CN108539762B - 一种基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子电路设计技术，具体涉及一种基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统及方法，该系统包括AGC控制系统和HVDC系统；AGC控制系统包括依次连接的ACE模块、自抗扰控制器、发电机调速系统和发电机；HVDC系统包括依次连接的整流器、直流输电系统、逆变器和交流系统，以及与整流器连接的AFC控制器；整流器与发电机连接；AFC控制器用于风力发电机系统的一次调频控制；自抗扰控制器用于风力发电机系统的二次调频控制。该控制系统的抗扰动能力优于基于PID控制技术的交直流电力系统频率控制抗扰动能力，能较好地抑制风电出力引起的频率波动。并且能完全满足风电出力引起交直流电力系统频率扰动问题中对频率稳定性控制的要求。
Description
技术领域
本发明属于电子电路设计技术领域，尤其涉及一种基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统及方法。
背景技术
近年来，随着控制技术在电网系统中应用发展，具有扰动估计及补偿能力的自抗扰控制技术作为风电辅助频率控制具有一定的优势，其由安排过渡过程装置的跟踪微分器、提取系统状态信息和扰动总和信息的扩张状态跟踪测量装置扩展状态观测器、用状态误差信息来产生非线性误差反馈控制量的装置非线性误差反馈控制器和依据扰动估计值对系统进行扰动补偿而生成最终控制量的补偿装置构成，综合了经典控制PID自身的优势，并对其劣势进行改进，能更好的控制系统，达到更好控制效果。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种优于PID控制技术的交直流电力系统频率控制抗扰动能力，能较好地抑制风电出力引起的频率波动的频率控制系统。
本发明的目的之二是提供一种基于自抗扰控制技术的惯性响应，基于AFC控制技术的高压直流输电辅助频率控制的一次调频技术，基于自抗扰控制器的自动发电控制频率控制的二次调频技术的频率控制方法。
为实现上述第一个目的，本发明采用的技术方案是：一种基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统，包括AGC控制系统和HVDC系统；AGC控制系统包括依次连接的ACE模块、自抗扰控制器、发电机调速系统和发电机；HVDC系统包括依次连接的整流器、直流输电系统、逆变器和交流系统，以及与整流器连接的AFC控制器；整流器与发电机连接；AFC控制器用于风力发电机系统的一次调频控制；自抗扰控制器用于风力发电机系统的二次调频控制。
在上述的基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统中，一次调频控制为高压直流输电系统辅助频率控制，二次调频控制为自动发电控制频率。
在上述的基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统中，自抗扰控制器包括跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性误差反馈控制器NLSEF，其中，跟踪微分器TD产生设定值V(t)的跟踪信号和微分信号，扩张状态观测器ESO对受控对象进行实时状态观测，并获得系统扰动的估计动态信号；非线性误差反馈控制器NLSEF用于代替PID控制技术中误差的积分信号。
在上述的基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统中，ACE模块用于输入区域控制偏差。
为实现上述第二个目的，本发明采用的技术方案：一种基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制方法，其特征是，风力发电机系统发生扰动时，AFC控制器利用高压直流输电系统短时过载能力和快速有功平衡能力，配合自抗扰控制器调节发电机输出机械功率迅速平衡系统输出和负荷之间的功率，从而实现风力发电机系统频率的控制；包括以下步骤：
步骤1、AFC控制器利用高压直流输电系统功率快速调制和短时过载能力快速平衡其扰动中变化较快的分量，实现风力发电机系统一次调频控制；
步骤2、自抗扰控制器跟踪电网功率波动，调整发电机出力平衡变化较慢的有功功率扰动分量，维持风力发电机系统有功功率平衡，对风力发电机系统进行二次调频控制。
