CN111864812B - 一种适用于新能源微电网的快速功率控制方法和装置 - Google Patents

一种适用于新能源微电网的快速功率控制方法和装置 Download PDF

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CN111864812B CN202010572865.0A CN202010572865A CN111864812B CN 111864812 B CN111864812 B CN 111864812B CN 202010572865 A CN202010572865 A CN 202010572865A CN 111864812 B CN111864812 B CN 111864812B
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Abstract

本发明公开了一种适用于新能源微电网的快速功率控制方法和装置，该算法特别适用于新能源微电网(以下简称：场站)一次调频等需要快速功率控制的场合。当场站目标功率变化时，采用前馈‑PID反馈控制进行场站有功功率控制，同时具备快速与准确性。执行控制过程中，通过一个双曲正切函数和一个Sigmoid函数分别对前馈控制和PID反馈控制的调节效果进行修正，以降低调节过程中的功率波动。其中双曲正切函数和Sigmoid函数与本发明中引入的临界时间参数相关，该参数具备自适应性，引入该参数可提高控制算法对微电网运行状态变化、设备更新、环境变化等情况的适应能力。

Description

一种适用于新能源微电网的快速功率控制方法和装置
技术领域
本发明涉及一种适用于新能源微电网的快速功率控制方法和装置，属于新能源发电、微电网技术领域。
背景技术
近年来，随着电网新能源快速发展，新能源装机占装机总容量的占比逐年上升。尤其是西北地区，新能源已经成为网内第二大装机电源。新能源渗透率的不断升高挤占了具有转动惯量的常规火、电机组空间，新能源微电网快速稳定的功率调节能力也成了电网电能质量的重要组成部分。
由于新能源发电的波动性较强，且其调节速率一般较慢，调节精度和稳定性也较差。而场站对功率调节速率要求较高，尤其是一次调频等功能，要求数秒内应当将场站输出功率调节到目标值且保持输出功率的稳定。使用传统PID调节算法时，调节速率和稳定性难以兼得。为保障新能源占比逐步增高的大电网安全稳定运行，促进新能源持续健康发展，为新能源机组增加快速稳定的功率调节方法的需求十分迫切。
发明内容
目的：本发明提供了一种适用于新能源微电网的快速功率控制方法和装置，解决了现有新能源微电网功率控制方法中存在调节速率和稳定性难以兼得的问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种适用于新能源微电网的快速功率控制方法，包括步骤：
当获取到新的目标功率时，根据临界时间和前馈与PID反馈控制相结合的方法得到功率执行值；
对功率执行值进行分配形成功率调节指令下发给各个功率输出设备，功率输出设备按照功率调节指令将自身功率调节到指令功率，实际输出功率到并网点；
所述临界时间为：功率输出设备将功率调节到功率调节指令所需要花费的时间。
进一步的，根据临界时间和前馈与PID反馈控制相结合的方法得到功率执行值，包括：
根据临界时间Tlj生成PID前馈的参数修正函数WF(t)和PID反馈的参数修正函数WPID(t)，并将WPID(t)转为离散函数WPID(k)；
根据PID前馈的参数修正函数WF(t)得到离散化的增量前馈功率ΔPF(k)；
根据PID反馈的离散参数函数WPID(k)得到离散化的增量PID功率ΔPPID(k)；
根据离散化的增量前馈功率和离散化的增量PID功率计算功率执行值。进一步的，PID前馈的参数修正函数WF(t)为：
Figure RE-GDA0002670553890000021
其中，t为时刻，kF为前馈量增益系数，kf为前馈量响应系数，Tlj为临界时间。
进一步的，PID反馈的参数修正函数WPID(t)为：
Figure RE-GDA0002670553890000022
其中kp0，kp1，kp2为反馈更新系数，nconst为反馈更新常数；
离散化的PID反馈参数修正函数WPID(k)为：
Figure RE-GDA0002670553890000031
其中，k为采样点编号。
