CN117913839A - 一种基于模型预测的电机负荷需求响应控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于模型预测的电机负荷需求响应控制方法及系统，应用于频率型需求响应控制技术领域。在该方法中，根据获取到的电力系统的频率偏差量，确定变频电机的负荷响应量；根据负荷响应量和各类变频电机的出力权重系数，确定变频电机的负荷调节量；根据获取到的电力系统的频率变化率和负荷调节量，基于电力系统的频率动态模型，确定变频电机的响应功率；根据响应功率，对变频电机进行控制。在参与频率型需求响应的过程中不仅考虑频率偏差量，还考虑频率变化率，因此能够快速响应系统频率变化，加快频率调节速度，在可调容量充足时能够消除系统稳态频率偏差，实现无差调节。
Description
技术领域
本发明涉及频率型需求响应控制技术领域，具体涉及一种基于模型预测的电机负荷需求响应控制方法及系统。
背景技术
近年来，随着新能源在电网中的大规模接入，单靠电源侧的调节控制已经难以满足电网安全稳定的需求。对需求侧可参与频率型需求响应的负荷资源加以开发和利用，有助于电网实现安全稳定的电力供应，以及电力系统由“源随荷动”向“源荷互动”的转型。
目前，需求侧可调节资源通过需求响应参与系统频率的调节。然而不同负荷资源的调节性能与响应速度存在差异，其中工厂变频电机便于智能控制，能快速调节，具有较大调控潜力。深入研究工厂变频电机参与频率型需求响应的控制方法，挖掘其响应潜力，可以进一步提升系统的频率稳定性。
目前关于工厂变频电机参与频率型需求响应的研究，大部分采用传统的基于有功功率下垂特性的控制方式，根据系统频率偏差量计算参与下垂控制的有功功率参考值。该控制方式原理简单易于实现，但是实际运行的工厂变频电机参与频率型需求响应时，仅考虑频率偏差量，响应速度较慢，控制结果不能实现无差调节。
发明内容
为了克服上述工厂变频电机参与频率型需求响应时，仅考虑频率偏差量，响应速度较慢，控制结果不能实现无差调节的缺陷，本发明提供一种基于模型预测的电机负荷需求响应控制方法，所述方法包括：
根据获取到的电力系统的频率偏差量，确定变频电机的负荷响应量；
根据所述负荷响应量和各类变频电机的出力权重系数，确定所述变频电机的负荷调节量；
根据获取到的所述电力系统的频率变化率和所述负荷调节量，基于所述电力系统的频率动态模型，确定所述变频电机的响应功率；
根据所述响应功率，对所述变频电机进行控制。
可选的，所述根据获取到的电力系统的频率偏差量，确定变频电机的负荷响应量包括：
根据获取到的电力系统的频率偏差量，确定所述电力系统的频率变化率；
根据所述频率变化率，确定变频电机的负荷响应量。
可选的，所述根据所述负荷响应量和各类变频电机的出力权重系数，确定所述变频电机的负荷调节量包括：
根据各类变频电机对应的负荷响应量，确定所有变频电机参与响应的出力总和；
根据所述出力总和和所述各类变频电机的出力权重系数，确定所述变频电机所属类型变频电机的负荷调节量。
可选的，所述所有变频电机参与响应的出力总和满足如下公式：其中ΔPDRi,t为t时刻第i类变频电机的负荷响应量，ΔPDR,t为所有变频电机参与响应的出力总和；
所述变频电机所属类型变频电机的负荷调节量满足如下公式：其中ωi,t为t时刻所述各类变频电机的出力权重系数。
可选的，所述根据获取到的所述电力系统的频率变化率和所述负荷调节量，基于所述电力系统的频率动态模型，确定所述变频电机的响应功率包括：
根据所述电力系统的频率变化率和所述负荷调节量，对所述电力系统的频率动态模型进行处理，确定所述变频电机参与频率型需求响应的频率动态模型；
基于工厂安全生产约束和可调容量约束，以减少系统频率偏差为目标，对所述频率动态模型进行处理，确定所述变频电机的响应功率。
可选的，所述频率动态模型满足如下公式：其中ft+1为所述变频电机在t+1时刻的运行频率，ft为所述变频电机在t时刻的运行频率，T为离散时间常数，f0为所述电力系统的额定频率，H为电网的惯性时间常数，ΔPDR,t为所述变频电机在t时刻的需求响应有功功率调整量，ΔPt为所述变频电机在t时刻下的系统有功不平衡量，所述ΔPt根据所述负荷调节量确定。
可选的，所述工厂安全生产约束包括：所述变频电机的可调功率的绝对值不超过所述变频电机的可调功率的约束上限。
可选的，所述工厂安全生产约束满足如下公式：i＝0,1,2,…,N-1，其中，ΔPDR,t+k|t为所述变频电机的可调功率，t+k|t表示t时刻时对t+k时刻的参数的估计量，ΔPDR,max为所述变频电机的可调功率的约束上限。
可选的，所述可调容量约束包括：所述变频电机能够调整的容量范围不小于所述变频电机能够下调的负荷容量约束值，且所述不大于变频电机能够上调的负荷容量约束值。
可选的，所述可调容量约束满足如下公式：其中Pm,t表示t时刻下所述变频电机的功率状态量,/>表示所述变频电机能够调整的容量范围，/>表示所述变频电机在t时刻能够上调的负荷容量约束值，ΔPDR 表示所述变频电机在t时刻能够下调的负荷容量约束值。
可选的，所述以减少系统频率偏差为目标满足如下公式：其中J表示以减少系统频率偏差为目标的目标函数，x为所述电力系统的频率，u为控制输入量，N为步长，t+k|t表示t时刻时对t+k时刻的各个参数的估计量，t+N|t表示t时刻时对t+N时刻的各个参数的估计量；q1，r，q2分别为优化目标函数各项的权重系数，权重系数设置越大，表明在优化过程中对该优化项所考虑的优先度越高。
可选的，还包括：
根据所述负荷响应量，确定所述变频电机的转速变化量；
根据所述转速变化量，确定所述变频电机的电机转速信号；
根据所述电机转速信号，对所述变频电机进行控制。
可选的，所述根据所述响应功率，对所述变频电机进行控制包括：
在所述电机转速信号的基础上，根据所述响应功率，对所述变频电机进行优化控制。
可选的，所述变频电机输出的负荷功率和输入的负荷功率满足比例变化关系：其中Pm为工厂变频电机输出的负荷功率，Pm,ref为工厂变频电机输入的负荷功率，Ks为增益系数，Ts为响应时间常数，s表示频域。
另一方面，本发明还提供一种基于模型预测的电机负荷需求响应控制系统，包括：
负荷响应确定模块，用于根据获取到的电力系统的频率偏差量，确定变频电机的负荷响应量；
负荷调节确定模块，用于根据所述负荷响应量和各类变频电机的调节容量大小比例，确定所述变频电机的负荷调节量；
响应功率确定模块，用于根据获取到的所述电力系统的频率变化率和所述负荷调节量，基于所述电力系统的频率动态模型，确定所述变频电机的响应功率；
