CN115765028B - 一种风光水储直流汇集经同步电机并网系统及其应用方法 - Google Patents

一种风光水储直流汇集经同步电机并网系统及其应用方法 Download PDF

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CN115765028B CN202310011006.8A CN202310011006A CN115765028B CN 115765028 B CN115765028 B CN 115765028B CN 202310011006 A CN202310011006 A CN 202310011006A CN 115765028 B CN115765028 B CN 115765028B
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Abstract

本发明公开了一种风光水储直流汇集经同步电机并网系统及其应用方法，本发明的系统包括光伏单元、风电单元、水电单元、抽水蓄能单元、电化学储能单元、直流母线和同步电机接口组，同步电机接口组包括至少一条同步电机并网通道，同步电机并网通道通过一双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器与直流母线相连，双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器的控制端连接有一采用无模型预测扩展状态观测器的控制器。本发明能够利用多新能源间的互补性、储能的调节特性和同步电机接口并网的惯性，有效解决新能源场站发电的间歇性和波动性问题，同时解决因新能源渗透率提升而导致电力系统惯性响应降低的问题。

Description

一种风光水储直流汇集经同步电机并网系统及其应用方法
技术领域
本发明涉及新能源并网技术领域，具体涉及一种风光水储直流汇集经同步电机并网系统及其应用方法。
背景技术
近年来，我国新能源发电规模飞速增长。与传统火力发电相比，新能源发电具有清洁、可再生等显著优势。但新能源受自然因素影响大，供电十分不稳定。不同的新能源在时间和空间上存在的互补性，储能具有快速的功率吞吐能力和灵活的四象限调节能力，多新能源与多种储能集成的发电系统，不仅可以提高电网的稳定性，还能实现新能源消纳最大化的目的。另一方面，以光伏及风电为主的新能源并网比例提升，而由于新能源主要依靠电力电子变换器接入电网，如今已形成了“高比例可再生能源”与“高比例电力电子设备”的“双高”趋势，造成电力系统的惯性大幅降低，削弱了系统惯性响应。新能源发电系统经同步电机接口并网可将同步电机重新引入至电力系统，提升新能源发电系统的惯性，提升运行稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种风光水储直流汇集经同步电机并网系统及其应用方法，本发明能够利用多新能源间的互补性、储能的调节特性和同步电机接口并网的惯性，有效解决新能源场站发电的间歇性和波动性问题，同时解决因新能源渗透率提升而导致电力系统惯性响应降低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种风光水储直流汇集经同步电机并网系统，包括光伏单元、风电单元、水电单元、抽水蓄能单元、电化学储能单元、直流母线和同步电机接口组，所述光伏单元、风电单元、水电单元、抽水蓄能单元和电化学储能单元分别与直流母线相连，所述直流母线通过同步电机接口组与外部电网连接，所述同步电机接口组包括至少一条同步电机并网通道，所述同步电机并网通道通过一双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器与直流母线相连，所述双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器的控制端连接有一采用无模型预测扩展状态观测器的控制器。
可选地，所述光伏单元包括多组一一对应的光伏阵列和光伏DC/DC变换器，所述光伏阵列的输出侧与对应的光伏DC/DC变换器输入侧相连，所有光伏DC/DC变换器的输出侧采用串联的方式与直流母线相连。
可选地，所述风电单元包括多组一一对应的风电机组和风电AC/DC变换器，所述风电机组的输出侧与对应的风电AC/DC变换器输入侧相连，所有风电AC/DC变换器的输出侧采用并联的方式与直流母线相连。
可选地，所述水电单元包括多组一一对应的水电机组和水电AC/DC变换器，所述水电机组的输出侧与对应的水电AC/DC变换器输入侧相连，所有水电AC/DC变换器的输出侧采用并联的方式与直流母线相连。
可选地，所述抽水蓄能单元包括相互连接的抽水蓄能机组和抽水蓄能双向AC/DC变换器，所述抽水蓄能双向AC/DC变换器与直流母线相连；所述电化学储能单元包括多组一一对应的电化学储能电站和电化学储能双向DC/DC变换器，所述电化学储能电站与对应的电化学储能双向DC/DC变换器机侧相连，各电化学储能双向DC/DC变换器的直流母线侧采用串联的方式与直流母线相连。
可选地，所述同步电机并网通道包括双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器、系统侧同步电机以及网侧同步电机，所述双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器的直流测与直流母线相连、交流测与系统侧同步电机的电源端相连，所述系统侧同步电机通过输出轴驱动网侧同步电机转动，所述网侧同步电机输出端与外部电网相连。
可选地，所述同步电机并网通道还包括LCL滤波器，所述LCL滤波器串联布置在双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器的交流测与系统侧同步电机的电源端之间，所述网侧同步电机输出端与外部电网之间还串联有双向同步电机接口网侧并网开关。
此外，本发明还提供一种所述的风光水储直流汇集经同步电机并网系统的应用方法，所述控制器基于无模型预测扩展状态观测器对双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器的控制包括：
S101，将同步电机接口组的转速
Figure DEST_PATH_IMAGE001
与额定转速
Figure DEST_PATH_IMAGE002
的差值通过PI处理为参考转矩
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
