一种分布式新能源互联微电网集群振荡控制方法技术

本发明专利技术涉及多源互联微电网系统稳定控制技术领域，公开了一种分布式新能源互联微电网集群振荡控制方法，对于多源互联微电网系统的振荡问题，采用了几何测度理论，分析了待选输入信号及待选反馈输出信号的综合可控性以及能观性，获取抑制特定振荡模式的最优控制回路，能够避免控制器之间的作用冲突；考虑到系统多种约束情况下构成二次规划形式的成本函数，形成抑制多源互联微电网系统的振荡的稳定控制策略，能够在线实现振荡抑制作用，更具工况适应性；考虑了基于同步机类分布式电源和基于逆变器类分布式电源这两类微电源，同时对于新能源发电机组考虑到供能部分动态和机侧换流器控制特性，能够减少新能源机组的随机性与间歇性对于系统的影响。间歇性对于系统的影响。间歇性对于系统的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种分布式新能源互联微电网集群振荡控制方法


[0001]本专利技术涉及多源互联微电网系统稳定控制
，特别是涉及一种分布式新能源互联微电网集群振荡控制方法。

技术介绍

[0002]随着双碳目标的提出与能源发展要求的不断提高，优先发展可再生能源是推动我国能源供给革命，实现高质量可持续发展的必由之路。分布式发电技术是高效利用可再生能源的供能手段，当前主要包含风力发电、光伏发电、储能和微型燃气轮机等形式。这些分布式电源大量采用具有弱阻尼惯量特征的电力电子变换器接入系统，在一定程度上提高了响应速度，但却降低了系统阻尼，尤其是当其自主运行时，由于缺乏上级大电网的支撑，需自我维持频率电压稳定，再加上其小容量、低惯性的特征，此时一个微小的故障也可能导致系统性能受到巨大影响。同时，以风电、光伏为代表的可再生能源，由于其随机性和间接性的特征将会引发功率波动造成系统的频率偏移，严重影响系统的供电质量，对系统的安全稳定运行带来了严峻挑战。
[0003]互联微电网系统中包含不同类型的微电源和负荷，极易产生微电源间的交互作用、动态负荷间的交互作用、微电源与负荷间的交互作用等，在遭遇扰动时容易产生振荡甚至失稳，多种控制主体可能同时参与系统振荡。因此，针对新能源发电机组高渗透率的多源互联微电网系统，研究其在不同扰动场景下的动态响应特性以及设计一种抑制振荡的方法显得尤为重要。
[0004]目前在实际电力系统中普遍以同步发电机的励磁调节器加装电力系统稳定器(power system stabilization，PSS)为主要阻尼控制器，但PSS对于低频振荡特别是区间振荡并不总是有效，加之随着以风电和光伏等新能源发电渗透率越来越高，传统阻尼控制手段将难以独立应对电力系统运行特性出现的新变化。同时，在以电力电子变换器为主导的多源互联微电网系统的振荡抑制策略中，主要分为附加装置或控制回路附加额外阻尼以及优化控制参数设计，这些控制方法均存在面临在工况复杂多变时适应性不强的问题。而且目前已有的新能源附加阻尼控制主要针对一种风电或光伏发电机组展开，针对多源互联微电网系统的新能源机组特性的协同阻尼控制研究并不多。为充分发掘新能源发电在参与抑制多源互联微电网系统振荡方面的潜力，需要在考虑新能源机组特性基础上设计更具工况适应性的控制策略，以适应未来新型电力系统以分布式风电、光伏发电单元为主导的发展趋势。
[0005]现有技术公开了一种孤岛微电网系统及其交互振荡抑制方法、系统，源侧虚拟同步机和负载侧虚拟同步机结合起来提供虚拟惯性和阻尼。该专利技术提出了一种d轴电感电流前馈控制和d轴电压反馈控制的方法来重塑VSG的阻抗，以减小VSG的阻抗幅值。因此，VSG和LVSM之间的低频交互作用可以得到抑制。该现有技术中针对的是单个微电网系统包含多个相同的电压源型换流器，且并未考虑新能源机组的特性，将直流侧用恒定电压源替代，此外，该方案采用附加控制方法中的虚拟同步机方法为系统提供虚拟惯性和阻尼，但却忽视
