CN112865141A - 一种风电场的功率振荡抑制方法及系统 - Google Patents

一种风电场的功率振荡抑制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风电场的功率振荡抑制方法及系统,方法包括:采用对风电场进行等值处理的方式,建立风电‑抽水蓄能联合系统的小信号模型;在抽水蓄能机组转子侧控制器的有功功率指令上叠加有功功率反馈量,得到转子侧闭环控制器,进而得到抽水蓄能机组闭环控制器;根据小信号模型计算抽水蓄能机组闭环控制器的参数,并删除抽水蓄能机组闭环控制器中的不可测变量和相似变量。本发明采用抽水蓄能机组有功功率闭环控制方法,实现了风电场功率振荡的有效抑制,采用等值处理的方式建立了简化的小信号模型,并删除了抽水蓄能机组闭环控制器中的不可测变量和相似变量,降低控制器工程实现难度的同时,保证了优良的风电场功率振荡抑制效果。

Description

一种风电场的功率振荡抑制方法及系统
技术领域
本发明涉及风电场控制技术领域,特别是涉及一种风电场的功率振荡抑制方法及系统。
背景技术
近年来为响应环保要求,新能源发电得到了快速的发展,新能源发电的重要形式之一风力发电装机量迅速提升。同时风电的波动性、不确定性等问题一定程度上威胁着电力系统的运行稳定性。风电装机量的急剧扩大导致了一些严重的弃风问题。储能装置具有灵活的功率调节能力,成为解决风电上述问题的重要手段。由于抽水蓄能系统具有容量大、运行成本低等优势,因此,风电场附近配置抽水蓄能电站,是新能源场站配置储能的重要发展方向。
然而,风电场易发生功率振荡现象。并且,区别于传统的0.2~2.5Hz的低频振荡,风电场的功率振荡机理复杂,振荡频率在十几到几十Hz范围内都可能发生,成为风电运行稳定运行面临的重要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种风电场的功率振荡抑制方法及系统,以实现风电场功率振荡现象的抑制,减少风电场功率振荡现象的发生。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
本发明提供一种风电场的功率振荡抑制方法,所述抑制方法包括如下步骤:
采用对风电场进行等值处理的方式,建立风电-抽水蓄能联合系统的小信号模型;
在抽水蓄能机组转子侧控制器的有功功率指令上叠加有功功率反馈量,得到抽水蓄能机组的转子侧闭环控制器,利用所述转子侧闭环控制器替换抽水蓄能机组控制器中的转子侧控制器,得到用于抑制功率振荡的抽水蓄能机组闭环控制器;所述抽水蓄能机组闭环控制器包括转子侧闭环控制器和网侧控制器;
根据所述小信号模型计算抽水蓄能机组闭环控制器的参数;
删除所述抽水蓄能机组闭环控制器中的不可测变量和相似变量,获得简化后的抽水蓄能机组闭环控制器,对风电场进行控制。
可选的,所述小信号模型为:
Figure BDA0002998488480000021
其中,X为状态变量,X=[Δωr,Δird,Δirq,Δisd,Δisq,ΔZ5,ΔZ6,ΔZ7,ΔZ8,Δurd,Δurq,ΔUdc,ΔZ,Δθpll,ΔZ1,ΔZ3,ΔZ4,Δigd,Δigq,Δucd,Δucq,Δusd,Δusq,Δitd,Δitq,Δuwd,Δuwq,Δiwd,Δiwq]T,U为控制变量U=[ΔPs *,ΔQs *,ΔUdc *,Δigq *]T,A为29×29阶系数矩阵,B为29×4阶系数矩阵;
Δωr、Δird、Δirq、Δisd、Δisq、ΔZ5、ΔZ6、ΔZ7、ΔZ8、Δurd、Δurq、ΔUdc、ΔZ、Δθpll、ΔZ1、ΔZ3、ΔZ4、Δigd、Δigq、Δucd、Δucq、Δusd、Δusq、Δitd、Δitq、Δuwd、Δuwq、Δiwd和Δiwq分别为异步电机转子转速,异步电机转子电流的d轴分量、异步电机转子电流的q轴分量、异步电机定子电流的d轴分量、异步电机定子电流的q轴分量、异步电机转子侧变流器d轴外环中间变量、异步电机转子侧变流器d轴内环中间变量、异步电机转子侧变流器q轴外环中间变量、异步电机转子侧变流器q轴内环中间变量、异步电机转子电压的d轴分量、异步电机转子电压的q轴分量、直流电压、锁相环中间变量、无穷大交流电网电压和异步电机定子电压的定向角度差、网侧变流器d轴外环的中间变量、网侧变流器d轴内环的中间变量、网侧变流器q轴内环的中间变量、网侧变流器出口电流的d轴分量、网侧变流器出口电流的q轴分量、网侧变流器出口电压的d轴分量、网侧变流器出口电压的q轴分量、异步电机定子电压的d轴分量、异步电机定子电压的q轴分量、抽水蓄能机组总输出电流的d轴分量、抽水蓄能机组总输出电流的q轴分量,风电汇集点电压的d轴分量、风电汇集点电压的q轴分量、风电汇集点电流的d轴分量和风电汇集点电流的q轴分量的变化量;ΔPs *、ΔQs *、ΔUdc *和Δigq *分别表示异步电机定子的有功功率指令、异步电机定子的无功功率指令、直流电压指令和网侧变流器出口电流的q轴分量指令的变化量。
可选的,所述根据所述小信号模型计算抽水蓄能机组闭环控制器的参数,具体包括:
