CN116470573A - 一种风电场频率和电压协同的二次调优控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场频率和电压协同的二次调优控制方法及系统，包括以下步骤：获取故障发生时，电网频率和母线电压分别与基准值之间的偏差值；基于获取的偏差值建立状态空间方程，通过状态方程获取初步控制量，基于状态空间方程建立代价函数，基于控制量和代价函数获取控制矩阵，通过控制矩阵获取调控所需的最终控制量，通过状态方程计算在频率电压发生变化时调节风电场的有功功率输出和无功功率输出，同时控制频率和电压，实现了电网频率和母线电压的协同控制，通过代价函数计算最优控制输入，避免由于不同步导致的控制误差，提高了调控的精准度，增强了电力系统运行的稳定性。

Description

一种风电场频率和电压协同的二次调优控制方法及系统

技术领域

本发明属于新能源电压控制技术领域，涉及一种风电场频率和电压协同的二次调优控制方法及系统。

背景技术

在风电场，当高压直流输电系统系统发生直流闭锁故障时，高压直流输电线路输送的有功功率瞬间被切断，送端电网的有功功率盈余，导致频率升高，消耗大量无功功率的变流器也被切除，多余的无功功率无法被立刻消除，导致母线电压升高，而新能源电站逐渐渗透到电网中，参与电力系统的频率和电压调整。

现有的控制策略通常是对于频率和电压的单独控制，这种调控方法的协同性查，控制时间较长，控制的误差大，影响电力系统运行的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中对电压和频率进行控制时无法单独调控，导致控制时间较长，控制的误差大的问题，提供一种风电场频率和电压协同的二次调优控制方法及系统。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种风电场频率和电压协同的二次调优控制方法，包括以下步骤：

S1：获取故障发生时，电网频率和母线电压分别与基准值之间的偏差值；

S2：基于获取的偏差值建立状态空间方程，通过状态方程获取初步控制量，基于状态空间方程建立代价函数，基于初步控制量和代价函数获取控制矩阵，

S3：通过控制矩阵获取调控所需的最终控制量。

本发明的进一步改进在于：

所述步骤S1中，所述状态空间方程包括电力系统的摆动方程和电压灵敏度模型。

所述电力系统的摆动方程通过公式(1)建立：

所述电压灵敏度模型通过公式(2)建立：

式中，H表示系统惯性常数，f_n表示额定频率，f表示当前电网频率，t表示时间，P_G表示发电机发出的总有功功率，P_L表示负荷消耗的总有功功率，P_W表示风电场发出的有功功率；v_o表示节点电压，v_o[0]表示上一时刻的节点电压；ΔPw和ΔQw分别表示有功功率和无功功率的变化量。

所述步骤S2包括以下步骤：

将建立的电力系统的摆动方程和电压灵敏度模型转化成对于步骤S1中标准值的偏差形式：

式中，Δx_k表示状态变量，Δu_k表示控制输入，f表示扰动，y_k表示控制输出，y_ref表示y的基准值，A、B和C均为状态空间方程的系数矩阵。

所述公式(3)的物理量形式通过公式(4)表达：

式中，T_s表示采样时间；下标k表示当前时刻的物理量；下标k-1表示上一时刻；下标k-1表示下一时刻的物理量；Δx_k+1表示下一个时刻的Δx_k；y_k+1表示下一时刻的y_k值；P_ref表示风电场有功功率的基准值；ΔP_w,k和ΔQ_w,k分别表示有功功率和无功功率在k时刻的变化量；ΔP_w,k-1和ΔQ_w,k-1分别表示有功功率和无功功率在k-1时刻的变化量。

所述代价函数通过公式(6)表达：

其中，Q和R是加权矩阵，其形式为：

式中，q₁表示对电网频率偏离量Δf_k的重视程度；q₂表示对母线电压偏离量Δv_k的重视程度；r₁表示风电场机组有功功率输出相对初值的变化量ΔP_W,k的权重；r₂表示对风电场机组无功功率输出相对初值的变化量ΔQ_W,k的权重；r₁和r₂均为固定值。

所述步骤S3包括以下步骤：

所述控制量Δu_k与状态量Δx_k之间的关系通过公式(8)表达：

Δu_k＝-KΔx_k (8)

