CN116093970A - 计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法，首先根据双馈风电机组参与系统一次调频内在原理，对风机系统内部频率动态特性进行研究并以此为依据确立基于模型预测控制的调频控制策略；再考虑风机系统机械特性、最大功率跟踪控制、转子动能控制等与调频相关模块将双馈式风电机组的数学模型纳入系统频率响应模型进行控制设计，从而建立一种全新的预测模型；最后以最小化频率偏差与控制信号为优化目标在预测序列内输出信号控制风机出力抑制负荷波动。本发明设计出的控制器旨在实时统筹考虑整个系统的状态信息，以当前时刻预测未来输出，从而制定超前的控制信息，实时检测系统误差并做补偿，以得到更优化的控制效果。

Description

计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法

技术领域

本发明涉及风电调频技术领域，特别是计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法。

背景技术

在近些年来，在能源转型和科技进步的推动下，电网以新能源为主体逐渐向新型电力系统迈进。在世界范围内，以风电、光伏为代表的新型可再生能源装机容量近20年来增长约为77.5倍，我国对应从1999年的344MW到如今的414GW涨幅高达1203倍。到2050年，我国高比例可再生能源如风电和太阳能发电量将占总发电量的60％以上。新增电源中风力发电因具备良好的前景、成熟的技术等特点，成为满足日益增长电力需求的主力军。

然而随着风电渗透率的不断增高，电网运行的安全稳定性以及可控性等各个方面都会被深刻的影响。与传统火电机组不同，变速风力发电机组转速与电力系统频率解耦，不具备惯性响应及辅助调频能力，削弱了电力系统的频率调节能力，严重威胁了电力系统的安全稳定运行。国内外最新发布的一些电网导则明确提出了并网风电场需要提供和常规发电厂一样的旋转备用、惯性响应以及频率调节等附属功能。我国颁布的国家标准GB/T19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》明确指出并网风电场应具备参与电力系统调频、调峰和备用的能力。电力系统的整体频率响应能力，主要由各个电源的转动惯量与调频能力叠加而成。不参与调频的电源比重越高，系统频率响应能力越低。有鉴于此，制定控制方案使风机参与调频显得十分必要。

为了应对气候、环境、能源等多方面问题，可再生能源在电力系统中的比例不断增大已经成为了一种趋势。风电作为一种重要的可再生能源，一直得到了稳定、持续的发展。风电在提供清洁能源的同时，也使得电力系统惯量下降，削弱了系统应对有功功率不平衡的能力，给系统的频率控制质量与频率稳定带来严峻挑战。风力涡轮机一般采用最大功率点跟踪控制，通过电力电子变流器接入电网，与系统频率解耦，无法通过释放或吸收能量响应功率偏差，不具备惯量响应特性，有功功率扰动下不能够为电网主动提供惯量支撑。为了提高系统频率控制的质量与效率，有必要让风力发电机参与这种控制，并通过这种方式补偿整个系统惯性的降低。近期，新的电网规范也要求风电场必须有助于电力系统频率控制。为了满足要求，当电网中出现有功功率不平衡时，可以使用逐步惯性控制参与电网频率控制，它能够迅速地提供短暂的功率支撑。

为了使风机能够提供与同步发电机类似的惯量支撑以提供调频辅助功能，现有的研究根据调频方式可分为功率备用控制和转子动能控制两大类。前者主要包括附加储能控制、超速控制、桨距角控制和组合控制。后者主要包括虚拟惯性控制、下垂控制和综合惯量控制。有人考虑了不同风速下风机调频能力的差异，并利用试错法得到最佳调频参数，但是该方法忽略了系统的影响，在大扰动下风机可能出现过度响应的情况。也有人采取综合惯性控制法，通过释放转子中的旋转动能来提供风电机组的惯性功率。有人将转速与机械功率简化成线性关系，根据风机转速控制桨距角，但是桨距角变化较慢且频繁调整会影响风机寿命。有人在附加频率控制模块的基础上，增加了转速恢复模块和转速保护模块，防止风机发生过度响应。也有人提出了变参数虚拟惯量控制策略，通过评估风电机组转动能储量，实时修改机组调频参数改变功率输出，避免转子动能过度释放和系统频率的二次跌落。目前的调频策略均过于依赖虚拟惯性系数与下垂系数的整定，虽然有改进措施以避免转子动能释放过度，但是仍然难以兼顾全局性能。