S102，根据参考转矩
Figure 966691DEST_PATH_IMAGE003
计算出q轴参考电流
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，并将d轴参考电流
Figure DEST_PATH_IMAGE005
赋值为0；
S103，根据d、q轴参考电流
Figure 568705DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 529707DEST_PATH_IMAGE004
以及同步电机接口组的d、q轴电流
Figure DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure DEST_PATH_IMAGE007
采用预设 的无模型预测扩展状态观测器，得到d、q轴参考电压
Figure DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；
S104，根据d、q轴参考电压
Figure 912278DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 596856DEST_PATH_IMAGE009
通过空间矢量调制生成用于控制双向同步电 机接口系统侧DC/AC变流器（71）各个桥臂的门控脉冲。
可选地，步骤S102中根据参考转矩
Figure 771486DEST_PATH_IMAGE003
计算出q轴参考电流
Figure 247597DEST_PATH_IMAGE004
的函数表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为同步电机的极对数，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为同步电机的磁链。
可选地，步骤S103中无模型预测扩展状态观测器的函数表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为d、q轴参考电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure DEST_PATH_IMAGE018
分别为k+2时刻的d、q轴参考电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure DEST_PATH_IMAGE020
分别为k+1时刻的d、q轴电流
Figure 664934DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 274907DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure DEST_PATH_IMAGE022
分别为k+ 1时刻的d、q轴未知部分的观测值，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为采样间隔，
Figure 379742DEST_PATH_IMAGE024
为输入值的增益；且有：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure DEST_PATH_IMAGE030
分别为k时刻的d、q轴参考电流，e为自然常数，j为虚数单 位，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure DEST_PATH_IMAGE032
分别为k时刻的d、q轴转子位置角，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure DEST_PATH_IMAGE034
分别为d、q轴角速度，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure DEST_PATH_IMAGE036
分别为k时刻的d、q轴未知部分的观测值，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure DEST_PATH_IMAGE038
分别为d、q轴拓展观测器的增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure DEST_PATH_IMAGE040
分别为k时刻
Figure 246329DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 594703DEST_PATH_IMAGE007
与其估计值的差值。
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明能够利用多新能源间的互补性、储能的调节特性和同步电机接口并网的惯性，有效解决新能源场站发电的间歇性和波动性问题，同时解决因新能源渗透率提升而导致电力系统惯性响应降低的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中并网系统的结构示意图。
图2为本发明实施例中同步电机接口组的结构示意图。
图3为本发明实施例中光伏单元的结构示意图。
图4为本发明实施例中风电单元的结构示意图。
图5为本发明实施例中水电单元的结构示意图。
图6为本发明中抽水蓄能单元的结构示意图。
图7为本发明中电化学储能单元的结构示意图。
图8为本发明基于无模型预测扩展状态观测器的控制原理示意图。
图例说明：1、光伏单元；11、光伏阵列；12、光伏DC/DC变换器；2、风电单元；21、风电机组；22、风电AC/DC变换器；3、水电单元；31、水电机组；32、水电AC/DC变换器；4、抽水蓄能单元；41、抽水蓄能机组；42、抽水蓄能双向AC/DC变换器；5、电化学储能单元；51、电化学储能电站；52、电化学储能双向DC/DC变换器；6、直流母线；7、同步电机接口组；71、双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器；72、LCL滤波器；73、系统侧同步电机；74、网侧同步电机；75、双向同步电机接口网侧并网开关。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实施例提供一种风光水储直流汇集经同步电机并网系统，包括光伏单元1、风电单元2、水电单元3、抽水蓄能单元4、电化学储能单元5、直流母线6和同步电机接口组7，光伏单元1、风电单元2、水电单元3、抽水蓄能单元4和电化学储能单元5分别与直流母线6相连，直流母线6通过同步电机接口组7与外部电网连接，同步电机接口组7包括至少一条同步电机并网通道，同步电机并网通道通过一双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器71与直流母线6相连，双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器71的控制端连接有一采用无模型预测扩展状态观测器的控制器。