在上述的基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制方法中，所述步骤1中一次调频控制的实现包括：AFC控制器输出ΔIord叠加到高压直流输电系统整流侧的调制指令上，利用直流输电短时过载能力和快速功率调制能力，通过改变整流侧的触发角，调整高压直流输电系统的传输功率，实现对风力发电机系统频率的控制。
在上述的基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制方法中，AFC控制器输出端加入一个死区环节，其大小与高压直流输电系统整流侧主控制参数匹配，用于防止AFC控制器误动作导致频率震荡；在AFC控制器中加入第一限幅环节，用于平衡调节能力和安全。
在上述的基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制方法中，所述步骤2中二次调频控制的实现包括：将交流系统实时频率f、交流联络线实时有功功率Pac和直流联络线实时有功功率Pdc传送至ACE模块，经过自抗扰控制器处理，输出发电机功率调节量ΔPs，通过调节发电机的有功输出，使ACE模块输出为0，达到交直流系统有功功率平衡，使风力发电机系统频率在额定频率范围内，进而实现对风力发电机系统频率控制。
在上述的基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制方法中，在ACE模块之后接入低通滤波环节和第二限幅环节，低通滤波环节使自抗扰控制器仅对幅值较大、变化缓慢的扰动分量发生响应、平滑ACE模块信号；第二限幅环节用于防止自抗扰控制器误动作。
本发明的有益效果是：基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制的抗扰动能力优于基于PID控制技术的交直流电力系统频率控制抗扰动能力，能较好地抑制风电出力引起的频率波动。并且能完全满足风电出力引起交直流电力系统频率扰动问题中对频率稳定性控制的要求。
附图说明
图1是本发明一个实施例基于自抗扰的风力发电机系统的结构示意图；
图2是本发明一个实施例三阶自抗扰控制器结构框图；
图3是本发明一个实施例基于AFC控制器结构图；
图4是本发明一个实施例AGC控制系统框图；
图5是本发明一个实施例AGC控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，如图1所示，一种基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统，包括AGC控制系统和HVDC系统；AGC控制系统包括依次连接的ACE模块、自抗扰控制器、发电机调速系统和发电机；HVDC系统包括依次连接的整流器、直流输电系统、逆变器和交流系统，以及与整流器连接的AFC控制器；整流器与发电机连接；AFC控制器用于风力发电机系统的一次调频控制；自抗扰控制器用于风力发电机系统的二次调频控制。
本实施例基于自抗扰控制技术的分离性原理设计了三阶的自抗扰控制器，控制结构框图如图2所示。自抗扰控制器包括跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性误差反馈控制器NLSEF三个部分，其中扰动补偿控制部分隐藏于扩张状态观测器ESO和非线性误差反馈控制器NLSEF之间传递函数部分。跟踪微分器TD为输入信号安排过渡过程，以产生设定值V(t)的跟踪信号和微分信号；扩张状态观测器ESO对受控对象进行实时状态观测，以及获得系统扰动的估计的动态信号；非线性误差反馈控制器NLSEF是误差的非线性组合，用来代替PID控制技术中误差的积分信号。
并且，跟踪微分器TD按照如下方程设计：
其中v1是安排过渡信号，v2是安排过渡过程的微分信号，v3是安排过渡过程的2阶微分信号。
并且，扩张状态观测器ESO可由如下方程实现：
其中z1,z2,z3为跟踪对象状态变量，z4为系统估计出来的扰动。
并且，非线性误差反馈控制器NLSEF按照如下方程设计：
其中u0为提取信号的非线性组合，z4/b0为对扰动的补偿，u为控制器输出的控制信号。
针对风电出力受扰动的影响引起交直流系统有功不平衡，导致系统频率发生偏移的现象，AFC控制器根据系统反馈的交直流输电系统各运行状态，快速改变整流侧触发角，通过改变直流输电系统的电流值控制HVDC有功功率输出，用来缓解交直流输电系统有功不平衡，实现对低频震荡的频率抑制，使风力发电机系统频率得到改善。AFC控制器的结构如图3所示。