了新能源机组的随机性可能造成系统阻尼特性随着复杂运行工况的变化而变化，故该控制方案与多变运行方式之间存在不适应性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是：提供一种分布式新能源互联微电网集群振荡控制方法，以解决现有技术中存在的新能源机组的随机性与间歇性对于系统存在影响，基于附加控制方法在扰动较大或存在不确定性导致运行工况发生改变时，其设计的振荡抑制控制器难以保证抑制效果，缺乏工况适应性的问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种分布式新能源互联微电网集群振荡控制方法，包括：
[0008]S1、建立多源互联微电网系统的数学模型，基于多源互联微电网系统的稳态运行点，对多源互联微电网系统进行线性化处理，获得多源互联微电网系统的线性化小信号状态空间模型，所述多源互联微电网系统的线性化小信号状态空间模型包括系统状态矩阵；
[0009]S2、计算系统状态矩阵的特征值及左、右特征向量，获得右特征向量模态矩阵和左特征向量模态矩阵；
[0010]S3、选取待选输入信号和待选反馈输出信号，构建状态空间描述的多源互联微电网系统线性化模型，选择特定振荡模式，利用几何测度理论结合右特征向量模态矩阵和左特征向量模态矩阵进行能观可控量化分析，获得可控性和能观性几何测度指标；
[0011]S4、依据可控性和能观性几何测度指标，构建联合能观可控量化指标，根据联合能观可控量化指标设计抑制振荡模式的最优控制回路，所述最优控制回路包括最优控制输入信号和最优反馈输出信号；
[0012]S5、根据最优控制输入信号建立机组预测模型，并进行离散化处理，获得离散状态空间模型；
[0013]S6、依据离散状态空间模型计算多步的状态信息与输出信息的偏差，将最优反馈输出信号作为成本函数的预测追踪目标，结合状态信息与输出信息的偏差和最优控制输入信号构造二次规划形式的成本函数；
[0014]S7、求解二次规划形式的成本函数，如果无解，将控制量置零，并重复步骤S6，如果有解，获得控制输入增量，所述控制输入增量为最优控制序列。
[0015]优选的，在步骤S1中，所述多源互联微电网系统的数学模型为：
[0016][0017]其中，x＝[x
SG1
,x
WT1
,x
PV1
,x
ESS1
…
x
SGi
,x
WTi
,x
PVi
,x
ESSi
,x
LINE
,x
LOAD
]T
为互联微电网系统中各微电源、线路及负荷的状态变量，n表示为系统状态量的个数，u为系统的输入变量，f表示为描述系统状态量的微分量与系统状态变量和输入变量关系的函数。
[0018]优选的，所述多源互联微电网系统的数学模型包括同步机的动态模型、新能源机组的一次能源动态模型和逆变器的三环控制模型；
[0019]所述同步机的动态模型包括同步机机组主电路模型和同步机机组控制电路模型，所述同步机机组主电路模型为：
[0020][0021][0022]其中，δ和ω
r
为SBDG的功角和转子角速度；M和D为转子惯量系数及阻尼系数；P
e
和Q
e
分别为SBDG输出的有功功率和无功功率；P
m
为同步发电机机械功率；ω
com
为互联微电网系统公共坐标轴参考角速度；V
q
和V
q
'为交轴空载电动势和暂态电动势；V
fd
和V
f
分别为励磁电压和下垂励磁环节输出电压；X
d
和X'
d
分别为额定频率ω
n
下发电机的直轴电抗和直轴暂态电抗；T
d
'
o
为转子时间常数；V
t
＝[V
td V
tq
]T