进一步的，根据PID前馈的参数修正函数WF(t)得到离散化的增量前馈功率ΔPF(k)，包括：
根据参数修正函数WF(t)计算前馈功率值的算式为：PF(t)＝KF(P0-P-1)WF(t)，将其转化为增量形式后的算式为：ΔPF(k)＝KF(P0-P-1)[WF(k)-WF(k-1)]；
其中，KF为前馈增益函数；WF(k)为离散化的PID前馈参数修正函数；ΔPF(k)为离散化的增量前馈功率；P0为目标功率，P-1为上一个目标功率。
进一步的，离散化的增量PID功率ΔPPID(k)，公式为：
ΔPPID(k)＝{KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}WPID(k)
其中，ΔPPID(k)为第k个采样点计算出的增量PID功率，e(k)为第k次计算时总功率目标值与总功率测量值偏差，Kp、KI、KD分别为比例系数、积分系数、微分系数。
进一步的，根据离散化的增量前馈功率和离散化的增量PID功率计算功率执行值，P(k)＝P(k-1)+ΔPPID(k)+ΔPF(k)
其中，P(k)为第k个采样点计算出的功率执行值，P(k-1)为第k-1个采样点计算出的功率执行值。
进一步的，还包括，更新临界时间，包括步骤：
功率调节过程在时刻Tstart获取到新的目标功率Ptarget，记录下Tstart时刻的场站实际初始功率Pstart，记录有功功率调节量达到功率目标值Ptarget与初始功率 Pstart之差的设定比例时所需时间Tend；令Tlj＝T0lj；T0lj为初始临界时间；
若Tend＜T0lj，则更新临界时间为Tlj'：
Figure RE-GDA0002670553890000041
其中，kupdate为临界时间更新系数；mconst为临界时间更新常数。
一种适用于新能源微电网的快速功率控制装置，包括：
功率执行值计算模块，用于当获取到新的目标功率时，根据临界时间和前馈与PID反馈控制相结合的方法得到功率执行值；
功率控制输出模块，用于对功率执行值进行分配形成功率调节指令下发给各个功率输出设备，功率输出设备按照功率调节指令将自身功率调节到指令功率，实际输出功率到并网点；
所述临界时间为：功率输出设备将功率调节到功率调节指令所需要花费的时间。
进一步的，根据临界时间和前馈与PID反馈控制相结合的方法得到功率执行值，包括：
根据临界时间Tlj生成PID前馈的参数修正函数WF(t)和PID反馈的参数修正函数WPID(t)，并将WPID(t)转为离散函数WPID(k)；
根据PID前馈的参数修正函数WF(t)得到离散化的增量前馈功率ΔPF(k)；
根据PID反馈的离散参数函数WPID(k)得到离散化的增量PID功率ΔPPID(k)；
根据离散化的增量前馈功率和离散化的增量PID功率计算功率执行值。
有益效果：本发明通过前馈-PID反馈控制进行场站有功功率控制，并分别对前馈控制和PID反馈控制的调节效果进行修正。本发明的优化方法在提高功率调节速度的同时，降低调节过程中的功率波动和超调量，加快功率恢复平稳的速度，以提高新能源微电网功率输出的质量；
本发明使用前馈与PID反馈控制相结合的方法，既具备前馈算法的快速性，也具备反馈调节的准确性和鲁棒性；
本发明能够根据新能源微电网实际运行状态实时更新临界时间参数，通过临界时间优化系统的控制参数，对场站设备变化、外界环境变化、运行状态变化等具有自适应性。
本发明可以实现新能源微电网场站的有功功率值的快速调节，并减少调节过程中的功率波动，以保证场站输出功率的稳定性，提高输出的电能质量。
附图说明
图1为本发明实施例中功率控制方法流程图；
图2为本发明实施例中更新系数＝0.5、更新常数＝1时的临界时间更新图；
图3为本发明实施例中更新系数＝0.4、更新常数＝0.8时的临界时间更新图；
图4为本发明实施例中PID前馈系数函数图；
图5为本发明实施例中PID反馈系数函数图；
图6为本发明实施例中基于传统PID算法的功率控制曲线图；
图7为本发明实施例中功率控制曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
实施例1：
如图1所示，一种适用于新能源微电网的快速功率控制方法，包括如下步骤：
步骤1：当新能源微电网功率控制系统(以下简称控制系统)获取新的目标功率调节指令时，将此次目标功率记为P0，上一个目标功率记为P-1。根据最新的临界时间Tlj生成PID前馈的参数修正函数WF(t)(即前馈-PID反馈控制算法的参数修正函数)和PID反馈的参数修正函数WPID(t)，并将WPID(t)转为离散函数WPID(k)；