发明内容

本发明的目的在于提供计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法，设计出的控制器旨在实时统筹考虑整个系统的状态信息，以当前时刻预测未来输出，从而制定超前的控制信息，实时检测系统误差并做补偿，以得到更优化的控制效果。

本发明采用如下技术方案：

计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法，其步骤如下：

步骤一：根据双馈风电机组参与系统一次调频内在原理，确定了控制器作用于风机转子侧换流器控以变化风机出力的控制方向；

步骤二：考虑双馈式风电机组内部频率动态特性将相关模块数学模型纳入系统频率响应模型设计；

步骤三：对所建立的含风机电力系统频率状态方程的高阶非线性化部分进行线性化处理，针对控制出力方法，建立一种全新的预测模型；

步骤四：通过二阶线性回归的方式将控制器参考输入与风机转子转速关联起来，以期在保护转子转速的情况下实现风机调频；

步骤五：以最小化频率偏差与最优控制信号为优化目标在预测序列内滚动优化输出信号控制风机出力抑制负荷波动；

步骤六：实时监控系统状态，计算控制策略下产生的误差并进行反馈补偿直至调频过程结束。

进一步地，所述模型预测控制方法(model predictive control，MPC)，其三大核心建模环节可以归纳为预测模型、滚动优化和反馈校正。

其中步骤三中所述预测模型是一种线性化后的含风机电力系统频率状态方程，以实现对未来一段时间内实际风电系统中的频率偏差的预测，为后续滚动优化的进行提供先验知识；

步骤五中所述滚动优化是基于预测模型，在指定预测时域内逐步滚动计算状态方程输出，并以此为依据求解相应的控制信号。

步骤六中所述反馈矫正体现在系统因预测模型精度或扰动等问题产生的输出偏差将实时同步纳入滚动优化过程进一步输出矫正指令，以达到预期控制目标。

进一步地，步骤一中所确定的控制方向，其本质是用模型预测控制实现转子动能控制。

转子动能控制是系统频率发生变化时，通过调整风机转子侧换流器的电流定值，控制发电机的转子进行超速或者减速，以快速吸收或者释放机组存储的旋转动能，完成旋转动能与电磁功率的相互转化。

进一步地，所建立含风机电力系统频率状态方程包含机械特性、最大功率跟踪控制、转子动能控制等模块，以便在调频过程中预测系统频率变化信息，从而超前制定控制策略。

该模型的建立同时考虑风电部分与系统部分两个方面，其具体建立过程如下：

1)风电部分考虑风机机械功率输入如式(1)，MPPT控制如式(2)及风机的转子运动方程如式(3)；

式中，ρ为空气密度，R为叶片半径，V_w为风速，C_p(λ,β)为风能利用系数，λ为叶尖速比、β为叶片桨距角，ω_r为风机转子转速，P_mw为风机捕获的机械功率，P_max为风机输出最大功率，P_e为风机机组的电磁功率，J为双馈风机等效惯量，k_opt为最优系数；

2)系统部分采用经典的低阶频率响应模型如式(4)和式(5)所示，由式子(1)-(5)建立含双馈式风机的电网非线性动态频率响应模型；

式中,P_m与

为同步机组出力及出力变化率，P_g为其他机组出力总和，ΔP_d为净负荷扰动，Δf为系统频率偏差，H为系统中同步机组的惯性时间常数，K为同步机组功率因数相关的系数，F为高压缸稳态输出功率占总功率的比例，T为火电机组中压缸再热蒸汽容积时间常数，R为调差系数。

进一步地，采用MPPT点与转速下限值两点连线的斜率：

式中，ΔP_w为DFIG机械功率增量，P_m(ω₀)为风机转子转速在ω₀下机械功率，P_m(ω_min)为风机转子转速在ω_min下机械功率ω₀对应MPPT模式下最优转速，ω_min为转速下限，Δω_r为转速变化率，P_MPPT(ω₀)为风机在MPPT模式转速在ω₀下机械功率，P_MPPT(ω_min)为风机在MPPT模式转速在ω_min下机械功率，K₁、K₂为功率曲线的等效斜率；

由MPPT点与风机转速下限两点确定功率线性化斜率，得到双馈式风机机械输出与电磁输出线性化表达式，进一步得到含风机电力系统线性频率状态方程：

式中x(t)、u(t)、w(t)、y(t)分为状态变量、控制变量、扰动变量与输出变量，A、B、F、C分为系统状态矩阵、控制矩阵、扰动矩阵与输出矩阵。

利用前向欧拉法将所得线性连续系统频率状态方程离散化，根据MPC方法的原理，在预测时域步长为p的情况下可得系统预测模型：

Y＝Gx(k)+LU+MW(9)式中x(k)为离散后状态变量，Y、G、L、U、M、W分别为输出预测序列，状态矩阵预测序列、控制矩阵预测序列、控制变量预测序列、扰动矩阵预测序列与扰动变量预测序列。

