一種基於自抗擾控制的雙饋風機抑制電網低頻振蕩的方法與流程

2023-12-04 15:51:41 1

本發明屬於電力系統領域，具體涉及一種基於自抗擾控制的雙饋風機抑制電網低頻振蕩的方法。

背景技術：

隨著全球人口增長和經濟發展對能源需求的持續增加，使用傳統能源而面臨的能源短缺和環境汙染問題日益突出。煤、石油、天然氣作為當今世界三大主力能源，有可能在未來40-200年內逐漸耗盡。為了緩解日益嚴重的能源危機和環境汙染，許多國家把大規模開發風電作為應對氣候變化、改善能源結構的重要選擇。「十一五」時期，我國風電快速發展，風電裝機容量連續翻番增長，設備製造能力快速提高，已形成了較完善的產業體系，為更大規模發展風電奠定了良好基礎。根據《風電發展「十二五」規劃》，我國到2015風電發電量在全部發電量中的比重超過3％，2015年後繼續推動風電以較大規模持續發展，到2020年力爭風電發電量在全部發電量中比重超過5％。顯然，風電的大規模發展已經成為一種全球範圍內的必然趨勢。

隨著風電單機裝機容量以及在大電網中的滲透率不斷提高，大規模風力發電場集中接入給電網的安全穩定運行帶來嚴峻挑戰。作為主流機型的變速風電機組因電力電子變流器的隔離作用使得其不能為系統提供功率和慣性支持，在高風電滲透率的電網中，當系統發生嚴重故障或者大擾動時可能會引起功率長時間振蕩甚至發散，從而引發聯絡線過流跳閘或系統與系統或機組與系統之間的失步而解列，嚴重威脅電力系統的穩定。因此，為降低風電接入電網後的運行風險，有必要進一步挖掘基於電力電子變流器的變速恆頻風電機組的控制潛力。通過改進或者附加變速風電機組的控制策略，增加其對系統低頻振蕩的抑制能力，改善系統的阻尼特性，將對高滲透率併網風電場的電網安全穩定運行具有重要的意義。

針對上述問題，國內外學者開展了一系列研究並取得了豐碩成果，在風電機組側加裝阻尼控制裝置是改善風電機組併網後系統阻尼特性所普遍採用的方法，控制效果顯著，通常將風電場連接點有功功率信號(專利號：201110175859.2)、頻率偏差(morrenj，dehaanswh，klingwl，etal.windturbinesemulatinginertiaandsupportingprimaryfrequencycontrol[j].powersystems，ieeetransactionson，2006，21(1)：433-434.)、功角差信號或者遠端的聯絡線傳輸功率(專利號：201310460169.0)、同步發電機功角差(張子泳，胡志堅，李勇匯.併網型雙饋式風力發電系統廣域阻尼控制器設計[j].高電壓技術.2011(01)：157-163.)、轉速差等信號反饋附加到風力發電機組有功調製分量上，從而為系統提供功率支持，抑制低頻振蕩。採用遠端低頻振蕩信號作為被控量時，一般要考慮信號傳輸時滯的影響，否則設計的控制器效果會大打折扣甚至可能惡化系統的阻尼。目前，研究者對於風機附加阻尼控制器設計大部分集中在有功調製上，事實上風機換流器的矢量控制使得有功無功功率解耦控制，其獨立的無功調節能力也能為系統提供阻尼，充分利用有功和無功的調節裕度使得其抑制系統低頻振蕩的效果更好。

雙饋感應電機是一個高階、多變量、強耦合、參數不確定的時變非線性系統，對外界擾動和系統運行參數變化敏感，採用傳統線性控制方法已達不到理想的控制效果。經典pid和傳統pss是當前應用最廣泛的控制方法，但是基於某一運行方式設計的控制器，當系統參數發生變化時其控制效果可能會變差。因此，本發明設計了一種算法簡單、調節方便、具有良好的工程應用前景的基於自抗擾控制的雙饋風力發電機組附加阻尼控制新方法。

技術實現要素：

本發明正是基於上述問題，提出了基於自抗擾控制的雙饋風電機組有功-無功附加阻尼控制器，具有不依賴被控對象的數學模型，能自動檢測並補償被控對象的內外擾動，即使控制對象遇到不確定性擾動或者參數發生變化時，也能得到良好的控制效果，相比於經典pid控制，具有更強的適應性和魯棒性，為抑制電力系統低頻振蕩提供一個新的途徑。