电机控制模块，用于根据所述响应功率，对所述变频电机进行控制。
另一方面，本发明还提供一种计算机设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；
所述处理器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现上述中任意一项所述的基于模型预测控制的电机负荷需求响应控制方法。
另一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现上述中任意一项所述的基于模型预测控制的电机负荷需求响应控制方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供一种基于模型预测的电机负荷需求响应控制方法，包括：根据获取到的电力系统的频率偏差量，确定变频电机的负荷响应量；根据负荷响应量和各类变频电机的出力权重系数，确定变频电机的负荷调节量；根据获取到的电力系统的频率变化率和负荷调节量，基于电力系统的频率动态模型，确定变频电机的响应功率；根据响应功率，对变频电机进行控制。本发明中在参与频率型需求响应的过程中不仅考虑频率偏差量，还考虑频率变化率，因此能够快速响应系统频率变化，加快频率调节速度，在可调容量充足时能够消除系统稳态频率偏差，实现无差调节。
附图说明
图1为本发明的基于模型预测的电机负荷需求响应控制方法的流程示意图；
图2为本发明的基于模型预测的电机负荷需求响应系统的结构框图；
图3为本发明的一种单机测试系统拓扑示意图；
图4为本发明的系统遭受扰动后场景一下三种方案的系统频率响应曲线图；
图5为本发明的一种单机测试系统拓扑示意图；
图6为本发明的系统遭受扰动后场景二下三种方案的系统频率响应曲线图；
图7为本发明的系统遭受扰动后场景二下三种方案的工厂变频电机有功功率曲线图；
图8为本发明的系统遭受扰动后场景三下三种方案的系统频率响应曲线图；
图9为本发明的系统遭受扰动后场景三下三种方案的工厂变频电机有功功率曲线图；
图10为本发明的基于模型预测的电机负荷需求响应控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例1：
本发明提供的一种基于模型预测的电机负荷需求响应控制方法，流程示意图如图1所示，包括：
步骤101：根据获取到的电力系统的频率偏差量，确定变频电机的负荷响应量。
步骤102：根据负荷响应量和各类变频电机的出力权重系数，确定变频电机的负荷调节量。
步骤103：根据获取到的电力系统的频率变化率和负荷调节量，基于电力系统的频率动态模型，确定变频电机的响应功率。
步骤104：根据响应功率，对变频电机进行控制。
本发明实施例中在参与频率型需求响应的过程中不仅考虑频率偏差量，还考虑频率变化率，因此能够快速响应系统频率变化，加快频率调节速度，在可调容量充足时能够消除系统稳态频率偏差，实现无差调节。
负荷需求响应技术是指在面对高负荷情况下，系统能够及时响应并提供稳定服务的能力。负荷需求响应技术可以通过优化系统架构、调整资源配置，有效提高系统的负载能力和响应速度，从而保证系统在高负荷情况下的稳定性，在本发明实施例中，主要通过变频电机参与频率型需求响应的控制过程，来保证电网实现安全稳定的电力供应。变频电机可以包括工厂变频电机，工厂变频电机便于智能控制，能够快速调节，具有较大调控潜力，在本发明实施例中主要以变频电机包括工厂变频电机为例进行说明。
一种实现方式中，在上述步骤101中，可以根据获取到的电力系统的频率偏差量，确定电力系统的频率变化率；根据频率变化率，确定变频电机的负荷响应量。示例的，当电力系统观测存在较大的观测误差或者某些状态不可观测时，可以通过状态估计器估计系统的状态量，例如使用三相锁相环(PLL，Phase Lock Loop)测量电力系统的频率偏差量Δf，并将频率偏差量做滤波处理经过计算得到频率变化率df/dt，其中Tf为滤波时间常数，s为复变量，代表频域。在确定负荷响应量时可以根据不同控制方式来参与频率型需求响应，例如将频率变化率除以下垂增益R，从而得到相应的负荷响应量ΔPDR。
本发明可以提供单台工厂变频电机参与频率型需求响应的控制方案，构建变频电机参与频率型需求响应的控制回路，使得工厂变频电机能够控制输入变频器的参考转速从而改变工厂变频电机的负荷功率。示例的，该控制回路可以包括状态观测模块、频率控制模块、速度转换模块和变频控制模块。该构建控制回路的过程可以在上述步骤101中完成，也可以在上述步骤101之前完成。以构建控制回路的过程在上述步骤101中完成为例进行说明，在上述步骤101中，包括构建状态观测模块、构建频率控制模块、构建速度转换模块和构建变频控制模块的步骤。
在构建状态观测模块的步骤中，状态观测模块可以用来实时观测电力系统的状态变化量，根据观测到的频率偏差量，确定频率变化率作为频率控制模块的输入。构建的频率控制模块为需求响应控制的核心模块，可以根据输入的频率变化率，结合不同的控制方式来参与频率型需求响应，得到变频电机的负荷响应量，作为速度转速模块的输入。构建的速度转换模块，可以将输入的负荷响应量转换为变频电机转速变化量，进而求得电机转速信号，输出给变频控制信号。对于构建的变频控制模块，可以将输入的点击转速信号作为变频电机变频器矢量控制模块的输入，从而控制工厂变频电机完成相应的变频调速任务。在一种实现方式中，在该步骤101中，工厂变频电机可以采用矢量控制进行变频调速，采用单鼠笼型异步电机模型作为感应电机模型。
在一些场景下，可以根据变频电机的负载响应量，对变频电机进行控制。示例的，根据负荷响应量，确定变频电机的转速变化量；根据转速变化量，确定变频电机的电机转速信号；根据电机转速信号，对变频电机进行控制。
在确定上述电机转速信号的过程时，可以是将输入的负荷响应量ΔPDR转换为变频电机转速变化量Δn，进而求得电机转速信号nref，具体的可以将得到的转速变化量与当前转速相加求得电机转速信号，该电机转速信号可以作为变频控制模块的输入。根据输入的负荷响应量转换为变频电机转速变化量的过程可以参见后续实施例。
