风力发电系统的非脆弱离散PID控制方法、系统及终端技术方案

本发明专利技术属于风电系统控制技术领域，公开了风力发电系统的非脆弱离散PID控制方法、系统及终端，调整系统频率达到额定值或维持区域联络线交换功率为计划值，构建单区域的风电系统LFC模型；通过耗散理论，建立多区域互联的风电系统；设计非脆弱PID控制器，将离散特征引入已建立的风电系统模型中；构建基于非脆弱离散PID控制器的多区域互联风电系统的动态模型，实现非脆弱离散PID控制。本发明专利技术提供的PID控制器的三个坏节相互配合，可以使动态过程快速，稳定、准确，获得更好的控制效果；将控制器离散化，离散数据易于在模型上快速迭代，简化了逻辑模型，方便了计算结果的存储，增强了系统抵抗外部干扰能力，使模型结果更加稳定。使模型结果更加稳定。使模型结果更加稳定。

【技术实现步骤摘要】
风力发电系统的非脆弱离散PID控制方法、系统及终端


[0001]本专利技术属于风电系统控制
，尤其涉及一种风力发电系统的非脆弱离散PID控制方法、系统及终端。

技术介绍

[0002]目前，随着能源供应问题日益严峻，生态环境逐渐恶化，太阳能发电、风能发电、水力发电等清洁能源越来越受到重视。其中风力发电机制造成本的不断降低，化石燃料的逐渐减少及其开采成本的增加，风力发电展现了它的强大发展潜力。在风电效率快速增长和碳排放最小化的背景下，世界各国和地区都加快了过去十年风电设施的部署，我国政府也同样重视风电领域，不断下达政策扶持中国的风电产业。
[0003]风电系统发展初期，其规模小和控制要求低。但随着电力和技术的不断发展，风电系统的规模不断扩大，而且风电能源由于分散性分布和间歇性输出等特点，无法像传统能源一样进行集中大规模发电，为了克服此问题，需要重建风电系统，因而多区域互联风电系统应运而生，区域间的互联程度也日益增强，目前电网已经形成了的多区域互联的大型风电系统。电力系统的互联存在很多的优点如：1)更合理、更经济开发一次能源，实现水火资源优势互补，也可以实现新能源并入电网，既解决了能源和负荷分布不平衡的问题，又能充分发挥它们的作用。2)减少备用容量，通过电力系统互联，无论是在正常运行还是故障时，各区域之间都可以利用联络线进行支援，从而既减少了检修备用容量，也减少了事故备用容量。3)降低系统总的负荷峰值，负荷发生扰动时，互联电力系统可以短时相互支援，而且可以进行错峰调整，从而能够降低负荷产生的峰值，降低了区域电网的总装机容量。4)提高了电力系统的安全可靠性，由于互联后的电力系统容量增大，一些故障对系统的影响较小，同时发生故障的概率相对较小，而且又能够互相支援，因此对提高了安全可靠性。5)提髙电力系统运行的经济性，由于各个区域的供电成本可能有所不同，在能源丰富地区的发电厂发电成本较低。所以通过区域的互联可以实现电能的经济调度从而获得经济效益。多区域互联风电系统可统一广泛分布的风电站从而实现分散能源高效灵活地利用，该系统既可以通过电网控制统筹大规模提供用户电能，也可以独立控制单个风电系统运行直接向用户提供电能。但是，多区域的风电能源接入互联风电总系统会给传统风电系统带来很大的冲击和挑战。