根据所述小信号模型,采用求解方程组
Figure BDA0002998488480000031
获得抽水蓄能机组闭环控制器的参数为:Ka=BP;
其中,H为辅助标量函数,F为设计指标函数,
Figure BDA0002998488480000032
Λ为29×29阶的中间变量矩阵,G为4×4阶的中间变量矩阵、I为29阶单位矩阵、P为反馈量与控制变量的关系矩阵,Ka为所有状态变量均参与反馈并构成4个反馈量的反馈系数矩阵,其阶数为4×29阶,Ka的第一行为全状态变量参与反馈的反馈参数矩阵。
可选的,所述删除所述抽水蓄能机组闭环控制器中的不可测变量和相似变量,获得简化后的抽水蓄能机组闭环控制器,对风电场进行控制,具体包括:
删除状态变量中的中不可测变量和相似变量,得到简化后的状态变量为:Xf=[Δωr,Δird,Δirq,Δurd,Δurq,ΔUdc,Δusd,Δusq,Δitd,Δitq,Δiwd,Δiwq]T
根据简化后的状态变量简化反馈系数矩阵,得到简化后的反馈系数矩阵;
将简化后的反馈系数矩阵的每个元素均乘以一个系数,使每个元素的数量级在10-3-10-2之间,得到最终的反馈系数矩阵。
一种风电场的功率振荡抑制系统,所述抑制系统包括:
小信号模型建立模块,用于采用对风电场进行等值处理的方式,建立风电-抽水蓄能联合系统的小信号模型;
抽水蓄能机组闭环控制器建立模块,用于在抽水蓄能机组转子侧控制器的有功功率指令上叠加有功功率反馈量,得到转子侧闭环控制器,利用所述转子侧闭环控制器替换抽水蓄能机组控制器中的转子侧控制器,得到用于抑制功率振荡的抽水蓄能机组闭环控制器;所述抽水蓄能机组闭环控制器包括转子侧闭环控制器和网侧控制器;
参数计算模块,用于根据所述小信号模型计算抽水蓄能机组闭环控制器的参数;
抽水蓄能机组闭环控制器简化模块,用于删除所述抽水蓄能机组闭环控制器中的不可测变量和相似变量,获得简化后的抽水蓄能机组闭环控制器,对风电场的抽水蓄能机组进行控制。
可选的,所述小信号模型为:
Figure BDA0002998488480000041
其中,X为状态变量,X=[Δωr,Δird,Δirq,Δisd,Δisq,ΔZ5,ΔZ6,ΔZ7,ΔZ8,Δurd,Δurq,ΔUdc,ΔZ,Δθpll,ΔZ1,ΔZ3,ΔZ4,Δigd,Δigq,Δucd,Δucq,Δusd,Δusq,Δitd,Δitq,Δuwd,Δuwq,Δiwd,Δiwq]T,U为控制变量U=[ΔPs *,ΔQs *,ΔUdc *,Δigq *]T,A为29×29阶系数矩阵,B为29×4阶系数矩阵;
Δωr、Δird、Δirq、Δisd、Δisq、ΔZ5、ΔZ6、ΔZ7、ΔZ8、Δurd、Δurq、ΔUdc、ΔZ、Δθpll、ΔZ1、ΔZ3、ΔZ4、Δigd、Δigq、Δucd、Δucq、Δusd、Δusq、Δitd、Δitq、Δuwd、Δuwq、Δiwd和Δiwq分别为异步电机转子转速,异步电机转子电流的d轴分量、异步电机转子电流的q轴分量、异步电机定子电流的d轴分量、异步电机定子电流的q轴分量、异步电机转子侧变流器d轴外环中间变量、异步电机转子侧变流器d轴内环中间变量、异步电机转子侧变流器q轴外环中间变量、异步电机转子侧变流器q轴内环中间变量、异步电机转子电压的d轴分量、异步电机转子电压的q轴分量、直流电压、锁相环中间变量、无穷大交流电网电压和异步电机定子电压的定向角度差、网侧变流器d轴外环的中间变量、网侧变流器d轴内环的中间变量、网侧变流器q轴内环的中间变量、网侧变流器出口电流的d轴分量、网侧变流器出口电流的q轴分量、网侧变流器出口电压的d轴分量、网侧变流器出口电压的q轴分量、异步电机定子电压的d轴分量、异步电机定子电压的q轴分量、抽水蓄能机组总输出电流的d轴分量、抽水蓄能机组总输出电流的q轴分量,风电汇集点电压的d轴分量、风电汇集点电压的q轴分量、风电汇集点电流的d轴分量和风电汇集点电流的q轴分量的变化量;ΔPs *、ΔQs *、ΔUdc *和Δigq *分别表示异步电机定子的有功功率指令、异步电机定子的无功功率指令、直流电压指令和网侧变流器出口电流的q轴分量指令的变化量。
可选的,所述参数计算模块,具体包括:
参数计算子模块,用于根据所述小信号模型,采用求解方程组
Figure BDA0002998488480000051
获得抽水蓄能机组闭环控制器的参数为:Ka=BP;
其中,H为辅助标量函数,F为设计指标函数,
Figure BDA0002998488480000052
Λ为29×29阶的中间变量矩阵,G为4×4阶的中间变量矩阵、I为29阶单位矩阵、P为反馈量与控制变量的关系矩阵,Ka为所有状态变量均参与反馈并构成4个反馈量的反馈系数矩阵,其阶数为4×29阶,Ka的第一行为全状态变量参与反馈的反馈参数矩阵。
可选的,所述抽水蓄能机组闭环控制器简化模块,具体包括:
状态变量简化子模块,用于删除状态变量中的中不可测变量和相似变量,得到简化后的状态变量为:Xf=[Δωr,Δird,Δirq,Δurd,Δurq,ΔUdc,Δusd,Δusq,Δitd,Δitq,Δiwd,Δiwq]T