式中，K表示控制矩阵，Δx_k表示状态量。

一种风电场频率和电压协同的二次调优控制系统，包括故障获取模块、控制矩阵计算模块和控制量计算模块；

故障获取模块，获取故障发生时，电网频率和母线电压分别与基准值之间的偏差值；

控制矩阵计算模块，用于基于获取的偏差值建立状态空间方程，通过状态方程获取初步控制量，基于状态空间方程建立代价函数，基于控制量和代价函数获取控制矩阵，

控制量计算模块，用于通过控制矩阵获取调控所需的最终控制量。

一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明任一项所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明任一项所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种风电场频率和电压协同的二次调优控制方法，包括当发生故障是，会分别采取电网频率和母线电压与基准值之间的偏差值，然后根据偏差值建立状态空间方程，计算在频率电压发生变化时调节风电场的有功功率输出和无功功率输出，同时控制频率和电压，实现了电网频率和母线电压的协同控制，与单独控制相比，在发生故障时进行同时调整，提高了调节的协同性，缩短了调节时间，同时根据控制目标量和状态空间方程建立代价函数，通过代价函数计算最优控制输入，避免由于不同步导致的控制误差，提高了调控的精准度，增强了电力系统运行的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的控制系统示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明实施例公开了一种风电场频率和电压协同的二次调优控制方法，本发明实施例主要应用与风电场，风电场位于高压直流输电系统的送端电网，在本发明实施例中的调优控制方法通过线性二次调节器实现，在高压直流输电系统系统发生直流闭锁故障时，电网频率和风机并网点电压升高的问题。直流闭锁故障发生后，调节器计算得到风电场机组的最优有功输出和最优无功输出，实现电网频率和母线电压的协同控制。

本发明实施例包括以下步骤：

步骤一：获取发生故障时，电网频率和母线电压分别与基准值之间的偏差值；

具体为，控制器设置在风电场监控系统中，直流闭锁故障发生时，电网频率和母线电压发生变化，偏离基准值，控制器监测到偏差量。

步骤二：通过二次最优调节器，根据状态空间方程和代价函数计算出反馈控制矩阵K。

状态空间方程包括电力系统的摆动方程和电压灵敏度模型；

其中，电力系统的摆动方的表达式为：

电压灵敏度模型的表达式为：

式中，H表示系统惯性常数，f_n表示额定频率，f表示当前电网频率，t表示时间，P_G表示发电机发出的总有功功率，P_L表示负荷消耗的总有功功率，P_W表示风电场发出的有功功率；v_o表示节点电压，v_o[0]表示上一时刻的节点电压，ΔPw和ΔQw分别表示有功功率和无功功率的变化量。

进一步的，将状态空间方程转化为成对于步骤1中的标准值的偏差形式，转化后的形式为：

式中，Δx_k表示状态变量，Δu_k表示控制输入，f表示扰动，y_k表示控制输出，y_ref表示y的基准值，A,B,C均为状态空间方程的系数矩阵。

其中，公式(3)物理量的具体形式如下所示：

式中，T_s表示采样时间；下标k表示当前时刻的物理量；下标k-1表示上一时刻；下标k-1表示下一时刻的物理量；Δx_k+1为下一个时刻的Δx_k；y_k+1表示下一时刻的y_k值；P_ref表示风电场有功功率的基准值；ΔP_w,k和ΔQ_w,k分别表示有功功率和无功功率在k时刻的变化量；ΔP_w,k-1和ΔQ_w,k-1分别表示有功功率和无功功率在k-1时刻的变化量。

进一步的，根据状态空间模型和控制目标，建立代价函数：

其中，Q和R是加权矩阵，其形式为：

式中，q₁是对电网频率偏离量Δf_k的重视程度，q₂是母线电压偏离量Δv_k的重视程度；r₁是对风电场有功功率输出相对初值的变化量ΔP_W,k，r₂是对风电场无功功率输出相对初值的变化量ΔQ_W,k的权重，r₁和r₂均为固定值。

步骤三：根据反馈控制矩阵K，计算出控制量Δuk，并将控制量指令下发给相应的风电场机组。

控制量Δu_k与状态量Δx_k之间的关系为：

Δu_k＝-KΔx_k (8)

其中，其中K是一个由代价函数和加权矩阵计算出的反馈控制矩阵，Δx_k表示状态量。

步骤四：风电场机组根据控制量对其有功输出和无功输入进行协同调整，同时控制电网频率和母线电压进行相应变化。

本发明实施例公开的二次调节器，能够实现针对闭锁故障造成的频率和电压波动进行协同控制，当直流闭锁故障发生后，调节器计算得到风电场机组的最优有功输出和最优无功输出，实现电网频率和母线电压的协同控制，具体为利用线性二次调节器，在频率电压发生变化时调节风电场的有功功率输出和无功功率输出，同时控制频率和电压。与单独控制相比，该方法能在频率和电压同时发生突变时进行同时调整，根据代价函数计算最优控制输入，避免由于不同步导致的控制误差，增强了电力系统的运行稳定性。