[0004]频率是衡量风电系统运行质量和安全的重要指标。发电量和用电量的不平衡将严重影响电力系统的稳定性。负载频率控制(LFC)，也称为二次调节，将调用系统的有功功率来恢复系统频率。LFC的两个主要功能是保持系统频率和确保系统之间的功率交换在正常范围内。因此，在过去的十年中，LFC的分析和设计受到了极大的关注。近年来，风力发电受到了越来越多的关注，风电网络频率控制对保证电力系统的安全经济运行具有重要的现实意义，同时，风能的利用将为中国的环保事业做出巨大贡献。然而，在开放市场环境下，含有大规模风电的电力系统，具有间歇性和波动性，将遇到严重的频率调节问题。因此，有必要设计合理的频率调节方法，一些报告已经提出了包含风电单元的系统中频率调节问题的方
法。
[0005]互联风电系统被视为多个区域的组合，其相邻区域之间的互联在物理上远离调度中心。一般情况下，为了便于操作和控制，采用的方案是采集系统数据，即联络线的功率和频率，并通过数据链路将信息传输给调度中心。而对于基于连续信号的负载频率控制问题，研究控制策略离散化的效果非常重要。在实际生产中，LFC系统大多采用PI控制。但目前对PI
‑
LFC控制的研究大多只进行传统的参数调整，在许多负载方案和运行环境下都无法获得良好的动态性能。而且一般的控制系统不仅对稳定控制有要求，而且对动态指标也有要求，这就意味着比例和积分调节不能完全满足要求，相关方面的研究面临新的挑战。
[0006]在互联的电力系统中，LFC的功能是通过调节发电机的输出来适应波动的负荷需求，使各个区域的频率保持在预定值，并将联络线的潮流保持在某些预先规定的误差范围内。为了应对电力系统负荷变化和系统干扰，研究人员提出了各种方法，包括确定系统最优响应的最优控制技术，研究负荷频率控制的自适应控制策略，开发了多区域互联电力系统鲁棒频率稳定的智能光伏电站等等。随着全球能源需求的不断增大，可再生能源正在世界各地被越来越多地利用，使用绿色能源也更加符合社会的需求。风力发电作为再生能源的主要组成部分之一，在节能减排方面有着巨大的效益。但在风电系统的使用中存在一些不容忽视的问题。当系统纳入的风电越多，出现扰动时发生的频率偏差也会越大，当更多的风电替代常规发电机时，系统总惯性的减小幅度增大，等效调节常数的增加幅度也增大。为了解决上述问题，本专利技术构建了包含多个调速器的风电系统互联LFC模型，使风电在调速器调度框架下实现最大限度的风电集成度，使系统能够更好地适应波动负荷。
[0007]现有的技术中，近年来出现了许多研究成果，考虑到系统的稳定性。一些学者研究了在互联风电系统中，使用PI控制方法。一些学者为了保证系统在接收异常数据的情况下稳定运行，提出了将数据离散化引入控制器中，设计离散频率控制器的方法。此外，考虑到外部的未知扰动，也有一些专家为了系统拥有更强的鲁棒性，将比例、积分和微分三种环节集合于一体设计出了比例
‑
积分
‑
微分(PID)控制器。但是他们都没有考虑过本专利技术提供的这种风电系统的非脆弱离散PID控制器设计方法。
[0008]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0009](1)现有PI
‑
LFC控制技术大多只进行传统参数调整，在许多负载方案和运行环境下都无法获得良好的动态性能，且比例和积分调节不能完全满足要求。
[0010](2)现有技术均没有考虑过风电系统的非脆弱离散PID控制器设计方法。
[0011](3)现有的LFC方案中使用了计算能力和能源有限的微处理器，这会占用大量计算机和通信资源，增大计算机负担。
[0012](4)现有的控制方案中使用的PID控制器无法处理LFC模型中出现的不确定性，系统稳定性较差。

