考虑风机功率优化分配的风电场双层频率控制方法

权利要求书： 1.一种考虑风机功率优化分配的风电场双层频率控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：步骤1、风电场集中控制器计算得到集中预测控制周期TWF内各功率设定时间点的风电场有功功率参考值及各风机有功功率参考值，并下发至各风机控制器，具体执行流程如下：步骤1?1、在集中预测控制周期TWF内，将电力系统各功率设定时间点频率的预测模型定义如下：其中，t代表功率设定时间点的序号，每个集中预测控制周期开始时清零，f(t)代表第t个功率设定时间点的预测频率，f(t+1)代表第t+1个功率设定时间点的预测频率，Kf和Kin分*别代表风电场参与调频的下垂系数和惯性系数，f 代表电力系统额定频率，H代表电力系统等值惯量；

步骤1?2、计算风电场在各功率设定时间点的有功功率参考值，公式如下：其中，Pref(t)代表风电场第t个功率设定时间点的有功功率参考值， 代表风电场未参与调频时的有功功率；

步骤1?3、根据如下步骤交替计算各功率设定时间点的风机转速预测值和风机有功功率参考值：步骤1?3?1、计算第t个功率设定时间点的风机转速预测值，公式如下：其中，ωi,ref(t)代表第t个功率设定时间点的第i台风机转速预测值，Ji代表第i台风机的转动惯量，Pi,ref(t?1)代表第t?1个功率设定时间点的第i台风机有功功率参考值，Pi,m,ref(t?1)代表第t?1个功率设定时间点的第i台风机输入风功率预测值，计算公式如下：其中，ρ代表空气密度，R代表风机桨叶半径，vw代表风电场风速，Ci,ref(t?1)代表第t?1个功率设定时间点的第i台风机风能捕获系数预测值，公式如下：其中，ωi,ref(t?1)代表第t?1个功率设定时间点的第i台风机转速预测值，β代表风机桨距角；

步骤1?3?2、计算第t个功率设定时间点的各风机能量状态预测值，公式如下：其中，SOEi,ref(t)代表第t个功率设定时间点的第i台风机能量状态预测值，ωmax和ωmin分别代表风机转速的上限和下限值；

步骤1?3?3、计算第t个功率设定时间点的各风机有功功率参考值，公式如下：步骤1?3?4、返回步骤1?3?1，直至集中预测控制周期TWF内全部功率设定时间点的各风机转速预测值、风机有功功率参考值计算完毕；

步骤1?4、将集中预测控制周期TWF内各功率设定时间点的风电场有功功率参考值Pref(t)及各风机有功功率参考值Pi,ref(t)下发至各节点的风机控制器；

步骤1?5、达到集中预测控制周期TWF时，返回步骤1?1，并重新开始计时；

步骤2、各节点的风机控制器根据接收到的风电场集中控制器下发的风电场有功功率参考值Pref(t)及各风机有功功率参考值Pi,ref(t)，在对应的功率设定时间点间隔Tref内，以时间间隔TWT进行实时校正控制，具体执行流程如下：步骤2?1、令实时校正控制起始步为k＝0；

步骤2?2、根据对应风机的在第k个实时校正控制步的有功功率输出和实际转速，计算第i台风机第k步实时校正控制的能量状态分配指标xi(k)，计算公式如下：其中，Pi(k)代表第k个实时校正控制步第i台风机的有功功率输出，ωi(k)代表第k个实时校正控制步第i台风机的实际转速，Pi,m(k)代表第k个实时校正控制步第i台风机输入风功率，计算公式如下：其中，Ci(k)代表第k个实时校正控制步第i台风机风能捕获系数，计算公式如下：步骤2?3、风电场中电气连接上任意相邻的两台风机，由对应的风机控制器交换能量状态分配指标xi(k)；

步骤2?4、计算第i台风机第k个实时校正控制步的二阶梯度Hi(k)，计算公式如下：其中，K1、K2和K3分别代表对应风场有功功率偏差、风机有功功率偏差、风机间功率分配偏差的惩罚系数，均选取为1，N(i)代表与第i台风机在电气连接上相邻的风机集合；