本发明实施例还公开了一种风电场频率和电压协同的二次调优控制系统，包括

故障获取模块，获取故障发生时，电网频率和母线电压分别与基准值之间的偏差值；

控制矩阵计算模块，用于基于获取的偏差值建立状态空间方程，通过状态方程获取初步控制量，基于状态空间方程建立代价函数，基于控制量和代价函数获取控制矩阵，

控制量计算模块，用于通过控制矩阵获取调控所需的最终控制量。

本发明一实施例提供的终端设备的示意图。该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。

所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。

所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。

所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。

所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风电场频率和电压协同的二次调优控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取故障发生时，电网频率和母线电压分别与基准值之间的偏差值；

S2：基于获取的偏差值建立状态空间方程，通过状态方程获取初步控制量，基于状态空间方程建立代价函数，基于初步控制量和代价函数获取控制矩阵，

S3：通过控制矩阵获取调控所需的最终控制量。

2.根据权利要求1所述的一种风电场频率和电压协同的二次调优控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述状态空间方程包括电力系统的摆动方程和电压灵敏度模型。

3.根据权利要求2所述的一种风电场频率和电压协同的二次调优控制方法，其特征在于，所述电力系统的摆动方程通过公式(1)建立：

所述电压灵敏度模型通过公式(2)建立：

式中，H表示系统惯性常数，f_n表示额定频率，f表示当前电网频率，t表示时间，P_G表示发电机发出的总有功功率，P_L表示负荷消耗的总有功功率，P_W表示风电场发出的有功功率；v_o表示节点电压，v_o[0]表示上一时刻的节点电压；ΔPw和ΔQw分别表示有功功率和无功功率的变化量。

4.根据权利要求3所述的一种风电场频率和电压协同的二次调优控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

将建立的电力系统的摆动方程和电压灵敏度模型转化成对于步骤S1中标准值的偏差形式：

式中，Δx_k表示状态变量，Δu_k表示控制输入，f表示扰动，y_k表示控制输出，y_ref表示y的基准值，A、B和C均为状态空间方程的系数矩阵。

5.根据权利要求4所述的一种风电场频率和电压协同的二次调优控制方法，其特征在于，所述公式(3)的物理量形式通过公式(4)表达：

式中，T_s表示采样时间；下标k表示当前时刻的物理量；下标k-1表示上一时刻；下标k-1表示下一时刻的物理量；Δx_k+1表示下一个时刻的Δx_k；y_k+1表示下一时刻的y_k值；P_ref表示风电场有功功率的基准值；ΔP_w,k和ΔQ_w,k分别表示有功功率和无功功率在k时刻的变化量；ΔP_w,k-1和ΔQ_w,k-1分别表示有功功率和无功功率在k-1时刻的变化量。

6.根据权利要求1所述的一种风电场频率和电压协同的二次调优控制方法，其特征在于，所述代价函数通过公式(6)表达：

其中，Q和R是加权矩阵，其形式为：

式中，q₁表示对电网频率偏离量Δf_k的重视程度；q₂表示对母线电压偏离量Δv_k的重视程度；r₁表示风电场机组有功功率输出相对初值的变化量ΔP_W,k的权重；r₂表示对风电场机组无功功率输出相对初值的变化量ΔQ_W,k的权重；r₁和r₂均为固定值。

7.根据权利要求6所述的一种风电场频率和电压协同的二次调优控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

所述控制量Δu_k与状态量Δx_k之间的关系通过公式(8)表达：

Δu_k＝-KΔx_k (8)

式中，K表示控制矩阵，Δx_k表示状态量。

8.根据权利要求1所述的一种风电场频率和电压协同的二次调优控制系统，其特征在于，包括故障获取模块、控制矩阵计算模块和控制量计算模块；

故障获取模块，获取故障发生时，电网频率和母线电压分别与基准值之间的偏差值；

控制矩阵计算模块，用于基于获取的偏差值建立状态空间方程，通过状态方程获取初步控制量，基于状态空间方程建立代价函数，基于控制量和代价函数获取控制矩阵，

控制量计算模块，用于通过控制矩阵获取调控所需的最终控制量。

9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。