一种并网风电场控制系统间交互作用的分析方法与流程

1.本发明涉及一种并网风电场控制系统间交互作用的分析方法，属于分析控制系统间交互作用的技术领域。


背景技术：

2.随着能源危机和环境污染的日益严重，使得以风力和太阳能为主的分布式发电技术愈发受到关注。目前，风电场大多建立于偏远山区、近海沿线以及沙漠/半沙漠地带，长距离的输电线路使得并网时的电网等效阻抗不可忽视。多个风电场于公共连接点(point of common coupling，pcc)点耦合，势必会引起控制系统间的交互作用，而现有研究极少对并网风电场控制系统间交互作用进行定量分析。
3.因此，研究一种能定量分析并网风电场控制系统间交互作用的方法具有重要的实际意义。


技术实现要素：

4.本发明目的是提供一种并网风电场控制系统间交互作用的分析方法，建立并网风电场控制系统模型，采用奇异值分解法定量分析并网风电场控制系统间的交互作用大小，以及当风机台数、线路电抗值以及滤波器参数改变时交互角与频率的变化规律，为风电场并网工程中抑制相应频次谐波提供理论指导，从而提升风电场并网电能质量，解决了背景技术中存在的问题。
5.本发明的技术方案是：
6.一种并网风电场控制系统间交互作用的分析方法，包括以下步骤：
7.步骤1，建立并网风电场控制系统模型；
8.步骤2，分析并网风电场控制系统特性；
9.步骤3，对并网风电场控制系统传递函数进行奇异值分解；
10.步骤4，依据奇异值分解法计算交互角θ值，从而定量分析并网风电场控制系统间交互作用大小；
11.所述的步骤1中，并网风电场控制系统中，i
refn
为电流参考值，un为输出电压值；控制系统为pi内环电流控制，pwm装置采用一阶惯性环节k
pwm
/(1+1.5sts)来表示；ts为采样周期，k
pwm
为逆变器增益系数，k
pwm
＝u
dc
/um，um为pwm调制波峰值；
12.所述的步骤2中，pi(s)为内环调节器的传递函数，表达式为pi(s)＝k
p
+ki/s；pi(s)和pwm(s)皆为对角矩阵，表示如下：
[0013][0014]
并网风电场的控制系统传递函数为h(s)，有ig(s)＝h(s)i
ref
(s)；h(s)可表示为
[0015]
[0016]
其中，g(s)中对角元素相同，非对角元素对称且相同，可分别表示为式(3)和式(4)，式中l
inv
、lg和cf为lcl滤波器参数；
[0017][0018][0019]
所述的步骤3中，奇异值分解法的原理为：假设矩阵矩阵aha的特征值为λ1≥λ2≥
…
≥λr＞0(r为矩阵a的秩)，且有λ
r+1
＝λ
r+2
＝
…
＝0，则为矩阵a的奇异值；
[0020]
对于存在酉矩阵使得
[0021][0022]
其中，δ＝diag(σ1，σ2，
…
，σr)，σ1≥σ2≥
…
≥σr＞0为矩阵a的奇异值；z＝[z1，z2，
…
，zr，
…
，zm]、v＝[v1，v2，
…
，vr，
…
，vm]分别为矩阵a的左、右奇异向量；
[0023]
奇异值分解法的应用：一个多输入多输出系统的传递函数矩阵g(s)可分解为
[0024]
g(s)＝z(s)λ(s)v(s)
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0025]
z(s)和v(s)构成酉空间的标准正交基底，则g(s)可表示为：
[0026][0027]
控制系统中第k个输出量对于第l个输入量之间的增益可表示为
[0028][0029]
式中，和均为单位向量。
[0030]
所述的步骤4中，交互角定义如下：
[0031]
θi＝arccos|《wi(s),e
kl
》|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0032]
即对于不同的奇异值，可定义交互角θ来评价控制系统整体交互作用的大小；
[0033][0034]
当θ＝0即cosθ＝1时，不存在交互作用；
[0035]
当θ＝π/2即cosθ＝0时，表示向量正交，交互作用最大。
[0036]
通过以上公式，可依据奇异值分解法计算交互角θ值，从而定量分析并网风电场控
制系统间交互作用大小。
[0037]
本发明具有的有益效果是：采用奇异值分解法不仅能分析并网风电场控制系统间的交互作用现象，且可依据交互角θ值进行定量研究；将奇异值分解法的概念引入到并网风电场控制系统间的交互作用分析中，并依此深入研究当风机台数、线路电抗值以及滤波器参数改变时交互角与频率的变化规律；所得结论可为工程实际中抑制相应频次谐波提供理论指导，从而提升风电场并网电能质量。
附图说明
[0038]
图1是本发明并网风电场控制系统图；
[0039]
图2是本发明并网风电场实例图；
[0040]
图3是本发明交互角θ值随频率变化示意图；
[0041]
图4是本发明风机台数改变时交互角θ值随频率变化示意图；
[0042]
图5是本发明线路电抗值改变时交互角θ值随频率变化示意图；
[0043]
图6是本发明滤波器参数l
inv
值改变时交互角θ值随频率变化示意图；
[0044]
图7是本发明滤波器参数lg值改变时交互角θ值随频率变化示意图。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。