在上述根据电机转速信号，对变频电机进行控制的过程中，可以将电机转速信号作为变频电机变频器矢量控制的输入，从而控制工厂变频电机完成相应的变频调速任务。示例的，变频电机矢量控制采用转速外环、电流内环的双闭环控制策略，能够直接响应转速变化信号，通过单独设置电流分量调节器来实现对电机励磁磁链和转矩大小的直接控制，电流调节器采用经典的比例积分(PI，Proportional Integral)线性调节器，使得系统具有良好的线性特性。根据经典的线性控制理论设计双闭环电流控制系统，并且逆变器的调制技术方式采用空间矢量脉宽调制(SVPWM，Space Vector Pulse Width Modulation)调制技术。矢量控制的核心便是利用坐标变换将电机定子电流分解为彼此独立的励磁分量与转矩分量，实现对电机电磁转矩和磁链的解耦控制，从而达到控制电机变频调速的目的。
一种实现方式中，在上述步骤102中，可以提供多台工厂变频电机参与频率型需求响应的控制方案，根据各类变频电机的调节容量大小比例分配负荷调节量，使得各类变频电机能够同等程度地参与需求响应，其中各类变频电机的调节容量大小比例通过各类变频电机的出力权重系数表示。示例的，在步骤102中，可以根据各类变频电机对应的负荷响应量，确定所有变频电机参与响应的出力总和；根据出力总和和各类变频电机的出力权重系数，确定变频电机所属类型变频电机的负荷调节量。例如所有变频电机参与响应的出力总和满足如下公式：其中ΔPDRi,t为t时刻第i类变频电机的负荷响应量，ΔPDR,t为所有变频电机参与响应的出力总和。变频电机所属类型变频电机的负荷调节量满足如下公式：/>其中ωi,t为t时刻所述各类变频电机的出力权重系数。
在一些场景下，在变频电机的变频调节过程中，在经过一定的过渡过程后，变频电机输入的负荷功率和输入的负荷功率满足比例变化关系，例如满足如下公式：其中，Pm为工厂变频电机输出的负荷功率，Pm,ref为工厂变频电机输入的负荷功率，Ks为增益系数，Ts为响应时间常数，s表示频域。
目前关于工厂变频电机参与频率型需求响应的控制方案中，实际运行的工厂变频电机参与频率型需求响应时还需考虑工厂安全生产与可调容量约束，传统方法很难在控制的同时考虑约束条件。因此在一种实现方式中，在上述步骤103中，根据电力系统的频率变化率和负荷调节量，对电力系统的频率动态模型进行处理，确定变频电机参与频率型需求响应的频率动态模型；基于工厂安全生产约束和可调容量约束，以减少系统频率偏差为目标，对频率动态模型进行处理，确定变频电机的响应功率。通过在参与频率型需求响应的过程中充分考虑工厂安全生产与可调容量约束，在可调容量充足的情况下，实现系统稳态频率的无差调节。
示例的，根据电力系统的频率变化率对电力系统的频率动态模型进行离散化处理，可得到离散化模型，然后在离散化模型中加入负荷调节量，可以确定变频电机参与频率型需求响应的频率动态模型。例如变频电机参与频率型需求响应的频率动态模型满足如下公式其中ft+1为变频电机在t+1时刻的运行频率，ft为变频电机在t时刻的运行频率，T为离散时间常数，f0为电力系统的额定频率，H为电网的惯性时间常数，ΔPDR,t为变频电机在t时刻的需求响应有功功率调整量，ΔPt为变频电机在t时刻下的系统有功不平衡量，该ΔPt根据负荷调节量确定。可选的，当ΔPDR,t＞0时，表示变频电机需要增加自身的有功功率消耗量，反之，当ΔPDR,t＜0时，表示变频电机需要减小自身的有功功率消耗量。此处通过利用滚动优化求得最优负荷响应量，控制工厂变频电机参与频率型需求响应，不仅有效减小了系统调频过程中的频率偏差值，而且在可调容量充足时还能够有效消除系统稳态频率偏差，实现无差调节。
示例的，上述的工厂安全生产约束包括：变频电机的可调功率的绝对值不超过变频电机的可调功率的约束上限，通过将实际运行的变频电机的功率调整量进行约束，可以保证其安全运行，避免影响变频电机的使用寿命。例如，工厂安全生产约束满足：0≤|ΔPDR,t+k|t|≤ΔPDR,max i＝0,1,2,…,N-1，其中，ΔPDR,t+k|t为变频电机的可调功率(t时刻对t+k时刻的可调功率的估计量)，ΔPDR,max为变频电机的可调功率的约束上限。
示例的，可调容量约束包括：变频电机能够调整的容量范围不小于变频电机能够下调的负荷容量约束值，且不大于变频电机能够上调的负荷容量约束值，通过变频电机在预测的响应控制过程中运行功率始终控制在变频电机的可调容量范围内，可以保证变频电机的运行功率满足工厂的安全生成以及节能需求。例如，可调容量约束满足如下公式：其中Pm,t表示t时刻下变频电机的功率状态量，/>表示变频电机能够调整的容量范围，/>表示变频电机在t时刻能够上调的负荷容量约束值，ΔPDR 表示变频电机在t时刻能够下调的负荷容量约束值。
示例的，变频电机基于模型预测控制参与频率型需求响应的优化目标包括：在满足控制输入成本尽可能小的前提下，求得t时刻电力系统最优的响应公里，使得电力系统频率能够尽可能接近所设置的电网频率参考量。以减少系统频率偏差为目标满足如下公式：其中J表示以减少系统频率偏差为目标的目标函数，x为系统状态量(如电力系统的频率)，u为控制输入量，N为步长(控制器的预测步长和控制步长均为N)，t+k|t表示t时刻时对t+k时刻的各个参数的估计量，t+N|t表示t时刻时对t+N时刻的各个参数的估计量；q1，r，q2分别为优化目标函数各项的权重系数，权重系数设置越大，表明在优化过程中对该优化项所考虑的优先度越高，因为优化目标是求J值最小，所以可以使得系统频率偏差减小。
在上述步骤103中，结合上述约束和优化目标，可以得到变频电机参与频率型需求响应的控制器的寻优问题，通过将该寻优问题转换为二次规划(QP，QuadraticProgramming)问题，可以易于求解，且电力系统的控制矩阵M＝[B,AB]满秩，表明该电力系统能控有解，通过求解该问题，可以得到长度为N-1的最优控制输入向量，取该向量的第一个元素，即为当前k时刻下工厂变频电机参与频率型需求响应的最优响应功率值，即确定出变频电机的响应功率。
相应的，在上述步骤104中，可以在上述的电机转速信号的基础上，根据响应功率，对变频电机进行优化控制。例如将该响应功率转换为电机转速信号，输入到变频控制模块，控制电机转速，实现对电力系统频率变化的快速响应，保障电网的安全稳定运行。
本发明采用上述基于模型预测控制的工厂变频电机参与频率型需求响应的控制过程，在控制过程中，不仅考虑系统频率偏差量还考虑系统频率变化率，因此能够快速响应系统频率变化，加快频率调节速度，且在响应过程中以减小系统频率偏差为目标，能够在满足工厂生产安全约束下兼顾控制成本，最大程度地挖掘工厂变频电机调控潜力。通过利用滚动优化求得最优负荷响应量，控制工厂变频电机参与频率型需求响应，不仅有效减小了系统调频过程中的频率偏差值，而且在可调容量充足时能够有效消除系统稳态频率偏差，实现无差调节。