进一步地，滚动优化具体如下：

建立控制偏差最小为目标函数，在约束下进行二次规划求解，在每一采样时刻，根据该时刻的优化性能指标，获取未来有限时域内最优控制序列，目标函数如下：

其中Q、R是权重参数，Y_ref是滚动优化过程中的参考值。

进一步地，参考值为：

Y_ref＝aω_r+b (11)

式中a和b分别是线性回归方法求得的常数值。

进一步地，在每个预测周期中，仅执行优化控制序列中控制时域的动作；在下一个预测周期中重复上一步，以重新计算控制动作序列。

进一步地，风电模型预测控制方法参与电网调频具体过程如下：

1)在正常情况下，风机桨距角为0，工作在MPPT曲线上，输出的电磁功率为P_w0，转子转速为ω₀，输出功率P_w＝P_MPPT＝P_w0；在某一时刻k₀，根据预测模型导入的历史数据，预测出含风机电力系统在预测时域内将会有负荷的变化引起功率不平衡，导致系统频率下降，频率偏差不为0，MPC控制器开始运作；

2)根据预测模型预测偏差，将在风机转子侧换流器输出控制ΔP_c，风机进入短时超发模式，此阶段风机输出的电磁功率大于机械功率，转子随即减速，此时风机的转子运动方程如式(12)；此时输出功率P_w＝P_w0+ΔP_c，风机输出功率提高；

3)第二步中ΔP_c的值由设定的目标函数在一定约束下不断滚动求解获得，保证最大程度上将转子动能转化为电功率平抑负荷引起的频率波动，并保证风机转子转速始终在安全阈值内；

4)若检测到实际频率偏差与预测值不同时，误差值将纳入ΔP_c控制信号求解的过程中，使频率偏差趋近于设定值0。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供的计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法，相较于关联频率变化率的传统控制方案，基于MPC的调频策略以频率偏差最小化为控制目标，不会因为频率变化放缓而减少控制增发。在稳定的情况下，能更大程度挖掘风机参与一次调频潜力，尽可能避免频率二次跌落的问题。

2、本发明提供的计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法，相较于下垂控制、虚拟惯量控制与综合惯性控制，基于MPC的调频策略将风力发电机的数学模型纳入系统频率响应模型进行控制设计，建立了一个全新的预测模型用于预测系统状态信息，从而能够超前制定控制策略，使得系统在负荷扰动下最大频率偏差值更小，频率恢复时间更快且不存在频率二次跌落问题。

3、本发明提供的计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法，MPC控制器的设计不仅统筹考虑了系统全局信息，并且存在反馈补偿以进一步提升所提出控制策略的适应性。本文提出的控制方法相较于其他三种控制策略在频率响应性能更优异的情况下控制风机出力更平顺且转子转速也保证在安全阈值内，达到了预期控制效果。

附图说明

图1是本发明计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法的流程图。

图2是本发明含DFIG的电网动态频率响应模型。

图3是本发明建立预测模型线性化原理图。

图4是本发明MPC控制框图。

图5是本发明IEEE 9节点测试系统。

图6是本发明风电调频对系统频率影响示意图。

图7为四种调频控制策略下频率变化示意图。

图8为四种调频控制策略下风机出力变化示意图。

图9为四种调频控制策略下转子转速变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

为了更加清楚地描述本发明的思想，技术方案和优点，具体实施方式通过实施例和附图来表明。显然地，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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未付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。