如图3所示，光伏单元1包括多组一一对应的光伏阵列11和光伏DC/DC变换器12，光伏阵列11的输出侧与对应的光伏DC/DC变换器12输入侧相连，所有光伏DC/DC变换器12的输出侧采用串联的方式与直流母线6相连。
如图4所示，风电单元2包括多组一一对应的风电机组21和风电AC/DC变换器22，风电机组21的输出侧与对应的风电AC/DC变换器22输入侧相连，所有风电AC/DC变换器22的输出侧采用并联的方式与直流母线6相连。
如图5所示，水电单元3包括多组一一对应的水电机组31和水电AC/DC变换器32，水电机组31的输出侧与对应的水电AC/DC变换器32输入侧相连，所有水电AC/DC变换器32的输出侧采用并联的方式与直流母线6相连。
如图6所示，抽水蓄能单元4包括抽水蓄能机组41和抽水蓄能双向AC/DC变换器42，所述抽水蓄能双向AC/DC变换器42与直流母线6相连。
如图7所示，电化学储能单元5包括多组一一对应的电化学储能电站51和电化学储能双向DC/DC变换器52，电化学储能电站51与对应的电化学储能双向DC/DC变换器52机侧相连，各电化学储能双向DC/DC变换器52的直流母线侧采用串联的方式与直流母线6相连。
如图2所示，同步电机并网通道包括双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器71、系统侧同步电机73以及网侧同步电机74，双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器71的直流测与直流母线6相连、交流测与系统侧同步电机73的电源端相连，系统侧同步电机73通过输出轴驱动网侧同步电机74转动，网侧同步电机74输出端与外部电网相连。系统侧同步电机73以及网侧同步电机74两者同容量，一者为原动机，一者为发电机。
如图2所示，同步电机并网通道还包括LCL滤波器72，LCL滤波器72串联布置在双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器71的交流测与系统侧同步电机73的电源端之间，网侧同步电机74输出端与外部电网之间还串联有双向同步电机接口网侧并网开关75。参见图2，LCL滤波器（电感-电容-电感型滤波器）72包括每一相串联连接的两个电感器，且三相的两个电感器之间中间节点均各自通过一个独立的电容后与三相共同的中性点相连。
如图8所示，本实施例还提供一种前述风光水储直流汇集经同步电机并网系统的应用方法，所述控制器基于无模型预测扩展状态观测器对对双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器71的控制包括：
S101，将同步电机接口组7的转速
Figure 8367DEST_PATH_IMAGE001
与额定转速
Figure 501796DEST_PATH_IMAGE002
的差值通过PI处理为参考转矩
Figure 975503DEST_PATH_IMAGE003
；
S102，根据参考转矩
Figure 819962DEST_PATH_IMAGE003
计算出q轴参考电流
Figure 771738DEST_PATH_IMAGE004
，并将d轴参考电流
Figure 650832DEST_PATH_IMAGE005
赋值为0；
S103，根据d、q轴参考电流
Figure 29861DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 486250DEST_PATH_IMAGE004
以及同步电机接口组7的d、q轴电流
Figure 851503DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 444159DEST_PATH_IMAGE007
采用预 设的无模型预测扩展状态观测器，得到d、q轴参考电压
Figure 135034DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 78719DEST_PATH_IMAGE009
；
S104，根据d、q轴参考电压
Figure 372298DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 960405DEST_PATH_IMAGE009
通过空间矢量调制（SVPWM）生成用于控制双 向同步电机接口系统侧DC/AC变流器71各个桥臂的门控脉冲。
本实施例中，步骤S102中根据参考转矩
Figure 681236DEST_PATH_IMAGE003
计算出q轴参考电流
Figure 722004DEST_PATH_IMAGE004
的函数表达式为：
Figure 819273DEST_PATH_IMAGE010
，（1）
上式中，
Figure 386521DEST_PATH_IMAGE011
为同步电机的极对数，
Figure 150690DEST_PATH_IMAGE012
为同步电机的磁链。
本实施例中，步骤S103中无模型预测扩展状态观测器的函数表达式为：
Figure 803388DEST_PATH_IMAGE013
，（2）
Figure 579715DEST_PATH_IMAGE014
，（3）
上式中，
Figure 1469DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 64103DEST_PATH_IMAGE016
为d、q轴参考电压，
Figure 79463DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 518535DEST_PATH_IMAGE018
分别为k+2时 刻的d、q轴参考电流，
