一種針對短時風電功率波動的水電機組調頻控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種針對短時風電功率波動的水電機組調頻控制方法，屬于水力發電 控制技術及電力系統頻率調節控制技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著大規模風電的不斷并網，系統中風電容量比重不斷增加。風電功率波動加劇 了系統有功功率的不平衡，造成系統頻率偏差增大。同時，由于目前風電場主流使用的雙饋 感應風力發電機的有功-頻率的弱慣性，其對傳統同步發電機的替代使得系統整體慣性降 低，當系統出現短時功率缺額時，系統的頻率變化率以及最大頻率偏差都將增大。
[0003] 水力發電機組出力響應迅速，調節方式多樣，是電力系統調頻的重要手段。隨著大 規模風電的不斷接入，水電機組將在電力系統頻率調節，尤其是一次調頻中發揮更加重要 的作用。然而，水電機組調頻裝置目前普遍采用PID控制策略，其控制參數的整定依據水電 站自身動態特性，未考慮造成系統頻率偏差的擾動源特性。當系統內接入大量風電時，持續 的風電功率波動使得水電機組出力調節更為頻繁，采用PID控制的水電機組對短時持續的 風電功率波動的調節性能受到限制。
[0004] 因此，有必要針對風電波動特性對水電機組一次調頻控制進行改進設計，以更大 限度的減小由短時風電功率波動帶來的系統頻率偏差，提高水電機組頻率調節響應性能。
【發明內容】
[0005] 本發明主要是解決現有技術所存在的技術問題；提供了一種有效地減少風電功率 波動造成的系統頻率偏差，提高水電機組對短時風電功率波動的調節響應性能，同時，也減 少由于風電功率波動對系統中火電機組造成的額外調頻負擔的一種針對短時風電功率波 動的水電機組調頻控制方法。
[0006] 本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：
[0007] -種針對短時風電功率波動的水電機組調頻控制方法，其特征在于，具體方法是 尋找水電機組最優反饋控制器K (S)，使得K (S)與包含風電出力特性的廣義電力系統狀態 方程組成的閉環系統函數增益最小，其中，所述包含風電出力特性的廣義電力系統狀態方 程為：
[0011] 采用標準Hankel范數最優降階法降階方法對狀態方程式二進行降階，得到降階 后的廣義電力系統整體狀態方程；
[0012] 所述Hm魯棒控制目標基于式三，式中G(S)為控制器K(S)與廣義電力系統模型 組成的閉環傳遞函數表示形式，σ表示奇異值，sup表示上確界；
[0014] 采用基于線性矩陣不等式的方法求解得到K(S)。
[0015] 因此，本發明具有如下優點：主要針對短時風電功率波動帶來的電力系統一次調 頻問題，其以電力系統降階模型作為控制對象，短時風電功率波動作為系統的不確定性有 界擾動，并考慮風電功率波動特性及電力系統動態特性，在水電機組調頻控制系統中采用 魯棒控制策略，能夠有效地減少系統頻率偏差，提高機組頻率調節性能。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發明方法的總流程圖。
[0017] 圖2為實施例風電場風電功率歷史實測數據功率譜密度曲線和其對應的擬合曲 線。
[0018] 圖3為實施例包含風電出力特性的廣義系統幅頻響應曲線。
[0019] 圖4為水電機組采用本發明方法生成的魯棒控制器和傳統PID控制器下的閉環系 統幅頻響應曲線。
[0020] 圖5為水電機組采用本發明方法生成的魯棒控制器和傳統PID控制器在短時風電 出力波動下的系統頻率響應。
[0021] 圖6為水電機組采用本發明方法生成的魯棒控制器和傳統PID控制器在短時風電 出力波動下的水電機組的出力響應。
[0022] 圖7為水電機組采用本發明方法生成的魯棒控制器和傳統PID控制器在短時風電 出力波動下的火電機組的出力響應。
【具體實施方式】
[0023] 下面通過實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。
[0024] 實施例：
[0025] 如圖1所示，本發明提供一種針對短時風電波動的水電機組調頻魯棒控制設計的 方法，具體包括以下的實施步驟：
[0026] 1、對風電場歷史實測有功出力數據進行統計分析，擬合風電出力波動特性。采用 快速傅里葉變換（FFT)方法計算風電場歷史功率數據的功率譜密度（PSD)，得到風電出力 波動幅值在頻域內的分布；利用有理分式形式傳遞函數（1)的幅頻響應曲線對風電功率 PSD進行擬合。
[0028] 例如，在本實施例的區域電網中，包含3個風電場，9臺火電機組及1臺水電機組， 3個風電場裝機容量之和占電網總裝機容量約20%。風電場出力歷史實測數據的功率譜密 度曲線及其相應擬合曲線如圖2所示，其中PSD曲線幅值已進行歸一化處理，W(S)中a，b，c 三個參數分別為〇. 01，〇. 01，〇. 005。由圖中可知，風電波動存在明顯的特征頻率，風電波動 成分主要集中在特征頻率附近。采用本發明所建議的有理分式能對風電出力波動特征有較 好的擬合。
[0029] 2、分別建立水電機組、火電機組動態模型，并通過直流潮流計算模型建立電力系 統整體狀態方程。
[0030] 建立水電機組狀態方程（2)，其中，Xh為水電機組模型狀態變量；Δ u t為水電機組 調速器的輸出控制量；Μ?為水電機組電磁功率變化;Ah、Bh、EhS狀態方程系數矩陣。
[0032] 建立火電機組狀態方程（3)，其中Xg為火電機組模型狀態變量；Alf為火電機組電 磁功率變化;Ag、匕為狀態方程系數矩陣。
[0034] 通過將狀態方程（2)、（3)中的狀態變量疊加，將方程（2)、（3)合寫為（4)。
[0036] 對直流潮流計算模型ΔΡ = Η· Δ Θ進行分塊，得狀態方程（5)，其中，ΔΡ"、： Δ/?/