反馈系数简化子模块,用于根据简化后的状态变量简化反馈系数矩阵,得到简化后的反馈系数矩阵;
反馈系数数量级调整子模块,用于将简化后的反馈系数矩阵的每个元素均乘以一个系数,使每个元素的数量级在10-3-10-2之间,得到最终的反馈系数矩阵。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明公开了一种风电场的功率振荡抑制方法及系统,所述抑制方法包括:采用对风电场进行等值处理的方式,建立风电-抽水蓄能联合系统的小信号模型;在抽水蓄能机组转子侧控制器的有功功率指令上叠加有功功率反馈量,得到抽水蓄能机组转子侧闭环控制器,利用所述转子侧闭环控制器替换抽水蓄能机组控制器中的转子侧控制器,得到用于抑制功率振荡的抽水蓄能机组闭环控制器;根据所述小信号模型计算抽水蓄能机组闭环控制器的参数;删除所述抽水蓄能机组闭环控制器中的不可测变量和相似变量,获得简化后的抽水蓄能机组闭环控制器,对风电场的抽水蓄能机组进行控制。采用抽水蓄能机组有功功率闭环控制方法,实现了风电场功率振荡的有效抑制,采用等值处理的方式建立了简化的小信号模型,并删除了所述抽水蓄能机组闭环控制器中的不可测变量和相似变量,降低控制器工程实现难度的同时,保证了优良的风电场功率振荡抑制效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种风电场的功率振荡抑制方法的流程图;
图2为本发明提供的风电—抽水蓄能联合系统结构示意图;
图3为本发明提供的抽水蓄能机组电路结构图;
图4为本发明提供的抽水蓄能机组网侧控制器结构图;
图5为本发明提供的抽水蓄能机组转子侧控制器结构图;
图6为本发明提供的风电场简化结构示意图;
图7为本发明提供的增加反馈后的抽水蓄能转子侧控制器结构图;
图8为本发明具体实施例提供的场景一的仿真结果示意图;图8(a)为场景一的Pw仿真结果对比图,图8(b)为场景一的iwd仿真结果对比图,图8(c)为场景一的uwd仿真结果对比图;
图9为本发明具体实施例提供的场景二的仿真结果示意图;图9(a)为场景二的Pw仿真结果对比图,图9(b)为场景二的iwd仿真结果对比图,图9(c)为场景二的uwd仿真结果对比图。
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。
本发明的目的是提供一种风电场的功率振荡抑制方法及系统,以实现风电场功率振荡现象的抑制,减少风电场功率振荡现象的发生。
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。
如图1所示,本发明提供一种风电场的功率振荡抑制方法,所述抑制方法包括如下步骤:
步骤101,采用对风电场进行等值处理的方式,建立风电-抽水蓄能联合系统的小信号模型。
本发明的步骤101,建立简化的风电—抽水蓄能联合系统的小信号模型,首先对抽水蓄能系统做完整线性化,再依据风电场输出的功率和电流对风电场做简化线性化处理。具体包括:
1.风电—抽水蓄能联合系统的结构
风电—抽水蓄能联合系统(后文也简称风储系统)的结构如图2所示。其结构由风电场1、抽水蓄能式储能电站2、无穷大交流电网3组成。抽水蓄能机组并联于风电场并网的交流输电线路上。无穷大交流电网电压为E。
2.抽水蓄能机组小信号建模
抽水蓄能式储能系统(后文也简称抽蓄)的电气结构图如图3。
其结构包括三相异步电机4、交流线路、转子侧变换器5、网侧变换器6、直流电容Cd、网侧变流器进线电感Lg、滤波电容Cg、滤波电阻Rg、并网变压器等效电感L等部分组成。异步电机定子电压、电流为Us、Is,转子电压、电流为Ur、Ir,网侧变流器出口电压、电流为Uc、Ig,抽水蓄能机组总输出电流为It,直流电压为Udc
抽水蓄能机组的小信号建模基于d、q旋转坐标系。建模过程使用了两种不同的基准坐标系。基于抽水蓄能的异步电机的定子电压Us定向的d、q轴分量有额外的上角标c标记,基于无穷大交流电网电压定向E的变量没有额外标记。例如抽蓄系统总输出电流It基于无穷大交流电网电压E定向的d、q轴分量为itd、itq,基于异步电机定子电压定向Us的d、q轴分量为itd c、itq c。本发明所有涉及坐标变换的变量标号均遵循此规则。
Δ符号表示变量的变化量,下角标0表示变量的稳态初值。例如系统的交流矢量旋转角速度初值为ω0
抽蓄总输出电流It的d、q轴分量itd、itq的线性化见式(1)。其中异步电机定子电压Us的d、q轴分量为usd、usq。并网变压器等效电感L的值为l。风电汇集点电压为Uw,Uw的d、q轴分量uwd、uwq
Figure BDA0002998488480000081
usd、usq的线性化结果如下式(2)。抽蓄定子电流Is的d、q轴分量为isd、isq,滤波电容Cg大小为cg
Figure BDA0002998488480000082
抽蓄网侧变流器出口电流Ig的d、q轴分量线性化结果如式(3),其中ucd、ucq为网侧变流器出口电压Uc的d、q轴分量。网侧变流器进线电感Lg大小为lg
Figure BDA0002998488480000083