步骤2?5、计算第i台风机第k个实时校正控制步的一阶雅克比梯度gi(k)，计算公式如下：步骤2?6、计算第i台风机第k个实时校正控制步的迭代方向di(k)，计算公式如下：?1

di(k)＝?Hi(k) ·gi(k)(13)

步骤2?7、计算第i台风机第k+1个实时校正控制步的能量状态分配指标xi(k+1)，计算公式如下：xi(k+1)＝xi(k)+ε·di(k)(14)

其中，ε为迭代步长，将取值范围设定为0.01～0.1；

步骤2?8、计算第i台风机第k+1个实时校正控制步的风机有功功率设定值Pi(k+1)，计算公式如下：步骤2?9、按照有功功率设定值Pi(k+1)控制风机的有功功率输出；

步骤2?10、达到实时校正控制间隔TWT时，令实时校正控制步k＝k+1，并返回步骤2?2，并重新开始计时。

说明书： 一种考虑风机功率优化分配的风电场双层频率控制方法技术领域[0001] 本发明涉及电力系统运行和控制技术领域，特别是涉及一种风电场双层频率控制方法。背景技术[0002] 在能源紧缺与环境污染的双重压力下，可再生能源发电愈发成为清洁能源替代的选择。其中，风力发电近年来得到快速发展，并使得传统电力系统的结构及运行方式发生很大改变。风资源本身的不确定性可能会对电力系统频率稳定造成不利影响，这是由于为最大限度获取发电效益，大多数风电场运行在最大输出功率跟踪模式，风功率的波动造成电力系统发电功率的明显变化。同时，新型风机大多数通过电力电子变换器与电网连接，风机转子转速与系统频率解耦，随着风电占比的提升，电力系统惯性相对降低，在功率波动下频率波动的问题日益凸显。[0003] 事实上，作为旋转设备，风机叶片中储存的动能和电力电子变换器控制的灵活性为风电参与频率调节提供了可能。通过调节风机转子侧的电力电子变换器，能够快速调节其有功输出，利用风机自身储存的动能为电力系统提供快速的频率控制服务。然而，目前大多数风机参与电力系统频率控制都采用“分散式方法”，即单个风机根据其量测的频率独立提供模拟的惯性及下垂特性。然而，在电力系统中运行中，风电场应作为整体模拟传统火电机组的调频特性，实现对电力系统的频率控制目标。但若将风电场作为整体响应电力系统频率变化，风电场内部各风机之间如何进行合理功率分配成为了制约频率控制的主要问题。针对此问题，现有技术一般需采用集中式的优化控制方法，根据电力系统频率变化和风电场各风机的运行状态，建立并求解集中优化模型，随后下发各风机有功功率的调节指令。但由于大规模风电场风机数量众多，地理分布较远，集中式控制所需要的通信时间及计算时间较长，有较大的延迟，且这类方法对风机模型参数精度及风速的预测精度有很大依赖，若模型参数或风速误差较大，会导致风机之间功率分配不合理，严重时会导致风机脱网。由于集中的模型维护和优化计算将耗费大量的时间，这类方法并不适合对响应速度要求很高的频率控制。

[0004] 因此，在分散式控制的快速响应与集中式控制的功率优化分配优势的基础上，亟需提出一种能够兼顾风电场频率控制快速响应、风电场整体频率控制特性、风机之间功率优化分配的频率控制方法，考虑风电场实际通信和硬件条件对控制时间间隔和计算速度的限制，并避免传统频率控制方式对模型参数及风速预测的依赖。发明内容[0005] 基于上述现有技术存在的技术问题，本发明提出一种考虑风机功率优化分配的风电场双层频率控制方法，利用双层控制架构实现了各节点的风机控制器在风机之间通过分布式通信和实时校正控制，使风电场及各风机追踪有功功率参考值，保证了各风机运行的安全。[0006] 本发明利用以下的技术方案实现：[0007] 一种考虑风机功率优化分配的风电场双层频率控制方法，该方法具体包括以下步骤：[0008] 步骤1、利用风电场集中控制器根据电力系统运行状态及风电场风速，计算得到集中预测控制周期TWF内各功率设定时间点的风电场有功功率参考值及各风机有功功率参考值，并下发至各风机控制器，具体执行流程如下：[0009] 步骤1?1、在集中预测控制周期TWF内，将电力系统各功率设定时间点频率的预测模型定义如下：[0010][0011] 其中，t代表功率设定时间点的序号，每个集中预测控制周期开始时清零，f(t)代表第t个功率设定时间点的预测频率，f(t+1)代表第t+1个功率设定时间点的预测频率，Kf*和Kin分别代表风电场参与调频的下垂系数和惯性系数，f 代表电力系统额定频率，，H代表电力系统等值惯量；