下面以一个具体的实施例对本发明实施例进行说明，参见图2，为本发明提出的一种基于模型预测的电机负荷需求响应系统的结构框图，该系统包括整流器、逆变器、感应电机(IM，Induction Motor)，负荷，以及状态观测模块、模型预测控制(MPC，Model-basedPredictive Control)控制器、速度转换模块和变频控制模块，关于各部分所实现的功能将在下述具体实现步骤中说明。基于模型预测的电机负荷需求响应流程包括以下步骤S1～S3：
S1：提供单台工厂变频电机参与频率型需求响应的控制方案，构建变频电机参与频率型需求响应的控制回路，使变频电机能够控制输入变频器的参考转速从而该变频电机的负荷功率，控制回路包括状态观测模块，频率控制模块(如图2中的MPC控制器)，速度转换模块，变频控制模块。
一种实现方式中，工厂变频电机(如图2中的IM)采用矢量控制进行变频调速，采用单鼠笼型异步电机模型作为感应电机模型。
示例的，该S1包括以下步骤S11～S14。
S11：构建状态观测模块。状态观测模块用来实时观测电力系统的状态变化量，当系统观测存在较大的观测误差或某些状态不可观测时，可以设计状态估计器估计系统的状态量。常通过使用三相PLL测量电力系统的频率偏差量Δf，并将信号做滤波处理经过计算得到频率变化率df/dt，作为频率控制模块的输入，以计算出合适的负荷响应量ΔPDR。
S12：构建频率控制模块。该模块为需求响应控制的核心模块，可根据输入的系统状态变量，如频率偏差量Δf和/或频率变化率df/dt，输出合适的负荷响应量ΔPDR，从而参与频率型需求响应。根据控制方法的不同，起到的系统频率调节效果也不同。
S13：构建速度转速模块。该模块可以将输入的负荷响应量ΔPDR转换为变频电机的转速变化量Δn。变频电机根据所带负载不同可以分为恒功率负载、恒转矩负载和二次转矩负载。由于恒功率负载的有功功率不会随着转子转速变化而发生改变，不具备调节能力，因此在这里考虑恒转矩负载和二次转矩负载的调节。
当电机收到变速信号后，电机的转速变化和机械功率变化满足如下关系式：
nr2＝nr1-Δnr (1)
Pm2＝Pm1-ΔPm (2)
Δnr＝knnr1 (3)
ΔPm＝kpPm1 (4)
其中nr1，nr2分别表示电机变速前后的电机转速值，Δnr表示电机转速变化量，同理Pm1，Pm2为电机变速前后的机械功率值，ΔPm表示电机机械功率变化量。变化系数kn表示转速变化量相对于变速前电机转速的比例系数，kp表示功率变化量相对于变速前电机机械功率的比例系数。
对于恒转矩负载，可以根据电机的负载转矩恒定不变推出以下关系式：
(Pm1-kpPm1)(nr1-knnr1)-1＝Pm1nr1 -1 (5)
该公式可作进一步推导得出：
kn＝kp (6)
由上式可知，当电机所带负载为恒转矩负载时，电机转速随着电机的机械功率以相同比例变化。
当电机所带负载为二次转矩负载时，电机变速前后的状态变化可以由式(7)表达：
(Pm1-kpPm1)(nr1-knnr1)-3＝Pm1nr1 -3 (7)
因此，当电机所带负载为二次转矩负载时，kn和kp的关系可以表示为：
值得注意的是，频率控制模块所输出的负荷需求响应变化量ΔPDR为变频电机的有功消耗，目的是改变变频电机所消耗的有功功率，而不是变频电机的输出机械功率变化量ΔPm，因此还需要考虑变频电机的功率损耗变化量ΔPloss。即：
ΔPDR＝ΔPm+ΔPloss (9)
将式(4)代入上式可得：
ΔPDR＝kpPm1+ΔPloss (10)
在实际运行情况中，变频电机的功率损耗变化量ΔPloss随着变频电机运行工况变化呈非线性变化关系，但是为了将ΔPDR转换为kp，进而求得kn和参考转速nr2，将功率损耗变化量ΔPloss近似的表示为变频电机变速前功率损耗Ploss1的kp部分值，从而计算得到kp的近似值，因此，式(10)可被重新写为：
ΔPDR≈kpPm1+kpPloss1 (11)
则kp可以表示为：
为了获得变频电机变速前的电磁功率Pe1，通过计算变速前变频电机的功率损耗的估计值Ploss1和电机的机械功率Pm1来求得。当忽略变频器的功率损耗和电机的铁损，只考虑电机的欧姆损耗，变频电机的功率损耗可用式(13)表示：
s＝(ωe-ωr)(ωe)-1 (14)
Xss＝Xls+Xm (15)
Xrr＝Xlr+Xm (16)
其中Ploss为变频电机的功率损耗，rs、rr为变频电机的转速，Xls为电机定子侧感抗值，Xlr为电机转子侧感抗值，Xm为电机的励磁电抗，Xrr、Xr、Xss为与变频电机有关的抗值，s为电机转速的转差率，ωe、ωr为与变频电机有关的角速度。通过测量得到的变频电机的电机转速可以求得电机损耗功率的估计值Ploss1和变速前所消耗的机械功率Pm1，进而求得变频电机变速前的电磁功率Pe1，结合式(6)与式(12)求得转速变化量Δn，求得电机转速信号nref输出给变频控制模块。
S14：构建变频控制模块。变频控制模块将得到的转速变化量Δn与当前转速n相加求得电机参考转速信号nref，作为变频电机变频器矢量控制模块的输入，从而控制工厂变频电机完成相应的变频调速任务。
变频电机矢量控制采用转速外环、电流内环的双闭环控制策略，能够直接响应转速变化信号，通过单独设置电流分量调节器来实现对电机励磁磁链和转矩大小的直接控制，电流调节器采用经典的PI线性调节器，使得系统具有良好的线性特性。根据经典的线性控制理论设计双闭环电流控制系统，并且逆变器的调制技术方式采用SVPWM调制技术。矢量控制的核心便是利用坐标变换将电机定子电流分解为彼此独立的励磁分量与转矩分量，实现对电机电磁转矩和磁链的解耦控制，从而达到控制电机变频调速的目的，如下式所示：
式中，Te为用于控制电机变频调速的时间变量，Tr为转子时间常数，Lm为旋转坐标系下定子和转子等效两相绕组间的互感，Ls与Lr分别为定转子等效两相绕组的自感,np为电机转速，p为电极的功率，经过基于转子磁链定向的旋转坐标变化后，定子电流的两个分量isd和isq两个分量实现了解耦。其中定子电流的d轴分量唯一确定了转子磁链ψr的稳态幅值，定子电流的q轴分量isq只影响输出转矩的大小，因此可以通过解耦控制定子电流的两个电流分量的方式，起到大大简化多变量、强耦合的交流异步电机变频调速系统的控制问题的作用。
S2：提供多台工厂变频电机参与频率型需求响应的控制方案，根据各类变频电机的调节容量大小比例分配负荷调节量，使得各类变频电机能同等程度地参与需求响应。
