基于模型预测控制的风场-调相机电压协调控制方法技术

本发明专利技术一种基于模型预测控制的风场

【技术实现步骤摘要】
基于模型预测控制的风场
‑
调相机电压协调控制方法


[0001]本专利技术属于电力系统稳定与控制领域，尤其涉及一种基于模型预测控制的风场
‑
调相机电压协调控制方法。

技术介绍

[0002]大力发展以风电、光伏为代表的新能源发电技术已经是未来的必然趋势。然而，新能源机组相较于传统同步机组调节能力较差，很难在系统受到扰动时给予足够的支撑。目前风电场中安装的绝大多数风机往往没有调节电力系统电压的能力，并且在遭受扰动后，为保护风机内部原件往往会吸收大量无功用以实现故障穿越，这会加剧风机并网点PCC电压的下跌。随着风机在电网中的大规模并网，将对电力系统暂态运行带来新的挑战。因此，可靠有效的风电场无功电压控制能力对高比例新能源电力系统的安全稳定运行至关重要。
[0003]目前，提升风电场电压支撑能力的研究分为两类：1.基于风机控制回路的有功无功协调控制策略；2.风场外接无功补偿设备。通过风电场自身的紧急控制与协调控制，可实现风场PCC电压的稳定支撑。但是因为风机容量限制以及经济运行标准，使得风机自身所能提供的无功补偿容量较小，难以在多种场景下独立实现无功电压支撑。SVC/SVC和STATCOM作为目前风场中常见的无功补偿设备，可以在短时间内为风场提供动态无功功率，来控制PCC处电压。但是SVC/SVC和STATCOM中包含有电力电子器件，使得设备可靠性、灵活性较低。调相机作为传统的无功补偿设备，由于其容量大可靠性高，瞬时支撑能力强，近年重新得到关注。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，一种基于模型预测控制的风场
‑
调相机电压协调控制方法，针对由于系统大扰动故障引发的新能源送端电网电压稳定问题，通过求解以PCC电压波动最小为优化目标的最优模型，协调优化整个风电场和调相机的无功功率分配，最大化提升调相机的动态无功储备。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的一种基于模型预测控制的风场
‑
调相机电压协调控制方法的具体技术方案如下：
[0006]一种基于模型预测控制的风场
‑
调相机电压协调控制方法，针对由于系统大扰动故障引发的新能源送端电网电压稳定问题，通过求解以PCC电压波动最小为优化目标的最优模型，协调优化整个风电场和调相机的无功功率分配，最大化提升调相机的动态无功储备，具体包括以下步骤：
[0007]步骤1：含调相机的风电并网系统模型构建
[0008]含调相机的风电并网系统如图1所示，图1中风电和调相机经升压变压器并在同一根母线上，母线另一端连接无穷大系统，风电并网点母线和风电出口母线之间线路存在如下关系：
[0009][0010]式中：V
w
为风电出口处母线电压；V
pcc
为风电并网点处母线电压；P
w
和Q
w
分别为风电输出的有功和无功功率；风电出口处变压器阻抗为jX
T
，本分析中忽略了变压器电阻；
[0011]设风电并网变压器变比为r
ω
：1，调相机变压器变比为r
sc
：1，则存在关系：V
pcc
＝V
t
/r
sc
，V
pcc
＝V
w
/r
w
，进而式(1)可写为：
[0012][0013]式中：V
t
为调相机出口母线电压；R
T
和X
T
分别为风电出口变压器的电阻和电抗。
[0014]由于忽略变压器电阻影响，则式(2)可进一步改写为：
[0015][0016]对式(3)进行泰勒一阶展开可得到：
[0017][0018]式中：和表示V
pcc
对调相机电压和风电无功的灵敏度矩阵，()0表示初始值；ΔV
pcc
，ΔV
t
，ΔQ
w
分别为风电并网点处电压偏差，调相机出口母线电压偏差，风电无功偏差。
[0019]传统的风电有功功率和无功功率控制是解耦的，两者控制回路相互独立，并且在分析电压稳定性时无功功率起主导地位，所以忽略风电有功功率对电压的影响。
[0020]通过控制风机的恒定无功回路，使风机输出的无功功率以参考值Q
wref
为目标实时变化。假设初始时间为t0，且初始的风机无功功率为Q
w
(t0)，则存在关系对于恒定无功功率控制的风机，其无功功率动态特性可以表示为一阶惯性环节：
[0021][0022]式中：T
w
为惯性环节的时间常数；ΔQ
w
为风电无功功率的变化量；s为复变量。
