一种基于双层模型预测控制的双馈风机调压方法与流程

本发明涉及一种基于双层模型预测控制的双馈风机调压方法，尤其是涉及一种考虑有功-无功协同控制的基于双层模型预测控制的双馈风机调压方法。

背景技术：

随着风力发电技术的不断深入和风电场规模的不断扩大，风力发电的波动性和不确定性对系统的运行产生了很大的影响，同时也给系统电压稳定性带来了技术挑战。由于许多大型风场远离于受端电网，形成风场弱接入电网的现状，在弱接入场景下风场功率的间歇性容易引起相当大的电压波动。此外，电网扰动也可能导致风力发电机组的连锁跳闸。因此，现代风场并网需要满足更严格的电压支撑技术要求。

传统的风机控制采用d/q轴解耦的方式分别控制有功功率和无功功率，然而，考虑到风场通过长馈线接入电网，其x/r比较低，风电机组的无功功率和有功功率的变化对并网点电压变化都有显著的影响。因此，将风电机组的有功功率与无功功率控制相协调，通过主动调节有功功率与无功功率来改善风电机组的电压控制具有客观的应用前景。

近年来，模型预测控制以其鲁棒性和适用于协调控制而受到越来越多的关注。它基于滚动优化原理，实现有限补偿内的最优控制。当前已有相关研究基于模型预测控制方法解决风场并网点电压控制问题，但是大多没有考虑到风机自身控制动态的影响。为充分利用风机的主动控制能力和模型预测控制的特点，本发明公开了一种基于双层模型预测控制的双馈风机调压方法。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种基于双层模型预测控制的双馈风机调压方法，为双馈风机参与调压以及双馈风机电压穿越控制器设计提供技术支撑。

本发明的技术方案采用如下步骤：

1)建立双层模型预测控制框架，基于系统频率、风机并网点电压和双馈风机转子内环的动态，建立系统频率电压响应及风机转子内环的预测模型；

2)对于上层风场模型预测控制器，设计并求解正常及紧急工况下相应的优化问题以实现并网点电压的稳定，得到风场有功与无功功率的参考值；

3)对于下层双馈风机转子侧模型预测控制器，设计并求解相应的优化问题使得转子侧电流参考值与实际值误差最小，以实现上层功率参考指令的有效跟踪。

上述技术方案中，所述的步骤1)以图1所示的含风场的送端交流系统为例，建立双层模型预测控制框架如图2所示，其中上层风场模型预测控制器以调节系统频率及并网点电压为控制目标，计算正常及紧急工况下的有功无功参考值，下层双馈风机转子侧控制器以转子电流与参考值偏差最小为控制目标，实现上层功率指令的准确跟踪。

在上述双层模型预测控制框架基础上，基于系统频率、风机并网点电压和双馈风机转子内环的动态，分别建立系统频率电压响应及风机转子内环的预测模型。

(1)系统频率动态建模

当系统存在功率不平衡时，送端交流电网频率与标称值存在偏差。送端交流电网频率动态可用以下线性动态方程来描述：

其中f/fn是送端交流电网瞬时/标称频率，h是系统惯量，df是系统频率阻尼系数，pg/pwf是火电/风电机组有功出力，pl是电网有功负荷，pln是电网标称负荷。

(2)并网点电压动态建模

风机并网点电压取决于pwf,qwf,pl,ql,qc，可以用如下式子表示：

其中a＝1，b＝2(ql-qwf-qc)xe-3，c＝[(pl-pwf)xe+1]²+[(ql-qwf-qc)xe-1]²。qwf是风场无功功率出力，ql是并网点无功负荷，qc是高压直流输电换流站的无功补偿量，xe是送端交流系统等效电抗。

从系统角度来看，风场功率输出的动态特性可用以下一阶函数来描述：

s是拉普拉斯算子、twp是有功控制惯性时间常数、twq是无功控制惯性时间常数、是风机有功功率参考值、是风机无功功率参考值；(3)双馈风机转子侧换流器内环动态建模

只考虑与下层模型预测控制相关的双馈风机转子侧换流器内环动态，其dq轴动态可以用如下式描述

其中lr/ls/lm是转子电感/定子电感/定转子互感，ird/irq是转子d/q-轴电流分量，rr是转子绕组电阻，ωr/ω转子/电网角频率，是漏磁系数，ωslip＝ω-ωr滑差角频率，urd/urq转子电压d/q轴分量。

通过转子侧换流器触发脉冲的控制可以实现转子d/q轴电压分量的控制，因此urd和urq可以用下式描述：

[urd,urq]^t＝tptovrabc(srsc)

