适用于风电参与电网调频的Hamilton控制方法

本发明属于风电机组参与电网频率支撑控制。

背景技术：

1、构建以新能源为主体的新型电力系统成为我国重要目标。风力发电作为新能源发电代表之一，其接入电网不仅能够降低环境污染，而且与其他能源形成互补，提高了电力系统多样性和韧性。然而，风电波动性和间歇性较大并且风机通过电力电子器件并网，不仅显著增加了扰动功率对系统的影响，还使得风机转速与电网频率相解耦，导致系统惯量水平降低、调频能力降低，这些都将严重危害电力系统频率稳定性。因此如何有效控制风电机组，使其对电网进行高效、合理的主动频率支撑，已成为目前紧迫需要解决的问题。

2、在风机对电网进行频率支撑期间，短期频率控制策略可使风机工作在mppt模式下，根据不同策略基于不同变量关系在系统出现有功缺额时释放转子动能为电网提供有功支撑，相较于长期频率支撑提高了经济性，其中被广泛应用的控制策略是综合惯性控制，该控制虽能模拟同步机惯量控制和一次调频控制使风机参与调频，但是限制了风机本身功率快速灵活可调的特性。针对此部分学者开始探索新型频率支撑优化策略，与综合惯性控制相比，在一定程度上改善系统频率响应特性，但是仍基于综合惯性框架，无法充分利用风机有功调节快速性和灵活性从而更有效提升风机有功调控效率。

技术实现思路

1、本发明的目的是从能量角度设计控制器的优势及为符合系统频率因能量不平衡而变化以及风机通过释放转子所储能量参与电网调频的适用于风电机组参与电网调频过程的hamilton系统能量成型控制方法。

2、本发明步骤是：

3、s1、建立双馈风机及系统频率响应数学模型

4、风机所捕获的机械功率数学模型如公式(1)所示：

5、

6、式中：ρ是空气密度；r是叶片半径；v是风速；cp(λ,β)是风能利用系数，是关于叶尖速比λ与桨距角β的函数；

7、叶尖速比λ与桨距角β之间关系：

8、

9、式中：叶尖速比λ可由λ＝(ωrr)/v计算得到，ωr是风机转子转速；

10、采取单质量模块进行模型构建：

11、

12、式中：jw是转动惯量；tm是风力机机械转矩；te是风力发电机电磁转矩；

13、将最大跟踪功率与输出电磁功率等效为一阶惯性环节，通过以下传递函数进行建模：

14、

15、式中：pwe是风机实际输出电磁功率；σ是一阶惯性常数；s是拉普拉斯算子；pmppt是风机最大跟踪功率；kmppt是最大跟踪系数；δpwe是风机对电网的频率支撑功率；pwe是风机不参与电网调频时初始输出电磁功率；μ表示风机并入电网标幺值转化系数；

16、将风电机组输出支撑功率作为有功一部分加入频率响应模型，获得包含风电在内的系统频率响应数学模型，如公式(5)所示：

17、

18、式中，m表示系统等效惯性时间常数；d表示负荷阻尼系数；r表示下垂环节系数；tt和tg分别表示调速器和原动机时间常数；δω表示频率变化量；δpg表示调速器增量；δpm表示原动机出力变化量；δpd表示负荷变化量；

19、s2、构建hamilton系统模型

20、广义hamilton系统形式如公式(6)所示：

21、

22、式中：矩阵j(x)表示满足反对称特性的结构矩阵；矩阵r(x)表示满足半正定特性的阻尼矩阵；h(x)表示系统能量函数；为能量函数一阶偏微分形式；矩阵g(x)表示控制增益矩阵；u和y分别表示控制变量和输出变量；

23、根据式(5)，选取系统状态变量矩阵x＝[δωδpgδpm]t构造如下能量函数形式：

24、

25、得到能量函数一阶偏微分形式：

26、

27、将系统频率响应模型转换为广义hamilton系统模型形式，如下式所示：

28、

29、式中：u＝[δpwe-δpd 00]t；

30、设计反馈控制率u：

31、u＝α(x)+v      (10)

32、预置反馈控制率α(x)：

33、

34、将预置反馈控制率代入系统模型(9)中，得到：

35、

36、s3、配置期望平衡点

37、根据系统频率响应模型，风电机组不参与调频时电网频率变化以及原动机输出功率变化表示为：

38、

39、结合电网频率变化以及原动机输出功率变化表达式，得到：

40、

41、根据终值定理，稳态频率偏差δf∞为：

42、

43、令：

44、

45、s4、能量成型频率控制器设计

46、设计输出反馈控制律v满足hamilton系统形式(17)，系统期望能量函数形式如式(18)所示：

47、式中：jd(x)和rd(x)分别为系统期望结构矩阵和系统期望阻尼矩阵；ha(x)为系统注入能量函数；x*为系统期望平衡点；

48、选取注入结构矩阵ja(x)和注入阻尼矩阵ra(x)：

49、

50、取参数a1和a2为零，参数b、b1和b2为注入阻尼系数；

51、系统期望矩阵仍需满足相应特性条件：

52、

53、结合hamilton系统模型式(12)以及状态变量期望平衡点得到对能量函数(7)整形后系统期望能量函数：

54、

55、得到输出反馈控制率：

56、

57、得到系统注入能量函数的一阶偏微分形式：

58、

59、将上式以及注入矩阵(19)代入能量匹配方程(22)，得到控制率v：

60、

61、根据公式(10)并结合前述预置反馈控制率，得到完整的hamilton系统反馈控制率u：

62、

63、通过逆向推导得到风电参与电网调频过程中风机有功控制率：

64、δpwe＝(d+bm)δω*-bmδω-δpm+δpd

65、＝bm(δω*-δω)+dδω*-δpm+δpd    (26)

66、将式(26)改进为如下控制策略：

67、

68、本发明的有益效果如下：

69、1)hamilton系统能量成型控制方法从能量角度设计控制器的优势极为符合系统频率因能量不平衡而变化以及风机通过释放转子所储能量参与电网调频的本质特性，能够更加快速精确地控制风机输出并有效提高风机转子动能利用率；

70、2)应用此控制方法通过配置系统能量并调整系统能量函数可以使系统频率在期望平衡值处取得稳定，能够有效应对电网负荷功率的变化从而有效改善系统频率响应特性；

71、3)hamilton系统能量成型控制方法根据稳态系统频率偏差表达式得到可随系统扰动负荷大小进行自适应调整的期望平衡点，使系统可以灵活适应不同工况；

72、4)通过仿真分析结果验证了hamilton系统能量成型控制方法的有效性。该控制方法在不同仿真工况下，都能够快速释放转子动能从而有效改善系统频率最低点和系统频率变化率，功率切换机制也能够避免频率二次跌落现象，大大提高了系统暂态频率稳定性，其科学合理，适用性强，效果佳。