻辑算法设计附加控制器，能够实时判断系统的运行工况，在线、自适应地调整辅助信号的大小，实现不同运行工况下多个目标的协调控制。

2.与单一目标控制策略相比，该协调控制策略能够在保证系统母线电压、线路有功潮流在允许范围内波动的情况下，增加系统的阻尼，提高发电机转子角第 1摆稳定性并快速抑制振荡。

3.模糊逻辑算法设计简单，无迭代过程，计算时间快，是一种非常有效的协调控制算法，可以与其他寻优智能算法结合使用以获得最佳控制性能。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为UPFC协调控制器的控制框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的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。

如图1所示，一种风力发电并网系统中UPFC的协调控制方法，具体步骤为：建立含有UPFC的风力发电机并网的电力系统模型；建立UPFC的串并联侧控制器的模型；建立测量风力发电机转速、计算速度偏差Δw和其变化率的单元模块；以速度偏差Δw和其变化率作为辅助控制信号，设计模糊逻辑控制器，并利用模糊逻辑控制器的输出来控制风力发电并网系统中的UPFC。

UPFC的电力系统的电路模型包含串联逆变器、并联逆变器、串联变压器、并联变压器、直流电容器、串联侧控制器、并联测控制器，其中串联侧逆变器通过串联变压器串入线路，并联侧逆变器通过并联变压器接入母线，两个逆变器共同并联一个直流电容器。

优选串并联逆变器为电压源型逆变器，采用SPWM调制波。

UPFC的串并联侧控制器采用d-q解耦控制策略，并联侧控制d轴分量实现对直流电容器电压的稳定控制，q轴实施对并网点母线电压控制，串联侧d轴分量对线路有功功率进行控制，q轴对线路无功功率实现控制。其控制器数学模型如下：

并联侧控制器数学模型：

式中：w_s为同步角速度，i_shd、i_shq分别为并联侧换流器输入电流的d、q轴分量， U_s并联母线电压，R_sh、L_sh分别为并联侧换流器进线的等效电阻和电感，k_sh-iP、k_sh-iI分别为并联测换流器的电流控制器的比例、积分系数，i_{shd_ref}、i_{shq_ref}分别为并联测换流器输入电流d、q轴分量的指令值。

串联侧控制器数学模型：

式中：i_sed、i_seq分别为串联侧换流器输入电流的d、q轴分量，R_se、L_se分别为串联侧换流器进线的等效电阻和电感，U_12d、U_12q分别为串联变压器输出电压的d、q轴分量，k_se-iP、k_se-iI分别为串联侧换流器的电流控制器的比例、积分系数，i_{shf_ref}、 i_{shq_ref}分别为并联侧换流器输入电流d、q轴分量的指令值。

在风力发电机组，通过转速测量单元，计算获取风力发电机的转速偏差量Δw，经过高速通信发送给UPFC控制器单元，UPFC控制器将转速偏差Δw及其导数即变化率作为辅助信号，经过模糊逻辑控制器的计算，以一定的倍数放大加入到并联侧母线电压控制及串联侧的线路有功功率控制器输入。

模糊逻辑控制器的设计主要有模糊化接口、知识库、模糊推理机、解模糊借口四个部分组成；

首先速度偏差信号Δw及其变化率信号作为输入量，即无差信号E和误差信号变化率EC，进行处理变成模糊逻辑控制器要求的输入；将已经处理过的输入变量进行尺度变换，选择变换的论域范围，计算相应的转换因子L_i(i＝1,2,3,4)；将已变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原精确的输入量变成模糊量，并用相应的模糊集合来表示；其次，选择输入、输出量的隶属分布函数，选择模糊推理方法；依据控制要求，选择专家经验法、观察法、基于过程的模糊模型法、基于自主学习法等制定模糊规则；最后，选择去模糊化的方法，平均值法或者重心法等方法，进行k1、k2大小的模糊计算。

如图2所示，将Δw分别乘以k1、k2倍，得到u_damp、p_damp，分别将这两个附加控制量加到并联侧的母线电压控制器的输入量、串联侧的线路有功控制器输入量中，参与UPFC的控制。其中的限幅环节1、2的大小取决于系统对母线电压和线路潮流波动范围的要求，例如波动范围可以给定±0.15p.u.。

模糊逻辑控制器，为所设计的模糊逻辑控制器具有通用性，将经过转换后的输入量Δw和的范围设定为[-1,1]，清晰化后的输入量范围设定为[0,1]，针对不同的系统，转换因子L_i(i＝1,2,3,4)的大小按需求调整。