其中srsc＝[sra,srb,src]^t是转子侧换流器开关切换状态，tp和to表示派克变换和克拉克变换，vrabc是转子侧换流器线电压，vc1/vc2是双馈风机直流侧电压，ura、urb、urc分别是转子侧换流器a、b、c三相三相相电压。

对上述动态模型在平衡点处线性化，得到如下系统频率电压响应预测模型和双馈风机转子侧换流器内环预测模型：

其中，k表示当前时刻，δ表示变化量，tt、tb分别是频率、转子电流采样时间间隔。

所述的步骤2)对于上层风场模型预测控制器，设计并求解正常及紧急工况下相应的优化问题以实现并网点电压的稳定，得到风场有功与无功功率的参考值，具体描述为：

在上层风场模型预测控制中，对正常及紧急工况下进行优化问题的设计和求解。

(1)正常工况模式

当并网点电压波动在阈值范围内，即|vs-vs^ref|≤vs^th时，风场模型预测控制器工作于正常工况模式，此模式下的优化目标是满足系统运行对电压支撑的要求，同时保证系统频率稳定性，从而使系统频率与并网点电压与其参考值间的偏差最小，目标函数描述如下：

其中np是预测及控制步长，wf/wv为权重系数，vs^ref是并网点参考电压，vs^th是控制模式切换电压阈值。

该模式下的约束条件包括风场出力约束、系统频率及并网点电压约束，描述如下：

(2)紧急工况模式

当并网点电压波动在阈值范围外，即|vs-vs^ref|＞vs^th时，风场模型预测控制器工作于紧急工况模式，此模式下的优化目标是控制并网点电压在约束范围以内，以避免潜在的连锁故障，因此电压控制是首要任务，目标函数描述如下：

该模式下的约束条件与正常工况模式下的约束条件一致。

所述的步骤3)对于下层双馈风机转子侧模型预测控制器，设计并求解相应的优化问题使得转子侧电流参考值与实际值误差最小，以实现上层功率参考指令的有效跟踪，具体描述为：

在下层双馈风机转子侧换流器模型预测控制中，以转子侧电流参考值与实际值误差最小为优化目标，实现上层功率参考的精准跟踪，设计目标函数如下：

其中是基于定子电压定向控制及上层功率指令的转子d/q轴电流参考值，wird和wirq是权重系数，usd是定风机定子d轴电压；

下层双馈风机转子侧换流器模型预测控制的约束条件包括转子电流及电压约束：

本发明的有益效果是：

该发明旨在通过双层模型预测控制策略使得风场参与并网点电压调节，在正常及紧急工况下及时响应并网点电压变化，进而提高风场电压可控性和系统电压稳定性。该控制策略可以为双馈风机参与调压以及双馈风机电压穿越控制器设计提供技术支撑。

附图说明

图1送端含风场交流电网示意图。

图2双层模型预测控制框架。

图3风电场送出系统示意图。

图4正常工况下并网点电压响应及风场有功出力变化。

图5紧急工况下并网点电压响应及风场有功出力变化。

具体实施方式

下面结合附图及具体实例对本发明作进一步详细说明。

本发明方法包括以下步骤：

1)建立双层模型预测控制框架，基于系统频率、风机并网点电压和双馈风机转子内环的动态，建立系统频率电压响应及风机转子内环的预测模型；

2)对于上层风场模型预测控制器，设计并求解正常及紧急工况下相应的优化问题以实现并网点电压的稳定，得到风场有功与无功功率的参考值；

3)对于下层双馈风机转子侧模型预测控制器，设计并求解相应的优化问题使得转子侧电流参考值与实际值误差最小，以实现上层功率参考指令的有效跟踪。

所述的步骤1)以图1所示的含风场的送端交流系统为例，建立双层模型预测控制框架如图2所示，其中上层风场模型预测控制器以调节系统频率及并网点电压为控制目标，计算正常及紧急工况下的有功无功参考值，下层双馈风机转子侧控制器以转子电流与参考值偏差最小为控制目标，实现上层功率指令的准确跟踪。

在上述双层模型预测控制框架基础上，基于系统频率、风机并网点电压和双馈风机转子内环的动态，分别建立系统频率电压响应及风机转子内环的预测模型。

(1)系统频率动态建模

当系统存在功率不平衡时，送端交流电网频率与标称值存在偏差。送端交流电网频率动态可用以下线性动态方程来描述：

其中f/fn是送端交流电网瞬时/标称频率，h是系统惯量，df是系统频率阻尼系数，pg/pwf是火电/风电机组有功出力，pl是电网有功负荷，pln是电网标称负荷。

(2)并网点电压动态建模

风机并网点电压取决于pwf,qwf,pl,ql,qc，可以用如下式子表示：

其中a＝1，b＝2(ql-qwf-qc)xe-3，c＝[(pl-pwf)xe+1]²+[(ql-qwf-qc)xe-1]²。qwf是风场无功功率出力，ql是并网点无功负荷，qc是高压直流输电换流站的无功补偿量，δ表示变化量。

