一种增强系统同步稳定性的风电场功率鲁棒最速调制方法与流程

本发明涉及电力系统同步稳定控制领域，具体涉及一种增强系统同步稳定性的风电场功率鲁棒最速调制方法。

背景技术：

随着风电场渗透的增加，越来越多的同步机组被风电机组替代，风电机组也应该为改善系统同步稳定性贡献一份力量。系统同步稳定问题的根本原因在于同步发电机组输入机械功率和输出电磁功率之间的不平衡。不同于同步机组，得益于电力电子变频器的应用，一方面使得变速风电机组(variable speed wind turbine,VSWT)自身不存在机电稳定性问题，另一面使得VSWT可以实现功率的解耦控制。VSWT的这些特性为暂态过程中可以通过风电机组附加功率控制影响同步机组的输出电磁功率特性，减小暂态过程中同步机组不平衡功率改善系统同步稳定性提供了条件。

传统基于系统固定运行点线性化模型设计的风电机组附加控制器可以有效增强系统小干扰稳定性，但由于其忽略了电力系统固有的非线性特性，因此改善系统暂态稳定性的效果有限。

时间最优控制(time optimal control，TOC)是最优控制的一种，其可以在控制输入存在约束的条件下实现系统的最速镇定。在工程实际应用中，高阶系统(高于2阶)TOC的控制律复杂，不易于实现。因此得到广泛应用的主要是2阶TOC。然而，TOC控制策略需要系统的详细模型信息，对系统扰动非常敏感，限制其推广应用。

线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)是一种弱依赖于系统模型的控制方法，该方法实时观测系统“扰动”并在控制输入中进行前馈补偿，对扰动和模型不确定性具有很强的鲁棒性。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种增强系统同步稳定性的风电场功率鲁棒最速调制方法，该方法将时间最优控制TOC和线性自抗扰控制LADRC相结合，无需系统的详细模型，对系统不同的运行方式具有很强的鲁棒性。

为达到上述发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种增强系统同步稳定性的风电场功率鲁棒最速调制方法，包括如下步骤：

步骤1，根据风电场对同步机组的可控能力划分出各风电场的可控机群，并将每个可控机群聚合为一台等效可控机组，所述可控机群为角加速度明显受风电场有功功率调制影响的同步机组，所述风电场是地理位置集中的风电机组的集合；

步骤2，选择虚拟控制量，将风电场和其相应的等效可控机组建立成一个串级系统，其中等效可控机组为第一级的第一子系统，所述风电场为第二级的第二子系统；

步骤3，针对第一子系统，利用时间最优控制给出参考控制律；针对第二子系统，利用线性自抗扰控制设计附加控制律，实现虚拟控制量对参考控制律的快速跟踪。

进一步，所述步骤1的等效可控机组的聚合方式具体如下：

步骤11，在系统稳态情况时，根据风电场同步机组加速度系数α的标幺值，选择标幺值大于阈值的同步机组作为该风电场的可控机组，上述所有可控同步机组构成该风电场的可控机群，所述加速度系数为同步机组的转子角加速度相对于风电场的功率变化；

步骤12，该风电场包括至少1台可控机组，累加各同步机组相比于加速度系数标幺值的功角、稳态功角、转速，相应聚合为等效可控机组的功角、稳态功角和转差，关于同步机组的转子角加速度和输出电磁功率，进而得到该风电场下等效可控机组模型。

进一步，在上述步骤基础上，还包括步骤4，对等效可控机组因暂态故障产生的稳态功角偏移，通过实时监测，以加权逐步逼近的方法确定等效可控机组故障后的稳态功角，并以该稳态功角为本控制方法的控制目标。

本发明的一种增强系统同步稳定性的风电场功率鲁棒最速调制方法，具有如下有益效果：

在暂态故障发生后，该控制器能够充分利用风电机组的功率快速调节能力，吸收系统暂态不平衡功率，尽可能快地驱动系统达到新的稳态平衡运行点。控制器仅需反馈少量加速度灵敏度较大机组的功角信息，大幅降低了控制器的测量和通信负担。除此之外，控制器无需系统的详细模型信息，对系统运行方式和风速扰动具有良好的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明的增强系统同步稳定性的风电场功率鲁棒最速调制方法的实现流程框图；