直流线路的直流电压方程如下式(4),抽蓄转子电压Ur的d、q轴分量为urd、urq,抽蓄转子电流Ir的d、q轴分量为ird、irq,直流电容Cd大小为cd
将式(4)线性化可得直流线路小信号模型。
Figure BDA0002998488480000084
抽蓄三相异步电机定子转子线圈互感大小为Lm,定子等效电感大小为Ls,转子等效电感大小为Lr,定子线圈电阻大小为Rs,转子线圈电阻大小为Rr,漏磁系数为σ。异步电机转子转速为ωr。则有三相异步电机电流电压方程如式(5)。
Figure BDA0002998488480000091
将式(5)线性化处理后即可得到三相异步电机的小信号方程。
锁相环提供坐标变换所需的定向角度。锁相环比例、积分系数分别为kp、ki。Us和无穷大交流电网电压E的定向角度差为θpll。s表示复频域下的频率参数。锁相环线性化方程如下式(6)。
Figure BDA0002998488480000092
抽水蓄能的网侧变流器控制直流母线的电压和变流器的无功功率。其控制器结构如图4。d轴外环指令值为直流电压指令值Udc *;q轴内环指令值为q轴电流指令值igq *。系统的交流矢量旋转角速度初值为ω0
网侧变流器相关参数和变量说明见表1。
表1抽水蓄能机组网侧变流器参数和变量说明
Figure BDA0002998488480000093
Figure BDA0002998488480000101
Figure BDA0002998488480000102
为d轴内环指令值,d轴外环线性化如式(7)。
Figure BDA0002998488480000103
ucd *为控制器输出d轴电压指令值,d轴内环的方程如式(8)。
Figure BDA0002998488480000104
ucq *为控制器输出q轴电压指令值,q轴内环的方程如式(9)。
Figure BDA0002998488480000105
变流器增益大小为kPWM,载波幅值为M,变流器开关周期为Tδ。由(8)(9)可推导出ucd、ucq的小信号方程如下式(10):
Figure BDA0002998488480000106
抽水蓄能机组的转子侧变流器控制定子的有功功率Ps和无功功率Qs。定子的有功功率和无功功率指令值分别为Ps *和Qs *。转子侧变换器结构如图5所示。转子侧变换器的参数和变量说明见表2。
表2抽水蓄能机组转子侧变流器参数和变量说明
Figure BDA0002998488480000107
Figure BDA0002998488480000111
转子侧变流器d轴内、外环线性化公式分别见式(11)、(12)。
Figure BDA0002998488480000112
为转子侧变流器d轴内环电流指令值。urd *为异步电机转子d轴电压指令值。
Figure BDA0002998488480000113
Figure BDA0002998488480000114
转子侧变流器q轴内、外环线性化公式分别见式(13)、(14)。
Figure BDA0002998488480000115
为转子侧变流器q轴内环电流指令值。urq *为异步电机转子q轴电压指令值。
Figure BDA0002998488480000116
Figure BDA0002998488480000117
转子电压urd、urq的小信号方程如下式(15)。
Figure BDA0002998488480000121
抽水蓄能机组转子的机械模型采用单质块模型,得到异步电机转子转速ωr的小信号方程如式(16)。其中,机械转动惯量为Jm,外部机械转矩为Tm
Figure BDA0002998488480000122
3.风电场的简化建模
风电场的完整小信号模型十分复杂,使用完整小信号模型不利于控制器设计和工程实现,因此对其进行简化,简化风电场结构图如图6。
风电场7的有功功率Pw和无功功率Qw经风电场并网变压器8并入交流电网并与抽水蓄能机组连接。风电场并网变压器等效电感大小为Lw。风电汇集点并联滤波电容9,风电汇集点电压为Uw。风电场向交流系统输出总电流为Iw
Uw的d、q轴分量为uwd、uwq。Iw的d、q轴分量为iwd、iwq,其小信号方程如下式(17)。
Figure BDA0002998488480000123
uwd、uwq的小信号方程如下式(18)。图6汇集点滤波电容9大小为Cf
Figure BDA0002998488480000124
式(18)中ifd、ifq为风电场输出的滤波前的电流,不作为状态变量使用,其值由Pw、Qw、uwd、uwq计算表达,其小信号线性化结果如式(19)。
Figure BDA0002998488480000131
4.建立简化的风电—抽水蓄能联合系统的小信号模型
联立公式(1)至(19),得到简化的风电—抽水蓄能机组的小信号模型式(20)。
Figure BDA0002998488480000132
