一种基于变速风电机组和电动汽车协同调频的鲁棒控制方法及系统与流程

1.本发明属于电力系统技术领域，涉及一种基于变速风电机组和电动汽车协同调频的鲁棒控制方法及系统。


背景技术：

2.风力发电机组出力的大小取决于外界的风能条件，由于风速具有很强的随机性和波动性，这导致风机的输出功率具有极强的冲击性和间歇性，对电力系统的运行控制尤其是频率控制带来新的挑战。然而变速风电机组接入电网会引入功率波动、降低系统惯性，因此系统将面临调频资源不足的问题，迫切需要变速风电机组亦能参与电网的调频控制。
3.类似于传统同步机，当电网的频率波动时，风电机组通过辅助频率控制器响应系统频率变化，给定风电机组输出功率补偿量，补偿系统功率缺额实现频率调整。常用的辅助频率控制方法有(基于风速的)下垂控制和虚拟惯量控制。电网的调频方法包括经典的pi控制和下垂控制，也包括线性二次型调节器(linear quadratic regulator,lqr)、模型预测控制(model predictive control,mpc)和鲁棒控制等前沿控制方法。随着深度学习算法的发展，例如神经网络、模糊逻辑、遗传算法、增强学习等智能算法也被应用于电网的频率调整控制。
4.目前，电网的调频方法中，无法应对风速波动和电网中其他的不确定性对风机调频的不利影响，导致变速风电机组频繁调频动作可能会导致机械疲劳、缩短风机寿命的问题，对风机本身产生不利影响。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中无法应对变速风电机组和电网中的不确定性问题，使得变速风电机组出现频繁的调频动作，可能会导致机械疲劳、缩短风机寿命的问题，提供一种基于变速风电机组和电动汽车协同调频的鲁棒控制方法及系统。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种基于变速风电机组和电动汽车协同调频的鲁棒控制方法，包括以下步骤：
8.s1：基于变速风电机组的发电特征，构建变速风电机组的调频分析动态模型；
9.s2：基于电动汽车充放电站接入的电动汽车数量及电动车的冲放电特性，构建电动汽车充放电站的功率动态模型；
10.s3：基于变速风电机组、电动汽车充放电站和等值同步发电机分别与负荷的供需关系，建立电网的动态功率平衡方程；
11.s4：基于变速风电机组的调频分析动态模型、电动汽车充放电站的功率动态模型和电网的动态功率平衡方程，构建电网的动态频率响应模型；
12.s5：通过鲁棒控制方法，对电网的动态频率响应模型求解，实现系统的调频控制。
13.本发明的进一步改进在于：
14.所述步骤s1包括以下步骤：
15.求解变速风电机组的发电特性模型：
[0016][0017]
其中，ρ表示空气密度；a表示风力机叶片迎风扫掠面积；c
p
(λ,0)表示风能利用系数，其中λ为叶尖速比；vw表示实际风速；pm、pe、c
pref
、ω和ν分别表示风机机械功率、电磁功率、转子角速度、风能利用系数和外界风速的标幺值；pb表示基准功率；h
t
表示风机惯性时间常数；k
p
表示比例系数；k
del
表示减载系数；p
reg
表示用于调节系统频率的补偿功率；
[0018]
所述步骤s1包括以下步骤：
[0019]
进一步，采用小信号分析方法对变速风机的发电特性模型进行线性化，得到：
[0020][0021]
式中，k
λ
为c
pref
对λ的偏导；
[0022]
进一步得到过速减载参与电网调频状态下变速风电机组的小信号模型，即变速风电机组的调频分析动态模型：
[0023][0024]
其中，δp
wtg
表示变速风电机组发出功率。
[0025]
所述步骤s2中，构建电动汽车充放电站的功率动态模型：
[0026][0027]
其中，n表示接入电动汽车的最大数量；δp
ev,i
表示第i辆电动汽车发出有功功率；δp
rev,i
表示第i辆电动汽车接受自控制器的功率参考；εi表示第i辆电动汽车的接入状态信号，当电动汽车接入电网时其值为1，否则为0；soci表示第i辆电动汽车的充放电状态；kev
,i
和tev
,i
分别表示第i辆电动汽车的增益系数和惯性时间常数。
[0028]
所述步骤s3中，建立电网的动态功率平衡方程：
[0029]
δp
dg
+δp
pv
+δp
wtg
＝δp
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0030]
其中，δp
dg
、δp
pv
、δp
wtg
和δp
l
分别表示等值同步发电机、光伏、风机和负荷的功率。
[0031]
所述步骤s4包括以下步骤：
[0032]
通过系统频率偏差与发电功率和负载功率的关系，建立一阶频域方程：
[0033]
δp
dg
(s)+δp
pv
(s)+δp
wtg
(s)-δp
l
(s)＝smδf(s)+dδf(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0034]
式中，m和d分别表示系统的惯性常数与阻尼系数；
[0035]
进一步，基于公式(6)，将其转化为电网的动态频率响应模型：
[0036][0037]
其中，状态变量x＝[δf δp
dg x
g ace δω]
t
；外界扰动d＝[δp
pv δp
l δv]
t
，控制输入u＝δp
reg
，测量输出y＝δf。
[0038]
所述步骤s5中，具体包括以下步骤：
[0039]
根据量测的频率偏差和外界的负荷变化、光伏波动、风速变化等扰动信息，采用鲁棒控制器求解方法，得到变速风电机组、电动汽车充放电站和等值同步发电机的控制输出功率，完成电网的调频控制。
[0040]
一种基于变速风电机组和电动汽车协同调频的鲁棒控制系统，包括变速风电机组模型构建模块、
[0041]
变速风电机组模型构建模块，用于基于变速风电机组的发电特征，构建变速风电机组的调频分析动态模型；