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分布式新能源互联微电网集群振荡控制方法，其特征在于，包括：S1、建立多源互联微电网系统的数学模型，基于多源互联微电网系统的稳态运行点，对多源互联微电网系统进行线性化处理，获得多源互联微电网系统的线性化小信号状态空间模型，所述多源互联微电网系统的线性化小信号状态空间模型包括系统状态矩阵；S2、计算系统状态矩阵的特征值及左、右特征向量，获得右特征向量模态矩阵和左特征向量模态矩阵；S3、选取待选输入信号和待选反馈输出信号，构建状态空间描述的多源互联微电网系统线性化模型，选择特定振荡模式，利用几何测度理论结合右特征向量模态矩阵和左特征向量模态矩阵进行能观可控量化分析，获得可控性和能观性几何测度指标；S4、依据可控性和能观性几何测度指标，构建联合能观可控量化指标，根据联合能观可控量化指标设计抑制振荡模式的最优控制回路，所述最优控制回路包括最优控制输入信号和最优反馈输出信号；S5、根据最优控制输入信号建立机组预测模型，并进行离散化处理，获得离散状态空间模型；S6、依据离散状态空间模型计算多步的状态信息与输出信息的偏差，将最优反馈输出信号作为成本函数的预测追踪目标，结合状态信息与输出信息的偏差和最优控制输入信号构造二次规划形式的成本函数；S7、求解二次规划形式的成本函数，如果无解，将控制量置零，并重复步骤S6，如果有解，获得控制输入增量，所述控制输入增量为最优控制序列。2.根据权利要求1所述的一种分布式新能源互联微电网集群振荡控制方法，其特征在于：在步骤S1中，所述多源互联微电网系统的数学模型为：其中，x＝[x
SG1
,x
WT1
,x
PV1
,x
ESS1
…
x
SGi
,x
WTi
,x
PVi
,x
ESSi
,x
LINE
,x
LOAD
]
T
为互联微电网系统中各微电源、线路及负荷的状态变量，n表示为系统状态量的个数，u为系统的输入变量，f表示为描述系统状态量的微分量与系统状态变量和输入变量关系的函数。3.根据权利要求2所述的一种分布式新能源互联微电网集群振荡控制方法，其特征在于：所述多源互联微电网系统的数学模型包括同步机的动态模型、新能源机组的一次能源动态模型和逆变器的三环控制模型；所述同步机的动态模型包括同步机机组主电路模型和同步机机组控制电路模型，所述同步机机组主电路模型为：
其中，δ和ω
r
为SBDG的功角和转子角速度；M和D为转子惯量系数及阻尼系数；P
e
和Q
e
分别为SBDG输出的有功功率和无功功率；P
m
为同步发电机机械功率；ω
com
为互联微电网系统公共坐标轴参考角速度；V
q
和V
′
q
为交轴空载电动势和暂态电动势；V
fd
和V
f
分别为励磁电压和下垂励磁环节输出电压；X
d
和X
′
d
分别为额定频率ω
n
下发电机的直轴电抗和直轴暂态电抗；为转子时间常数；V
t
＝[V
td V
tq
]
T
表示为SBDG端口电压；I
t
＝[I
td I
tq
]
T
表示为输出电流；所述同步机机组控制电路模型为：所述同步机机组控制电路模型为：其中，V
exc
、K、τ分别为延迟环节输出电压、增益系数和延时系数；V
n
、ω
n
为系统额度电压和角速度；V
ref
、ω
ref
为电压和角速度参考值；t
g
、ψ1/ψ2/ψ3/ψ4均为速度中间控制器状态量；K1和T1/T2为调节器增益及其时间常数；T3/T4/T5为制动器时间常数；T
D
为同步发电机时间延迟；针对基于逆变器类分布式电源，新能源机组的一次能源动态模型包括风力发电机组的风机及其传动系统模型和光伏发电机组的一次能源动态与直流电容电压动态模型，所述风机及其传动系统模型为：
其中，ω
WT
、ω
r
、H
WT
、H
g
分别为风力机和异步电机转速和惯量系数；K
g
、F、K
tg
、D
tg

【专利技术属性】
技术研发人员：赵卓立，杨庆刚，许志荣，徐家文，卢健钊，孟安波，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：