為了實現上述目的，本發明提供的技術方案如下：

一種基於自抗擾控制的雙饋風電機組有功-無功附加阻尼控制方法，其改進之處在於充分利用雙饋風電機組的有功和無功調節裕度，並採用算法簡單、調節方便、自動估計和補償不確定擾動的自抗擾控制來抑制電力系統低頻振蕩，主要分為以下具體步驟：

步驟1：採用電力系統仿真計算軟體，建立含雙饋風電機組的併網電力系統的仿真模型；

步驟2：依據雙饋風力發電機組機側換流器功率外環的擾動信號和風電場連接點處頻率偏差和電壓偏差的動態響應變化，採用狀態子空間(n4sid)模型辨識方法辨識被控對象二階降階模型；

步驟3：設計二階非線性自抗擾控制器的跟蹤微分器(td)、擴張狀態觀測器(eso)、非線性狀態誤差反饋(nlsef)和擾動估計補償四個部分；

步驟4：對電網施加大擾動，校核在不同系統運行方式下本發明所提的自抗擾控制器對抑制系統低頻振蕩的效果並與傳統pid控制器進行對比。

本發明所述步驟1中，電網的同步發電機均採用計及調速器和勵磁器的詳細模型。雙饋風力發電系統包括風力機控制器、換流器控制器和併網控制器，其中，風力機控制器包括兩個相互耦合的機械控制：槳距角控制和最大功率追蹤控制，機側換流器控制採用定子磁鏈定向，實現定子有功功率和定子無功功率解耦獨立控制，在功率外環中，定子有功功率參考值由風力機控制層中的最大功率追蹤控制(mppt)給定，而無功功率參考值q*s由風力發電場控制給定，網側換流器則實現直流母線電壓和換流器功率因數控制。

本發明所述步驟2中，分別在雙饋風力發電機組機側換流器功率外環上實施一個持續時間0.5s的脈衝信號，得到風電場連接點處δf和δug的動態響應變化，將兩組輸入輸出數據採用n4sid子空間模型辨識法得到被控對象的狀態空間，再根據漢克奇異值降階理論將其降到二階數據模型。

本發明所述步驟3中，設計二階非線性自抗擾控制器，包括跟蹤微分器(td)、擴張狀態觀測器(eso)、狀態誤差反饋和擾動估計補償四個部分，為了減小高頻震顫，將具有擾動跟蹤補償能力的自抗擾控制器離散化，通過digsilent中dsl語言編寫，以二階被控對象為例，其數學模型如下：

其中，f0(x1，x2)和b0是由步驟2得到的二階被控對象模型獲得，ω(t)是未建模部分及擾動的總和，並取z3＝ω(t)，非線性自抗擾控制的具體離散算法如下：

(1)以設定值v0為輸入，為了降低起始誤差並緩和過渡過程的快速性和超調性之間的矛盾安排過渡過程(td)跟蹤v0得到其光滑的輸入v1以及其微分信號v2。

其中，r0是速度因子，h0是濾波因子，h是仿真步長，fhan(x1，x2，r，h)稱為離散最速控制綜合函數，其算法公式如下：

(2)擴張狀態觀測器(eso)以系統輸出y和輸入u得到各個狀態變量的估計z1、z2並把影響被控輸出的擾動作用量ω擴張成新的狀態變量z3。

其中f0(z1，z2)為被控系統的已知部分模型，z1、z2、z3分別跟蹤y、ω(t)，β01，β02，β03為一組參數。

(3)合適的反饋機制可以更加有效地抑制擾動並極大地改善閉環系統的性能

其中為，c為阻尼係數；r為控制量增益；h1為速度因子。

(4)擴張狀態觀測器估計的擾動量和狀態誤差的反饋共同完成動態補償線性化，使閉環系統具有更加滿意的性能。

本發明所述步驟3中，非線性自抗擾附加阻尼控制器參數的整定，包括跟蹤微分器(td)參數速度因子r0、濾波因子h0和仿真步長h，狀態觀測器(eso)參數α1、α2、δ、β01、β02、β03，非線性反饋(nlsef)參數阻尼係數c、控制量增益r和速度因子h1，擾動估計補償參數b0，其中eso參數整定方法推導如下：