Figure 935741DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 434855DEST_PATH_IMAGE020
分别为k+1时刻的d、q轴电流
Figure 937512DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 914695DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 311041DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 856423DEST_PATH_IMAGE022
分别为k+1时刻的d、q轴未知部分的观测值，
Figure 971010DEST_PATH_IMAGE023
为采样间隔，
Figure 361671DEST_PATH_IMAGE024
为输入值的增益；且有：
Figure 612524DEST_PATH_IMAGE025
，（4）
Figure 453441DEST_PATH_IMAGE026
，（5）
Figure 930690DEST_PATH_IMAGE027
，（6）
Figure 515255DEST_PATH_IMAGE028
，（7）
上式中，
Figure 498910DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 510728DEST_PATH_IMAGE030
分别为k时刻的d、q轴参考电流，e为自然常数，j为虚数单 位，
Figure 209694DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 597950DEST_PATH_IMAGE032
分别为k时刻的d、q轴转子位置角，
Figure 698761DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 881481DEST_PATH_IMAGE034
分别为d、q轴角速度，
Figure 333322DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 994110DEST_PATH_IMAGE036
分别为k时刻的d、q轴未知部分的观测值，
Figure 74062DEST_PATH_IMAGE037
和
Figure 303049DEST_PATH_IMAGE038
分别为d、q轴拓展观测器的增益，
Figure 101241DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure 565720DEST_PATH_IMAGE040
分别为k时刻
Figure 375544DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 165646DEST_PATH_IMAGE007
与其估计值的差值。
本实施例中步骤S103中无模型预测扩展状态观测器的建立包括：
S201，确定同步电机接口组7的简化数学模型。
建立三相静止abc坐标系中带LCL滤波器72的同步电机接口组7的数学模型如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，（8）
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
表示静止坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE043
三相，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为双向同步电机接口系统侧DC/AC 变流器71的交流侧三相电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器71的交流侧三相电 流；
Figure 198936DEST_PATH_IMAGE046
为同步电机接口系统侧三相电压；
Figure DEST_PATH_IMAGE047
为同步电机接口组7的系统侧三相电流；
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为 LCL滤波器72的电容三相电压；
Figure DEST_PATH_IMAGE049
、
Figure DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure DEST_PATH_IMAGE051
分别为LCL滤波器72的DC/AC变流器侧电感、电机侧 电感和电容。对上述公式（8）进行abc／dq坐标变换可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE052
，（9）
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
和
Figure DEST_PATH_IMAGE054
为双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器71的交流侧三相d、q轴电 流，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
和
Figure DEST_PATH_IMAGE056
为双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器71的交流侧三相d、q轴电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE057
和
Figure DEST_PATH_IMAGE058
为LCL滤波器72的d、q轴电容三相电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE059
为转速，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
和
Figure DEST_PATH_IMAGE061
为同步电机接口组7的系统侧三 相d、q轴电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
和
Figure DEST_PATH_IMAGE063
为同步电机接口组7的系统侧三相d、q轴电压。