其中,状态变量X=[Δωr,Δird,Δirq,Δisd,Δisq,ΔZ5,ΔZ6,ΔZ7,ΔZ8,Δurd,Δurq,ΔUdc,ΔZ,Δθpll,ΔZ1,ΔZ3,ΔZ4,Δigd,Δigq,Δucd,Δucq,Δusd,Δusq,Δitd,Δitq,Δuwd,Δuwq,Δiwd,Δiwq]T,控制变量U=[ΔPs *,ΔQs *,ΔUdc *,Δigq *]T。A为29×29阶矩阵,B为29×4阶矩阵。
步骤102,在抽水蓄能机组转子侧控制器的有功功率指令上叠加有功功率反馈量,得到抽水蓄能机组转子侧闭环控制器,利用所述转子侧闭环控制器替换抽水蓄能机组控制器中的转子侧控制器,得到用于抑制功率振荡的抽水蓄能机组闭环控制器;所述抽水蓄能机组闭环控制器包括转子侧闭环控制器和网侧控制器。
步骤103,根据所述小信号模型计算抽水蓄能机组闭环控制器的参数。
本发明步骤102和103,利用简化风电—抽水蓄能联合系统的小信号模型,设计闭环控制器结构,并计算控制器参数。具体包括:
抑制风电场功率振荡的抽水蓄能闭环控制器的设计原理基于闭环反馈控制,即在原有控制器的控制量上叠加一个反馈量。反馈量设计的个数越多,则控制器越复杂,因此需要对反馈量进行选择。由已有研究可知,风电场的振荡形式主要表现为有功功率的振荡,且储能装置相比风机本身最大特点之一在于有功功率的灵活调节,故叠加的反馈量选择有功功率,即在原有抽水蓄能机组转子侧控制器的有功功率指令值上叠加一个有功功率反馈量
Figure BDA0002998488480000141
保证闭环控制器的效果的同时尽量简化结构。增加反馈后的抽水蓄能机组转子侧控制器如图7。网侧控制器结构保持不变,即与图4一致,二者共同构成抽水蓄能机组抑制风电场功率振荡的闭环控制器。
反馈量
Figure BDA0002998488480000142
由状态量线性组合而成,可表示为式(21)。
Figure BDA0002998488480000143
其中Xf为参与反馈的状态变量,是状态量矩阵的子矩阵,阶数为a×1,其中包含状态变量的个数a小于等于风电—抽水蓄能系统总状态量个数29。K为1×a阶系数矩阵。
闭环控制器的设计目标为使得系统遇到扰动时,尽可能快地以最小的波动进入新的稳态。设计指标函数F表示为式(22)。
Figure BDA0002998488480000144
当F在图7和式(21)所设计的控制器下达到极小值即满足控制器设计目标时,应有式(23)所示方程组。式中建立中间变量29×29阶矩阵Λ,4×4阶矩阵G。I为29阶单位矩阵。
Figure BDA0002998488480000145
求解式(23)方程组则有
Ka=BP (24)
Ka为初步的所有状态变量均参与反馈并构成4个反馈量的反馈矩阵,其阶数为4×29阶。取Ka第一行子矩阵Kb,即
Figure BDA0002998488480000146
所对应的全状态量反馈系数矩阵。
步骤104,删除所述抽水蓄能机组闭环控制器中的不可测变量和相似变量,获得简化后的抽水蓄能机组闭环控制器,对风电场的抽水蓄能机组进行控制。
本发明步骤104,进一步简化控制器结构,移除其中不可测量变量和相似变量,得到效果良好且易于工程实现的抽水蓄能机组抑制风电场功率振荡的闭环控制器。
Kb为全状态变量参与反馈的反馈参数矩阵,若以此矩阵构成闭环控制器,其阶数过高,控制器结构复杂,且状态变量中部分状态量不可观测或不易观测,部分状态量对系统稳定性影响较小,因此应进行简化处理。
考虑到状态量的观测难度,在参与反馈的状态变量中移除ΔZ5,ΔZ6,ΔZ7,ΔZ8,ΔZ,Δθpll,ΔZ1,ΔZ3,ΔZ4,Δuwd,Δuwq。考虑状态变量对全系统功率振荡的影响,移除Δisd,Δisq,Δigd,Δigq,Δucd,Δucq。得到参与反馈的状态变量Xf=[Δωr,Δird,Δirq,Δurd,Δurq,ΔUdc,Δusd,Δusq,Δitd,Δitq,Δiwd,Δiwq]T,包含状态变量个数a=12。
取Kb中第1、2、3、10、11、12、22、23、24、25、28、29列元素,组成1×12阶矩阵K’。实际计算结果中K’的元素的大小可能过大或过小,因此需要乘以一个大于0的系数α,使得反馈系数矩阵的各个元素的数量级尽量在10-3至10-2,则有式(25)。
K=αK’ (25)
K即为最终的反馈系数矩阵,和X’代入式(21)和图7,得到抽水蓄能机组抑制风电场功率振荡的闭环控制器。
本发明还提供一种风电场的功率振荡抑制系统,所述抑制系统包括:
小信号模型建立模块,用于采用对风电场进行等值处理的方式,建立风电-抽水蓄能联合系统的小信号模型。
所述小信号模型为:
Figure BDA0002998488480000151
其中,X为状态变量,X=[Δωr,Δird,Δirq,Δisd,Δisq,ΔZ5,ΔZ6,ΔZ7,ΔZ8,Δurd,Δurq,ΔUdc,ΔZ,Δθpll,ΔZ1,ΔZ3,ΔZ4,Δigd,Δigq,Δucd,Δucq,Δusd,Δusq,Δitd,Δitq,Δuwd,Δuwq,Δiwd,Δiwq]T,U为控制变量U=[ΔPs *,ΔQs *,ΔUdc *,Δigq *]T,A为29×29阶系数矩阵,B为29×4阶系数矩阵;