控制系统根据临界时间Tlj生成PID前馈的参数修正函数：
Figure RE-GDA0002670553890000061
其中，t为时刻，kF为前馈量增益系数，取值范围一般为(0.8,1.2)；kf为前馈量响应系数，取值范围一般为[0,1)，建议取值小于0.2，可取0，此时WF(t)＝kF。图4为临界时间为5s，前馈量响应系数为0.2，前馈量增益系数为1.1时的函数曲线。
控制系统根据临界时间Tlj生成PID反馈的参数修正函数，该函数可使用Sigmoid(Logistic)函数，如：
Figure RE-GDA0002670553890000062
其中，kp0，kp1，kp2为更新系数，kp0取值范围一般为[5,10]；kp1取值范围一般为(0,kp2」；kp2的取值范围一般为
Figure RE-GDA0002670553890000063
建议kp2取值大于0.5；nconst为常数，可取1。图5为临界时间为5s，kp0取值5，kp1取值0.2，kp2取值0.7， nconst取值1时的PID反馈参数修正函数。
为便于计算机编程与计算，对PID反馈的参数修正函数进行离散化，设其采样时间Tsample不高于0.01s：
Figure RE-GDA0002670553890000071
其中，k为采样点编号，WPID(k)为离散化的PID反馈参数修正函数；
步骤2：控制系统根据PID前馈的参数修正函数WF(t)计算PID前馈功率值PF(t)，将其转化为离散化的增量前馈功率ΔPF(k)；
根据参数修正函数WF(t)计算前馈功率值的算式为：PF(t)＝KF(P0-P-1)WF(t)，
将其转化为增量形式后的算式为：ΔPF(k)＝KF(P0-P-1)[WF(k)-WF(k-1)]。
其中，KF为前馈增益函数；WF(k)为离散化的PID前馈参数修正函数；ΔPF(k)为离散化的增量前馈功率；k表示第k个采样点，k-1表示第k-1个采样点；
步骤3：控制系统根据离散化的PID反馈参数修正函数WPID(k)计算PID 反馈功率值，将其转化为离散化的增量PID功率ΔPPID(k)；
根据参数修正函数WPID(t)计算PID反馈功率值PPID(t)的算式为：
Figure RE-GDA0002670553890000072
其中，kp、TI、TD分别为比例、积分、微分系数，e(t)为t时刻总功率目标值P与总功率测量值P测量的偏差。
将其转化为增量形式后的算式为：
ΔPPID(k)＝{KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}WPID(k)
其中，ΔPPID(k)为第k个采样点计算出的增量PID功率，e(k)为第k个采样点计算的总功率目标值P与总功率测量值P测量的偏差(总功率测量值通过新能源微电网的并网点功率采集设备获取)，e(k-1)为第k-1个采样点计算的总功率目标值P与总功率测量值P测量的偏差，e(k-2)第k-2个采样点计算的总功率目标值P与总功率测量值P测量的偏差，Kp、KI、KD分别为增量形式下的比例系数、积分系数、微分系数；
步骤4：控制系统根据离散化的增量前馈功率和离散化的增量PID功率计算功率执行值，其计算公式为：
P(k)＝P(k-1)+ΔPPID(k)+ΔPF(k)
其中，P(k)为第k个采样点计算出的功率执行值，P(k-1)为第k-1个采样点计算出的功率执行值；
步骤5：控制系统对功率执行值P(k)进行分配形成功率调节指令下发给各个功率输出设备；功率输出设备用于将按照从控制系统获取到的功率调节指令将自身功率调节到该指令功率，实际输出功率到并网点；
所述步骤5中，功率输出设备指：微电网中用于功率输出的实际电气设备，若为风电站，则功率输出设备为运行状态下的风力发电机组；若为光伏电站，则功率输出设备为运行状态下的光伏逆变器等设备。
步骤6：控制系统根据功率输出设备按照功率调节指令执行有功功率调节的过程，实时计算、更新临界时间Tlj。
临界时间Tlj是指，控制系统对功率输出设备(如风机或光伏逆变器) 下发功率调节指令后，功率输出设备将功率调节到该指令所需要花费的时间，当场站设备变化、外界环境变化、运行状态变化时，该时间可能会改变，获取准确的临界时间可优化控制效果。
更新临界时间Tlj，包括以下步骤：