将LCL滤波器72简化等效为L滤波器，以上公式（9）可简化得到下式所示的同步电机接口组7的简化数学模型：
Figure DEST_PATH_IMAGE064
，（10）
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE065
为L滤波器的电感，且有
Figure DEST_PATH_IMAGE066
。
S202，基于简化数学模型构建同步电机接口组7的超局部数学模型。
众所周知，单输入单输出系统的一阶超局部模型表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE067
，（11）
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE068
表示输出y的导数，
Figure DEST_PATH_IMAGE069
为未知部分，
Figure 405507DEST_PATH_IMAGE024
为输入值的增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE070
为输入值。
基于同步电机接口组7的简化数学模型，以及单输入单输出系统的一阶超局部模型，可将同步电机接口组7的超局部数学模型可表示为:
Figure DEST_PATH_IMAGE071
，（12）
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE072
和
Figure DEST_PATH_IMAGE073
分别表示d、q轴未知部分，且有：
Figure DEST_PATH_IMAGE074
，
Figure DEST_PATH_IMAGE075
，
Figure DEST_PATH_IMAGE076
。
S203，基于超局部数学模型构建无模型预测扩展状态观测器。
基于同步电机接口组7的超局部数学模型，以
Figure 7521DEST_PATH_IMAGE053
、
Figure 843890DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure 351094DEST_PATH_IMAGE072
和
Figure 298322DEST_PATH_IMAGE073
为状态变量的线性扩展 状态观测器可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE077
，（13）
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE078
和
Figure DEST_PATH_IMAGE079
分别表示
Figure 407705DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 149396DEST_PATH_IMAGE007
的估计值，
Figure DEST_PATH_IMAGE080
和
Figure DEST_PATH_IMAGE081
表示
Figure DEST_PATH_IMAGE082
和
Figure 488104DEST_PATH_IMAGE079
的导数，
Figure DEST_PATH_IMAGE083
和
Figure DEST_PATH_IMAGE084
分别表示
Figure DEST_PATH_IMAGE085
和
Figure DEST_PATH_IMAGE086
的估计值，
Figure DEST_PATH_IMAGE087
和
Figure DEST_PATH_IMAGE088
表示
Figure 379968DEST_PATH_IMAGE083
和
Figure 143525DEST_PATH_IMAGE084
的导数，
Figure DEST_PATH_IMAGE089
、
Figure DEST_PATH_IMAGE090
、
Figure DEST_PATH_IMAGE091
和
Figure DEST_PATH_IMAGE092
分别表示误 差反馈收益，
Figure DEST_PATH_IMAGE093
和
Figure DEST_PATH_IMAGE094
分别为
Figure 465571DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 212947DEST_PATH_IMAGE007
与其估计值的差值，
Figure 236398DEST_PATH_IMAGE085
和
Figure 120041DEST_PATH_IMAGE086
分别为的d、q轴未知部分的 观测值。将公式（13）离散可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE095
，（14）
上式中，
Figure 272DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure 703786DEST_PATH_IMAGE040
分别为k时刻
Figure 530927DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 269076DEST_PATH_IMAGE007
与其估计值的差值，
Figure DEST_PATH_IMAGE096
和
Figure DEST_PATH_IMAGE097
分 别表示为k时刻
Figure 320209DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 651964DEST_PATH_IMAGE007
的估计值，
Figure DEST_PATH_IMAGE098
和
Figure DEST_PATH_IMAGE099
分别表示为k+1时刻
Figure 79535DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 810206DEST_PATH_IMAGE007
的估计值，
Figure 625715DEST_PATH_IMAGE023
是采样间隔，
Figure DEST_PATH_IMAGE100
和
Figure DEST_PATH_IMAGE101
为k时刻双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器71的交流侧三 相d、q轴电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE102
