基于模型预测控制的风电场参与电网频率调节控制策略研究

摘要

当前化石燃料日益枯竭，新型可再生能源被广泛利用，风力发电被越来越多的地区推广。其中作为风电系统中的主流机型之一的双馈式风力发电机(DFIG)，通过改变变流器中的电流大小以控制风力机的转子转速来控制风机的有功输出，提高风能的利用效率。由于双馈风机的转子侧与网侧是通过逆变器相连接，导致风机与网侧处于高度解耦状态，使得风机不能快速响应网侧变化。当大量风机并入电网后，极大地降低系统的惯性，增加了同步机的调频压力。因此，通过研究风电场发电机的调频控制方式，对提高系统运行的安全与稳定具有重要意义。　　本文限定有功备用，首先研究不同风速段的传统控制方式：在中低风速段，对惯性控制、超速减载以及二者结合后的组合控制法分别进行分析；在高风速段，基于传统桨距角控制方式，增加桨距角与系统频率的耦合，得到改进后的桨距角控制方式。基于DFIG一次调频的传统控制方式，将模型预测控制(MPC)引入到传统虚拟惯性控制的PD闭环回路中，让PD参数可以根据系统频率的变化得到更新，利用MPC系统的滚动优化以及状态观察器作用，能够提高PD参数适应性，改善DFIG的惯性响应能力。通过设计不同风速下限功率控制策略，提高风机一次调频的效果。利用MATLAB/simulink搭建的4机2区域仿真系统，在恒定风速以及突变风速下分别进行分析验证。　　在二次调频方面，首先分析并验证不同风电渗透率对系统频率的影响，在限功率控制的基础上，将模型预测控制引入同步机PI控制环，使同步机的PI参数能够根据实际情况进行更新，并基于DFIG的模型预测控制策略，建立相关控制方程让DFIG与同步机协调进行二次调频；通过搭建相关仿真，对本章所提控制策略有效性进行验证。

目录

声明

第1章绪论

1.1课题研究背景

1.2风电调频的国内外研究现状

1.3论文主要研究工作

第2章 DFIG的运行原理及模型预测控制理论

2.1 引言

2.2 DFIG结构与运行原理

2.2.1 DFIG模型结构

2.2.2 DFIG的运行原理

2.2.3 DFIG的数学模型

2.3 DFIG的运行模式

2.3.1 DFIG分区域运行

2.3.2 DFIG功率控制

2.4模型预测控制理论

2.4.1模型预测控制算法的类型

2.4.2动态矩阵控制理论

2.4.3预测控制系统稳定性分析

2.5 本章小结

第3章基于模型预测控制的DFIG参与电网一次调频控制策略

3.1 引言

3.2风机并网中一次调频传统方式

3.2.1转子惯量控制

3.2.2下垂控制

3.2.3超速减载控制

3.2.4 综合惯性控制

3.2.5 桨距角控制

3.2.6 DFIG传统调频方法适用范围

3.3 虚拟惯性环节的模型预测控制策略

3.3.1 模型预测控制的引入与控制目标

3.3.2 状态观测器设计

3.3.3 模型预测控制与PD结合

3.4 控制模型的建立

3.4.1 预测模型

3.4.2 滚动优化

3.4.3 反馈校正

3.4.4 DFIG一次调频综合控制策略

3.5 仿真算例

3.5.1 传统一次调频控制

3.5.2新策略控制下DFIG一次调频仿真

3.6 本章小结

第4章风电场参与系统频率调节控制

4.1 引言

4.2 风机调频渗透率对系统频率的影响

4.3 风机与同步机二次调频协调控制策略

4.3.1 同步机的MPC-PI控制策略

4.3.2 DFIG与同步机协调控制频率响应模型

4.3.3风电场中DFIG与同步机协调控制预测模型

4.3.4风电场中DFIG与同步机协调控制策略

4.4 仿真算例

4.4.1单区域系统仿真

4.4.2 多区域系统仿真

4.5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果