从系统角度来看，风场功率输出的动态特性可用以下一阶函数来描述：

(3)双馈风机转子侧换流器内环动态建模

只考虑与下层模型预测控制相关的双馈风机转子侧换流器内环动态，其dq轴动态可以用如下式描述

其中lr/ls/lm是转子电感/定子电感/定转子互感，ird/irq是转子d/q-轴电流分量，rr是转子绕组电阻，ωr/ω转子/电网角频率，是漏磁系数，ωslip＝ω-ωr滑差角频率，urd/urq转子电压d/q轴分量。

通过转子侧换流器触发脉冲的控制可以实现转子d/q轴电压分量的控制，因此urd和urq可以用下式描述：

[urd,urq]^t＝tptovrabc(srsc)

其中srsc＝[sra,srb,src]^t是转子侧换流器开关切换状态，tp和to表示派克变换和克拉克变换，vrabc是转子侧换流器线电压，vc1/vc2是双馈风机直流侧电压。

对上述动态模型在平衡点处线性化，得到如下系统频率电压响应预测模型和双馈风机转子侧换流器内环预测模型：

所述的步骤2)对于上层风场模型预测控制器，设计并求解正常及紧急工况下相应的优化问题以实现并网点电压的稳定，得到风场有功与无功功率的参考值，具体描述为：

在上层风场模型预测控制中，对正常及紧急工况下进行优化问题的设计和求解。

(1)正常工况模式

当并网点电压波动在阈值范围内，即|vs-vs^ref|≤vs^th时，风场模型预测控制器工作于正常工况模式，此模式下的优化目标是满足系统运行对电压支撑的要求，同时保证系统频率稳定性，从而使系统频率与并网点电压与其参考值间的偏差最小，目标函数描述如下：

其中np是预测及控制步长，wf/wv为权重系数，vs^ref是并网点参考电压。

该模式下的约束条件包括风场出力约束、系统频率及并网点电压约束，描述如下：

(2)紧急工况模式

当并网点电压波动在阈值范围外，即|vs-vs^ref|＞vs^th时，风场模型预测控制器工作于紧急工况模式，此模式下的优化目标是控制并网点电压在约束范围以内，以避免潜在的连锁故障，因此电压控制是首要任务，目标函数描述如下：

该模式下的约束条件与正常工况模式下的约束条件一致。

所述的步骤3)对于下层双馈风机转子侧模型预测控制器，设计并求解相应的优化问题使得转子侧电流参考值与实际值误差最小，以实现上层功率参考指令的有效跟踪，具体描述为：

在下层双馈风机转子侧换流器模型预测控制中，以转子侧电流参考值与实际值误差最小为优化目标，实现上层功率参考的精准跟踪，设计目标函数如下：

其中是基于定子电压定向控制及上层功率指令的转子d/q轴电流参考值，wird和wirq是权重系数，

下层双馈风机转子侧换流器模型预测控制的约束条件包括转子电流及电压约束：

采用本发明分析方法可以得出以下结论：1)在风场弱接入电网场景下，有必要考虑风场有功出力变化对并网点电压的影响；2)在正常及紧急工况下，所提的控制策略均能将风场并网点电压控制在阈值范围内，实现双馈风机的高电压穿越；3)采用有功-无功协同控制的双层模型预测控制，可以在紧急工况下通过短时减少风场有功出力来临时增加风场的无功容量，实现风场并网点电压的支撑。

本发明的具体实施例如下：

我们针对所提控制策略，采用图3所示的风电场送出系统进行验证。其中，系统参数及控制器参数见表1和表2。

表1仿真系数参数

表2模型预测控制参数对以下两个场景进行仿真验证：1)在t＝1s时，直流传输功率减少200mw；2)在t＝1s时，直流发生闭锁，直流传输功率为0。仿真比较了两种场景下所提控制策略与没有无功控制下的单位功率因数控制方法的风场并网点电压响应及有功出力变化，仿真结果如图4，图5所示。从图4可以看出：1)在风场弱接入电网场景下，风场有功出力变化的确对并网点电压产生了一定的影响；2)在所提控制下，并网点电压能够有效控制在阈值范围内。从图5可以看出：1)在紧急工况下，所提的控制策略均能将风场并网点电压控制在1.3p.u.内，实现双馈风机的高电压穿越；2)采用有功-无功协同控制的双层模型预测控制，可以在紧急工况下通过短时减少风场有功出力来临时增加风场的无功容量，实现风场并网点电压的支撑。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。