其中，将模糊逻辑控制器的输入变量Δw和用模糊子集表示为 {NB,NS,0,PS,PB}5中情况，输出量y表示为{S,M,B}3种情况。

模糊逻辑控制器输入量的隶属函数选取三角型分布函数，输出量的隶属函数选取高斯分布函数，如附图所示。模糊推理选取Mamdani法，去模糊化选取平均值法。

模糊规则表可以如下表所示为例，第一句为：“IFΔw＝NB,THEN y＝B”解释其含义，Δw＝NB说明此时转速远小于1，说明转速正在以最大速率减小，故此时应该快速增大转速，由转子运动方程知，减小P_e可以增大转速，故y＝B，这样k1和k2很大，辅助信号很大，系统的阻尼水平增加，电压参考值和功率参考值经修正后变小，P_e参考值将变小。

最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (7)

1.一种风力发电并网系统中UPFC的协调控制方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一，建立含有UPFC的风力发电机并网的电力系统模型；

步骤二，建立UPFC的串并联侧控制器的模型；

步骤三，建立测量风力发电机转速、计算速度偏差Δw和其变化率的单元模块；

步骤四，以速度偏差Δw和其变化率作为辅助控制信号，设计模糊逻辑控制器，并利用模糊逻辑控制器的输出来控制风力发电并网系统中的UPFC。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电并网系统中UPFC的协调控制方法，其特征在于：所述UPFC包含串联逆变器、并联逆变器、串联变压器、并联变压器、直流电容器、串联侧控制器、并联侧控制器，其中串联侧逆变器通过串联变压器串入线路，并联侧逆变器通过并联变压器接入母线，两个逆变器共同并联一个直流电容器。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电并网系统中UPFC的协调控制方法，其特征在于：所述步骤二中UPFC的串并联侧控制器采用d-q解耦控制策略，并联侧控制d轴分量实现对直流电容器电压的稳定控制，q轴实施对并网点母线电压控制，串联侧d轴分量对线路有功功率进行控制，q轴对线路无功功率实现控制；其控制器数学模型如下：

并联侧控制器数学模型：

式中：w_s为同步角速度，i_shd、i_shq分别为并联侧换流器输入电流的d、q轴分量，U_s并联母线电压，R_sh、L_sh分别为并联侧换流器进线的等效电阻和电感，k_sh-iP、k_sh-iI分别为并联测换流器的电流控制器的比例、积分系数，i_{shd_ref}、i_{shq_ref}分别为并联测换流器输入电流d、q轴分量的指令值；

串联侧控制器数学模型：

式中：i_sed、i_seq分别为串联侧换流器输入电流的d、q轴分量，R_se、L_se分别为串联侧换流器进线的等效电阻和电感，U_12d、U_12q分别为串联变压器输出电压的d、q轴分量，k_se-iP、k_se-iI分别为串联侧换流器的电流控制器的比例、积分系数，i_{shd_ref}、i_{shq_ref}分别为并联侧换流器输入电流d、q轴分量的指令值。

4.根据权利要求1所述的一种风力发电并网系统中UPFC的协调控制方法，其特征在于：风力发电机组，通过转速测量单元，获取风力发电机的转速，经过高速通信发送给UPFC控制器单元，UPFC控制器将转速偏差及其倒数即变化率作为辅助信号，经过模糊逻辑控制器的计算，将数值放大加入到并联侧母线电压控制及串联侧的线路有功功率控制器输入。

5.根据权利要求4所述的一种风力发电并网系统中UPFC的协调控制方法，其特征在于：所述模糊逻辑控制器的设计主要有模糊化接口、知识库、模糊推理机、解模糊借口四个部分组成；

首先对速度偏差Δw及其变化率作为输入量，即无差信号E和误差信号变化率EC，进行处理变成模糊逻辑控制器要求的输入；将已经处理过的输入变量进行尺度变换，选择变换的论域范围，计算相应的转换因子L_i(i＝1,2,3,4)；将已变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原精确的输入量变成模糊量，并用相应的模糊集合来表示；其次，选择输入、输出量的隶属分布函数，选择模糊推理方法；依据控制要求，选择专家经验法、观察法、基于过程的模糊模型法、基于自主学习法来制定模糊规则；最后，选择去模糊化的方法、平均值法或者重心法进行k1、k2大小的模糊计算。

6.根据权利要求5所述的一种风力发电并网系统中UPFC的协调控制方法，其特征在于：将经过转换后的输入量Δw和的范围设定为[-1,1]，清晰化后的输入量范围设定为[0,1]，针对不同的系统，转换因子L_i(i＝1,2,3,4)的大小按需求调整。

7.根据权利要求5所述的一种风力发电并网系统中UPFC的协调控制方法，其特征在于：模糊逻辑控制器的输入量的隶属函数选取三角型分布函数，输出量的隶属函数选取高斯分布函数，模糊推理选取Mamdani法，去模糊化选取平均值法。