本發(fā)明涉及一種雙饋風機風電場參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制方法，屬于電力系統(tǒng)運行和控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

環(huán)境問題驅(qū)動著電力系統(tǒng)的創(chuàng)新與變革，發(fā)展可再生能源發(fā)電，可以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、推動節(jié)能減排和實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。作為最具代表性的可再生能源發(fā)電方式之一，風力發(fā)電被廣泛認為是傳統(tǒng)火力發(fā)電的有效替代方案。風力發(fā)電的快速發(fā)展正在逐漸改變電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)運行方式。大規(guī)模高滲透率風力發(fā)電接入導致的最明顯的問題是由于風能自身的隨機性和波動性，將給電力系統(tǒng)帶來嚴重的功率波動。而由于大規(guī)模風力發(fā)電采用異步電機的形式，使得其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率相互解耦，從而降低了系統(tǒng)的慣性，進一步導致了頻率的波動。因此，在風電高滲透率地區(qū)，若大規(guī)模風電場的風力發(fā)電機均采用最大功率跟蹤控制模式，將對電力系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的沖擊，甚至影響安全穩(wěn)定運行。

目前，大多數(shù)風電場采用雙饋風機發(fā)電，而雙饋風機葉片中儲存的動能和靈活的控制特性為參與頻率調(diào)節(jié)提供了可能。通過調(diào)節(jié)雙饋風機轉(zhuǎn)子側(cè)的電力電子裝置，能夠快速改變其有功輸出，利用風機自身儲存的動能提供快速的一次調(diào)頻服務。然而，目前大多數(shù)雙饋風機參與一次調(diào)頻的方法都只以一臺單獨的風機作為參與調(diào)頻的單位，而在電力系統(tǒng)中風電場應整體響應系統(tǒng)的頻率變化，特別是在電力市場的環(huán)境下風電場整體的輸出功率更是其作為市場參與者考核和結(jié)算的標準。但若進行風電場參與電力系統(tǒng)頻率控制的協(xié)調(diào)控制，一般需采用集中式的優(yōu)化控制方法，目前國內(nèi)外的已有方法均屬于這一類型。但由于大規(guī)模風電場風機數(shù)量眾多，地理分布較遠，集中式控制需要建設復雜的通信網(wǎng)絡，且嚴重依賴于風電場集中控制器。若風電場集中控制器發(fā)生故障，整個系統(tǒng)將陷于癱瘓，因此可靠性很低，而集中的模型維護和優(yōu)化計算也將耗費大量的時間，并不適合對響應速度要求很高的一次調(diào)頻。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種雙饋風機風電場參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制方法，以可滿足風電場整體參與系統(tǒng)一次頻率調(diào)節(jié)的目標，使其呈現(xiàn)類似同步發(fā)電機的頻率響應特性，且可按照不同雙饋風機的調(diào)節(jié)能力在雙饋風機之間合理分配功率，保證雙饋風機的安全運行，改善風電場一次調(diào)頻的動態(tài)性能，且方法實現(xiàn)方便，控制簡單。

本發(fā)明提出的雙饋風機風電場參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制方法，包括以下步驟：

(1)建立風電場中雙饋風機葉片儲存動能的能量狀態(tài)評價指標SOE_i：

上式中，SOE_i表示風電場中第i臺雙饋風機葉片儲存動能的能量狀態(tài)評價指標，ω_t,i表示風電場中第i臺雙饋風機葉片的轉(zhuǎn)速標幺值，ω_tmin,i表示風電場中第i臺雙饋風機保證正常發(fā)電的葉片轉(zhuǎn)速標幺值的下限，ω_tmax,i表示風電場中第i臺雙饋風機保證正常發(fā)電的葉片轉(zhuǎn)速標幺值的上限，i為介于1到m之間的任意整數(shù)，m為風電場中雙饋風機的數(shù)量；

根據(jù)上述得到的風電場中雙饋風機葉片儲存動能的能量狀態(tài)評價指標SOE_i，建立風電場中雙饋風機發(fā)電水平評價指標x_i：

上式中，P_e,i表示風電場中第i臺雙饋風機輸出的電磁功率標幺值，P_m,i表示風電場中第i臺雙饋風機捕獲的機械功率標幺值；

(2)設定風電場中所有雙饋風機間的通信關(guān)系在拓撲上是連通的，建立雙饋風機之間的通信系數(shù)矩陣A＝[μ_ij]_m×m，矩陣中的元素μ_ij為第i臺雙饋風機和第j臺雙饋風機之間的通信系數(shù)：

上式中，N_i表示所有與第i臺雙饋風機有通信關(guān)系的雙饋風機的下標集合，n_i和n_j分別表示與第i臺和第j臺雙饋風機有通信關(guān)系的雙饋風機的個數(shù)；