图3中，Δω：非调频发电机间的转速差；Tw：隔直环节时间常数；Gc(s)：AFC控制器传递函数；ΔIord：直流电流调节指令；I：直流电流的测量值；Id0：直流电流的整定；K1和K2：整流侧主控制器参数；α：整流侧触发角。基于TLS-ESPRIT算法和改进射影控制理论，利用状态反馈控制器作为主要依据，在保留状态反馈主导特征值和特征向量的基础上将其映射为低阶的输出反馈控制器。
根据调节负荷及扰动变化的频率及幅值引起的频率波动问题，将自动发电控制定义为二次调频。区域控制偏差ACE模块是由风力发电机系统当前负荷、发电机输出有功功率和系统频率等因素形成的，反映了风力发电机系统功率与负荷之间的平衡情况。区域控制偏差ACE模块与发电机的连接方式如图4所示。测量模块把直流联络线和交流联络线上的有功功率偏差信号和交流系统频率偏差信号采集起来送到ACE模块；ACE模块利用自抗扰控制器计算出AGC控制系统的参考负荷设定值，然后输送到发电机调速器，通过发电机调速器控制发电机输出机械功率，进而参与风力发电机系统频率控制，其结构如图4所示。
以下的实施例为基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制方法，采用基于自抗扰控制技术的惯性响应，基于AFC控制技术的HVDC辅助频率控制的一次调频技术，基于自抗扰控制器的自动发电控制频率的二次调频技术。
在风电出力发生大幅度随机扰动时，辅助频率控制AFC控制器利用HVDC功率快速调制和短时过载能力快速平衡风电出力扰动中变化较快的分量，实现风力发电机系统一次调频控制；基于自抗扰控制算法的AGC控制系统自动跟踪电网功率波动，调整发电机出力平衡变化较慢的有功功率扰动分量，维持交直流系统有功功率平衡，对风力发电机系统进行二次调频控制。
辅助频率控制AFC控制器的基本原理是直流功率调制，频率误差经混频器检测出，并经差频放大、限幅鉴频和放大器转换成电压误差信号去控制压控振荡器。
实现HVDC辅助频率控制的AFC控制器控制过程如下：交直流电力系统受风电出力引起频率波动时，AFC控制器立刻动作，输出ΔIord叠加到HVDC整流侧的调制指令上，利用直流输电系统短时过载能力和快速功率调制能力，通过改变整流侧的触发角，改变HVDC的传输功率，以弥补系统有功不平衡引起的频率波动问题。由于系统正常运行时，系统频率总会发生微小波动，为了防止正常运行时一次调频设备AFC控制器发生误动作导致系统频率震荡，在AFC控制器输出端加入一个死区环节，其大小配合整流侧主控制参数。考虑HVDC实际过载能力，在AFC控制器中加入第一限幅环节，平衡调节能力与实际情况中安全问题。
AFC控制器与AGC控制系统配合控制原理如下：
发电机系统发生扰动时，一次调频辅助控制器AFC利用HVDC短时过载能力和快速有功平衡能力配合二次调频控制器AGC控制系统调节发电机输出机械功率迅速平衡风力发电机系统输出和负荷之间的功率，从而使风力发电机系统频率趋于稳定。基于自抗扰控制的AGC控制系统作为辅助风电接入交直流电力系统的二次调频控制策略，其控制原理如图5所示。本实施例采用联络线频率偏差作为区域偏差ACE模块，AGC控制系统实现控制的具体实现过程为：通过信号测量设备得到交流系统实时频率：f、交流联络线实时有功功率：Pac和直流联络线实时有功功率：Pdc作为输入信号，经过AGC控制系统信号处理，输出期望的发电机功率调节量：ΔPs。AGC控制系统通过调节发电机的有功输出，使区域偏差信号ACE为0，达到交直流系统有功功率平衡，进而使风力发电机系统频率稳定在额定频率范围内。ACE模块由交流联络线有功功率偏差ΔPac和直流联络线有功功率偏差ΔPdc加上用偏差因子加权的频率偏差Δf构成，即式：
ACE＝ΔPac+ΔPdc+βΔf
式中β为频率偏差因子，单位：MW/HZ。
AGC控制系统作为风力发电机系统的二次调频控制技术的主要优势在于在风电出力受到外界扰动引起频率发生波动时，AGC控制系统通过快速提取系统运行状态信号，调节发电机调速器转速控制发电机有功输出达到风力发电机系统有功功率平衡，快速稳定风力发电机系统频率；同时，有发电机作为备用容量，在风电受较大扰动时也能保持风力发电机系统频率稳定。在ACE信号后接入低通滤波环节，使AGC控制系统仅对幅值较大、变化缓慢的扰动分量响应，ACE模块信号更加平滑。而当频率偏差信号Δf与频率偏差因子β加权之后得到频率偏差控制信号fb大于设定值时，风力发电机系统应通过其它调节方式控制系统频率稳定，而不是AGC控制系统误动作，因此在ACE模块后加入第二限幅环节。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (9)