本发明提供的计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法，，其步骤如下：

步骤一：、根据双馈风电机组参与系统一次调频内在原理，确定了控制器作用于风机转子侧换流器控以变化风机出力的控制方向；

步骤二：考虑双馈式风电机组内部频率动态特性将相关模块数学模型纳入系统频率响应模型设计；

步骤三：对所建立的含风机电力系统频率状态方程的高阶非线性化部分进行线性化处理，针对控制出力方法，建立一种全新的预测模型；

步骤四：通过二阶线性回归的方式将控制器参考输入与风机转子转速关联起来，以期在保护转子转速的情况下实现风机调频；

步骤五：以最小化频率偏差与最优控制信号为优化目标在预测序列内滚动优化输出信号控制风机出力抑制负荷波动。

步骤六：实时监控系统状态，计算控制策略下产生的误差并进行反馈补偿直至调频过程结束。

所述模型预测控制方法(model predictive control，MPC)，其三大核心建模环节可以归纳为预测模型、滚动优化和反馈校正。

其中步骤三中所述预测模型是一种线性化后的含风机电力系统频率状态方程，以实现对未来一段时间内实际风电系统中的频率偏差的预测，为后续滚动优化的进行提供先验知识；

步骤五中所述滚动优化是基于预测模型，在指定预测时域内逐步滚动计算状态方程输出，并以此为依据求解相应的控制信号。

步骤六中所述反馈矫正体现在系统因预测模型精度或扰动等问题产生的输出偏差将实时同步纳入滚动优化过程进一步输出矫正指令，以达到预期控制目标。

步骤一所确定的控制方向，其本质是用模型预测控制实现转子动能控制。

转子动能控制是系统频率发生变化时，通过调整风机转子侧换流器的电流定值，控制发电机的转子进行超速/减速，以快速吸收/释放机组存储的旋转动能，完成旋转动能与电磁功率的相互转化。

所建立含风机电力系统频率状态方程包含机械特性、最大功率跟踪控制、转子动能控制等模块，以便在调频过程中预测系统频率变化信息，从而超前制定控制策略。

该模型的建立同时考虑风电部分与系统部分两个方面，其具体建立过程如下：

1)风电部分考虑风机机械功率输入如式(1)，MPPT控制如式(2)及风机的转子运动方程如式(3)；

式中，ρ为空气密度，R为叶片半径，V_w为风速，C_p(λ,β)为风能利用系数，λ为叶尖速比、β为叶片桨距角，ω_r为风机转子转速，P_mw为风机捕获的机械功率，P_max为风机输出最大功率，P_e为风机机组的电磁功率，J为双馈风机等效惯量，k_opt为最优系数；

2)系统部分采用经典的低阶频率响应模型如式(4)和式(5)所示，由式子(1)-(5)建立含双馈式风机的电网非线性动态频率响应模型；

式中,P_m与

为同步机组出力及出力变化率，P_g为其他机组出力总和，ΔP_d为净负荷扰动，Δf为系统频率偏差，H为系统中同步机组的惯性时间常数，K为同步机组功率因数相关的系数，F为高压缸稳态输出功率占总功率的比例，T为火电机组中压缸再热蒸汽容积时间常数，R为调差系数。

作为一种具体的实施方式，采用MPPT点与转速下限值两点连线的斜率：

式中，ΔP_w为DFIG机械功率增量，P_m(ω₀)为风机转子转速在ω₀下机械功率，P_m(ω_min)为风机转子转速在ω_min下机械功率ω₀对应MPPT模式下最优转速，ω_min为转速下限，Δω_r为转速变化率，P_MPPT(ω₀)为风机在MPPT模式转速在ω₀下机械功率，P_MPPT(ω_min)为风机在MPPT模式转速在ω_min下机械功率，K₁、K₂为功率曲线的等效斜率；

由MPPT点与风机转速下限两点确定功率线性化斜率，得到双馈式风机机械输出与电磁输出线性化表达式，进一步得到含风机电力系统线性频率状态方程：

式中x(t)、u(t)、w(t)、y(t)分为状态变量、控制变量、扰动变量与输出变量，A、B、F、C分为系统状态矩阵、控制矩阵、扰动矩阵与输出矩阵。

利用前向欧拉法将所得线性连续系统频率状态方程离散化，根据MPC方法的原理，在预测时域步长为p的情况下可得系统预测模型：

Y＝Gx(k)+LU+MW (9)

式中x(k)为离散后状态变量，Y、G、L、U、M、W分别为输出预测序列，状态矩阵预测序列、控制矩阵预测序列、控制变量预测序列、扰动矩阵预测序列与扰动变量预测序列。

作为一种具体的实施方式，滚动优化具体如下：

建立控制偏差最小为目标函数，在约束下进行二次规划求解，在每一采样时刻，根据该时刻的优化性能指标，获取未来有限时域内最优控制序列，目标函数如下：

其中Q、R是权重参数，Y_ref是滚动优化过程中的参考值。

根据权根据权利要求6所述的一种计及转速安全约束的双馈风机一次调频模型预测控制方法，其特征在于，参考值为：

Y_ref＝aω_r+b (11)