建立雙饋風機之間的交換系數(shù)矩陣B＝[B_ij]_m×m：

B＝I-2diag(A)+A

上式中，I表示m階的單位矩陣，diag(A)表示由矩陣A的對角線元素構(gòu)成的對角矩陣；

(3)風電場啟動對電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制，包括以下步驟：

(3-1)按照設定時間周期T_f測量風電場與電力系統(tǒng)并網(wǎng)點的頻率f，利用下式計算得到風電場輸出功率參考值P_ref：

P_ref＝P_ref^*+P_f^*+P_in^*

上式中，P_ref^*表示上級電力系統(tǒng)調(diào)度中心給出的穩(wěn)態(tài)下風電場輸出功率指令值，P_f^*和P_in^*分別為由風電場與電力系統(tǒng)并網(wǎng)點的頻率偏差決定的修正量和由風電場與電力系統(tǒng)并網(wǎng)點的頻率變化率決定的修正量，計算公式如下：

P_f^*＝K_f(f^*-f)

上式中，K_f和K_in分別為風電場有功功率-頻率的下垂系數(shù)和阻尼系數(shù)，K_f的取值范圍為0.1～10，K_in的取值范圍為1～20，f^*為電力系統(tǒng)的額定頻率；

(3-2)按照設定的時間周期T_P測量風電場與電力系統(tǒng)并網(wǎng)點的實際輸出有功功率標幺值P_PCC，并通過下式計算該實際輸出有功功率標幺值與上述步驟(3-1)中風電場輸出功率參考值P_ref的偏差ΔP_PCC：

ΔP_PCC＝P_PCC-P_ref

并將上述偏差ΔP_PCC以廣播通信的方式發(fā)生至風電場內(nèi)所有的雙饋風機；

(4)風電場的雙饋風機啟動對電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制，包括以下步驟：

(4-1)初始化時，設定風電場的雙饋風機啟動對電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制的起始步數(shù)k＝0，并使測量風電場與電力系統(tǒng)并網(wǎng)點頻率的時鐘t_f和測量風電場與電力系統(tǒng)并網(wǎng)點實際輸出有功功率標幺值的時鐘t_P兩個時鐘從0時刻開始計時；

(4-2)利用上述步驟(1)的方法，計算風電場中雙饋風機在一次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制的第k步的發(fā)電水平評價指標x_i(k)：

(4-3)風電場中的所有雙饋風機與有通信關(guān)系的其他雙饋風機互相交換由上述步驟(4-2)計算的第k步的雙饋風機發(fā)電水平評價標準x_i(k)，即第i臺雙饋風機在第k步的發(fā)電水平評價指標，發(fā)送給所有在通信上與其直接相連的第j臺雙饋風機，其中j∈N_i，且第i臺雙饋風機收集所有在通信上與其直接相連的第j臺雙饋風機在第k步的發(fā)電水平評價指標x_i(k)；

(4-4)風電場中的各雙饋風機計算第k步迭代計算所需要的參數(shù)D_ii,k和g_i,k：

上式中，系數(shù)α為小于1的正實數(shù)，本發(fā)明的一個實施例中，α的值為0.5。

上式中，K為權(quán)重系數(shù)，根據(jù)風電場容量或通過實驗選取的正實數(shù)，取值范圍為：0.1～10；

(4-5)利用遞推方法，計算風電場中各雙饋風機在第k步迭代時的牛頓方向遞推值，具體遞推過程為：

(4-5-1)初始化時，設遞推步驟t＝0，并設定遞推步驟終止時t＝T，T取3～5，遞推過程開始；

(4-5-2)計算風電場中各雙饋風機各自的牛頓方向遞推初始值，其中第i臺雙饋風機的牛頓方向遞推初始值為d_i,k⁽⁰⁾：

d_i,k⁽⁰⁾＝D_ii,k^-1g_i,k；

(4-5-3)對t進行判斷，若t<T，則進行步驟(4-5-4)，若t≥T，結(jié)束遞推，進行步驟(4-6)；

(4-5-4)將第i臺雙饋風機在第t步遞推的牛頓方向遞推值d_i,k^(t)，發(fā)送給其他所有有通信關(guān)系的雙饋風機，同時第i臺雙饋風機接收所有有通信關(guān)系的其他雙饋風機在第t步遞推中的牛頓方向遞推值；

(4-5-5)風電場中各雙饋風機根據(jù)接收到的其他有通信關(guān)系的雙饋風機的牛頓方向遞推值，計算第k+1步的牛頓方向遞推值d_i,k^(t+1)，以第i臺雙饋風機為例，計算公式如下：

上式中，B_ij為上述步驟(2)中雙饋風機之間的交換系數(shù)矩陣B中的元素；

(4-5-6)使t＝t+1，返回步驟(4-5-3)；

(4-6)風電場中各雙饋風機執(zhí)行迭代，利用下式計算第k+1步的第i臺雙饋風機的發(fā)電水平評價指標x_i(k+1)：

x_i(k+1)＝x_i(k)-εd_i,k^(T)