[0042]
电动汽车充放电站的功率动态模型构建模块，用于基于电动汽车充放电站接入的电动汽车数量及电动车的冲放电特性，构建电动汽车充放电站的功率动态模型；
[0043]
电网的动态功率平衡方程构建模块，用于基于变速风电机组、电动汽车充放电站和等值同步发电机分别与负荷的供需关系，建立电网的动态功率平衡方程；
[0044]
电网的动态频率响应模型构建模块，用于基于变速风电机组的调频分析动态模型、电动汽车充放电站的功率动态模型和电网的动态功率平衡方程，构建电网的动态频率响应模型；
[0045]
鲁棒控制模块，用于通过鲁棒控制方法，对电网的动态频率响应模型求解，实现系统的调频控制。
[0046]
一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明任一项所述方法的步骤。
[0047]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明任一项方法的步骤。
[0048]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0049]
本发明公开了一种基于变速风电机组和电动汽车协同调频的鲁棒控制方法，分别通过构建的变速风电机组的调频分析动态模型、电动汽车充放电站的功率动态模型和电网的动态功率平衡方程，建立电网的动态频率响应模型，通过引入电动汽车与变速风电机组协同调频，减少风机桨距角或输出功率的频繁调节以降低其寿命损耗，基于电网的动态频率响应模型与鲁棒控制方法进行调控，能控制不确定因素对电网的影响，本发明具有更优的调频控制鲁棒性，提升了系统频率动态性能，避免变速风电极速出现频繁调频的动作，克服了机械疲劳，延长了风机寿命。
附图说明
[0050]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附
图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0051]
图1是本发明实施例中的变速风电机组和电动汽车协同调频的鲁棒控制方法流程图；
[0052]
图2是本发明实施例中的变速风电机组和水火电协同调频的频率响应示意图；
[0053]
图3是协同调频控制的实施例频率控制效果对比图。
具体实施方式
[0054]
为使本发明实施例的目的、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清楚、完整地描述，显然，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0055]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
[0056]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0057]
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0058]
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0059]
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0060]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0061]
参见图1至3，本发明实施例公开了一种基于变速风电机组和电动汽车协同调频的鲁棒控制方法，可以提高整个电网的频率控制效果，并充分应对变速风电机组和电网中的不确定性问题，并避免变速风电机组频繁的调频动作可能会导致机械疲劳、缩短风机寿命等问题，包括以下步骤：
[0062]
步骤1：根据变速风电机组的发电特性，基于小信号稳定性分析理论，得到变速风电机组的调频分析动态模型；
[0063]
具体地，所述变速风电机组的发电特性是指，
[0064][0065]
式中：ρ为空气密度，单位是kg/m3；a为风力机叶片迎风扫掠面积，单位是m2；c
p
(λ,0)为风能利用系数，其中λ为叶尖速比；vw为实际风速，单位是m/s；pm、pe、c
pref
、ω和ν分别为风机机械功率、电磁功率、转子角速度、风能利用系数和外界风速的标幺值；pb为基准功率；h
t
表示风机惯性时间常数；k
p
为比例系数；k
del
表示减载系数；p
reg
为用于调节系统频率的补偿功率(标幺值)。
[0066]
进一步地，所述基于小信号稳定性分析理论，得到变速风电机组的调频分析动态模型是指，采用小信号分析方法对变速风机的发电特性模型进行线性化，得到：
[0067][0068]
式中，k
λ
为c
pref
对λ的偏导；
[0069]
进一步的，重新整理得到过速减载参与电网调频状态下变速风电机组的小信号模型：
[0070][0071]
式中：δp
wtg
为变速风电机组发出功率。
[0072]
步骤2：根据电动汽车充放电站接入的最大电动汽车数量及其充放电特性，得到电动汽车充放电站的功率动态模型；
[0073]
具体地，电动汽车充放电站的功率动态模型为：
[0074][0075]
式中：n为可接入电动汽车的最大数量；δp
ev,i
为第i辆电动汽车发出有功功率；δp
rev,i
为第i辆电动汽车接受自控制器的功率参考；εi为第i辆电动汽车的接入状态信号，当电动汽车接入电网时其值为1，否则为0；soci第i辆电动汽车的充放电状态；k
ev,i
和t
ev,i
分别为第i辆电动汽车的增益系数和惯性时间常数。
[0076]
步骤3：综合变速风电机组、电动汽车充放电站和等值同步发电机等与负荷的供需关系，得到电网的动态功率平衡方程；
[0077]
具体地，所述电网动态功率平衡方程如下：
[0078]
δp
dg
+δp
pv