图2为本发明风电场和其相应的等效可控机组串级系统示意图；

图3为本发明时间最优控制的相平面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

本发明方法将TOC和LADRC相结合，设计了一种增强系统同步稳定性的变速风电机组附加鲁棒时间最优控制器，驱动不同运行方式下的电力系统在故障后尽快稳定于新平衡点。

参看图1，为本发明方法的具体实现流程，本发明的一种增强系统同步稳定性的风电场功率鲁棒最速调制方法，该方法包括：

步骤1，根据风电场对同步机组的可控能力划分出各风电场的可控机群，并将每个可控机群聚合为一台等效可控机组，所述可控机群为角加速度明显受风电场有功功率调制影响的同步机组，所述风电场是地理位置集中的风电机组的集合；

步骤2，选择虚拟控制量，将风电场和其相应的等效可控机组建立成一个串级系统，其中等效可控机组为第一级的第一子系统，所述风电场为第二级的第二子系统；

步骤3，针对第一子系统，利用时间最优控制给出参考控制律；针对第二子系统，利用线性自抗扰控制设计附加控制律，实现虚拟控制量对参考控制律的快速跟踪。

作为另一个实施例，还包括步骤4，对于暂态故障后等效可控机组稳态功角偏移，通过实时监测，以加权逐步逼近的方法确定等效可控机组故障后的稳态功角，并将之作为控制目标。

具体的，所述步骤1的等效可控机组的聚合方式具体如下：

步骤11，在系统稳态情况时，根据风电场同步机组加速度系数α的标幺值，选择标幺值大于阈值的同步机组作为该风电场的可控机组，上述所有可控同步机组构成该风电场的可控机群，所述加速度系数为同步机组的转子角加速度相对于风电场的功率变化；

步骤12，该风电场包括至少1台可控机组，累加各同步机组相比于加速度系数标幺值的功角、稳态功角、转速，相应聚合为等效可控机组的功角、稳态功角和转差，关于同步机组的转子角加速度和输出电磁功率，进而得到该风电场下等效可控机组模型。

所述根据风电场对同步机组的可控能力划分出各风场的可控机群，并将其可控机群聚合为一台等效可控机组，具体实现方式为：

系统稳态情况时，风电场对不同同步机组的可控能力不同。风电场有功功率调制只会对与它电气距离较近的同步机组的角加速度产生显著影响，定义这些机组为该风电场的可控机群(controllable generator cluster,CGC)。

为区分可控机组，引入加速度系数。定义加速度系数(accelerationindex，AI)α为发电机i的角加速度相对于风电场j的功率变化，即：

式中α_i为同步机组i的转子角加速度；M_i为同步机组i的惯性时间常数；P_gi(k)为第k个仿真时刻同步机组i的输出电磁功率；P_wj(k)为第k个仿真时刻风电场j的输出电磁功率。

考察风电场j的所有AI，选择其中的最大值作为基准值对所有AI进行标幺化：

选择w_i,j>0.5pu的同步机组作为风电场j的可控机组，所有可控同步机组构成了风电场j的可控机群，记为N_j。

若某一风电场存在多台可控机组，通过式(3)将可控机群聚合为一台等效可控机组(equivalent controllable generator,ECG):

式中δ_i为发电机i的功角；δ_is为发电机i的稳态功角；ω_i为发电机机组i的转速；δ_ej为风电场j的等效可控机组ECG的功角；δ_ejs为风电场j的等效可控机组ECG的稳态功角；ω_ej为风电场j的等效可控机组ECG的转差。

进而将风电场j的CGC聚合为ECG，ECG的模型如式(4)所示：

式中Δδ_ej＝δ_ej-δ_ejs为ECG功角差；Δω_ej＝ω_ej-1为等效可控机组ECG转速差；M_i为发电机组的惯性时间常数。

本发明将风电场等效可控机群内的同步机组按AI加权聚合为等效可控机组ECG。该变换同时兼顾风电场对不同同步机组的可控能力，同时还可以准确反映各同步机组的暂态信息。

步骤2所述将风电场和其相应的等效可控机组建立成一个串级系统，具体实现方式为：

由于本发明主要考虑含风电接入的系统同步稳定性，则风电机组的详细动态特性可以忽略。将风电机组等效为1阶惯性环节的方法如下：

式中ΔP_w,j为风电场j的调制量；P_ref,j是风电场输出电磁功率参考值；P_w,j是风电场输出电磁功率；u_w,j为风电场附加稳定控制；T_j是未知的风电场等效控制时间常数，用来模拟从风电场功率附加控制量经风电机组内部的功率控制环节到风电场电磁功率输出环节之间的等效时间常数，其数值随风电机组运行状态变化而不同。