对上述功率调节过程进行记录，在时刻Tstart获取到新的目标功率Ptarget，记录下Tstart时刻的场站实际初始功率Pstart，记录该次功率控制过程中，有功功率调节量达到功率目标值Ptarget与初始功率Pstart之差的设定比例(如90％) 时所需时间Tend；若场站为风电站，设初始临界时间T0lj＝10s；若场站为光伏电站，设T0lj＝5s；令Tlj＝T0lj；
若Tend＜T0lj，则更新临界时间Tlj'：
Figure RE-GDA0002670553890000091
其中，kupdate为临界时间更新系数，一般取值范围为(0，1)；mconst为临界时间更新常数，一般取值范围为(0.5，2)。
此处选择初始临界时间为10s，图2为更新系数kupdate＝0.5、更新常数 mconst＝1时的临界时间的值与更新次数关系图；图3为更新系数＝0.4、更新常数＝0.8时的临界时间的值与更新次数关系图。通过多次更新，控制系统的临界时间可以调节到达当前实际的临界时间，且过程平缓、调节步长稳定。
通过上述步骤，可实现功率控制方法的优化。上述步骤3中PID反馈功率值的计算方法为传统的PID算法，本方法通过前馈算法、前馈参数修正函数、反馈参数修正函数等对传统PID算法进行优化，形成一种优化PID 算法。如图6为传统基于PID算法的功率控制方法曲线图，图7为优化后的方法曲线图。通过曲线图可见，从初始状态10MW调节到目标值12MW，传统基于PID算法的功率控制方法若试图提高快速性，则调节过程中的功率波动较大，在5秒左右才能进入较为稳定的状态，且仍有少量波动，而优化后的方法在3秒左右已经可以保持稳定的输出功率。
实施例2：
一种适用于新能源微电网的快速功率控制装置，包括：
功率执行值计算模块，用于当获取到新的目标功率时，根据临界时间和前馈与PID反馈控制相结合的方法得到功率执行值；
功率控制输出模块，用于对功率执行值进行分配形成功率调节指令下发给各个功率输出设备，功率输出设备按照功率调节指令将自身功率调节到指令功率，实际输出功率到并网点；
所述临界时间为：功率输出设备将功率调节到功率调节指令所需要花费的时间。
进一步的，根据临界时间和前馈与PID反馈控制相结合的方法得到功率执行值，包括：
根据临界时间Tlj生成PID前馈的参数修正函数WF(t)和PID反馈的参数修正函数WPID(t)，并将WPID(t)转为离散函数WPID(k)；
根据PID前馈的参数修正函数WF(t)得到离散化的增量前馈功率ΔPF(k)；
根据PID反馈的离散参数函数WPID(k)得到离散化的增量PID功率ΔPPID(k)；
根据离散化的增量前馈功率和离散化的增量PID功率计算功率执行值。
综上所述，本发明能够实现以下有益效果：
第一、本发明使用前馈与PID反馈控制相结合的方法，既具备前馈算法的快速性，也具备反馈调节的准确性和鲁棒性。
第二、本发明能够根据新能源微电网实际运行状态实时更新临界时间参数，通过临界时间优化系统的控制参数，对场站设备变化、外界环境变化、运行状态变化等具有自适应性。
第三、本发明可以实现新能源微电网场站的有功功率值的快速调节，并减少调节过程中的功率波动，以保证场站输出功率的稳定性，提高输出的电能质量。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于新能源微电网的快速功率控制方法，其特征在于：包括步骤：
当获取到新的目标功率时，根据临界时间和前馈与PID反馈控制相结合的方法得到功率执行值；
对功率执行值进行分配形成功率调节指令下发给各个功率输出设备，功率输出设备按照功率调节指令将自身功率调节到指令功率，实际输出功率到并网点；
所述临界时间为：功率输出设备将功率调节到功率调节指令所需要花费的时间；
还包括，更新临界时间，包括步骤：
功率调节过程在时刻Tstart获取到新的目标功率Ptarget，记录下Tstart时刻的场站实际初始功率Pstart，记录有功功率调节量达到功率目标值Ptarget与初始功率Pstart之差的设定比例时所需时间Tend；令Tlj＝T0lj；T0lj为初始临界时间；
若Tend＜T0lj，则更新临界时间为Tlj'：
Figure FDA0003197735260000011
其中，kupdate为临界时间更新系数；mconst为临界时间更新常数。
2.根据权利要求1所述的一种适用于新能源微电网的快速功率控制方法，其特征在于，根据临界时间和前馈与PID反馈控制相结合的方法得到功率执行值，包括：