Δωr、Δird、Δirq、Δisd、Δisq、ΔZ5、ΔZ6、ΔZ7、ΔZ8、Δurd、Δurq、ΔUdc、ΔZ、Δθpll、ΔZ1、ΔZ3、ΔZ4、Δigd、Δigq、Δucd、Δucq、Δusd、Δusq、Δitd、Δitq、Δuwd、Δuwq、Δiwd和Δiwq分别为异步电机转子转速,异步电机转子电流的d轴分量、异步电机转子电流的q轴分量、异步电机定子电流的d轴分量、异步电机定子电流的q轴分量、异步电机转子侧变流器d轴外环中间变量、异步电机转子侧变流器d轴内环中间变量、异步电机转子侧变流器q轴外环中间变量、异步电机转子侧变流器q轴内环中间变量、异步电机转子电压的d轴分量、异步电机转子电压的q轴分量、直流电压、锁相环中间变量、无穷大交流电网电压和异步电机定子电压的定向角度差、网侧变流器d轴外环的中间变量、网侧变流器d轴内环的中间变量、网侧变流器q轴内环的中间变量、网侧变流器出口电流的d轴分量、网侧变流器出口电流的q轴分量、网侧变流器出口电压的d轴分量、网侧变流器出口电压的q轴分量、异步电机定子电压的d轴分量、异步电机定子电压的q轴分量、抽水蓄能机组总输出电流的d轴分量、抽水蓄能机组总输出电流的q轴分量,风电汇集点电压的d轴分量、风电汇集点电压的q轴分量、风电汇集点电流的d轴分量和风电汇集点电流的q轴分量的变化量;ΔPs *、ΔQs *、ΔUdc *和Δigq *分别表示异步电机定子的有功功率指令、异步电机定子的无功功率指令、直流电压指令和网侧变流器出口电流的q轴分量指令的变化量。
抽水蓄能机组闭环控制器建立模块,用于在抽水蓄能机组转子侧控制器的有功功率指令上叠加有功功率反馈量,得到抽水蓄能机组转子侧闭环控制器,利用所述转子侧闭环控制器替换抽水蓄能机组控制器中的转子侧控制器,得到用于抑制功率振荡的抽水蓄能机组闭环控制器;所述抽水蓄能机组闭环控制器包括转子侧闭环控制器和网侧控制器;
参数计算模块,用于根据所述小信号模型计算抽水蓄能机组闭环控制器的参数。
所述参数计算模块,具体包括:参数计算子模块,用于根据所述小信号模型,采用求解方程组
Figure BDA0002998488480000171
获得抽水蓄能机组闭环控制器的参数为:Ka=BP;其中,H为辅助标量函数,F为设计指标函数,
Figure BDA0002998488480000172
Λ为29×29阶的中间变量矩阵,G为4×4阶的中间变量矩阵、I为29阶单位矩阵、P为反馈量与控制变量的关系矩阵,Ka为所有状态变量均参与反馈并构成4个反馈量的反馈系数矩阵,其阶数为4×29阶,Ka的第一行为全状态变量参与反馈的反馈参数矩阵。
抽水蓄能机组闭环控制器简化模块,用于删除所述抽水蓄能机组闭环控制器中的不可测变量和相似变量,获得简化后的抽水蓄能机组闭环控制器,对风电场的抽水蓄能机组进行控制。
所述抽水蓄能机组闭环控制器简化模块,具体包括:状态变量简化子模块,用于删除状态变量中的中不可测变量和相似变量,得到简化后的状态变量为:Xf=[Δωr,Δird,Δirq,Δurd,Δurq,ΔUdc,Δusd,Δusq,Δitd,Δitq,Δiwd,Δiwq]T;反馈系数简化子模块,用于根据简化后的状态变量简化反馈系数矩阵,得到简化后的反馈系数矩阵;反馈系数数量级调整子模块,用于将简化后的反馈系数矩阵的每个元素均乘以一个系数,使每个元素的数量级在10-3-10-2之间,得到最终的反馈系数矩阵。
为了进一步的说明本发明的实现方式,本发明还提供了如下具体实施例:
实施例仿真验证中采用单台直驱风机和抽水蓄能机组联合系统。系统部分参数如下表3。
表3直驱风机部分系统参数
Figure BDA0002998488480000173
Figure BDA0002998488480000181
依据上文所述步骤进行建模和计算,得到如图4和图7所示的控制器结构以及反馈系数矩阵K的参数如下表。
表4矩阵K参数
K矩阵行序号 参数数值
1 0.9121
2 0.0478
3 -0.0326
4 -0.01586
5 -0.0063
6 -0.0743
7 0.0023
8 8.9611×10<sup>-4</sup>
9 0.0012
10 9.3112×10<sup>-4</sup>
11 0.0014
12 0.0572
本发明在两个不同场景下验证抽水蓄能机组抑制风电场功率振荡的闭环控制器的效果。初始状态下,储能系统和储能外部系统没有有功和无功功率的流动。对振荡效果验证主要考察3个变量:风电输出有功功率Pw,输出总电流Iw的d轴分量iwd,风电汇集点电压Uw的d轴分量uwd
场景一:风机并入弱交流系统,风机出力28%额定功率,出力水平较低,此时功率振荡风险较高。此时风机有功出力进一步降低至18%额定功率,结果如图8所示。当储能系统不参与功率振荡抑制,没有闭环反馈控制结构时,系统发生了持续扩大的严重功率振荡,振荡频率为20.4Hz,最终系统失去稳定,对电力系统稳定运行造成重大不利影响。投入闭环反馈控制器后,可见系统经0.3秒的短时小幅振荡后迅速进入新的稳态,控制器作用良好。