根据步骤1的式(4)和式(5)，含m座风电场及其等效可控机组ECG的系统可以表示为：

令

则系统式(6)可以重写如下：

由式(8)，含风电场j接入的电力系统可以表示为一个串级系统，如图2所示。

通过选择风电场j的虚拟控制量v_j＝f_j+bΔP_w,j，将系统转化为一个由标准二阶串联积分子系统和一阶可控系统串联构成的系统。第一子系统由标准二阶积分环节构成，第二子系统为一个带有扰动项的一阶可控积分环节。

所述步骤3利用时间最优控制给出第一子系统的参考控制律，利用线性自抗扰控制设计第二子系统的附加控制律，具体实现方式为：

传统TOC控制在开关线两侧和原点存在“颤振”，严重影响控制品质。本发明采用改进时间最优控制，主要通过在最速开关线两侧设置如式(10)所示的回滞带(hysteresis band,HB)以解决开关线两侧的颤振问题，在原点附近的一个小区域(如式(11)所示)内切换为连续控制以抑制原点附近的颤振。TOC控制相平面见附图3。假设v_-≤v_j≤v₊，v_-<0,v₊>0，本发明使用的改进TOC控制律如下：

假设虚拟控制量v_j满足v_-≤v_j≤v₊，负向极值v_-<0,正向极值v₊>0，则(9)式中Ω-为第一正向边距和第二负向边距所围成的负向区域，Ω为线性控制区域，Ω+为第一负向边距和第二正向边距所围成的正向区域；

(9)式中的回滞带HB可以描述为：

式中γ_1,j>0，γ_2,j>0，ε_0,j>0。

式中χ>0，其数值决定了HB的宽度。

本发明的第一子系统可以表示如下：

式中v_j为风电场j的虚拟控制量，其表示如下：

式(12)为标准二阶串联积分系统，利用改进TOC给出其参考控制律。

线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)是由线性环节实现的自抗扰控制，其通过将影响被控输出的总扰动扩张成一个新的状态变量，然后利用线性扩张状态观测器(linear extended state observer,LESO)对系统状态变量和总扰动进行观测，根据观测的总扰动和系统状态变量设计线性状态误差反馈控制律。

本发明将LADRC引入到第二子系统的控制律设计中，以实现虚拟控制量v_j对参考虚拟控制律v_ref,j的快速跟踪。

本发明所构造的LESO如下：

式中l_j1，l_j2为观测器的第一、第二反馈系数，可以采用带宽法设置：

式中ω_0,j为LESO的观测带宽。

令z_j＝v_j-v_ref,j，则

针对式(16)，定义扩张状态变量：

式中b_j为正实数。

ψ_j包含了系统中所有影响等效可控机组功角差的所有因素，将ψi扩张成为一个新的状态变量，并带入式(16)可得：

根据观测的状态量，设计如下控制律：

式中c_j为状态反馈系数，决定了虚拟控制量v_j追踪时间最优控制参考控制律v_ref,j的速度。

对于步骤3中故障后ECG的稳态功角实时逼近，本发明采用以下方法计算：

子系统1的状态方程为：

式(20)需要CGC中同步机组的功角和转速差信息。可以通过将ECG的转角差Δδ_j送入3阶跟踪微分器即可同时获得其1阶导数(转速差Δω_j)和2阶导数(转子角加速度v_j)信号。因此，控制器只需测量和传输风电场CGC中同步机组的暂态功角信息即可。

如果任一时刻t系统中所有同步机组的输入机械功率与输出电磁功率相等，即系统中所有同步机组都处于各自的动态平衡状态，那么该系统是全局稳定的。本发明实时监测风电场ECG的转子角加速度v_j。当监测到虚拟控制量v_j＝0，则记录下该时刻的功角数值。考虑到前后两个稳态功角数值，后一个功角较前一个功角更接近系统的故障后的稳态功角，本发明利用加权逐步逼近的方法确定可控机组故障后的稳态功角。引入权重系数向量W：

式中W＝[wt_1,j,wt_2,j]，δ_es＝[δ_ejs(k-1),δ_ejs(k)]，δ_ejs(k-1)和δ_ejs(k)为先后两次监测获得的功角。

上述实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。