[0012] 步骤1?2、计算风电场在各功率设定时间点的有功功率参考值，公式如下：[0013][0014] 其中，Pref(t)代表风电场第t个功率设定时间点的有功功率参考值， 代表风电场未参与调频时的有功功率；[0015] 步骤1?3、根据如下步骤交替计算各功率设定时间点的风机转速预测值和风机有功功率参考值：[0016] 步骤1?3?1、计算第t个功率设定时间点的风机转速预测值，公式如下：[0017][0018] 其中，ωi,ref(t)代表第t个功率设定时间点的第i台风机转速预测值，Ji代表第i台风机的转动惯量，Pi,ref(t?1)代表第t?1个功率设定时间点的第i台风机有功功率参考值，Pi,m,ref(t?1)代表第t?1个功率设定时间点的第i台风机输入风功率预测值，计算公式如下：[0019][0020] 其中，ρ代表空气密度，R代表风机桨叶半径，vw代表风电场风速，Ci,ref(t?1)代表第t?1个功率设定时间点的第i台风机风能捕获系数预测值，公式如下：[0021][0022] 其中，ωi,ref(t?1)代表第t?1个功率设定时间点的第i台风机转速预测值，β代表风机桨距角；[0023] 步骤1?3?2、计算第t个功率设定时间点的各风机能量状态预测值，公式如下：[0024][0025] 其中，SOEi,ref(t)代表第t个功率设定时间点的第i台风机能量状态预测值，ωmax和ωmin分别代表风机转速的上限和下限值；[0026] 步骤1?3?3、计算第t个功率设定时间点的各风机有功功率参考值，公式如下：[0027][0028] 步骤1?3?4、返回步骤1?3?1，直至集中预测控制周期TWF内全部功率设定时间点的各风机转速预测值、风机有功功率参考值计算完毕；[0029] 步骤1?4、将集中预测控制周期TWF内各功率设定时间点的风电场有功功率参考值Pref(t)及各风机有功功率参考值Pi,ref(t)下发至各节点的风机控制器；[0030] 步骤1?5、达到集中预测控制周期TWF时，返回步骤1?1，并重新开始计时；[0031] 步骤2、各节点的风机控制器根据接收到的风电场集中控制器下发的风电场有功功率参考值Pref(t)及各风机有功功率参考值Pi,ref(t)，在对应的功率设定时间点间隔Tref内，以时间间隔TWT进行实时校正控制，，具体执行流程如下：[0032] 步骤2?1、根据对应风机的第k步实时校正控制的有功功率输出和实际转速，计算第i台风机第k步实时校正控制的能量状态分配指标xi(k)，计算公式如下：[0033][0034] 其中，Pi(k)代表第k步实时校正控制第i台风机的有功功率输出，ωi(k)代表第k步实时校正控制第i台风机的实际转速，Pi,m(k)代表第k步实时校正控制的第i台风机输入风功率，计算公式如下：[0035][0036] 其中，Ci(k)代表第k步实时校正控制的第i台风机风能捕获系数，计算公式如下：[0037][0038] 步骤2?2、风电场中电气连接上任意相邻的两台风机，由对应的风机控制器交换能量状态分配指标xi(k)；[0039] 步骤2?3、计算第i台风机第k步实时校正控制的二阶梯度Hi(k)，计算公式如下：[0040][0041] 其中，K1、K2和K3分别代表对应风场有功功率偏差、风机有功功率偏差、风机间功率分配偏差的惩罚系数，N(i)代表与第i台风机在电气连接上相邻的风机集合；[0042] 