式中a和b分别是线性回归方法求得的常数值。

作为一种具体的实施方式，在每个预测周期中，仅执行优化控制序列中控制时域的动作；在下一个预测周期中重复上一步，以重新计算控制动作序列。

作为一种具体的实施方式，风电模型预测控制方法参与电网调频具体过程如下：

1)在正常情况下，风机桨距角为0，工作在MPPT曲线上，输出的电磁功率为P_w0，转子转速为ω₀，输出功率P_w＝P_MPPT＝P_w0；在某一时刻k₀，根据预测模型导入的历史数据，预测出含风机电力系统在预测时域内将会有负荷的变化引起功率不平衡，导致系统频率下降，频率偏差不为0，MPC控制器开始运作；

2)根据预测模型预测偏差，将在风机转子侧换流器输出控制ΔP_c，风机进入短时超发模式，此阶段风机输出的电磁功率大于机械功率，转子随即减速，此时风机的转子运动方程如式(12)；此时输出功率P_w＝P_w0+ΔP_c，风机输出功率提高；

3)第二步中ΔP_c的值由设定的目标函数在一定约束下不断滚动求解获得，保证最大程度上将转子动能转化为电功率平抑负荷引起的频率波动，并保证风机转子转速始终在安全阈值内；

4)若检测到实际频率偏差与预测值不同时，误差值将纳入ΔP_c控制信号求解的过程中，使频率偏差趋近于设定值0。

实例测试：

为了验证所提出的一次调频控制策略在改善系统频率响应性能方面的有效性，本节以经典的IEEE三机九节点系统为算例进行仿真分析，如图5所示的系统由一个DFIG机组和两个常规发电机组成。其中风机装机容量为0.6MW，常规机组装机总容量为1.7MW。风速为恒定值设为9m/s。系统在第40s时刻加入了阶跃扰动直到仿真结束。

采用前向欧拉法以0.01s的时间离散化模型。考虑风电一次调频的快速响应，取预测时域N_p＝0.15s,控制时域N_c＝0.15s以获得最佳的控制效果。为平衡尽可能增发功率与风机出力变动，对于目标函数频率偏差与控制信号两项参数则需要选择合适的权重。目前采用经验值整定的方式。

在此场景中，附图6展示了风电参与调频对系统频率影响，附图7、附图8、附图9展示了四种风机系统一次调频控制策略性能，分别是下垂控制、虚拟惯量控制、综合惯性控制以及本文所提出的基于MPC的一次调频策略。其中，综合惯性控制结合了虚拟惯量控制和下垂控制，在附加控制结构中同时引入频率变化量和变化率信息。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：根据双馈风电机组参与系统一次调频内在原理，确定控制器作用于风机转子侧换流器控以变化风机出力的控制方向；

步骤二：基于双馈式风电机组内部频率动态特性将相关模块数学模型纳入系统频率响应模型设计；

步骤三：对所建立的含风机电力系统频率状态方程的高阶非线性化部分进行线性化处理，针对控制出力方法，建立预测模型；

步骤四：通过二阶线性回归的方式将控制器参考输入与风机转子转速关联起来，在保护转子转速的情况下实现风机调频；

步骤五：以最小化频率偏差与最优控制信号为优化目标在预测序列内滚动优化输出信号控制风机出力抑制负荷波动；

步骤六：根据系统实时运行状态，计算控制策略下产生的误差并在线进行反馈补偿直至调频过程结束。

2.根据权利要求1所述的计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法，其特征在于，所述模型预测控制策略，包括预测模型、滚动优化和反馈校正；

所述预测模型是一种线性化后的含风机电力系统频率状态方程；

所述滚动优化是基于预测模型，在指定预测时域内逐步滚动计算状态方程输出，并以此为依据求解相应的控制信号；

所述反馈矫正体现在系统产生的输出偏差将实时同步纳入滚动优化过程进一步输出矫正指令，以达到预期控制目标。

3.根据权利要求1所述的计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法，其特征在于，步骤一所确定的控制方向，是用模型预测控制实现转子动能控制；

所述转子动能控制是系统频率发生变化时，通过调整风机转子侧换流器的电流定值，控制发电机的转子进行超速或者减速，完成旋转动能与电磁功率的相互转化。

4.根据权利要求1所述的计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法，其特征在于，步骤三中建立的含风机电力系统频率状态方程包含机械特性、最大功率跟踪控制和转子动能控制模块；具体如下：