和
Figure DEST_PATH_IMAGE103
为k时刻双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器71的交流侧三 相d、q轴电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE104
，
Figure DEST_PATH_IMAGE105
，
Figure DEST_PATH_IMAGE106
，
Figure DEST_PATH_IMAGE107
;
Figure DEST_PATH_IMAGE108
和
Figure 54553DEST_PATH_IMAGE036
分 别为k时刻的d、q轴未知部分的观测值，
Figure 957918DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 670659DEST_PATH_IMAGE022
分别为k+1时刻的d、q轴未知 部分的观测值。扩展状态观测器的传递函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE109
，（15）
Figure DEST_PATH_IMAGE110
，（16）
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE111
和
Figure DEST_PATH_IMAGE112
分别为d、q轴的传递函数，可得到传递函数的特征方程：
Figure DEST_PATH_IMAGE113
，（17）
Figure DEST_PATH_IMAGE114
，（18）
考虑到
Figure DEST_PATH_IMAGE115
，
Figure DEST_PATH_IMAGE116
和
Figure DEST_PATH_IMAGE117
，
Figure DEST_PATH_IMAGE118
，特征方程 求得的传递函数的极点
Figure DEST_PATH_IMAGE119
和
Figure DEST_PATH_IMAGE120
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE121
，（19）
Figure DEST_PATH_IMAGE122
，（20）
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE123
和
Figure DEST_PATH_IMAGE124
分别为中间变量，且
Figure 680904DEST_PATH_IMAGE123
和
Figure 846306DEST_PATH_IMAGE124
可以从z域极点计算出来：
Figure DEST_PATH_IMAGE125
，（21）
Figure DEST_PATH_IMAGE126
，（22）
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE127
和
Figure DEST_PATH_IMAGE128
分别为传递函数的极点
Figure 287783DEST_PATH_IMAGE119
和
Figure 464818DEST_PATH_IMAGE120
的z域极点。
同时，对同步电机接口组7的超局部数学模型一阶离散化可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE129
，（23）
Figure DEST_PATH_IMAGE130
，（24）
其中，用估计值
Figure 291304DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 944002DEST_PATH_IMAGE036
替代了
Figure 454749DEST_PATH_IMAGE072
和
Figure DEST_PATH_IMAGE131
。
假设
Figure DEST_PATH_IMAGE132
和
Figure DEST_PATH_IMAGE133
达到参考值
Figure DEST_PATH_IMAGE134
和
Figure DEST_PATH_IMAGE135
，可获得电压参考值：
Figure DEST_PATH_IMAGE136
，（25）
Figure DEST_PATH_IMAGE137
，（26）
上式中，其中
Figure 423973DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 752186DEST_PATH_IMAGE016
为电压参考值。
考虑到数字实现中的一步延迟，上述公式可以改写为本实施例步骤S103中无模型 预测扩展状态观测器的函数表达式（2）和（3），且其中的
Figure 626601DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 206618DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure DEST_PATH_IMAGE138
、
Figure DEST_PATH_IMAGE139
、
Figure 154983DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 795043DEST_PATH_IMAGE022
均可由无模型预测扩展状 态观测器获得。
本实施例中为风光水储直流汇集经同步电机并网系统建立控制模型如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE140
，（27）
Figure DEST_PATH_IMAGE141
，（28）
Figure DEST_PATH_IMAGE142
，（29）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE143
是直流母线6向同步电机对组7输出功率；
Figure DEST_PATH_IMAGE144
是总的可再生能源发电功 率；
Figure DEST_PATH_IMAGE145
储能的充放电功率（充电功率则为正数，放电功率为负数）；
Figure DEST_PATH_IMAGE146
是光伏单元1 的输出功率；
Figure DEST_PATH_IMAGE147
是风电单元2的输出功率；