示例的，该S2包括以下步骤S21～S22。
S21：构建变频电机聚合参与频率型需求响应的控制方案，利用一阶惯性环节对工厂变频电机群负荷的功率响应进行近似，忽略速度转换模块和变频控制模块，则工厂变频电机的负荷功率响应可由式(19)表达：
式中，Pm为变频电机负荷功率，Pm,ref为工厂变频电机负荷功率的给定值，Ks为增益系数，Ts为响应时间常数，s为电机转速的转差率。由该一阶惯性环节近似表示工厂变频电机的变频调速过程，经一定的过渡过程结束后，电机的输出和输入功率才能保持比例变化关系。该式可以理解成图2中Pm和Pe的平衡，主要是为了表示工厂变频电机的变频调速过程，经一定的过渡过程结束后，电机的输出和输入功率保持比例变化关系。
S22：将工厂相似工序、相似工作条件下出力能力相近的变频电机进行聚合控制，则t时刻可参与频率型需求响应的变频电机可调容量为：
式中，ωi,t为t时刻各类变频电机参与频率型需求响应时的出力权重系数，其作用是按电机可调潜力大小比例分配不同类型的变频电机参与需求响应时的有功出力，使得所有变频电机的响应出力程度保持一致。ΔPDRi,t为t时刻第i类变频电机的可参与响应的出力容量，ΔPDR,t为所有变频电机参与响应的出力总和。
S3：针对控制方案中频率控制模块，基于状态观测得到的频率偏差量与频率变化率，通过模型预测控制方法优化计算该时刻的工厂变频电机功率响应量。
示例的，该S3包括以下步骤S31～S33。
S31：建立电网频率动态模型如下：
式中，f为电力系统的实际运行频率，ΔP为电力系统中有功功率的不平衡量，f0为系统的额定频率，H为电网的惯性时间常数，PG为系统发电机组的有功出力，PL为系统中总的负荷功率，ΔPG为调频机组提供的有功备用功率,ΔPL为有功负荷的自适应调节变化量，利用欧拉法将上述模型作离散化处理，可得离散化模型：
式中，ft+1为电力系统在t+1时刻的实际运行频率，ft为电力系统在t时刻的实际运行频率，f0为电力系统在初始时刻的实际运行频率，T为离散时间常数，ΔPt为t时刻下的系统有功不平衡量，可利用t时刻时系统的(上述S1中求得的频率变化率)经式(22)求得。
当考虑工厂变频电机参与频率型需求响应时，上式应加入工厂变频电机需求响应有功调整量ΔPDR，可得如下的电力系统的频率动态模型：
式中ΔPDR,t为工厂变频电机在t时刻时的需求响应有功功率调整量，当ΔPDR,t＞0时，表示工厂变频电机需要增加自身的有功功率消耗量，反之当ΔPDR,t＜0时，表示工厂变频电机需要减小自身的有功功率消耗量。
频率型需求响应控制的状态空间模型形式如下式所示：
式中，系统的状态向量xt＝[Δft]T，控制输入向量ut＝[ΔPDR,t]T，干扰输入向量zt＝[ΔPt]T，系统输出yt＝[Δft]T。系统中各矩阵的系数为：A＝[1]，
S32：工厂变频电机基于模型预测控制参与频率型需求响应的优化目标是希望控制器能够实现以下控制效果：在满足控制输入成本尽可能小的前提下，求得t时刻系统最优的响应控制量ΔPDR,t，使得电力系统频率能够尽可能接近所设置的电网频率参考量。因此设置控制系统的控制目标函数如下式所示：
式中，为方便计算起见，取控制器的预测步长和控制步长为：NP＝NC+1＝N；J表示以减少系统频率偏差为目标的目标函数，t+k|t表示t时刻时对t+k时刻的各个参数的估计量，t+N|t表示t时刻时对t+N时刻的各个参数的估计量；q1，r，q2分别为优化目标函数各项的权重系数，权重系数设置越大，表明在优化过程中对该优化项所考虑的优先度越高。
S33：为了能使工厂变频电机在参与频率型需求响应过程中，保证工厂安全生产运行的前提下，充分挖掘工厂变频电机的响应潜力，模型预测控制器在控制过程中还需要考虑各项运行约束。
(1)变频电机调整功率约束：实际运行的工厂变频电机，为保证其安全运行，需要对其变频调整的功率大小进行约束，否则会影响变频电机的使用寿命，因而变频电机的功率调整量应限制在设定的范围内，即：
0≤|ΔPDR,t+k|t|≤ΔPDR,max i＝0,1,2,…,N-1 (27)
式中，ΔPDR,max为变频电机可调功率的约束上限，其中k取自然数，例如但不限于取值为1。
(2)变频电机可调容量约束：为保证工厂变频电机的运行功率满足工厂的安全生产及节能需求，需要满足工厂变频电机在预测的响应控制过程中电机的运行功率始终在变频电机的可调容量范围中，即：
式中，Pm,t表示t时刻下工厂变频电机的功率状态量，表示工厂变频电机在t时刻可上调的负荷容量约束值，ΔPDR 表示工厂变频电机在t时刻可下调的负荷容量约束值。
结合式(26)至式(28)，可以得到t时刻工厂变频电机参与频率型需求响应的MPC控制器的寻优问题，如式(29)所示。
将该问题转化为一个标准的二次规划(QP)问题，易于求解，且系统的控制矩阵M＝[B,AB]满秩，表明该系统能控有解，通过求解该问题，可以得到长度为N-1的最优控制输入向量，取该向量的第一个元素，即为当前k时刻下工厂变频电机参与频率型需求响应的最优响应功率值。
在控制过程中，还可以将S3中求得的t时刻下工厂变频电机参与频率型需求响应的最优响应功率值输入至后续控制模块，从而控制电机转速，实现对系统频率变化的快速响应，保障电网的安全稳定运行。在实际控制过程中，真正对电机转速变化起作用的是输入的转速值，而电网这边变化的量是频率，所以需要把感应到电网的频率变化，先转化成ΔPDR，再转化成转速，用于调速。这样就是电网频率的变化起到调速作用。最优响应功率值可以看作直接将ΔPDR控制电机转速这一过程的优化和矫正。具体而言，S3中的最优响应功率，输入速度转换模块后得到S14中最优的nref，用这个最优的值进行后续变频调速，使调节速度尽可能的快，而S3中的最优响应功率是在S2得到的可调容量基础上，加上约束条件得到的。
本发明所设计方法及系统主要针对工厂变频电机基于模型预测控制参与频率型需求响应，在控制过程中根据频率偏差量和频率变化率能更快速地响应系统频率变化，不仅考虑了工厂变频电机的实际运行约束，而且以最小化系统频率偏差为目标最大程度地挖掘工厂变频电机的调节潜力，在可调容量充足的前提下，可以实现对于系统频率的无差调节。
下面结合三个具体的场景来对本发明实施例说明。
场景一：
图3示出了一种单机测试系统拓扑示意图，适用于场景一，包括配有汽轮机和调速装置的同步发电机、加装了频率响应控制器(图2中的MPC控制器)的变频电机和静态负载。采用图3所示的系统进行基于模型预测控制的工厂变频电机参与频率型需求响应的控制时，可以包括如下步骤：
