分布式模型预测控制在新能源电力系统负荷频率控制中的应用研究

摘要

负荷频率控制（Load Frequency Control，LFC）旨在发电量实时自动跟踪电力系统负荷的变化，维持发电功率和负载功率的平衡，使电力系统频率保持为规定值，是保证电能质量的重要手段。随着世界能源战略格局的变化，规模化的风电场逐步投入运行，由于风电具有较强的随机性和间歇性，规模化的风电场给互联电力系统有功平衡带来较大的影响，需准确掌握规模化风电并入互联电力系统LFC后电力系统的频率特征，进而研究负荷频率控制方案与措施，以适应传统电力系统LFC向规模化风电场介入后的现代互联电力系统LFC的转变。
　　本文在深入分析规模化风电场介入后的多区域互联电力系统动态特征的基础上，采用分布式模型预测控制理论分析与数值仿真结合的方法，对含规模化风电场的多区域互联电力系统负荷频率控制问题开展深入研究。本文的创新性研究内容包括:
　　(1)单台风机容量和风电场总装机容量较小情况下，提出规模化风电场与常规机组在同一区域的互联电力系统LFC结构，风电机组根据当前风速通过调节桨距角实现最大风能输出，风电场的发电量作为常规机组的补充，跟踪负荷变化由常规机组来实现。综合桨距角控制系统模型、风力机模型和变速恒频发电机模型，建立由风电场、常规机组构成的互联电力系统LFC分布式数学模型。
　　(2)单台风机容量和风电场总装机容量较大情况下，提出风电场处于单独区域互联电力系统LFC结构，与常规机组共同跟踪负荷变化，保持系统频率稳定。构建了含规模化风电场互联电力系统LFC分布式数学模型。
　　(3)研究不同风电介入互联电力系统LFC结构下不同的控制策略，提出控制器设计方法。针对风电场与常规机组处于同一区域的互联电力系统，提出分布式模型预测控制（Distributed Model Predictive Control，DMPC），并考虑发电机变化速率约束(Generation Rate Constraints，GRCs)和阀门位置约束。以四区域互联电力系统为例，系统外界负荷发生变化时，DMPC控制器与集中模型预测控制算法相比，DMPC在频率恢复速度和稳定性显示出良好的优越性能的同时，计算负担小，运算速度快也是一大优势。
　　(4)针对规模化风电场单独区域的互联电力系统，提出协同DMPC控制算法。研究不同风速条件下各个区域的控制目标，设计不同目标函数。同时，要求常规机组满足GRC和阀门位置约束，风电机组还需满足风速约束。以四区域互联电力系统为例，协同DMPC控制策略能有效地协调风电机组与常规机组之间出力，控制性能良好，能有效控制系统频率波动在允许范围之内。
　　(5)研究由于系统运行工况变化带来系统模型参数发生变化和系统结构变化引起的频率波动问题，分别以传统互联电力系统和含规模化风电场的互联电力系统为平台，构建鲁棒分布式模型预测控制(Robust Distributed Model PredictiveControl，RDMPC)算法。RDMPC将优化问题转化成‘min-max’问题，等效成求解上限问题，利用线性矩阵不等式进行迭代求解得到最优控制率。所有控制区域控制量最终能够实现纳什平衡且接近Pareto最优解。与DMPC对比，RDMPC在存在不确定性情况下具有更好地鲁棒性，体现出应用的可行性和有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 LFC控制策略

1．2．1 经典控制方法

1．2．2 自适应和变结构控制方法

1．2．3 鲁棒控制方法

1．2．4 模糊控制方法

1．2．5 智能控制方法

1．2．6 模型预测控制方法

1．2．7 鲁棒分布式模型预测控制方法

1．3 风电介入互联电力系统LFC发展概况

1．4 含风电互联电力系统LFC控制存在的难题

1．5 本文主要研究内容

第2章 风电介入下负荷频率控制系统模型

2．1 负荷频率控制概述

2．2 传统互联电力LFC系统模型

2．3 含风电场互联电力系统LFC模型

2．3．1 风电火电互补互联电力系统LFC模型

2．3．2 风电单独区域互联LFC系统模型

2．4 本章小结

第3章 DMPC在风电火电互补电力系统LFC中的应用

3．1 引言

3．2 风电火电互补互联电力系统DMPC设计

3．3 分布式预测控制算法

3．3．1 系统描述

3．3．2 目标函数

3．3．3 约束处理

3．4 DMPC在风电火电互补互联电力系统LFC中的应用

3．4．1 风电不参与LFC仿真分析

3．4．2 风电参与LFC仿真分析

3．5 本章小结

第4章 协同DMPC在风电独立区域互联电力系统LFC中的应用

4．1 引言

4．2 风电单独区域互联电力系统DMPC设计

4．3 协同分布式模型预测控制算法

4．3．1 系统描述

4．3．2 协同分布式预测控制算法设计

4．3．3 协同分布式预测控制算法求解

4．4 协同DMPC在含风电互联电力系统LFC中的应用

4．4．1 高风速情况下系统仿真结果

4．4．2 低风速情况下系统仿真结果

4．4．3 实验装置测试结果

4．5 本章小结

第5章 鲁棒分布式MPC在传统互联电力系统LFC中的应用

5．1 引言

5．2 鲁棒分布式MPC控制器设计

5．2．1 含不确定性的系统

5．2．2 鲁棒分布式MPC算法

5．2．3 线性矩阵不等式

5．2．4 约束处理

5．2．5 鲁棒分布式MPC算法步骤

5．3 鲁棒性分析

5．3．1 参数不确定分析

5．3．2 结构不确定分析

5．4 仿真结果分析

5．4．1 参数不确定仿真分析

5．4．2 结构不确定仿真分析

5．4．3 纳什平衡分析

5．5 本章小结

第6章 鲁棒分布式MPC在新能源互联电力系统LFC中的应用

6．1 引言

6．2 鲁棒分布式MPC控制器设计

6．2．1 不确定系统描述

6．2．2 鲁棒分布式MPC算法

6．2．3 线性矩阵不等式

6．2．4 风电机组约束处理

6．2．5 鲁棒分布式MPC算法步骤

6．3 仿真结果分析

6．3．1 参数不确定仿真分析

6．3．2 结构不确定仿真分析

6．3．3 纳什平衡分析

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 全文工作总结

7．2 未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介