一种适应新能源随机波动性的阻尼控制方法与流程

本发明涉及电力系统
技术领域：
，特别是涉及适应新能源随机波动性的阻尼控制方法。
背景技术：
：在全球气候变暖及化石能源日益枯竭的大背景下，可再生能源开发利用日益受到国际社会的重视，大力发展新型可再生能源势在必行。近年来，光伏电站和风电场成为大规模接入电网最常见的新能源形式，光伏发电和风力发电在我国得到了快速发展，装机容量与日俱增。截至2016年底，我国光伏累计装机容量达到7742万kw，发电量占全年总发电量的1％；风电累计装机容量位列世界第一，预计到2020年，风电装机容量将至少达到1.5亿kw。但新能源的接入一定程度上改变了电网的动态特性以及运行特性，对系统稳定性具有一定的影响。风能等一次能源的随机波动性决定了风电输出功率的随机波动性，随着风电并网规模的不断扩大，系统的随机性、波动性表现得更为剧烈，系统运行点的随机漂移现象日益突出。在我国远距离大规模输送模式下，大规模的风电接入对电网稳定性的影响将进一步暴露和恶化，系统稳定性面临着前所未有的挑战。传统电力系统控制器的设计都是在典型运行工况下，即系统元件参数、运行条件及干扰方式已给定的情况下进行。由于风电具有间歇性和强随机波动性，新能源电力系统运行点在运行空间中发生随机漂移的行为，使得基于典型运行工况设计的传统控制器表现出适应性明显不足的缺陷，难以对风电并网系统的随机漂移行为进行有效跟踪，从而难以进行有效阻尼。因此希望有一种适应新能源随机波动性的阻尼控制方法能够解决现有技术中存在的问题。技术实现要素：本发明公开了适应新能源随机波动性的阻尼控制方法,所述控制方法包括以下步骤：步骤一：建立新能源电力系统的线性变参数系统模型；步骤二：将线性变参数系统模型用多胞型表示；步骤三：利用混合h2/h∞控制对各顶点系统求解状态反馈矩阵；步骤四：根据顶点设计的反馈矩阵变增益形成自适应阻尼控制器。优选地，所述步骤一基于雅克比线性化法将运行点随机漂移行为的电力系统非线性模型转化为所述线性变参数系统。优选地,所述线性变参数(lpv)系统的状态空间矩阵元素依赖于连续时变参数向量ρ(t)，参数向量ρ(t)的变化通过在线测量获得，其变化范围有界且确定。优选地,用于多目标h2/h∞控制问题的所述线性变参数(lpv)系统由状态空间方程表示为公式(1)：式中：x为电力系统状态向量；u为控制输入向量；w为外部扰动输入向量，根据系统扰动选取；z∞和z2分别表示与h∞和h2性能指标相关的输出向量；a为系统状态矩阵，b1为扰动增益矩阵；b2为控制输入矩阵；c∞，d∞1和d∞2分别为与h∞性能指标相关状态变量，扰动输入和控制输入的系数矩阵；c2，d21和d22分别为与h2性能指标相关状态变量，扰动输入和控制输入的系数矩阵。优选地,在所述步骤二中，如果所述线性变参数(lpv)系统的变参数ρ中有m个参数变量，则对应的多胞型线性变参数系统具有n＝2m个顶点，系统的变参数ρ在多胞型的n个相关的顶点bk,k＝1,2,…,n内不断变化，即变参数ρ满足公式(2)：所述线性变参数系统的状态空间矩阵也在n个相关顶点的多胞型矩阵内根据公式(3)变化：利用凸分解技术，顶点系统矩阵的凸组合通过改变系数αk与实际系统矩阵进行逼近，顶点系统矩阵的凸组合与实际系统矩阵的误差由两者矩阵之差l2范数衡量，如公式(4)所示：αk从0变化到1，步长为0.01，通过遍历计算，选择ξ最小时的系数αk来表示实际系统矩阵，则多胞型线性变参数系统的状态空间矩阵由公式(5)表示：优选地,在所述步骤三中，当参数ρ确定时，所述线性变参数系统转变为线性时不变系统，如公式(6)所示