步骤1.1：在t＝120秒时负荷发生阶跃变化，突然增加1000W，当负荷变化后，系统内的有功平衡状态被打破，此时系统会产生1000W的有功不平衡量，以此模拟扰动下的频率动态过程。
步骤1.2：利用状态观测模块实时测量系统频率，计算频率偏差量和频率变化率，输入给频率控制模块。
步骤1.3：根据频率变化率利用式(22)计算该时刻系统有功不平衡量作为模型预测控制方法的扰动输入量，以频率偏差量作为模型预测控制方法的状态输入量，根据式(29)表征的目标函数为控制目标，考虑实际运行时工厂变频电机调节需满足的约束条件，获得该时刻的最优控制量，作为速度转换模块的输入。
步骤1.4：根据输入的最优控制量根据速度转换模块求解工厂变频电机转速变化量，由于工厂变频电机所带负载大多为二次转矩负载，故采用式(8)和式(12)计算求得工厂变频电机转速变化量作为变频控制模块的输入。
步骤1.5：根据工厂变频电机转速变化量计算求得转速参考值，利用矢量控制方式调节工厂变频电机实际工作转速，完成工厂变频变频电机参与频率型需求响应的控制。
步骤1.6：计算仿真时间段内系统频率性能参数，如频率差最大值，稳态频率差值，峰值时间，恢复稳态时间。
该场景一用以验证本发明所提出方法的可行性。图4示出了系统遭受扰动后该场景下三种方案的系统频率响应曲线图，其中方案一为本发明所提方法，即工厂变频电机基于模型预测控制参与频率型需求响应，方案二为传统基于有功频率下垂特性的控制方案，方案三为工厂变频电机未参与频率型需求响应的控制方案。与图4对应的各方案的频率特征值参见下述表1。
表1
根据图4和表1可以看出，在同等系统负荷扰动强度下，由于方案一和方案二中工厂变频电机参与频率型需求响应，系统频率性能得到有效改善，相较于未参与频率型需求响应，有效减小了系统的频率偏差与稳态频率偏差，加快了系统频率恢复稳态的速度。然而，由于方案一考虑了频率变化率，能更快响应系统频率变化，以减小系统频率偏差为目标，在满足工厂变频电机实际运行约束下，最大程度地挖掘工厂变频电机调节潜力，故相较于方案二系统频率偏差和稳态频率偏差均得到明显改善。因此，本发明所提方法适用于工厂变频电机参与频率型需求响应，具备实施可行性。
场景二：
图5示出了一种单机测试系统拓扑示意图，适用于场景二，包括水电机组G1，火电机组G2、G3和接入交流母线的负荷A、负荷B、负荷C。在场景二中，负荷B处可以有30MW装有频率响应控制装置的工厂变频电机群负荷。采用图5所示的系统进行基于模型预测控制的工厂变频电机参与频率型需求响应的控制时，可以包括如下步骤：
步骤2.1：在t＝10秒时，电网某处发生故障导致负荷突增20MW，系统内部有功功率失衡，以此模拟扰动下的频率动态过程。
步骤2.2：利用状态观测模块实时测量系统频率，计算频率偏差量和频率变化率，输入给频率控制模块。
步骤2.3：根据频率变化率利用式(22)计算该时刻系统有功不平衡量作为模型预测控制方法的扰动输入量，以频率偏差量作为模型预测控制方法的状态输入量，根据式(29)表征的目标函数为控制目标，考虑实际运行时工厂变频电机调节需满足的约束条件，获得该时刻的最优控制量。
步骤2.4：根据输入的最优控制量利用式(20)的工厂变频电机聚合控制方案，使得各类工厂变频电机均根据自身的可调节功率大小同等程度地参与响应，利用式(19)描述工厂变频电机的动态功率响应特性，根据最优控制量调节自身功率，完成工厂变频变频电机参与频率型需求响应的控制。
步骤2.5：计算仿真时间段内系统频率性能参数，如频率差最大值，稳态频率差值，峰值时间，恢复稳态时间。
该场景二用以验证本发明所提出方法的有效性。图6示出了系统遭受扰动后该场景下三种方案(同上述场景一中的三种方案，后续不再一一指出)的系统频率响应曲线图，图7示出了系统遭受扰动后该场景下三种方案的工厂变频电机有功功率曲线图。与图6和图7对应的各方案的频率特征值参见下述表2。
表2
根据图6和表2可以看出，在同等系统负荷扰动强度下，相较于未参与频率型需求响应，由于方案一和方案二中工厂变频电机群负荷参与频率型需求响应，系统频率性能得到有效改善，有效减小了系统的频率偏差与稳态频率偏差，加快了系统频率恢复稳态的速度。然而，由于方案一考虑了频率变化率，如图7所示工厂变频电机群负荷能更快响应系统频率变化，以最小化系统频率偏差为目标，在工厂变频电机群负荷可调容量充足的前提下，能有效消除系统的稳态频率差值，实现系统频率的无差调节，在调频过程中相较于方案二的控制方法，系统的频率性能得到有效改善。因此，本发明所提方法适用于工厂变频电机群负荷参与频率型需求响应，具备有效的性能表现。
场景三：
图5所示的单机测试系统拓扑示意图，也适应于场景三。在场景三中，可以在负荷A处，负荷B，负荷C处分别有35MW，30MW，25MW装有频率响应控制装置的工厂变频电机群负荷。该场景下系统进行基于模型预测控制的工厂变频电机参与频率型需求响应的控制时的步骤与场景二相似，此处不做赘述。
场景三用以验证本发明所提出方法的灵活性。图8示出了系统遭受扰动后该场景下三种方案的系统频率响应曲线图，图9示出了系统遭受扰动后该场景下三种方案的工厂变频电机有功功率曲线图。根据图8和图9可以看出，在同等系统负荷扰动强度下，当各地工厂变频电机群负荷均采用方案一参与频率型需求响应时，系统的频率响应过程虽然会存在一定的波动，但是系统的频率变化峰值较采取方案二时更小，且联合参与响应能够有效解决响应过程中曾出现过的频率超调问题，且由图9可以发现，采取方案一时，工厂变频电机能更快速地响应负荷波动，最终可使频率恢复稳态时能稳定在所设的系统额定频率，频率响应性能更加优越。因此，本发明所提方法具有较强的灵活性，适用于多地工厂变频电机群负荷联合参与频率型需求响应。
因此，本发明采用上述基于模型预测控制的工厂变频电机参与频率型需求响应方法及系统，从而能够在满足工厂变频电机实际运行约束条件下，最大程度地挖掘响应潜力，有利于电力系统的安全稳定运行。
实施例2：
基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于模型预测的电机负荷需求响应控制系统，结构示意图如图10所示，包括：
负荷响应确定模块，用于根据获取到的电力系统的频率偏差量，确定变频电机的负荷响应量；
负荷调节确定模块，用于根据负荷响应量和各类变频电机的调节容量大小比例，确定变频电机的负荷调节量；
响应功率确定模块，用于根据获取到的电力系统的频率变化率和负荷调节量，基于电力系统的频率动态模型，确定变频电机的响应功率；