Figure DEST_PATH_IMAGE148
是小水电单元3的输出功率；
Figure DEST_PATH_IMAGE149
是电 化学储能单元5的充放电功率（充电功率则为正数，放电功率为负数）；
Figure DEST_PATH_IMAGE150
是直流母线向抽 水蓄能单元4的输入输出功率（输入功率则为负数，输出功率则为负数）；
Figure DEST_PATH_IMAGE151
是抽水蓄能单 元4输入输出功率（输入功率则为负数，输出功率则为负数）。
本实施例中，风电单元2采用最大功率点跟踪（MPPT）控制与恒压（CV）控制的统一 控制方式。通过监测风电单元2侧端口的直流母线6电压
Figure DEST_PATH_IMAGE152
可实现MPPT和CV模式的切换。
本实施例中，光伏单元1采用最大功率点跟踪（MPPT）控制与恒压（CV）控制的统一 控制方式。通过监测光伏单元1侧端口的直流母线6电压
Figure 848099DEST_PATH_IMAGE152
可实现MPPT和CV模式的切换。
本实施例中，小水电单元3采用变速恒频技术控制。
本实施例中，抽水蓄能单元4充输入输出电能过程公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE153
, （30）
Figure DEST_PATH_IMAGE154
, （31）
Figure DEST_PATH_IMAGE155
, （32）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE156
和
Figure DEST_PATH_IMAGE157
分别是t和t-1时刻抽水储能单元4上层水库的储存水 量；
Figure DEST_PATH_IMAGE158
是抽水储能单元4上层水库的水量变化情况；
Figure DEST_PATH_IMAGE159
是抽水蓄能单元4的转化系数，由 于上水库蓄水和放水效率不同，具体数值视设备具体情况而定。
Figure DEST_PATH_IMAGE160
是抽水蓄能单元4向直 流母线6输出电能的上水库最小水量；
Figure 372752DEST_PATH_IMAGE160
是抽水蓄能单元4上水库最大的存水量；
Figure DEST_PATH_IMAGE161
是抽 水蓄能单元4输出深度系数，处于0到1之间，数值视设备具体情况而定。
本实施例中，电化学储能单元5充放电过程公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE162
，（33）
Figure DEST_PATH_IMAGE163
，（34）
Figure DEST_PATH_IMAGE164
，（35）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE165
和
Figure DEST_PATH_IMAGE166
分别是t和t-1时刻电化学储能单元5内的储存能量；
Figure DEST_PATH_IMAGE167
是放电状态下电化学储能单元5的最小能量；
Figure DEST_PATH_IMAGE168
是电化学储能单元5最大的充 电能量，即电化学储能单元5本身的容量；
Figure DEST_PATH_IMAGE169
是电化学储能单元5放电深度系数，处于0到1之 间，数值视设备具体情况而定。
电化学储能单元5和抽水蓄能单元4采用以维持直流母线电压稳定为目标集中式控制方式，本实施例中采用基于低通滤波器的混和储能控制策略对以集中式控制方式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE170
，（36）
Figure DEST_PATH_IMAGE171
，（37）
Figure DEST_PATH_IMAGE172
，（38）
Figure DEST_PATH_IMAGE173
，（39）
Figure DEST_PATH_IMAGE174
，（40）
Figure DEST_PATH_IMAGE175
，（41）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE176
是直流母线6参考电压，
Figure 533213DEST_PATH_IMAGE152
是直流母线6实际电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE177
是电压差值，
Figure DEST_PATH_IMAGE178
是 电压PI控制器的比例系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE179
是电压PI控制器的积分系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE180
是
Figure DEST_PATH_IMAGE181
低通滤波分解后的低频 段分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE182
是
Figure 358823DEST_PATH_IMAGE181
低通滤波分解后的高频段分量，
Figure DEST_PATH_IMAGE183
表示低通滤波器的滤波时间常数，
Figure DEST_PATH_IMAGE184
为电 化学储能单元5的电流参考量，
Figure DEST_PATH_IMAGE185
电化学储能单元5的实际电流值，
Figure DEST_PATH_IMAGE186
是电化学储能单元5 PI控制器的比例系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE187
是电化学储能单元5所采用的 PI控制器的积分系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE188
为电化学 储能单元5占空比信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE189
为抽水蓄能单元4的电流参考量，
Figure DEST_PATH_IMAGE190
为抽水蓄能单元4的电流参 考量，
Figure DEST_PATH_IMAGE191
抽水蓄能单元4的实际电流值，
Figure DEST_PATH_IMAGE192
是抽水蓄能单元4 PI控制器的比例系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE193