技术实现思路

[0013]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种风力发电系统的非脆弱离散PID控制方法、系统及终端。
[0014]本专利技术是这样实现的，一种风力发电系统的非脆弱离散PID控制方法，所述风力发电系统的非脆弱离散PID控制方法包括：
[0015]调整系统频率达到额定值或维持区域联络线交换功率为计划值，构建单区域的风电系统LFC模型；通过耗散理论建立多区域互联的风电系统；设计非脆弱PID控制器，将离散特征引入已建立的风电系统模型中；构建基于非脆弱离散PID控制器的多区域互联风电系统的动态模型，实现非脆弱离散PID控制。
[0016]进一步，所述风力发电系统的非脆弱离散PID控制方法包括以下步骤：
[0017]步骤一，进行负载频率控制；
[0018]步骤二，进行风电系统模型的构建；
[0019]步骤三，建立多区域互联的风电系统并提出控制目标；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风力发电系统的非脆弱离散PID控制方法，其特征在于，所述风力发电系统的非脆弱离散PID控制方法包括：以调整系统达到的额定值或维持区域联络线交换功率为计划值，构建单区域的风电系统模型；通过耗散理论建立多区域互联的风电系统，设计非脆弱PID控制器，将离散特征引入已建立的风电系统模型中；构建基于非脆弱离散PID控制器的多区域互联风电系统的动态模型，进行非脆弱离散PID控制。2.如权利要求1所述的风力发电系统的非脆弱离散PID控制方法，其特征在于，所述风力发电系统的非脆弱离散PID控制方法包括以下步骤：步骤一，进行负载频率控制；步骤二，进行风电系统模型的构建；步骤三，建立多区域互联的风电系统并提出控制目标；步骤四，将离散特征引入风电系统模型并提出控制方法。3.如权利要求2所述的风力发电系统的非脆弱离散PID控制方法，其特征在于，所述步骤一中的负载频率控制包括：负载频率控制是调整系统的频率达到额定值或维持区域联络线交换功率为计划值的控制方式，当系统中有功功率产生和消耗不平衡时引起频率偏差Δf，负荷特性和发电机旋转能量产生的有功功率变动消纳Δf，称为负荷的静态频率特性K
D
；当Δf超过调速器死区时，发电机组按各自调差率R调整出力，拟制频率偏差Δf，称为发电机的静态频率特性K
G
，系统达到新的平衡，实现一次调频；二次调频先计算各区域控制偏差ACE，各区域根据负荷频率控制器得到调整量；通过调整量调整发电机组出力使频率和联络线交换功率恢复到规定值；任意时刻发电机组输出的有功功率变化量为一、二次调频发出有功功率的总和；负荷频率控制通过二次调频控制控制区域的控制偏差ACE使系统达到动态稳定。4.如权利要求2所述的风力发电系统的非脆弱离散PID控制方法，其特征在于，所述步骤二中的风电系统建模包括：建立电压和通量联动方程简化后的电力系统如下：式中，R为电阻，发电机自感和互感表示为L，定子和转子电流d
‑
q轴分别表示为i
ds
、i
qs
和i
dr
、i
qr
；V
ds
和V
qs
表示定子电压的d
‑
q轴，V
dr
和V
qr
分别表示转子电压的d
‑
q轴；转子转差率用s表示，w
s
表示发电机的气隙磁通密度；其中，下标s和r分别表示定子和转子；建立风电系统模型，每个控制区域内有各种类型的发电机组，运行参数不同；综合考虑不同发电机组在二次调频过程中的不同响应特性和功率分配比，根据第i个区域的动态控制模型中的传递函数和变量之间的逻辑关系，得到：
式中，表示区域i和其他区域之间的总功率偏差通过ΔP
tie
‑
i
和多区域电力系统的第i个区域计算；式中ΔP
mi
,ΔP
di
,Δf
i
,ΔP
vi
,ΔP
WTGi
分别表示涡轮机机械输出、负载、阀位偏差、调速器输出以及风力发电机输出功率变化，τ
i
表示区域i中的延迟；定义以下向量表示状态变量：定义以下向量表示状态变量：得到风电系统第i个区域的状态空间表达式：考虑代表基于解除管制合同的新负荷需求的虚线连接，得到以下数组：引入扰动：定义新的状态变量，得到多区域互联的风电系统LFC的状态空间表达式：获得单区域的...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟其水，杨金，周晗梅，施开波，李辉，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：