电机控制模块，用于根据响应功率，对变频电机进行控制。
在一种可能的实施方式中，负荷响应确定模块，具体用于根据获取到的电力系统的频率偏差量，确定电力系统的频率变化率；根据频率变化率，确定变频电机的负荷响应量。
在一种可能的实施方式中，负荷调节确定模块，具体用于根据各类变频电机对应的负荷响应量，确定所有变频电机参与响应的出力总和；根据出力总和和各类变频电机的出力权重系数，确定变频电机所属类型变频电机的负荷调节量。
在一种可能的实施方式中，所有变频电机参与响应的出力总和满足如下公式：其中ΔPDRi,t为t时刻第i类变频电机的负荷响应量，ΔPDR,t为所有变频电机参与响应的出力总和。
变频电机所属类型变频电机的负荷调节量满足如下公式：其中ωi,t为t时刻各类变频电机的出力权重系数。
在一种可能的实施方式中，响应功率确定模块，具体用于根据电力系统的频率变化率和负荷调节量，对电力系统的频率动态模型进行处理，确定变频电机参与频率型需求响应的频率动态模型；基于工厂安全生产约束和可调容量约束，以减少系统频率偏差为目标，对频率动态模型进行处理，确定变频电机的响应功率。
在一种可能的实施方式中，频率动态模型满足如下公式：其中ft+1为变频电机在t+1时刻的运行频率，ft为变频电机在t时刻的运行频率，T为离散时间常数，f0为电力系统的额定频率，H为电网的惯性时间常数，ΔPDR,t为变频电机在t时刻的需求响应有功功率调整量，ΔPt为变频电机在t时刻下的系统有功不平衡量，ΔPt根据负荷调节量确定。
在一种可能的实施方式中，工厂安全生产约束包括：变频电机的可调功率的绝对值不超过变频电机的可调功率的约束上限。
在一种可能的实施方式中，工厂安全生产约束满足如下公式：0≤|ΔPDR,t+k|t|≤ΔPDR,max i＝0,1,2,…,N-1，其中，ΔPDR,t+k|t为变频电机的可调功率，ΔPDR,max为变频电机的可调功率的约束上限。
在一种可能的实施方式中，可调容量约束包括：变频电机能够调整的容量范围不小于变频电机能够下调的负荷容量约束值，且不大于变频电机能够上调的负荷容量约束值。
在一种可能的实施方式中，可调容量约束满足如下公式：其中Pm,t表示t时刻下变频电机的功率状态量,/>表示变频电机能够调整的容量范围，/>表示变频电机在t时刻能够上调的负荷容量约束值，ΔPDR 表示变频电机在t时刻能够下调的负荷容量约束值。
在一种可能的实施方式中，以减少系统频率偏差为目标满足如下公式：其中t+k|t表示t时刻时对t+k时刻的各个参数的估计量；q1，r，q2分别为优化目标函数各项的权重系数，权重系数设置越大，表明在优化过程中对该优化项所考虑的优先度越高。
在一种可能的实施方式中，电机控制模块，还用于根据负荷响应量，确定变频电机的转速变化量；根据转速变化量，确定变频电机的电机转速信号；根据电机转速信号，对变频电机进行控制。
在一种可能的实施方式中，电机控制模块，具体用于在电机转速信号的基础上，根据响应功率，对变频电机进行优化控制。
实施例3：
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机程序，计算机程序包括程序指令，处理器用于执行计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，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，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行计算机存储介质内一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能，以实现上述实施例中一种基于模型预测的电机负荷需求响应控制方法的步骤。
实施例4：
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，计算机可读存储介质是计算机设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括计算机设备中的内置存储介质，当然也可以包括计算机设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中一种基于模型预测的电机负荷需求响应控制方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (17)
1.一种基于模型预测的电机负荷需求响应控制方法，其特征在于，包括：
根据获取到的电力系统的频率偏差量，确定变频电机的负荷响应量；
根据所述负荷响应量和各类变频电机的出力权重系数，确定所述变频电机的负荷调节量；
根据获取到的所述电力系统的频率变化率和所述负荷调节量，基于所述电力系统的频率动态模型，确定所述变频电机的响应功率；
根据所述响应功率，对所述变频电机进行控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据获取到的电力系统的频率偏差量，确定变频电机的负荷响应量包括：
根据获取到的电力系统的频率偏差量，确定所述电力系统的频率变化率；
根据所述频率变化率，确定变频电机的负荷响应量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述负荷响应量和各类变频电机的出力权重系数，确定所述变频电机的负荷调节量包括：
根据各类变频电机对应的负荷响应量，确定所有变频电机参与响应的出力总和；
根据所述出力总和和所述各类变频电机的出力权重系数，确定所述变频电机所属类型变频电机的负荷调节量。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述所有变频电机参与响应的出力总和满足如下公式：其中ΔPDRi,t为t时刻第i类变频电机的负荷响应量，ΔPDR,t为所有变频电机参与响应的出力总和；
所述变频电机所属类型变频电机的负荷调节量满足如下公式：其中ωi,t为t时刻所述各类变频电机的出力权重系数。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据获取到的所述电力系统的频率变化率和所述负荷调节量，基于所述电力系统的频率动态模型，确定所述变频电机的响应功率包括：
根据所述电力系统的频率变化率和所述负荷调节量，对所述电力系统的频率动态模型进行处理，确定所述变频电机参与频率型需求响应的频率动态模型；