：采用状态反馈设计控制器，将状态反馈规律u＝kx代入开环系统模型公式(6)，得到闭环系统模型公式(7)：式中：ac＝a+b2k；c∞c＝c∞+d∞2k；c2c＝c2+d2k；引入正定矩阵x，对称矩阵q和变量替换y＝kx，满足系统h∞性能、h2性能和区域极点配置的多目标控制问题，通过求解公式(8)的线性不等式解决：式中：l，m，γ，γ0，η0，μ和β是为满足不同设计目标而给定的参数；为kronecker乘积；多胞型线性变参数系统的顶点为线性时不变系统，将各顶点代入公式(8)求得n个顶点的状态反馈矩阵kk,k＝1,2,…,n。本发明提出了一种适应新能源随机波动性的阻尼控制方法,本发明选取风机的有功功率作为变参数向量，建立电力系统线性变参数系统模型并利用多胞型表示；基于混合h2/h∞控制方法利用线性矩阵不等式求解各个顶点状态反馈矩阵，得到具有多胞型结构的次同步振荡自适应阻尼控制器。本发明基于多胞型线性变参数系统的自适应阻尼控制器在风电功率在较大范围内变化的情况下能够为系统次同步振荡模式提供足够的阻尼。附图说明图1为本发明适应新能源随机波动性的阻尼控制方法流程图；图2为本发明实施例中四机两区系统的系统结构示意图；图3为本发明实施例中双馈风机有功功率示意图。具体实施方式为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1所示，本发明一种适应新能源随机波动性的阻尼控制方法包括如下步骤：a.建立新能源电力系统的线性变参数系统模型；b.将线性变参数系统模型用多胞型表示；c.利用混合h2/h∞控制对各顶点系统求解状态反馈矩阵；d.根据顶点设计的反馈矩阵变增益形成自适应阻尼控制器。基于雅克比线性化法可将考虑运行点随机漂移行为的电力系统非线性模型转化为线性变参数系统。线性变参数系统是指这样一类系统，其状态空间矩阵元素依赖于连续时变参数向量ρ(t)。参数向量ρ(t)的变化可以通过在线测量获得，并且其变化范围有界且可以确定。用于多目标h2/h∞控制问题的lpv系统可以由状态空间方程表示：式中：x为风电系统状态向量，u为控制输入向量；w为外部扰动输入向量，根据系统扰动选取；z∞和z2分别表示与h∞和h2性能指标相关的输出向量；a为系统状态矩阵，b1为扰动增益矩阵；b2为控制输入矩阵；c∞，d∞1和d∞2分别为与h∞性能指标相关状态变量，扰动输入和控制输入的系数矩阵；c2，d21和d22分别为与h2性能指标相关状态变量，扰动输入和控制输入的系数矩阵。如果lpv系统的变参数ρ中有m个参数变量，则对应的多胞型lpv系统具有n＝2m个顶点，系统的变参数ρ是在多胞型的n个相关的顶点bk,k＝1,2,,n内不断变化，即变参数ρ满足：同时lpv系统的状态空间矩阵也在n个相关的顶点的多胞型矩阵内变化：进一步利用凸分解技术，顶点系统矩阵的凸组合可以通过改变系数αk与实际系统矩阵进行逼近，顶点系统矩阵的凸组合与实际系统矩阵的误差可由两者矩阵之差l2范数衡量，如式(4)所示。令αk从0变化到1，步长为0.01，通过遍历计算，选择ξ最小时的系数αk来表示实际系统矩阵。则多胞型lpv系统的状态空间矩阵可由式(5)表示。当参数ρ确定时，lpv系统转变为线性时不变系统：采用状态反馈设计控制器，将状态反馈规律u＝kx代入开环系统模型式(6)，得到闭环系统模型：式中：ac＝a+b2k；c∞c＝c∞+d∞2k；c2c＝c2+d2k。引入正定矩阵x，对称矩阵q和变量替换y＝kx，满足系统h∞性能，h2性能和区域极点配置的多目标控制问题可以通过求解以下线性不等式解决：式中：l，m，γ，γ0，η0，μ和β是为满足不同设计目标而给定的参数；为kronecker乘积。