+δp
wtg
＝δp
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0079]
式中：δp
dg
、δp
pv
、δp
wtg
和δp
l
分别为等值同步发电机、光伏、风机和负荷的功率。
[0080]
步骤4：结合电网各个元件的功率-频率特性，分析系统频率偏差与发电功率和负载功率的关系，得到电网的动态频率响应模型；
[0081]
具体地，所述系统频率偏差与发电功率和负载功率的关系可用一阶频域方程来描述：
[0082]
δp
dg
(s)+δp
pv
(s)+δp
wtg
(s)-δp
l
(s)＝smδf(s)+dδf(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0083]
式中：m和d分别为系统的惯性常数与阻尼系数；
[0084]
改写为时域的状态空间模型如下:
[0085][0086]
式中：状态变量x＝[δf δp
dg x
g ace δω]
t
，外界扰动d＝[δp
pv δp
l δv]
t
，控制输入u＝δp
reg
，测量输出y＝δf。
[0087]
步骤5：根据量测的频率偏差和外界的负荷变化、光伏波动、风速变化等扰动信息，采用鲁棒控制器求解方法，得到变速风电机组、电动汽车充放电站和等值同步发电机的控制输出功率，完成电网的调频控制。
[0088]
具体地，所述鲁棒控制器求解方法是指，在电网不确定性存在的情况下，通过鲁棒控制工具箱的μ综合鲁棒控制方法，求解得到一个可实现的控制器，合理协调变速风电机组和电动汽车充放电站的功率，使得电网频率稳定并且提高系统频率在外部扰动下恢复过程中的动态性能。
[0089]
优选地，所述鲁棒控制工具箱的μ综合鲁棒控制方法，也可替换为kharitonov区间控制方法，h∞控制方法等。
[0090]
本发明实施例公开了风机调频控制验证实施例：
[0091]
风机额定功率pb＝1.5mw，基准风速vb＝12m/s，风机转子惯性h
t
＝5.04，减载系数kd＝0.9，风能利用系数和叶尖速比的基准值分别为c
p,b
＝c
p,max
＝0.5023，λb＝λ
max
＝8.25。v0＝1.0，ω0＝1.1899，k
p
＝0.73，c
p,ref
＝0.9，λ
ref
＝1.1899，k
λ
＝-0.0609，k
β
＝-0.0557，a1＝-0.0407，a2＝-0.0444，a3＝2.0238，c1＝0.5176，c2＝116，c3＝0.4，c4＝5，c5＝21，c6＝0.0068。
[0092]
电网中负载额定功率p
load
＝2.5(p.u.)，等值同步发电机额定功率p
dg
＝2，风电机组额定功率p
wtg
＝1，光伏发电额定功率p
pv
＝0.5。t
t
＝0.3，tg＝0.08，r＝2.4，ke＝0.7，m＝0.2，d＝0.012。
[0093]
本实施例所求出控制器具体表达如下：
[0094][0095]
其中：
[0096][0097]
参见图3，为风速变化时电网的频率波动及调频控制效果情况，由图可知风机参与调频相比风机不参与频率调整(mppt模式)可大幅减小电网频率波动；结合电动汽车的快速动态过程，变速风机与电动汽车协同后电网的动态频率性能进一步提升；进一步的，本发明实施例所提出的μ综合鲁棒控制相比综合惯性控制和h∞鲁棒控制具有更加优良的动态性能。
[0098]
本发明实施例公开的方法，通过引入电动汽车与变速风电机组协同调频，减少风机桨距角或输出功率的频繁调节以降低其寿命损耗；并且所提控制方法能克服不确定性对电网频率的影响，具有更加优良的调频控制鲁棒性，提升系统频率动态性能；同时，电动汽车充放电站利用数量众多的电动汽车，相比储能等具有更好的经济性。
[0099]
本发明实施例公开了一种基于变速风电机组和电动汽车协同调频的鲁棒控制系统，包括：
[0100]
变速风电机组模型构建模块，用于基于变速风电机组的发电特征，构建变速风电机组的调频分析动态模型；
[0101]
电动汽车充放电站的功率动态模型构建模块，用于基于电动汽车充放电站接入的电动汽车数量及电动车的冲放电特性，构建电动汽车充放电站的功率动态模型；
[0102]
电网的动态功率平衡方程构建模块，用于基于变速风电机组、电动汽车充放电站和等值同步发电机分别与负荷的供需关系，建立电网的动态功率平衡方程；
[0103]
电网的动态频率响应模型构建模块，用于基于变速风电机组的调频分析动态模型、电动汽车充放电站的功率动态模型和电网的动态功率平衡方程，构建电网的动态频率响应模型；
[0104]
鲁棒控制模块，用于通过鲁棒控制方法，对电网的动态频率响应模型求解，实现系统的调频控制。
[0105]
本发明一实施例提供的终端设备的示意图。该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
[0106]
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
[0107]
所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。
所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
[0108]
所述处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
[0109]
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。
[0110]
所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
[0111]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。