1)风电部分考虑风机机械功率输入如式(1)，MPPT控制如式(2)及风机的转子运动方程如式(3)；

式中，ρ为空气密度，R为叶片半径，V_w为风速，C_p(λ,β)为风能利用系数，λ为叶尖速比、β为叶片桨距角，ω_r为风机转子转速，P_mw为风机捕获的机械功率，P_max为风机输出最大功率，P_e为风机机组的电磁功率，J为双馈风机等效惯量，k_opt为最优系数；

2)系统部分采用经典的低阶频率响应模型如式(4)和式(5)所示，由式子(1)-(5)建立含双馈式风机的电网非线性动态频率响应模型；

式中,P_m与

为同步机组出力及出力变化率，P_g为其他机组出力总和，ΔP_d为净负荷扰动，Δf为系统频率偏差，H为系统中同步机组的惯性时间常数，K为同步机组功率因数相关的系数，F为高压缸稳态输出功率占总功率的比例，T为火电机组中压缸再热蒸汽容积时间常数，R为调差系数。

5.根据权利要求1所述的计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法，其特征在于，采用MPPT点与转速下限值两点连线的斜率：

式中，ΔP_w为DFIG机械功率增量，P_m(ω₀)为风机转子转速在ω₀下机械功率，P_m(ω_min)为风机转子转速在ω_min下机械功率ω₀对应MPPT模式下最优转速，ω_min为转速下限，Δω_r为转速变化率，P_MPPT(ω₀)为风机在MPPT模式转速在ω₀下机械功率，P_MPPT(ω_min)为风机在MPPT模式转速在ω_min下机械功率，K₁、K₂为功率曲线的等效斜率；

由MPPT点与风机转速下限两点确定功率线性化斜率，得到双馈式风机机械输出与电磁输出线性化表达式，进一步得到含风机电力系统线性频率状态方程：

式中x(t)、u(t)、w(t)、y(t)分为状态变量、控制变量、扰动变量与输出变量，A、B、F、C分为系统状态矩阵、控制矩阵、扰动矩阵与输出矩阵；

利用前向欧拉法将所得线性连续系统频率状态方程离散化，根据MPC方法的原理，在预测时域步长为p的情况下可得系统预测模型：

Y＝Gx(k)+LU+MW(9)

式中x(k)为离散后状态变量，Y、G、L、U、M、W分别为输出预测序列，状态矩阵预测序列、控制矩阵预测序列、控制变量预测序列、扰动矩阵预测序列与扰动变量预测序列。

6.根据权利要求2所述的计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法，其特征在于，滚动优化具体如下：

建立控制偏差最小为目标函数，在约束下进行二次规划求解，在每一采样时刻，根据该时刻的优化性能指标，获取未来有限时域内最优控制序列，目标函数如下：

其中Q、R是权重参数，Y_ref是滚动优化过程中的参考值。

7.根据权利要求6所述的计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法，其特征在于，参考值为：

Y_ref＝aω_r+b(11)

式中a和b分别是线性回归方法求得的常数值。

8.根据权利要求6所述的计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法，其特征在于，在每个预测周期中，仅执行优化控制序列中控制时域的动作；在下一个预测周期中重复上一步，以重新计算控制动作序列。

9.根据权利要求2所述的计及转速保护的双馈风机一次调频模型预测控制方法，其特征在于，风电模型预测控制方法参与电网调频具体过程如下：

1)在正常情况下，风机桨距角为0，工作在MPPT曲线上，输出的电磁功率为P_w0，转子转速为ω₀，输出功率P_w＝P_MPPT＝P_w0；在某一时刻k₀，根据预测模型导入的历史数据，预测出含风机电力系统在预测时域内将会有负荷的变化引起功率不平衡，导致系统频率下降，频率偏差不为0，MPC控制器开始运作；

2)根据预测模型预测偏差，将在风机转子侧换流器输出控制ΔP_c，风机进入短时超发模式，此阶段风机输出的电磁功率大于机械功率，转子随即减速，此时风机的转子运动方程如式(12)；此时输出功率P_w＝P_w0+ΔP_c，风机输出功率提高；

3)第二步中控制信号的值由设定的目标函数在一定约束下不断滚动求解获得，保证最大程度上将转子动能转化为电功率平抑负荷引起的频率波动，并保证风机转子转速始终在安全阈值内；

4)若检测到实际频率偏差与预测值不同时，误差值将纳入ΔP_c控制信号求解的过程中，使频率偏差趋近于设定值0。

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