1.一种基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统，包括AGC控制系统和HVDC系统；其特征是，AGC控制系统包括依次连接的ACE模块、自抗扰控制器、发电机调速系统和发电机；HVDC系统包括依次连接的整流器、直流输电系统、逆变器和交流系统，以及与整流器连接的AFC控制器，整流器与发电机连接；AFC控制器用于风力发电机系统的一次调频控制；自抗扰控制器用于风力发电机系统的二次调频控制；自抗扰控制器包括跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性误差反馈控制器NLSEF，跟踪微分器TD按照如下方程设计：
其中v1是安排过渡信号，v2是该安排过渡信号的微分信号，v3是安排过渡过程的2阶微分信号；
扩张状态观测器ESO可由如下方程实现：
其中z1,z2,z3为跟踪对象状态变量，z4为系统估计出来的扰动；
非线性误差反馈控制器NLSEF按照如下方程设计：
其中u0为提取信号的非线性组合，z4/b0为对扰动的补偿，u为控制器输出的控制信号。
2.如权利要求1所述的基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统，其特征是，一次调频控制为高压直流输电系统辅助频率控制，二次调频控制为自动发电控制频率。
3.如权利要求1所述的基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统，其特征是，自抗扰控制器包括跟踪微分器TD、扩张状态观测器ESO、非线性误差反馈控制器NLSEF，其中，跟踪微分器TD产生设定值V(t)的跟踪信号和微分信号，扩张状态观测器ESO对受控对象进行实时状态观测，并获得系统扰动的估计动态信号；非线性误差反馈控制器NLSEF用于代替PID控制技术中误差的积分信号。
4.如权利要求1所述的基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统，其特征是，ACE模块用于输入区域控制偏差。
5.如权利要求1-4任意一项所述基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统的控制方法，其特征是，风力发电机系统发生扰动时，AFC控制器利用高压直流输电系统短时过载能力和快速有功平衡能力，配合自抗扰控制器调节发电机输出机械功率迅速平衡系统输出和负荷之间的功率，从而实现风力发电机系统频率的控制；包括以下步骤：
步骤1、AFC控制器利用高压直流输电系统功率快速调制和短时过载能力快速平衡其扰动中变化较快的分量，实现风力发电机系统一次调频控制；
步骤2、自抗扰控制器跟踪电网功率波动，调整发电机出力平衡变化较慢的有功功率扰动分量，维持风力发电机系统有功功率平衡，对风力发电机系统进行二次调频控制。
6.如权利要求5所述的基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统的控制方法，其特征是，所述步骤1中一次调频控制的实现包括：AFC控制器输出ΔIord叠加到高压直流输电系统整流侧的调制指令上，利用直流输电短时过载能力和快速功率调制能力，通过改变整流侧的触发角，调整高压直流输电系统的传输功率，实现对风力发电机系统频率的控制。
7.如权利要求6所述的基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统的控制方法，其特征是，AFC控制器输出端加入一个死区环节，其大小与高压直流输电系统整流侧主控制参数匹配，用于防止AFC控制器误动作导致频率震荡；在AFC控制器中加入第一限幅环节，用于平衡调节能力和安全。
8.如权利要求5所述的基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统的控制方法，其特征是，所述步骤2中二次调频控制的实现包括：将交流系统实时频率f、交流联络线实时有功功率Pac和直流联络线实时有功功率Pdc传送至ACE模块，经过自抗扰控制器处理，输出发电机功率调节量ΔPs，通过调节发电机的有功输出，使ACE模块输出为0，达到交直流系统有功功率平衡，使风力发电机系统频率在额定频率范围内，进而实现对风力发电机系统频率控制。
9.如权利要求8所述的基于自抗扰的风力发电机系统的频率控制系统的控制方法，其特征是，在ACE模块之后接入低通滤波环节和第二限幅环节，低通滤波环节使自抗扰控制器仅对幅值较大、变化缓慢的扰动分量发生响应、平滑ACE模块信号；第二限幅环节用于防止自抗扰控制器误动作。
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