是 抽水蓄能单元4 PI控制器的积分系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE194
为抽水蓄能单元4占空比信号。
本实施例中，同步电机接口组7由多组一样配置的同步电机并网通道并联组成，各同步电机并网通道的输入输出功率一致并采用PI控制：
Figure DEST_PATH_IMAGE195
，（42）
Figure DEST_PATH_IMAGE196
，（43）
Figure DEST_PATH_IMAGE197
，（44）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE198
为同步电机并网通道向电网发出的实际有功功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE199
是由新能源发 电单元（包括光伏单元1、风电单元2和水电单元3）和储能单元（抽水蓄能单元4和电化学储 能单元5）确定的有功功率参考值，
Figure DEST_PATH_IMAGE200
是同步电机并网通道有功功率差值，
Figure DEST_PATH_IMAGE201
是PI控制 器的比例系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE202
是PI控制器的积分系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE203
是频率调节量，
Figure DEST_PATH_IMAGE204
是外部电网实时频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE205
是变频器频率参考值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种风光水储直流汇集经同步电机并网系统的应用方法，其特征在于，所述风光水储直流汇集经同步电机并网系统包括光伏单元（1）、风电单元（2）、水电单元（3）、抽水蓄能单元（4）、电化学储能单元（5）、直流母线（6）和同步电机接口组（7），所述光伏单元（1）、风电单元（2）、水电单元（3）、抽水蓄能单元（4）和电化学储能单元（5）分别与直流母线（6）相连，所述直流母线（6）通过同步电机接口组（7）与外部电网连接，所述同步电机接口组（7）包括至少一条同步电机并网通道，所述同步电机并网通道通过一双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器（71）与直流母线（6）相连，所述双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器（71）的控制端连接有一采用无模型预测扩展状态观测器的控制器，所述控制器基于无模型预测扩展状态观测器对双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器（71）的控制包括：
S101，将同步电机接口组（7）的转速
Figure QLYQS_1
与额定转速
Figure QLYQS_2
的差值通过PI处理为参考转矩
Figure QLYQS_3
；
S102，根据参考转矩
Figure QLYQS_4
计算出q轴参考电流
Figure QLYQS_5
，并将d轴参考电流
Figure QLYQS_6
赋值为0；
S103，根据d、q轴参考电流
Figure QLYQS_7
和
Figure QLYQS_8
以及同步电机接口组（7）的d、q轴电流
Figure QLYQS_9
和
Figure QLYQS_10
采用预设的无模型预测扩展状态观测器，得到d、q轴参考电压
Figure QLYQS_11
和
Figure QLYQS_12
；所述无模型预测扩展状态观测器的函数表达式为：
Figure QLYQS_13
，
Figure QLYQS_14
，
上式中，
Figure QLYQS_18
和
Figure QLYQS_20
为d、q轴参考电压，
Figure QLYQS_24
和
Figure QLYQS_16
分别为k+2时刻的d、 q轴参考电流，
Figure QLYQS_21
和
Figure QLYQS_23
分别为k+1时刻的d、q轴电流
Figure QLYQS_26
和
Figure QLYQS_15
，
Figure QLYQS_19
和
Figure QLYQS_22
分别为k+1时刻的d、q轴未知部分的观测值，
Figure QLYQS_25
为采样间隔，
Figure QLYQS_17
为输入值的增益；且有：
Figure QLYQS_27
，
Figure QLYQS_28
，
Figure QLYQS_29
，
Figure QLYQS_30
，
上式中，
Figure QLYQS_34
和
Figure QLYQS_38
分别为k时刻的d、q轴参考电流，e为自然常数，j为虚数单位，
Figure QLYQS_43
和
Figure QLYQS_32
分别为k时刻的d、q轴转子位置角，
Figure QLYQS_35
和
Figure QLYQS_39
分别为d、q轴角速度，
Figure QLYQS_42
和
Figure QLYQS_31
分别为k时刻的d、q轴未知部分的观测值，
Figure QLYQS_37
和
Figure QLYQS_40
分别为d、q轴拓展观测器的增益，
Figure QLYQS_44
和
Figure QLYQS_33
分别为k时刻
Figure QLYQS_36
和
Figure QLYQS_41
与其估计值的差值；
S104，根据d、q轴参考电压
Figure QLYQS_45
和
Figure QLYQS_46
通过空间矢量调制生成用于控制双向同步电机接口系统侧DC/AC变流器（71）各个桥臂的门控脉冲。
2.根据权利要求1所述的风光水储直流汇集经同步电机并网系统的应用方法，其特征在于，步骤S102中根据参考转矩
Figure QLYQS_47
计算出q轴参考电流
Figure QLYQS_48
的函数表达式为：
Figure QLYQS_49
，
上式中，
Figure QLYQS_50
为同步电机的极对数，
Figure QLYQS_51
为同步电机的磁链。
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