根据临界时间Tlj生成PID前馈的参数修正函数WF(t)和PID反馈的参数修正函数WPID(t)，并将WPID(t)转为离散函数WPID(k)；
根据PID前馈的参数修正函数WF(t)得到离散化的增量前馈功率ΔPF(k)；
根据PID反馈的离散参数函数WPID(k)得到离散化的增量PID功率ΔPPID(k)；
根据离散化的增量前馈功率和离散化的增量PID功率计算功率执行值。
3.根据权利要求2所述的一种适用于新能源微电网的快速功率控制方法，其特征在于，PID前馈的参数修正函数WF(t)为：
Figure FDA0003197735260000021
其中，t为时刻，kF为前馈量增益系数，kf为前馈量响应系数，Tlj为临界时间。
4.根据权利要求2所述的一种适用于新能源微电网的快速功率控制方法，其特征在于，PID反馈的参数修正函数WPID(t)为：
Figure FDA0003197735260000022
其中kp0，kp1，kp2为反馈更新系数，nconst为反馈更新常数；
离散化的PID反馈参数修正函数WPID(k)为：
Figure FDA0003197735260000023
其中，k为采样点编号，t为时刻，Tsample为采样时间。
5.根据权利要求2所述的一种适用于新能源微电网的快速功率控制方法，其特征在于，根据PID前馈的参数修正函数WF(t)得到离散化的增量前馈功率ΔPF(k)，包括：
根据参数修正函数WF(t)计算前馈功率值的算式为：PF(t)＝KF(P0-P-1)WF(t)，将其转化为增量形式后的算式为：ΔPF(k)＝KF(P0-P-1)[WF(k)-WF(k-1)]；
其中，KF为前馈增益函数；WF(k)为离散化的PID前馈参数修正函数；ΔPF(k)为离散化的增量前馈功率；P0为目标功率，P-1为上一个目标功率。
6.根据权利要求5所述的一种适用于新能源微电网的快速功率控制方法，其特征在于，离散化的增量PID功率ΔPPID(k)，公式为：
ΔPPID(k)＝{KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}WPID(k)
其中，ΔPPID(k)为第k个采样点计算出的增量PID功率，e(k)为第k次计算时总功率目标值与总功率测量值偏差，Kp、KI、KD分别为比例系数、积分系数、微分系数。
7.根据权利要求6所述的一种适用于新能源微电网的快速功率控制方法，其特征在于，根据离散化的增量前馈功率和离散化的增量PID功率计算功率执行值，P(k)＝P(k-1)+ΔPPID(k)+ΔPF(k)
其中，P(k)为第k个采样点计算出的功率执行值，P(k-1)为第k-1个采样点计算出的功率执行值。
8.一种适用于新能源微电网的快速功率控制装置，其特征在于：
功率执行值计算模块，用于当获取到新的目标功率时，根据临界时间和前馈与PID反馈控制相结合的方法得到功率执行值；
功率控制输出模块，用于对功率执行值进行分配形成功率调节指令下发给各个功率输出设备，功率输出设备按照功率调节指令将自身功率调节到指令功率，实际输出功率到并网点；
所述临界时间为：功率输出设备将功率调节到功率调节指令所需要花费的时间；更新临界时间，包括步骤：
功率调节过程在时刻Tstart获取到新的目标功率Ptarget，记录下Tstart时刻的场站实际初始功率Pstart，记录有功功率调节量达到功率目标值Ptarget与初始功率Pstart之差的设定比例时所需时间Tend；令Tlj＝T0lj；T0lj为初始临界时间；
若Tend＜T0lj，则更新临界时间为Tlj'：
Figure FDA0003197735260000041
其中，kupdate为临界时间更新系数；mconst为临界时间更新常数。
9.根据权利要求8所述的一种适用于新能源微电网的快速功率控制装置，其特征在于，根据临界时间和前馈与PID反馈控制相结合的方法得到功率执行值，包括：
根据临界时间Tlj生成PID前馈的参数修正函数WF(t)和PID反馈的参数修正函数WPID(t)，并将WPID(t)转为离散函数WPID(k)；
根据PID前馈的参数修正函数WF(t)得到离散化的增量前馈功率ΔPF(k)；
根据PID反馈的离散参数函数WPID(k)得到离散化的增量PID功率ΔPPID(k)；
根据离散化的增量前馈功率和离散化的增量PID功率计算功率执行值。
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