场景二:风机并入强交流系统,风机有功出力72%额定功率,此时功率振荡风险不大。当风机有功出力下降至64%额定功率时,若无储能系统参与,可见系统产生了小幅功率振荡,振荡频率23.25Hz,最终经大约3秒系统进入新的稳定状态。在抽水蓄能抑制风电场功率振荡的闭环控制器投入后,系统振荡幅度显著降低,进入新稳态的时间缩短至0.3s左右,仿真结果对比见图9。
由两个场景仿真结果可见,本发明所设计的抽水蓄能机组抑制风电场功率振荡的闭环控制方法对于不同场景下不同幅度、频率的风电场功率振荡均有良好的抑制效果,有效利用了储能系统的灵活的有功功率调节能力。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
(1)本发明通过对风电场做等值处理,简化了风电—抽水蓄能联合系统的小信号模型,更利于后续的设计和计算。
(2)本发明利用简化风电—抽水蓄能联合系统的小信号模型设计了抽水蓄能机组抑制风电场功率振荡的闭环控制器的结构并计算了参数。
(3)本发明进一步移除了抽水蓄能机组抑制风电场功率振荡的闭环控制器中不必要的和难以测量的状态变量,降低控制器工程实现难度的同时,保证了优良的风电场功率振荡抑制效果。
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。
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。

Claims (8)

1.一种风电场的功率振荡抑制方法,其特征在于,所述抑制方法包括如下步骤:
采用对风电场进行等值处理的方式,建立风电-抽水蓄能联合系统的小信号模型;
在抽水蓄能机组转子侧控制器的有功功率指令上叠加有功功率反馈量,得到抽水蓄能机组转子侧闭环控制器,利用所述转子侧闭环控制器替换抽水蓄能机组控制器中的转子侧控制器,得到用于抑制功率振荡的抽水蓄能机组闭环控制器;所述抽水蓄能机组闭环控制器包括转子侧闭环控制器和网侧控制器;
根据所述小信号模型计算抽水蓄能机组闭环控制器的参数;
删除所述抽水蓄能机组闭环控制器中的不可测变量和相似变量,获得简化后的抽水蓄能机组闭环控制器,对风电场的抽水蓄能机组进行控制。
2.根据权利要求1所述的风电场的功率振荡抑制方法,其特征在于,所述小信号模型为:
Figure FDA0002998488470000011
其中,X为状态变量,X=[Δωr,Δird,Δirq,Δisd,Δisq,ΔZ5,ΔZ6,ΔZ7,ΔZ8,Δurd,Δurq,ΔUdc,ΔZ,Δθpll,ΔZ1,ΔZ3,ΔZ4,Δigd,Δigq,Δucd,Δucq,Δusd,Δusq,Δitd,Δitq,Δuwd,Δuwq,Δiwd,Δiwq]T,U为控制变量U=[ΔPs *,ΔQs *,ΔUdc *,Δigq *]T,A为29×29阶系数矩阵,B为29×4阶系数矩阵;
Δωr、Δird、Δirq、Δisd、Δisq、ΔZ5、ΔZ6、ΔZ7、ΔZ8、Δurd、Δurq、ΔUdc、ΔZ、Δθpll、ΔZ1、ΔZ3、ΔZ4、Δigd、Δigq、Δucd、Δucq、Δusd、Δusq、Δitd、Δitq、Δuwd、Δuwq、Δiwd和Δiwq分别为异步电机转子转速,异步电机转子电流的d轴分量、异步电机转子电流的q轴分量、异步电机定子电流的d轴分量、异步电机定子电流的q轴分量、异步电机转子侧变流器d轴外环中间变量、异步电机转子侧变流器d轴内环中间变量、异步电机转子侧变流器q轴外环中间变量、异步电机转子侧变流器q轴内环中间变量、异步电机转子电压的d轴分量、异步电机转子电压的q轴分量、直流电压、锁相环中间变量、无穷大交流电网电压和异步电机定子电压的定向角度差、网侧变流器d轴外环的中间变量、网侧变流器d轴内环的中间变量、网侧变流器q轴内环的中间变量、网侧变流器出口电流的d轴分量、网侧变流器出口电流的q轴分量、网侧变流器出口电压的d轴分量、网侧变流器出口电压的q轴分量、异步电机定子电压的d轴分量、异步电机定子电压的q轴分量、抽水蓄能机组总输出电流的d轴分量、抽水蓄能机组总输出电流的q轴分量,风电汇集点电压的d轴分量、风电汇集点电压的q轴分量、风电汇集点电流的d轴分量和风电汇集点电流的q轴分量的变化量;ΔPs *、ΔQs *、ΔUdc *和Δigq *分别表示异步电机定子的有功功率指令、异步电机定子的无功功率指令、直流电压指令和网侧变流器出口电流的q轴分量指令的变化量。
3.根据权利要求2所述的风电场的功率振荡抑制方法,其特征在于,所述根据所述小信号模型计算抽水蓄能机组闭环控制器的参数,具体包括:
根据所述小信号模型,采用求解方程组
Figure FDA0002998488470000021
获得抽水蓄能机组闭环控制器的参数为:Ka=BP;
其中,H为辅助标量函数,F为设计指标函数,
Figure FDA0002998488470000022
Λ为29×29阶的中间变量矩阵,G为4×4阶的中间变量矩阵、I为29阶单位矩阵、P为反馈量与控制变量的关系矩阵,Ka为所有状态变量均参与反馈并构成4个反馈量的反馈系数矩阵,其阶数为4×29阶,Ka的第一行为全状态变量参与反馈的反馈参数矩阵。
