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基于鲁棒优化的风电并网穿透功率极限研究
摘要
本文研究了鲁棒优化在风电并网穿透功率极限方面的应用。首先，介绍了风电发电技术和风电并网的基本原理。然后，分析了影响风电并网穿透功率的因素，并提出了优化风电功率输出和网侧电压控制的方案。接着，基于鲁棒优化的方法，设计了控制器，并进行了模拟仿真和实验验证。结果表明，该方案能够提高风电系统的鲁棒性和稳定性，增大穿透功率极限，并且能够有效地提高系统的响应速度和减小系统的振荡。
关键词：鲁棒优化；风电并网；穿透功率；控制器
1.引言
随着能源问题的日益突出和全球变暖等环境问题的加剧，新能源的开发和利用已成为各国的共同关注。其中，风能作为清洁可再生能源之一，近年来得到了越来越广泛的应用和推广。在大规模风电并网中，存在着风电系统的穿透功率限制问题，如何解决这一问题成为了研究的热点之一。
风电并网穿透功率指的是在某一时刻，风电系统所产生的电力占电网总负荷的比例。在电网较强和风电接入较少的情况下，穿透功率限制对系统运行影响较小。但是，随着风电规模的不断扩大，系统的运行将受到越来越大的限制。为了进一步提高风电系统的穿透功率，须采取相应的措施。
鲁棒优化作为一种优化方法，近年来受到了越来越多的关注。它不仅能够考虑不确定性因素和偏移因素的影响，而且还能提高系统的鲁棒性和稳定性。本文旨在研究鲁棒优化在风电并网穿透功率极限方面的应用，以提高风电系统的性能和稳定性。
2.风电并网原理
风能作为可再生能源之一，已经在全球范围内得到了广泛的应用。相对于传统的火力发电和水力发电等，风电发电具有清洁、环保、可再生等优点。在风电并网中，主要采用交流电网进行并网。其基本原理如下。
(1)风力发电机发电
风力发电机是将风能转换成电能的主要设备。其原理是风轮在风的作用下转动，驱动主轴旋转，通过传动系统带动发电机旋转，由发电机产生电能。风力发电机在转速、扭矩、功率和频率等方面都与风转速、风向、叶片角度等因素有关。
(2)并网
风力发电机输出的电能通过升压变压器升压后入网，与电网的电能混合，形成交流电能输出。在并网过程中，须保证风电系统和电网的频率和相位一致，避免对电网的影响和损坏。
3.风电并网穿透功率极限的影响因素
影响风电并网穿透功率的因素，主要包括风电输出功率、电网电压、风电输出功率的变化率和电网容量等。本节将对这些因素进行分析。
(1)风电输出功率
风电输出功率是影响风电并网穿透功率的主要因素。随着风能的变化，风电输出功率也会随之变化。当风能较大时，风力发电机的输出功率较大，相应的穿透功率也较大；当风能较小时，风力发电机的输出功率较小，穿透功率也相应的较小。
(2)电网电压
电网电压是影响穿透功率的另一个关键因素。在电网电压较低时，风电系统的接入会受到限制。因此，保持电网电压稳定对于提高穿透功率至关重要。
(3)风电输出功率的变化率
当风电输出功率变化率较大时，穿透功率也比较难以控制。因此，需要合理控制风电输出功率，以平稳变化，提高穿透功率。
(4)电网容量
电网容量是指电网可以传输的最大功率。当穿透功率达到电网容量的一定比例时，电网容量就会达到极限，从而对电网进行保护，避免电网崩溃。
4.控制方案设计
风电并网穿透功率能否得到提高，主要取决于如何控制电压和功率。针对风电系统的特点，本文提出了以下两个方案。
(1)优化风电功率输出
通过优化风电功率输出，可以实现对风电系统的穿透功率进行有效控制。具体来说，可以采用最大功率点跟踪（MPPT）技术，在考虑风速和发电机特性的前提下，实现对风电系统的最大功率输出控制。另外，可以采用方向流控制器，控制风力发电机输入功率，避免电网的过载。
(2)网侧电压控制
网侧电压控制是保证风电系统并网稳定的关键。在电网电压波动或负荷变化时，需要根据负荷的变化情况对网侧电压和电流进行控制。可以采用基于逆时针功率方向（P-Q）控制策略的电网电压控制器，实现快速响应和稳态性能的平衡。
5.鲁棒优化控制器设计
为了提高风电系统的鲁棒性和稳定性，本文采用鲁棒优化控制器对风电并网穿透功率进行控制。具体来说，可以采用基于极小二乘法的鲁棒控制器设计方法，根据系统特点和要求，进行参数的选择和优化。
在控制器设计的过程中，需要考虑系统存在的鲁棒性问题，如风速的不确定性和风电系统的非线性特性。采用鲁棒控制器的目的是在一定程度上提高系统的鲁棒性和稳定性，从而增大风电系统的穿透功率。
6.仿真与实验验证
本文设计的风电并网穿透功率控制方案的仿真和实验验证均采用Matlab/Simulink平台。模型采用风力发电机、变流器和电网构成的三相桥式逆变器电路故障模型，模拟风电系统在不同风速下的仿真和实验情况。
模拟和实验结果表明，控制器有效地控制了风电系统的穿透功率，提高了系统的响应速度和稳定性，提高了系统的鲁棒性和稳定性。同时