將估計的狀態變量z1、z2、z3與實際狀態變量x1、x2、x3相減得到自抗擾狀態觀測器誤差的方程如下：

其中，假設f0(z1，z2)＝a1z1+a2z2，取α1＝0.5，α2＝0.25，δ＝0.05，誤差方程的穩態誤差為

只要β03足夠大於ω0，這些估計誤差都將足夠的小以趨於零，但是注意β03過大會導致估計值振蕩，因此要選擇合適的β03值，對穩態方程進行拉普拉斯變換得到e03和擾動信號ω的傳遞函數

本發明使用帶寬概念來設計觀測器參數β01，β02，β03，對二階被控對象來說配置成(s+ωc)3的形式，因此依據β01＝3ωc，4.5β02＝3ωc2，9.46β03＝ωc3，ωc為觀測器帶寬，來設計eso參數，通常ωc越大觀測越精確，但是較大的ωc對噪聲比較敏感。

與現有的技術方案相比，本發明的有益效果為：

1.本發明在雙饋風力發電機組附加阻尼控制器中，不僅充分利用了有功調製環節對電網低頻振蕩的抑制作用，還挖掘了機側換流器無功調製環節改善系統阻尼的潛力。

2.本發明針對雙饋風電機組高階非線性、多變量、強耦合、參數不確定、時變的特點，引入非線性自抗擾控制技術，採用數據驅動控制的思想，利用受控對象的i/o數據，應用子空間模型辨識法得到數據模型，以減輕狀態觀測器的負擔，提高自抗擾控制器的精度，設計了雙饋風電機組有功-無功附加阻尼控制器，能夠有效抑制電力系統低頻振蕩。

3.本發明在帶寬概念的基礎上推導出一種新的非線性自抗擾控制器的狀態觀測器(eso)參數β01，β02，β03整定方法。

4.本發明所選擇信號直接從風電場連接點獲得，無需添加額外信號檢測裝置且信號傳輸時滯較短可以忽略，自抗擾控制算法，能自動檢測並補償被控對象的內外擾動，即使控制對象遇到不確定性擾動或者參數發生變化時，也能得到良好的控制效果，增強了控制器的魯棒性。

附圖說明

圖1為雙饋風力發電機的整體控制系統框圖

圖2為基於自抗擾控制的雙饋風電機組有功-無功附加阻尼控制策略框圖

圖3為自抗擾控制器結構圖

圖4為擾動觀測器誤差傳遞函數的幅頻響應曲線

圖5為仿真電力系統圖

圖6為雙回線路-線路7-9傳輸功率對比圖

圖7為雙回線路-線路7-9三相短路故障下雙饋風力發電機組的動態響應對比圖

圖8為單回線路-線路7-9傳輸功率對比圖

圖9為雙回線路-線路7-9強迫功率振蕩對比圖

圖10傳統pid控制框圖

圖11為雙回線路-傳統pid和自抗擾控制器故障下線路7-9傳輸功率對比圖

圖12為單回線路-傳統pid和自抗擾控制器故障下線路7-9傳輸功率對比圖

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式做進一步的詳細說明。

步驟1.採用電力系統仿真軟體搭建含雙饋風力發電場的併網電力系統詳細模型；

圖1為雙饋風力發電機的整體控制系統框圖。雙饋風力發電系統包括風力機控制器、換流器控制器和併網控制器，其中，風力機控制器包括兩個相互耦合的機械控制：槳距角控制和最大功率追蹤控制。機側換流器控制採用定子磁鏈定向，實現定子有功功率和定子無功功率解耦獨立控制，在功率外環中，定子有功功率參考值由風力機控制層中的最大功率追蹤控制(mppt)給定，而無功功率參考值q*s由風力發電場控制給定。網側換流器則實現直流母線電壓和換流器功率因數控制。

步驟2.依據雙饋風力發電機組機側換流器功率外環的擾動信號和風電場連接點處頻率偏差和電壓偏差的動態響應變化，採用狀態子空間(n4sid)模型辨識方法辨識被控對象二階降階模型；