步骤2?4、计算第i台风机第k步实时校正控制的一阶雅克比梯度gi(k)，计算公式如下：[0043][0044] 步骤2?5、计算第i台风机第k步实时校正控制的迭代方向di(k)，计算公式如下：[0045] di(k)＝?Hi(k)?1·gi(k)(13)[0046] 步骤2?6、计算第i台风机第k+1步实时校正控制的能量状态分配指标xi(k+1)，计算公式如下：[0047] xi(k+1)＝xi(k)+ε·di(k)(14)[0048] 其中，ε为迭代步长；[0049] 步骤2?7、计算第i台风机第k+1步实时校正控制的风机有功功率设定值Pi(k+1)，计算公式如下：[0050][0051] 步骤2?8、按照有功功率设定值Pi(k+1)控制风机的有功功率输出；[0052] 步骤2?9、达到实时校正控制间隔TWT时，返回步骤2?1，并重新开始计时。[0053] 与现有技术相比，本发明能够达成以下有益技术效果：[0054] 1)能够充分利用风机桨叶中储存的能量及风机的有功功率调节能力，在保证风机运行安全的前提下，使得风电场整体参与电力系统频率调节并呈现稳定的下垂及惯性特性，有助于电力系统频率的稳定；[0055] 2)充分考虑了风电场实际通信所需的时间，通过风电场集中控制器的集中预测控制，满足风电场整体调频特性及风机间功率优化分配的目标，使得各风机储存的动能趋于统一，通过风机控制器实时校正控制，满足风电场整体调频快速控制的需求；既能够满足风电场快速频率控制的需求，也能够满足风电场整体特性与风机间功率合理分配的目标；[0056] 3)所采用的时校正控制方法通过分布式通信和迭代实现风机有功功率的快速修正，不依赖于各风机的精确模型参数，因此在模型参数不精确的场景下，依然能保证良好的频率控制效果。附图说明[0057] 图1为为本发明的一种考虑风机功率优化分配的风电场双层频率控制方法整体流程图。具体实施方式[0058] 以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。[0059] 如图1所示，为本发明的一种考虑风机功率优化分配的风电场双层频率控制方法整体流程图，具体包括以下步骤：[0060] 步骤1、利用风电场集中控制器根据电力系统运行状态及风电场风速，计算得到集中预测控制周期TWF内(TWF取值可选为5秒)各功率设定时间点的风电场有功功率参考值及各风机有功功率参考值，并下发至各风机控制器，具体地，每个预测控制周期开始时，预测该周期内每秒钟系统频率、风机转速的变化，其中每秒为一个功率设定时间点，相邻两功率设定时间点间隔为Tref，取值可选为1秒，具体执行流程如下：[0061] 步骤1?1、在集中预测控制周期TWF内，将电力系统各功率设定时间点频率的预测模型定义如下：[0062][0063] 其中，t代表功率设定时间点的序号，每个集中预测控制周期开始时清零，f(t)代表第t个功率设定时间点的预测频率，f(t+1)代表第t+1个功率设定时间点的预测频率，Kf*和Kin分别代表风电场参与调频的下垂系数和惯性系数，通常由电力系统来规定，f代表电力系统额定频率，取值为50Hz，H代表电力系统等值惯量，其取值通过电力系统调度中心下发给风电场集中控制器；