4.根据权利要求3所述的风电场的功率振荡抑制方法,其特征在于,所述删除所述抽水蓄能机组闭环控制器中的不可测变量和相似变量,获得简化后的抽水蓄能机组闭环控制器,对风电场的抽水蓄能机组进行控制,具体包括:
删除状态变量中的中不可测变量和相似变量,得到简化后的状态变量为:Xf=[Δωr,Δird,Δirq,Δurd,Δurq,ΔUdc,Δusd,Δusq,Δitd,Δitq,Δiwd,Δiwq]T
根据简化后的状态变量简化反馈系数矩阵,得到简化后的反馈系数矩阵;
将简化后的反馈系数矩阵的每个元素均乘以一个系数,使每个元素的数量级在10-3-10-2之间,得到最终的反馈系数矩阵。
5.一种风电场的功率振荡抑制系统,其特征在于,所述抑制系统包括:
小信号模型建立模块,用于采用对风电场进行等值处理的方式,建立风电-抽水蓄能联合系统的小信号模型;
抽水蓄能机组闭环控制器建立模块,用于在抽水蓄能机组转子侧控制器的有功功率指令上叠加有功功率反馈量,得到抽水蓄能机组转子侧闭环控制器,利用所述转子侧闭环控制器替换抽水蓄能机组控制器中的转子侧控制器,得到用于抑制功率振荡的抽水蓄能机组闭环控制器;所述抽水蓄能机组闭环控制器包括转子侧闭环控制器和网侧控制器;
参数计算模块,用于根据所述小信号模型计算抽水蓄能机组闭环控制器的参数;
抽水蓄能机组闭环控制器简化模块,用于删除所述抽水蓄能机组闭环控制器中的不可测变量和相似变量,获得简化后的抽水蓄能机组闭环控制器,对风电场的抽水蓄能机组进行控制。
6.根据权利要求5所述的风电场的功率振荡抑制系统,其特征在于,所述小信号模型为:
Figure FDA0002998488470000031
其中,X为状态变量,X=[Δωr,Δird,Δirq,Δisd,Δisq,ΔZ5,ΔZ6,ΔZ7,ΔZ8,Δurd,Δurq,ΔUdc,ΔZ,Δθpll,ΔZ1,ΔZ3,ΔZ4,Δigd,Δigq,Δucd,Δucq,Δusd,Δusq,Δitd,Δitq,Δuwd,Δuwq,Δiwd,Δiwq]T,U为控制变量U=[ΔPs *,ΔQs *,ΔUdc *,Δigq *]T,A为29×29阶系数矩阵,B为29×4阶系数矩阵;
Δωr、Δird、Δirq、Δisd、Δisq、ΔZ5、ΔZ6、ΔZ7、ΔZ8、Δurd、Δurq、ΔUdc、ΔZ、Δθpll、ΔZ1、ΔZ3、ΔZ4、Δigd、Δigq、Δucd、Δucq、Δusd、Δusq、Δitd、Δitq、Δuwd、Δuwq、Δiwd和Δiwq分别为异步电机转子转速,异步电机转子电流的d轴分量、异步电机转子电流的q轴分量、异步电机定子电流的d轴分量、异步电机定子电流的q轴分量、异步电机转子侧变流器d轴外环中间变量、异步电机转子侧变流器d轴内环中间变量、异步电机转子侧变流器q轴外环中间变量、异步电机转子侧变流器q轴内环中间变量、异步电机转子电压的d轴分量、异步电机转子电压的q轴分量、直流电压、锁相环中间变量、无穷大交流电网电压和异步电机定子电压的定向角度差、网侧变流器d轴外环的中间变量、网侧变流器d轴内环的中间变量、网侧变流器q轴内环的中间变量、网侧变流器出口电流的d轴分量、网侧变流器出口电流的q轴分量、网侧变流器出口电压的d轴分量、网侧变流器出口电压的q轴分量、异步电机定子电压的d轴分量、异步电机定子电压的q轴分量、抽水蓄能机组总输出电流的d轴分量、抽水蓄能机组总输出电流的q轴分量,风电汇集点电压的d轴分量、风电汇集点电压的q轴分量、风电汇集点电流的d轴分量和风电汇集点电流的q轴分量的变化量;ΔPs *、ΔQs *、ΔUdc *和Δigq *分别表示异步电机定子的有功功率指令、异步电机定子的无功功率指令、直流电压指令和网侧变流器出口电流的q轴分量指令的变化量。
7.根据权利要求6所述的风电场的功率振荡抑制系统,其特征在于,所述参数计算模块,具体包括:
参数计算子模块,用于根据所述小信号模型,采用求解方程组
Figure FDA0002998488470000041
获得抽水蓄能机组闭环控制器的参数为:Ka=BP;
其中,H为辅助标量函数,F为设计指标函数,
Figure FDA0002998488470000042
Λ为29×29阶的中间变量矩阵,G为4×4阶的中间变量矩阵、I为29阶单位矩阵、P为反馈量与控制变量的关系矩阵,Ka为所有状态变量均参与反馈并构成4个反馈量的反馈系数矩阵,其阶数为4×29阶,Ka的第一行为全状态变量参与反馈的反馈参数矩阵。
8.根据权利要求7所述的风电场的功率振荡抑制系统,其特征在于,所述抽水蓄能机组闭环控制器简化模块,具体包括:
状态变量简化子模块,用于删除状态变量中的中不可测变量和相似变量,得到简化后的状态变量为:Xf=[Δωr,Δird,Δirq,Δurd,Δurq,ΔUdc,Δusd,Δusq,Δitd,Δitq,Δiwd,Δiwq]T
反馈系数简化子模块,用于根据简化后的状态变量简化反馈系数矩阵,得到简化后的反馈系数矩阵;
反馈系数数量级调整子模块,用于将简化后的反馈系数矩阵的每个元素均乘以一个系数,使每个元素的数量级在10-3-10-2之间,得到最终的反馈系数矩阵。
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