[0023]式(5)相对应的状态空间模型表示为：
[0024][0025]同步调相机作为一种同步电机，与同步发电机不同的是无调速系统，并网后本质上是一种不带机械负荷的同步电动机。并且调相机可以在次暂态、暂态、稳态全时间尺度为
系统提供大量无功功率和动态电压支撑。次暂态过程基于调相机自身物理特性，在电网电压变化时瞬间提供大量无功，并随时间衰减。该过程所发无功与调相机自身设计参数相关；暂态过程基于调相机励磁控制系统，通过控制励磁电流实现无功响应。参考IEEE ST1A励磁系统模型，其传递函数框图如图2所示，IEEE ST1A励磁系统模型传递函数的控制环节分为励磁机电压控制，同步机励磁电压控制和同步机出口电压控制，其主要目的是能够调节发电机出口电压使其接近参考电压。
[0026]从图2可以得到调相机励磁系统的状态空间模型如下所示：
[0027][0028]式中：ΔE
f(E)
为励磁机电动势偏差；惯性放大环节的放大倍数为K
A
，时间常数为T
A
；Δv
ref
为参考电压偏差，Δv
ref
＝0；ΔV
s
为传感器量测电压偏差；ΔV
c
为励磁机的附加控制信号。
[0029][0030]式中：ΔE
f(G)
为发电机励磁电压偏差；K
E
和T
E
为励磁机常数。
[0031][0032]式中：ΔV
t
为发电机端口电压偏差；K
G
和T
G
为发电机常数。
[0033][0034]式中：K
R
和T
R
为传感器常数。
[0035]步骤2：基于模型预测的电压协调控制
[0036]忽略由于地理位置等因素导致的风机之间的动态差异，将风场含有的多台风机聚合为具有相同的动态行为的单台风机。则由式(4)，(6)
‑
(10)可构建含有调相机的风电系统离散状态空间模型：
[0037][0038]式中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模型预测控制的风场
‑
调相机电压协调控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：步骤1：含调相机的风电并网系统模型构建设风电并网变压器变比为r
ω
：1，调相机变压器变比为r
sc
：1，忽略变压器电阻影响，风电并网点母线和风电出口母线之间线路存在如下关系：式中：V
pcc
为风电并网点处母线电压；P
w
和Q
w
分别为风电输出的有功和无功功率；风电出口处变压器阻抗为jX
T
；V
t
为调相机出口母线电压；和表示V
pcc
对调相机电压和风电无功的灵敏度矩阵，()0表示初始值；ΔV
pcc
，ΔV
t
，ΔQ
w
分别为风电并网点处电压偏差，调相机出口母线电压偏差，风电无功偏差；恒定无功功率控制的风机，无功功率动态特性如式(5)所示：式中：T
w
为惯性环节的时间常数；ΔQ
w
为风电无功功率的变化量；s为复变量；步骤2：基于模型预测的电压协调控制忽略由于地理位置等因素导致的风机之间的动态差异，将风场含有的多台风机聚合为具有相同的动态行为的单台风机，由式(4)，(6)
‑
(10)构建含有调相机的风电系统离散状态空间模型：x＝[ΔE
f(E)
,ΔE
f(G)
,ΔV
t
,ΔV
s
,ΔQ
w
]
T
y＝[ΔV
PCC
]式中：k为离散时刻；x为离散系统的状态量；u为风机无功回路和励磁系统的控制量；y为系统输出量；系统矩阵表示为：
步骤3：基于粒子群算法的模型预测控制权重系数整定采用粒子群算法对权重系数r
w
进行优化整定，粒子速度和位置迭代更新遵循如下公式：式中：和分别为粒子在第k次迭代中的d维位置和速度；ω为粒子的惯性权重系数；c1和c2分别是局部学习因子和全局学习因子；rand1和rand2是介于[0，1]之间的随机数；pBest
id
表示粒子i在d维的最佳位置；gBest
d
表示整个种群在d维的最佳位置。2.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的风场
‑
调相机电压协调控制方法，其特征在于，所述步骤1中公式(5)相对应的状态空间模型表示为：3.根据权利要求1所述的基于模型预测控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡国伟，周书宇，刘铖，杨浩，曹志冲，张宇驰，韩子杨，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：