[0064] 步骤1?2、计算风电场在各功率设定时间点的有功功率参考值，公式如下：[0065][0066] 其中，Pref(t)代表风电场第t个功率设定时间点的有功功率参考值， 代表风电场未参与调频时的有功功率；[0067] 步骤1?3、根据如下步骤交替计算各功率设定时间点的风机转速预测值和风机有功功率参考值：[0068] 步骤1?3?1、计算第t个功率设定时间点的风机转速预测值，公式如下：[0069][0070] 其中，ωi,ref(t)代表第t个功率设定时间点的第i台风机转速预测值，Ji代表第i台风机的转动惯量，由风机设计手册得到，Pi,ref(t?1)代表第t?1个功率设定时间点的第i台风机有功功率参考值，Pi,m,ref(t?1)代表第t?1个功率设定时间点的第i台风机输入风功率预测值，计算公式如下：[0071][0072] 其中，ρ代表空气密度，R代表风机桨叶半径，vw代表风电场风速，Ci,ref(t?1)代表第t?1个功率设定时间点的第i台风机风能捕获系数预测值，公式如下：[0073][0074] 其中，ωi,ref(t?1)代表第t?1个功率设定时间点的第i台风机转速预测值，β代表风机桨距角。[0075] 步骤1?3?2、计算第t个功率设定时间点的各风机能量状态预测值，公式如下：[0076][0077] 其中，SOEi,ref(t)代表第t个功率设定时间点的第i台风机能量状态预测值，ωmax和ωmin分别代表风机转速的上限和下限值；[0078] 步骤1?3?3、计算第t个功率设定时间点的各风机有功功率参考值，公式如下：[0079][0080] 步骤1?3?4、返回步骤1?3?1，直至集中预测控制周期TWF内全部功率设定时间点的各风机转速预测值、风机有功功率参考值计算完毕；[0081] 步骤1?4、将集中预测控制周期TWF内各功率设定时间点的风电场有功功率参考值Pref(t)及各风机有功功率参考值Pi,ref(t)下发至各节点的风机控制器；[0082] 步骤1?5、达到集中预测控制周期TWF时，返回步骤1?1，并重新开始计时；[0083] 步骤2、各节点的风机控制器根据接收到的风电场集中控制器下发的风电场有功功率参考值Pref(t)及各风机有功功率参考值Pi,ref(t)，在对应的功率设定时间点间隔Tref内，以时间间隔TWT进行实时校正控制，TWT取值可选为100毫秒，具体执行流程如下：[0084] 步骤2?1、令实时校正控制起始步为k＝0；[0085] 步骤2?2、根据对应风机的在第k个实时校正控制步的有功功率输出和实际转速，计算第i台风机第k步实时校正控制的能量状态分配指标xi(k)，计算公式如下：[0086][0087] 其中，Pi(k)代表第k个实时校正控制步第i台风机的有功功率输出，ωi(k)代表第k个实时校正控制步第i台风机的实际转速，Pi,m(k)代表第k个实时校正控制步第i台风机输入风功率，计算公式如下：[0088][0089] 其中，Ci(k)代表第k个实时校正控制步第i台风机风能捕获系数，计算公式如下：[0090][0091] 步骤2?3、风电场中电气连接上任意相邻的两台风机，由对应的风机控制器交换能量状态分配指标xi(k)；[0092] 步骤2?4、计算第i台风机第k个实时校正控制步的二阶梯度Hi(k)，计算公式如下：[0093][0094] 其中，K1、K2和K3分别代表对应风场有功功率偏差、风机有功功率偏差、风机间功率分配偏差的惩罚系数，可均选取为1，N(i)代表与第i台风机在电气连接上相邻的风机集合；[0095] 步骤2?5、计算第i台风机第k个实时校正控制步的一阶雅克比梯度gi(k)，计算公式如下：[0096][0097] 步骤2?6、计算第i台风机第k个实时校正控制步的迭代方向di(k)，计算公式如下：[0098] di(k)＝?Hi(k)?1·gi(k)(13)[0099] 步骤2?7、计算第i台风机第k+1个实时校正控制步的能量状态分配指标xi(k+1)，计算公式如下：[0100] xi(k+1)＝xi(k)+ε·di(k)(14)[0101] 其中，ε为迭代步长，可将取值范围设定为0.01～0.1。[0102] 步骤2?8、计算第i台风机第k+1个实时校正控制步的风机有功功率设定值Pi(k+1)，计算公式如下：

[0103][0104] 步骤2?9、按照有功功率设定值Pi(k+1)控制风机的有功功率输出；[0105] 步骤2?10、达到实时校正控制间隔TWT时，令实时校正控制步k＝k+1，并返回步骤2?2，并重新开始计时。

[0106] 综上所述，本发明充分利用风电场中风机桨叶中储存的能量及风机调节能力，控制风机输出的有功功率，使得风电场总的有功功率可快速调节，并根据电力系统频率变化提供有功功率响应，保障电力系统安全运行。本发明的特点在于采用一种双层控制架构，风电场集中控制器利用集中式通信采集各风机的运行状态，并对电力系统频率及各风机的未来状态进行预测，采用较差的集中预测控制周期，滚动计算得到每秒风电场及各风机有功功率参考值，并将得到的结果下发给各风机控制器，各风机控制器针对模型参数不精确及风速的变化对集中控制器控制效果可能造成的影响，在风机之间通过分布式通信和实时校正控制使风电场及各风机追踪有功功率参考值，并保证各风机运行的安全。