多胞型lpv系统的顶点为线性时不变系统，将各顶点代入式(8)可求得n个顶点的状态反馈矩阵kk,k＝1,2,…,n。与lpv模型的凸分解结构相似，以顶点状态反馈矩阵kk,k＝1,2,…,n作为多胞型lpv控制器的n个顶点，在多胞型的任意位置ρ，利用鲁棒变增益的思想和lpv的多胞模型系统凸集的特点，得到具有全局特性的状态反馈矩阵k：实施例2：如图2所示，在4机2区测试系统中接入两台双馈风机(dfig)。两台dfig初始输出有功功率均为0.3p.u.，在测试系统上进行小干扰稳定分析，主要振荡模式如表1所示。从该表中可以看出，模式1-4是次同步振荡模式，阻尼比较小，容易发生次同步振荡。模式4-7是低频振荡模式，阻尼性能较好。表1系统振荡模式模式特征根振荡频率/hz阻尼比1-0.3611±119.7502j19.060.00302-0.2848±107.5388j17.120.00263-0.1982±90.3861j14.390.00224-0.3034±74.8455j11.910.00415-3.9387±12.8940j2.050.29216-4.1875±11.8834j1.890.33247-4.0214±4.5343j0.720.6635阻尼控制器设计：选取可反映系统运行点随机漂移行为的时变参数向量为两台dfig的输出有功功率。根据系统运行条件设定两台dfig有功功率随机波动范围均为0.3p.u.到0.6p.u.。建立风电系统所对应的多胞型lpv模型。测试系统时变参数向量的元素个数为2，因此多胞型lpv系统的顶点个数为4。顶点1的dfig有功功率均为0.3p.u.；顶点2中dfig1的有功功率为0.3p.u.，dfig2的有功功率为0.6p.u.；顶点3中dfig1的有功功率为0.6p.u.，dfig2的有功功率为0.3p.u.；顶点4的dfig有功功率均为0.6p.u.；将阻尼控制器控制信号附加在风机转子侧变流器的无功功率控制和有功功率控制上。综合考虑h∞性能和h2性能，利用混合h2/h∞控制设计方法求解顶点的状态反馈矩阵。根据系统实际运行点求出系数αk和各个顶点的状态反馈矩阵后，利用式(9)即可得到系统自适应阻尼控制器。在实际电力系统中，一般无法得到系统全部状态变量的测量值，因此设计状态观测器完成对系统状态变量的估计。状态观测器仿照实际系统的线性化模型结构，设计一个相同的系统来观测状态变量。阻尼效果分析：在测试系统中dfig1有功功率为0.36p.u.，dfig2有功功率为0.53p.u.的情况下设计阻尼控制器。该运行点参数向量记为[0.360.53]，求解系数向量α为[0.040.760.20]。引入状态反馈前后系统的次同步振荡特征值如表2所示。从表2中可以看出，阻尼控制器提高了系统次同步振荡模式的阻尼比。闭环系统的次同步振荡模式阻尼比均大于0.1，控制器满足设计要求。表2开环系统与闭环系统sso特征值为了进一步证明所提出的自适应阻尼控制器的有效性，进行时域仿真。在1s时，每台dfig的有功参考功率叠加5％的扰动，0.02s后扰动清除。如图3表示采用自适应控制器和未加控制器的dfig有功功率时域仿真曲线。虚线和实线分别代表未采用控制器和采用自适应控制器的dfig时域仿真曲线。可以看出，在自适应阻尼控制器投入使用后，有功功率很快衰减完毕，系统恢复稳定运行的速度更快。最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。当前第1页1 2 3