[发明专利]一种双馈式变速抽水蓄能机组的多模型预测控制方法

权利要求书

1.一种双馈式变速抽水蓄能电厂的多模型预测控制方法，其特征是，利用线性化的系统模型进行预测并进行反馈校正、滚动优化得到DFIM-VSPS的参考功率指令，控制对象的输出为公共连接点PCC点的电压及频率，被控系统为包含双馈式变速抽水蓄能机组及风电的电力系统；选取风速为可测量扰动，负荷波动及故障为不可测扰动，根据测量的风速在多个模型预测控制器间进行切换；包括以下步骤：

步骤1、双馈式变速抽水蓄能机组的建模；

步骤1.1、考虑弹性水柱，输水管道的动态流量Q_d与水头H_d的传递函数为：

式中，Z_p为输水管道的规格化水力阻抗，为摩擦系数，s为拉普拉斯算子，发电工况下可以近似为0，水泵工况下取决于导叶开度，T_ep为输水管道的弹性时间；(1)表示分布式参数系统，其中：

其中n可以取任意正整数，其最大值代表分布式参数模型的阶数；

步骤1.2、水泵水轮机及其控制部分的模型包括速度与阀门优化器、调速器、导叶、输水管道及水泵水轮机模型；

步骤1.2.1、通过优化VSPS的转速和导叶开度来追踪最大效率，对应不同水头和功率，转速和开度可以通过线性关系进行近似，其表达式为

其中ω_ref和G_ref分别为转速和导叶开度的参考值，P_set和H₀为功率设定点和静止水头扬程；

水泵水轮机的效率η为：

其中，i和j可以取0-4之间的正整数，下标i和j取不同值代表了不同的系数，其具体系数α_ij根据水泵水轮机测试数据拟合；

水泵工况下实际水头扬程H为：

式中，A₀，A₁和A₂为系数，根据水泵型号确定，Q_d为动态流量，dω为转子转速偏差；

忽略双馈感应电机的损耗，有P_mech＝P_elec＝P_set，其中P_mech为机械功率，电功率P_elec从潮流计算得到；

发电工况下水轮机通过式(6)进行初始化：

(6)式中，Q_nl为空载流量，T_rate为水轮机与双馈异步电机功率额定值的比值；

同理，水泵工况下VSPS由(5)，(7)和(8)进行初始化；

其中，G是导叶位置；

步骤1.2.2、转子采用单质块模型；发电机/换流器模型同风力发电机，发电机/换流器模型采用DFIM-VSPS的高电压穿越及低电压穿越，模拟不同扰动下的DFIM-VSPS动态特性；

步骤1.2.3、DFIM的电气控制包括有功和无功控制，无功控制采用动态电压及无功指令两种控制方式，通过无功控制标志位varflg切换；

DFIM的有功控制包括发电工况和水泵工况，发电工况下换流器控制功率，调速器控制转速；在换流器的有功控制中引入转速回拉控制；水泵工况下换流器对转速进行精确控制；引入辅助频率控制，对VSPS的功率进行调制，实现惯量支撑及调频；

步骤2、基于MMPC的双馈式变速抽水蓄能机组的功率控制；

将双馈式变速抽水蓄能机组数学模型离散化和线性化，得到的离散线性时不变系统见(9)式，其中x_p是状态变量，y_p是被控对象的输出，对应双馈式变速抽水蓄能机组数学模型中PCC点的电压和频率；u，v和d分别是操作变量、可测量扰动和不可测量扰动，分别对应双馈式变速抽水蓄能机组的有功和无功指令、风速波动、负荷波动及故障扰动，A_p，B_p，C_p和D_p分别是对应的系数；

其中k代表第k个瞬时采样，MPC控制器通过状态观测器估计来预测所需的未测量状态变量的值，并且预测操作变量调整给被控对象输出带来的影响，状态估计通过卡尔曼滤波及神经网络实现；基于状态观测器可以预测系统起始于y_j(k)的未来一段时间内的模型输出y_j(k+i+1|k)，i＝0,…p-1，p为预测时域，i代表第k个瞬时采样后的第i个采样；在控制时域m内，通过求解优化问题(10)确定该控制间隔内的操作变量；

Δu(k+h|k)＝0,h＝m,...,p-1

ε≥0

i＝0,...p-1 (10)

式中，J代表控制目标函数，r是参考输出，△u是输入的增量，ε是松弛变量，括号中的k或i代表第k或第i个采样，w和ρ_ε为各项的权重，n_y和n_u分别是输出和操作变量的维数，上标和下标中的j代表第j项输出或操作变量，上标和下标中的i代表第i个控制步长，u_jtarget代表第j个操作变量的输出目标；式(10)代表的优化问题属于多目标优化，目标函数的第一项为输出参考跟踪，第二项为操作变量移动抑制，第三项为操作变量跟踪，第四项为约束处理；各个目标涉及的权重w和ρ_ε，包括对输出变量电压和频率参考跟踪的权重操作变量移动抑制的权重操作变量跟踪的权重以及用于考虑输出电压约束和输出频率约束的权重ρ_ε；和分别为第j个操作变量限制的最小值和最大值；和分别为第j个操作变量移动限制的最小值和最大值；和分别为第j个输出变量限制的最小值和最大值；优化问题(10)属于二次规划，每个控制间隔需要求解一次。