圖2為基於自抗擾控制的雙饋風電機組有功-無功附加阻尼控制策略框圖，擾動信號δupssp和δupssq位置已在圖2中標明，在此信號上實施一個持續時間0.5s的脈衝信號，得到風電場連接點處δf和δug的動態響應變化，將兩組輸入輸出數據採用n4sid子空間模型辨識法得到被控對象的狀態空間，再根據漢克奇異值降階理論將其降到二階數據模型。

步驟3.設計非線性自抗擾控制器，包括跟蹤微分器(td)、擴張狀態觀測器(eso)、狀態誤差反饋和擾動估計補償四個部分，圖3為自抗擾控制器結構圖，為了減小高頻震顫，將具有擾動跟蹤補償能力的自抗擾控制器離散化，以二階被控對象為例，其數學模型如下：

其中，f0(x1，x2)和b0是由步驟2得到的二階被控對象模型獲得，ω(t)是未建模部分及擾動的總和，並取z3＝ω(t)，非線性自抗擾控制的具體離散算法如下：

(1)以設定值v0為輸入，為了降低起始誤差並緩和過渡過程的快速性和超調性之間的矛盾安排過渡過程(td)跟蹤v0得到其光滑的輸入v1以及其微分信號v2。

其中，r0是速度因子，h0是濾波因子，h是仿真步長，fhan(x1，x2，r，h)稱為離散最速控制綜合函數，其算法公式如下：

(2)擴張狀態觀測器(eso)以系統輸出y和輸入u得到各個狀態變量的估計z1、z2並把影響被控輸出的擾動作用量ω擴張成新的狀態變量z3。

其中f0(z1，z2)為被控系統的已知部分模型，z1、z2、z3分別跟蹤y、ω(t)，β01，β02，β03為一組參數。

(3)合適的反饋機制可以更加有效地抑制擾動並極大地改善閉環系統的性能

其中為，c為阻尼係數；r為控制量增益；h1為速度因子。

(4)擴張狀態觀測器估計的擾動量和狀態誤差的反饋共同完成動態補償線性化，使閉環系統具有更加滿意的性能。

下面分析非線性自抗擾控制器對低頻振蕩的適用性並推導eso參數整定方法：

將估計的狀態變量z1、z2、z3與實際狀態變量x1、x2、x3相減得到自抗擾狀態觀測器誤差方程如下：

其中，假設f0(z1，z2)＝a1z1+a2z2，取α1＝0.5，α2＝0.25，δ＝0.05，誤差方程的穩態誤差為

只要β03足夠大於ω0，這些估計誤差都將足夠的小以趨於零，但是注意β03過大會導致估計值振蕩，因此要選擇合適的β03值。對穩態方程進行拉普拉斯變得到e03和擾動信號ω的傳遞函數

本發明使用帶寬概念來設計觀測器參數β01，β02，β03，對二階被控對象來說配置成(s+ωc)3的形式，因此根據β01＝3ωc，4.5β02＝3ωc2，9.46β03＝ωc3，ωc為觀測器帶寬，來設計eso參數，通常ωc越大觀測越精確，但是較大的ωc對噪聲比較敏感。為了分析方便令a1＝a2＝0，當β01＝3ωc＝120，4.5β02＝3ωc2＝4800，9.46β03＝ωc3＝64000，ωc＝40時，擾動觀測誤差傳遞函數的幅頻響應如圖4所示。從圖4可以看出，上面所選擇的參數β01，β02，β03對低頻段擾動觀測誤差較小，此觀測器對抑制低頻振蕩具有較好的控制效果。

步驟4.對電網施加大擾動，校核在不同系統運行方式下本發明所提的自抗擾控制器對抑制系統低頻振蕩的效果並與傳統pid控制器進行對比。

下面通過仿真實例對本發明所設計的方法進行驗證

為了驗證本文提出的基於自抗擾控制的雙饋風電機組有功-無功附加阻尼器，在digsilent中搭建含雙饋風電場的4機2區域電力系統。如圖5所示，系統基準容量為100mva，頻率為50hz，系統不加裝pss，g3為系統的平衡機。風電場(50臺5mw的雙饋風電機組)併網點在區域1的母線6上。為簡化分析，採用單機模型作為風電場的集總模型來代替整個風電場。