[0046]
一种并网风电场控制系统间交互作用的分析方法，包括以下步骤：
[0047]
步骤1，建立并网风电场控制系统模型；
[0048]
步骤2，分析并网风电场控制系统特性；
[0049]
步骤3，对并网风电场控制系统传递函数进行奇异值分解；
[0050]
步骤4，依据奇异值分解法计算交互角θ值，从而定量分析并网风电场控制系统间交互作用大小；
[0051]
所述的步骤1中，并网风电场控制系统如图1所示，其中，i
refn
为电流参考值，un为输出电压值；控制系统以pi内环电流控制为例，pwm装置采用一阶惯性环节k
pwm
/(1+1.5sts)来表示；ts为采样周期，k
pwm
为逆变器增益系数，k
pwm
＝u
dc
/um，um为pwm调制波峰值；
[0052]
所述的步骤2中，pi(s)为内环调节器的传递函数，表达式为pi(s)＝k
p
+ki/s；pi(s)和pwm(s)皆为对角矩阵，表示如下：
[0053][0054]
并网风电场的控制系统传递函数为h(s)，有ig(s)＝h(s)i
ref
(s)；h(s)可表示为
[0055][0056]
其中，g(s)中对角元素相同，非对角元素对称且相同，可分别表示为式(3)和式(4)，式中l
inv
、lg和cf为lcl滤波器参数；
[0057][0058][0059]
所述的步骤3中，奇异值分解法的原理为：假设矩阵矩阵aha的特征值为λ1≥λ2≥
…
≥λr＞0(r为矩阵a的秩)，且有λ
r+1
＝λ
r+2
＝
…
＝0，则为矩阵a的奇异值；
[0060]
对于存在酉矩阵使得
[0061][0062]
其中，δ＝diag(σ1，σ2，
…
，σr)，σ1≥σ2≥
…
≥σr＞0为矩阵a的奇异值；z＝[z1，z2，
…
，zr，
…
，zm]、v＝[v1，v2，
…
，vr，
…
，vm]分别为矩阵a的左、右奇异向量；
[0063]
奇异值分解法的应用：一个多输入多输出系统的传递函数矩阵g(s)可分解为
[0064]
g(s)＝z(s)λ(s)v(s)
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0065]
z(s)和v(s)构成酉空间的标准正交基底，则g(s)可表示为：
[0066][0067]
控制系统中第k个输出量对于第l个输入量之间的增益可表示为
[0068][0069]
式中，和均为单位向量。
[0070]
所述的步骤4中，交互角定义如下：
[0071]
θi＝arccos|《wi(s),e
kl
》|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0072]
即对于不同的奇异值，可定义交互角θ来评价控制系统整体交互作用的大小；
[0073][0074]
当θ＝0即cosθ＝1时，不存在交互作用；
[0075]
当θ＝π/2即cosθ＝0时，表示向量正交，交互作用最大。
[0076]
通过以上公式，可依据奇异值分解法计算交互角θ值，从而定量分析并网风电场控制系统间交互作用大小。
[0077]
所述的步骤4中，根据本发明的方法进行实例分析。以唐山地区某风电场为实例，
其并网接线图如附图2所示。此风电场分两期建设，每期均安装有15台风电机组。并网风电场系统其它参数如表1所示。
[0078]
表1并网风电场参数表
[0079][0080][0081]
基于上述并网风电场参数表，可得出此并网风电场控制系统传递函数矩阵，采用奇异值分解法分析控制系统间交互角θ值在不同频率下的变化规律如附图3所示。由附图3可知：
[0082]
1)当120hz＜f＜400hz时，交互角θ值不断增大，由0.8逐渐升至1.1；
[0083]
2)当400hz＜f＜550hz时，交互角θ值则不断减小，由1.1逐渐降至0.2；
[0084]
3)当f》550hz时，交互角θ值趋于平稳，基本保持不变。
[0085]
依据式(10)可知：
[0086]
1)当θ＝0即cosθ＝1时，交互现象几乎不存在；
[0087]
2)当θ＝π/2即cosθ＝0时，则向量正交，交互作用最大。
[0088]
在保证并网系统稳定性的前提下，采用奇异值分解法分析当风机台数n、线路电抗x
l
以及滤波器参数l
inv
、lg改变时交互角θ与频率f的变化规律如下：
[0089]
1)由附图4可知，随着风电场并网风机台数的增加，造成控制系统间交互作用最大和最小的频率点f均向左移动，即频率值f逐渐变小；
[0090]
2)由附图5可知，随着线路电抗x
l
值的不断增大，造成控制系统间交互作用最大和最小的频率点f均向右移动，即频率值f逐渐变大；
[0091]
3)由附图6可知，随着滤波器参数l
inv
值的不断增大，造成控制系统间交互作用最大和最小的频率点f均向左移动，即频率值f逐渐变小；
[0092]
4)由附图7可知，随着滤波器参数lg值的不断增大，造成控制系统间交互作用最大和最小的频率点f基本不变，即频率值f不随着滤波器参数lg值的改变而变化。
[0093]
由上述实例分析可知，本发明所提出方法可为风电场并网实际中制定抑制相应频次谐波的技术方案提供理论指导，从而提升风电场并网电能质量。