摘 要

针对含规模化风电接入的交直流电力系统的频率稳定问题，以抑制风电出力大幅度随机扰动引起的频率波动为目的，研究高压直流输电(high voltage direct current transmission，HVDC)自抗扰控制（Active disturbance rejection control）算法策略。该策略在风电出力发生大幅度随机扰动时，附加频率控制(frequency control，AFC)利用HVDC 功率快速调制和短时过载能力快速平衡风电出力扰动中变化较快的分量，实现电力系统一次调频控制；基于自抗扰控制算法的AGC自动跟踪电网功率波动，调整调频机组出力平衡变化较慢的有功功率扰动分量，维持系统有功功率平衡，对电力系统进行二次调频控制；基于风力发电调频技术惯性响应控制，通过改变发电机转子侧换流器的电流，控制转子速度以得到合适的等效惯量，快速响应系统频率的暂态变化。最后，利用Matlab/Simulnk在改造的四机两区域模型中进行了仿真分析，结果表明所研究策略充分利用了交直流电力系统的频率调节能力，能较好地抑制风电出力引起的频率波动。

关键词:风力发电系统；转子惯性响应辅助频率控制；HVDC附加频率控制器AFC一次调频；AGC技术二次调频；PID控制技术；自抗扰控制技术

ABSTRACT

In order to stabilize the frequency stability of AC / DC power system with large scale wind power integration, the control strategy of Auto-disturbances Rejection Controller (ADRC ) for HVDC transmission is studied for the purpose of suppressing the frequency fluctuation caused by large random disturbance of wind power output.The frequency control (AFC) uses the HVDC power fast modulation and short-term overload capacity to quickly balance the rapidly changing components of the wind power output disturbance, and realize the primary frequency control of the power system when the wind power output has a large random disturbance;AGC is based on the auto-disturbance-rejection control algorithm to automatically track the power fluctuation of the grid, adjust the active power perturbation component with slow output balance of the frequency modulation unit, maintain the active power balance of the system, and adjust the secondary frequency control of the power system;Based on the inertial response control of the wind power generation frequency modulation technology, by changing the current of the generator rotor side converter, the rotor speed is controlled to obtain the appropriate equivalent inertia, and the transient change of the system frequency is quickly responded to . Finally, a two-area power system was used to conduct the simulation with Matlab/Simulnk. The results show that the research strategy makes full use of the frequency regulation ability of AC / DC power system, and can suppress the frequency fluctuation caused by wind power output.

KEY WORDS: Wind power generation system;Rotor inertia response assisted frequency control;HVDC additional frequency controller AFC primary frequency modulation; AGC technology secondary frequency modulation; PID control technology；ADRC control technology.

目 录

第1章 绪 论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2 研究现状 1

1.3本文主要研究内容 2

第2章 风力发电系统工作原理及数学模型 3

2.1风速特性及风电特性 3

2.1.1空气动力学 3

2.1.2 风力发电系统特性 3

2.2 基于异步发电机的风力发电机组 4

2.2.1风力发电机组工作原理 4

2.2.2风力发电机系统数学模型 4

2.3在matlab/simulink建立风力发电机系统模型并仿真分析 6

2.3.1 建立风能模型 6

2.3.2 风力发电机系统模型建立 7

2.3.3 仿真结果分析 8

第3章 适合风电接入电网辅助调频控制策略 11

3.1 HVDC辅助风电接入电网频率控制策略 11

3.1.1 高压直流输电原理及控制策略 11

3.1.2 HVDC附加频率控制AFC 12

3.2 AFC与AGC配合辅助频率控制策略 13

3.2.1 自动发电控制AGC原理 13

3.2.2 调频发电机组调速器设计 14

3.2.3 AFC与AGC配合辅助系统频率控制 15

3.3 风力发电机系统惯性响应辅助频率控制策略 16

第4章 自抗扰控制技术 17

4.1自抗扰控制技术与PID控制技术的区别 17

4.2 自抗扰原理及数学模型 18

4.2.1 跟踪微分器 TD 19

4.2.2 扩张状态观测器 ESO 19

4.2.3 非线性状态误差反馈 NLSEF 20

4.3 自抗扰控制器参数的调节 20

第5章 Matlab/simulink仿真分析 22

5.1 风电无频率附加控制抗扰动能力分析 22

5.2 基于PID控制技术并网抗扰动能力分析 29

5.3 基于自抗扰控制技术扰动能力分析 36

5.4 对三种风力发电系统并网方式抗扰动能力对比分析 42

结论与展望 45

参考文献 46

附 录A 47

附A1 风力发电无频率附加控制直接并网模型附图 47

附A2 基于PID/ADRC控制技术风力发电并网模型附图 51

附 录B 54

致 谢 58

第1章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

风力发电由于技术成熟、成本较低且可大规模开发利用，因此成为可持续发展新能源中发展最快、最具有竞争力的发电技术。 11月29日，国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》（国发〔2016 〕67号），《规划》指出要大力发展智能电网技术，发展和挖掘系统调峰调频能力，大幅提升风电消纳能力，同时，还要建设风电技术测试与产业监测公共服务平台。12 月10 日，国家发展改革委印发《可再生能源发展“十三五”规划》（发改能源〔2016 〕2619 号），《规划》提出通过建立风能开发利用目标导向管理体系、贯彻落实风力发电全额保障性收购制度、建立可再生能源绿色证书交易机制等措施保障风力发电技术的发展^[1]。

随着风力发电技术的不断发展，普遍认为风力发电需具备有功控制和频率调节等辅助服务功能。文献[2]提出了利用风力发电机组转子惯性控制、超速控制和变桨控制组合控制并配合储能辅助风电调频。文献[3]提出区域控制误差 （area control error,ACE）信号经过处理后叠加风力发电机输出的有功功率，利用ACE误差信号参与风电并网频率控制。文献[4]提出了基于AFC的HVDC配合基于PID的AGC辅助风电并网频率控制，并在各种随机扰动情况下取得了较好的效果。近年来，随着控制技术在电网系统中应用发展，具有扰动估计及补偿能力的自抗扰控制技术作为风电辅助频率控制具有一定的优势，其由安排过渡过程装置的跟踪微分器、提取系统状态信息和扰动总和信息的扩张状态跟踪测量装置扩展状态观测器、用状态误差信息来产生非线性误差反馈控制量的装置非线性误差反馈控制器和依据扰动估计值对系统进行扰动补偿而生成最终控制量的补偿装置构成，综合了经典控制PID自身的优势，并对其劣势进行改进，能更好的控制系统，达到更好控制效果。