仿真實驗一：

線路7-9在5.0s時發生三相短路，0.1s後故障消失。圖6到圖7(a)-(d)分別為在有功附加阻尼控制、無功附加阻尼控制、有功-無功混合附加阻尼控制和不加控制四種方案下，線路7-9傳輸功率、雙饋風電機組總輸出有功功率、總輸出無功功率、轉子轉速和直流側電壓的動態響應對比圖。

從圖6中可以看出，電網短路故障造成系統功率出現持續時間超過15s的振蕩，在有功-無功混合附加阻尼控制器作用下線路7-9傳輸功率的振蕩衰減時間縮減到5s左右，對系統功率振蕩具有明顯的抑制作用。在有功附加阻尼控制器作用下，系統7s內恢復穩定，控制效果相較於無功附加阻尼控制器好。

圖7(a)-(d)顯示有功附加阻尼控制器需調節其定子有功功率ps以抑制風電場連接點處頻率偏差波動，從而引起轉速波動，同時由於直流母線兩側有功功率不匹配，引起直流電壓不穩定，因此雙饋風力發電機組需要投入crowbar保護電路，避免轉子側變流器過流，同時利用直流側卸荷電路保護直流側電容，防止直流電壓越限。當無功附加阻尼控制器作用時，雙饋風電機組通過調節定子無功功率qs輸出，使風電場連接點處電壓迅速穩定，從而減小系統功率振蕩的幅值和時間，由於機側變流器矢量控制使得有功功率和無功功率解耦導致無功功率的變化對雙饋風電機組轉子轉速和直流電壓影響不大。但有功-無功附加阻尼控制器作用時，同時具有有功附加阻尼控制器和無功附加阻尼控制器的動態響應表現，從圖7可見，其雙饋風電機組總輸出有功功率、總輸出無功功率、轉子轉速和直流側電壓相較於單獨附加阻尼控制器幅值波動減小。

仿真實驗二：

線路7-9其中一條斷線變成單回線路，此時系統電氣聯繫變弱，通過特徵值分析可以看到電力系統區間振蕩模式阻尼比減小到0.0211，已經達到弱阻尼模式。採用本發明設計的自抗擾附加阻尼控制器，保持參數不變，線路7-9單回線路在5.0s時發生三相短路，0.1s故障消失。

圖8給出仿真過程中有功附加阻尼控制器、無功附加阻尼控制器、有功-無功混合附加阻尼控制器和不加控制器作用時線路7-9傳輸功率的動態響應對比圖。從圖8可以看出，由於區域間電氣聯繫變弱，20s時無附加阻尼控制器的系統傳輸線功率振蕩幅值依然很大。有功-無功附加阻尼控制器作用時，5s左右系統傳輸線功率振蕩基本平穩，電力系統阻尼明顯提高，驗證了本文設計的自抗擾附加阻尼控制器具有良好的魯棒性，在電力系統發生較大變化時仍然具有良好的控制性能。

仿真實驗三：

5.0s時在dfig電磁轉矩上施加一個持續20s的0.1sin(0.574t)的正弦擾動。

從圖9中可以看出有功-無功附加阻尼控制器起作用時，強迫功率振蕩的幅值減小到原幅值的1/2，電磁轉矩上的擾動消失後，附加控制器作用下的傳輸線功率動態響應迅速，3s左右到達穩定，因此有功-無功附加阻尼控制器顯著提高了電力系統阻尼，對系統負阻尼低頻振蕩和強迫功率振蕩均具有較好的抑制性能。

仿真實驗四：

將圖2中自抗擾控制器(adrc)換成圖10所示的傳統pid控制器，線路7-95.0s時發生持續時間0.1s的三相短路故障，圖11和圖12分別給出兩種運行方式下在傳統pid有功-無功附加阻尼控制器和自抗擾有功-無功附加阻尼控制器作用下線路7-9傳輸功率動態響應對比圖。

從圖11和圖12中可以看出，基於自抗擾控制設計的附加阻尼控制器在兩種運行方式下均5s左右到達穩態，而傳統pid附加阻尼控制器在雙回線路下10s內穩定，單回線路下15s內依然沒有穩定，由於說明傳統pid控制器抑制傳輸線功率振蕩的能力因為系統運行方式的改變而變差，從而也驗證了本文設計的自抗擾控制器具有更強的魯棒性。

最後應當說明的是：以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。