基于工厂安全生产约束和可调容量约束，以减少系统频率偏差为目标，对所述频率动态模型进行处理，确定所述变频电机的响应功率。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述频率动态模型满足如下公式：其中ft+1为所述变频电机在t+1时刻的运行频率，ft为所述变频电机在t时刻的运行频率，T为离散时间常数，f0为所述电力系统的额定频率，H为电网的惯性时间常数，ΔPDR,t为所述变频电机在t时刻的需求响应有功功率调整量，ΔPt为所述变频电机在t时刻下的系统有功不平衡量，所述ΔPt根据所述负荷调节量确定。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述工厂安全生产约束包括：所述变频电机的可调功率的绝对值不超过所述变频电机的可调功率的约束上限。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述工厂安全生产约束满足如下公式：0≤|ΔPDR,t+k|t|≤ΔPDR,max i＝0,1,2,…,N-1，其中，ΔPDR,t+k|t为所述变频电机的可调功率，t+k|t表示t时刻时对t+k时刻的参数的估计量，ΔPDR,max为所述变频电机的可调功率的约束上限。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述可调容量约束包括：所述变频电机能够调整的容量范围不小于所述变频电机能够下调的负荷容量约束值，且不大于所述变频电机能够上调的负荷容量约束值。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述可调容量约束满足如下公式：其中Pm,t表示t时刻下所述变频电机的功率状态量,/>表示所述变频电机能够调整的容量范围，t+k|t表示t时刻时对t+k时刻的参数的估计量，/>表示所述变频电机在t时刻能够上调的负荷容量约束值，ΔPDR 表示所述变频电机在t时刻能够下调的负荷容量约束值。
11.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述以减少系统频率偏差为目标满足如下公式：其中J表示以减少系统频率偏差为目标的目标函数，x为所述电力系统的频率，u为控制输入量，N为步长，t+k|t表示t时刻时对t+k时刻的各个参数的估计量，t+N|t表示t时刻时对t+N时刻的各个参数的估计量；q1，r，q2分别为优化目标函数各项的权重系数，权重系数设置越大，表明在优化过程中对该优化项所考虑的优先度越高。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
根据所述负荷响应量，确定所述变频电机的转速变化量；
根据所述转速变化量，确定所述变频电机的电机转速信号；
根据所述电机转速信号，对所述变频电机进行控制。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述根据所述响应功率，对所述变频电机进行控制包括：
在所述电机转速信号的基础上，根据所述响应功率，对所述变频电机进行优化控制。
14.如权利要求1-13任一项所述的方法，其特征在于，所述变频电机输出的负荷功率和输入的负荷功率满足比例变化关系：其中Pm为工厂变频电机输出的负荷功率，Pm,ref为工厂变频电机输入的负荷功率，Ks为增益系数，Ts为响应时间常数，s表示频域。
15.一种基于模型预测控制的电机负荷需求响应控制系统，其特征在于，包括：
负荷响应确定模块，用于根据获取到的电力系统的频率偏差量，确定变频电机的负荷响应量；
负荷调节确定模块，用于根据所述负荷响应量和各类变频电机的调节容量大小比例，确定所述变频电机的负荷调节量；
响应功率确定模块，用于根据获取到的所述电力系统的频率变化率和所述负荷调节量，基于所述电力系统的频率动态模型，确定所述变频电机的响应功率；
电机控制模块，用于根据所述响应功率，对所述变频电机进行控制。
16.一种计算机设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；
所述处理器，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如权利要求1至14中任意一项所述的基于模型预测控制的电机负荷需求响应控制方法。
17.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如权利要求1至14中任意一项所述的基于模型预测控制的电机负荷需求响应控制方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311688917.0A CN117913839A (zh) | 2023-12-11 | 2023-12-11 | 一种基于模型预测的电机负荷需求响应控制方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311688917.0A CN117913839A (zh) | 2023-12-11 | 2023-12-11 | 一种基于模型预测的电机负荷需求响应控制方法及系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117913839A true CN117913839A (zh) | 2024-04-19 |
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ID=90688063
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311688917.0A Pending CN117913839A (zh) | 2023-12-11 | 2023-12-11 | 一种基于模型预测的电机负荷需求响应控制方法及系统 |
Country Status (1)
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2023
- 2023-12-11 CN CN202311688917.0A patent/CN117913839A/zh active Pending
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