[發(fā)明專利]一種基于雙層模型預測控制的雙饋風機調(diào)壓方法

有效

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• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111244966B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發(fā)明（設計）人: 李丹丹;張愛軍;汪震;周昌平;邢華棟;劉石川
• 申請（專利權）人: 內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司內(nèi)蒙古電力科學研究院分公司;浙江大學
• 主分類號: H02J3/16
• 分類號: H02J3/16;H02J3/38;H02P9/10;H02P101/15
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 萬尾甜;韓介梅

1.一種基于雙層模型預測控制的雙饋風機調(diào)壓方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)建立雙層模型預測控制框架，包括以調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率及并網(wǎng)點電壓為控制目標的上層風場模型預測控制器和以轉(zhuǎn)子電流與參考值偏差最小為控制目標的下層雙饋風機轉(zhuǎn)子側(cè)模型預測控制器，基于系統(tǒng)頻率、風機并網(wǎng)點電壓和雙饋風機轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)的動態(tài)，建立系統(tǒng)頻率電壓響應及風機轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)的預測模型；

2)對于上層風場模型預測控制器，設計并求解正常及緊急工況下相應的優(yōu)化問題以實現(xiàn)并網(wǎng)點電壓的穩(wěn)定，得到風場有功與無功功率的參考值；

3)對于下層雙饋風機轉(zhuǎn)子側(cè)模型預測控制器，設計并求解相應的優(yōu)化問題使得轉(zhuǎn)子側(cè)電流參考值與實際值誤差最小，以實現(xiàn)上層功率參考指令的有效跟蹤；

步驟1)中，在雙層模型預測控制框架基礎上，基于系統(tǒng)頻率、風機并網(wǎng)點電壓和雙饋風機轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)的動態(tài)，分別建立系統(tǒng)頻率電壓響應及風機轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)的預測模型；具體為：

(1)系統(tǒng)頻率動態(tài)建模

當系統(tǒng)存在功率不平衡時，送端交流電網(wǎng)頻率與標稱值存在偏差；送端交流電網(wǎng)頻率動態(tài)用以下線性動態(tài)方程來描述：

其中f/f_n是送端交流電網(wǎng)瞬時/標稱頻率，H是系統(tǒng)慣量，D_f是系統(tǒng)頻率阻尼系數(shù)，P_G/P_WF是火電/風電機組有功出力，P_L是電網(wǎng)有功負荷，P_LN是電網(wǎng)標稱負荷；

(2)并網(wǎng)點電壓動態(tài)建模

風機并網(wǎng)點電壓用如下式子表示：

其中a＝1，b＝2(Q_L-Q_WF-Q_C)X_e-3，c＝[(P_L-P_WF)X_e+1]²+[(Q_L-Q_WF-Q_C)X_e-1]²；Q_WF是風場無功功率出力，Q_L是并網(wǎng)點無功負荷，Q_C是高壓直流輸電換流站的無功補償量，X_e是送端交流系統(tǒng)等效電抗；

從系統(tǒng)角度來看，風場功率輸出的動態(tài)特性用以下一階函數(shù)來描述：

s是拉普拉斯算子、T_WP是有功控制慣性時間常數(shù)、T_WQ是無功控制慣性時間常數(shù)、是風機有功功率參考值、是風機無功功率參考值；(3)雙饋風機轉(zhuǎn)子側(cè)換流器內(nèi)環(huán)動態(tài)建模

只考慮與下層模型預測控制相關的雙饋風機轉(zhuǎn)子側(cè)換流器內(nèi)環(huán)動態(tài)，其dq軸動態(tài)可以用如下式描述

其中L_r/L_s/L_m是轉(zhuǎn)子電感/定子電感/定轉(zhuǎn)子互感，i_rd/i_rq是轉(zhuǎn)子d/q-軸電流分量，R_r是轉(zhuǎn)子繞組電阻，ω_r/ω轉(zhuǎn)子/電網(wǎng)角頻率，是漏磁系數(shù)，ω_slip＝ω-ω_r滑差角頻率，u_rd/u_rq轉(zhuǎn)子電壓d/q軸分量；

通過轉(zhuǎn)子側(cè)換流器觸發(fā)脈沖的控制可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子d/q軸電壓分量的控制，因此u_rd和u_rq可以用下式描述：

[u_rd,u_rq]^T＝T_pT_oV_rabc(S_RSC)

其中S_RSC＝[S_Ra,S_Rb,S_Rc]^T是轉(zhuǎn)子側(cè)換流器a、b、c三相開關切換狀態(tài)，T_p和T_o表示派克變換和克拉克變換，V_rabc是轉(zhuǎn)子側(cè)換流器線電壓，V_c1/V_c2是雙饋風機直流側(cè)電壓，u_ra、u_rb、u_rc分別是轉(zhuǎn)子側(cè)換流器a、b、c三相三相相電壓；

對上述動態(tài)模型在平衡點處線性化，得到如下系統(tǒng)頻率電壓響應預測模型和雙饋風機轉(zhuǎn)子側(cè)換流器內(nèi)環(huán)預測模型：

k表示當前時刻，Δ表示變化量，T_T、T_B分別是頻率、轉(zhuǎn)子電流采樣時間間隔；

所述的步驟2)對于上層風場模型預測控制器，設計并求解正常及緊急工況下相應的優(yōu)化問題以實現(xiàn)并網(wǎng)點電壓的穩(wěn)定，得到風場有功與無功功率的參考值，具體為：

在上層風場模型預測控制中，對正常及緊急工況下進行優(yōu)化問題的設計和求解：

(1)正常工況模式

當并網(wǎng)點電壓波動在閾值范圍內(nèi)，即時，風場模型預測控制器工作于正常工況模式，此模式下的優(yōu)化目標是滿足系統(tǒng)運行對電壓支撐的要求，同時保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性，從而使系統(tǒng)頻率與并網(wǎng)點電壓與其參考值間的偏差最小，目標函數(shù)描述如下：

其中N_p是預測及控制步長，w_f、w_V均為權重系數(shù)，是并網(wǎng)點參考電壓，是控制模式切換電壓閾值；

該模式下的約束條件包括風場出力約束、系統(tǒng)頻率及并網(wǎng)點電壓約束，描述如下：

(2)緊急工況模式

當并網(wǎng)點電壓波動在閾值范圍外，即時，風場模型預測控制器工作于緊急工況模式，此模式下的優(yōu)化目標是控制并網(wǎng)點電壓在約束范圍以內(nèi)，以避免潛在的連鎖故障，因此電壓控制是首要任務，目標函數(shù)描述如下：

該模式下的約束條件與正常工況模式下的約束條件一致；

所述的步驟3)對于下層雙饋風機轉(zhuǎn)子側(cè)模型預測控制器，設計并求解相應的優(yōu)化問題使得轉(zhuǎn)子側(cè)電流參考值與實際值誤差最小，以實現(xiàn)上層功率參考指令的有效跟蹤，具體為：

在下層雙饋風機轉(zhuǎn)子側(cè)換流器模型預測控制中，以轉(zhuǎn)子側(cè)電流參考值與實際值誤差最小為優(yōu)化目標，實現(xiàn)上層功率參考的精準跟蹤，設計目標函數(shù)如下：

其中是基于定子電壓定向控制及上層功率指令的轉(zhuǎn)子d/q軸電流參考值，w_ird和w_irq是權重系數(shù)，u_sd是定風機定子d軸電壓；

下層雙饋風機轉(zhuǎn)子側(cè)換流器模型預測控制的約束條件包括轉(zhuǎn)子電流及電壓約束：