上式中，ε為牛頓迭代步長，根據(jù)雙饋風機的實際容量選取，或通過實驗調(diào)節(jié)取值大小，以獲得最佳效果，取值范圍為：0.02～1；

(4-7)風電場中各雙饋風機根據(jù)新的發(fā)電水平評價指標調(diào)整輸出的電磁功率，利用下式計算第k+1步的第i臺雙饋風機輸出的電磁功率標幺值P_e,i(k)：

P_e,i(k)＝SOE_i·x_i(k)+P_m,i(k)

上式中，P_m,i(k)為第i臺雙饋風機在第k步調(diào)整時采集的機械功率標幺值；

(4-8)對測量風電場與電力系統(tǒng)并網(wǎng)點實際輸出有功功率標幺值的時鐘t_P進行判斷，若t_P≥T_P，使k＝k+1，t_P重新開始計時，并進入步驟(4-9)，若t_P<T_P，重新執(zhí)行本步驟(4-8)；

(4-9)對測量風電場與電力系統(tǒng)并網(wǎng)點頻率的時鐘t_f進行判斷，若t_f≥T_f，則返回步驟(4-1)，若t_f<T_f，則返回步驟(4-2)。

本發(fā)明提出的雙饋風機風電場參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制方法，其優(yōu)點是：

1、本發(fā)明方法建立了風電場整體參與一次調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制框架，在風機側(cè)基于稀疏通信網(wǎng)絡的點對點控制，大大提高風電場控制的響應速度，而風場側(cè)協(xié)調(diào)層只需要進行量測和信息廣播，不需要進行復雜的模型維護的集中優(yōu)化計算，其負擔大大降低。

2、本方法通過矩陣分解技術(shù)提出了具有二階收斂特性的基于分布式牛頓法的一次調(diào)頻控制，該方法具有對測量誤差不敏感、能夠有效避免競爭控制和過調(diào)現(xiàn)象、改善一次調(diào)頻動態(tài)特性等優(yōu)點，相比線性收斂的分布式調(diào)頻算法，本發(fā)明提出的方法收斂性更快，更適合對響應速度要求較高的一次調(diào)頻。

3、本方法引入了能量狀態(tài)指標的概念，從而能夠方便的衡量雙饋風機葉片中可以開發(fā)的動能，使得本方法能夠在不失安全性的前提下在雙饋風機之間合理地分配功率，且利用能量狀態(tài)指標合理分配功率能夠減少調(diào)頻中的風能損失。

4、本發(fā)明提出了一種雙饋風機風電場參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制方法，在風電場側(cè)只需安裝協(xié)調(diào)控制器，其功能僅限于監(jiān)測風電場并網(wǎng)點的頻率和輸出功率，產(chǎn)生風電場輸出功率參考值，并將信息以廣播的方式傳送給個風機。風機之間則通過分布式通信和迭代控制響應使得風場追蹤輸出功率參考值。本發(fā)明提出的方法不僅使得風電場對系統(tǒng)呈現(xiàn)整體的頻率響應特性，而且能夠在風機間合理分配功率，并改善頻率控制動態(tài)特性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法中涉及的風電場對電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制流程框圖。

圖2為本發(fā)明方法中涉及的風電場一次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制產(chǎn)生風電場對電力系統(tǒng)并網(wǎng)點輸出功率參考值的控制框圖。

圖3為本發(fā)明方法涉及的雙饋風機對電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制流程框圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出的雙饋風機風電場參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制方法，包括兩個控制流程，即風電場協(xié)調(diào)控制器控制流程、雙饋風機分布式控制流程，兩個流程均按照一定周期循環(huán)執(zhí)行，由風電場協(xié)調(diào)控制器通過廣播通信的方式將場站層的信息定時發(fā)送給雙饋風機控制器，該方法具體包括以下步驟：

(1)建立風電場中雙饋風機葉片儲存動能的能量狀態(tài)評價指標SOE_i：

上式中，SOE_i表示風電場中第i臺雙饋風機葉片儲存動能的能量狀態(tài)評價指標，ω_t,i表示風電場中第i臺雙饋風機葉片的轉(zhuǎn)速標幺值，ω_tmin,i表示風電場中第i臺雙饋風機保證正常發(fā)電的葉片轉(zhuǎn)速標幺值的下限，ω_tmax,i表示風電場中第i臺雙饋風機保證正常發(fā)電的葉片轉(zhuǎn)速標幺值的上限，i為介于1到m之間的任意整數(shù)，m為風電場中雙饋風機的數(shù)量；根據(jù)上述得到的風電場中雙饋風機葉片儲存動能的能量狀態(tài)評價指標SOE_i，建立風電場中雙饋風機發(fā)電水平評價指標x_i：

上式中，P_e,i表示風電場中第i臺雙饋風機輸出的電磁功率標幺值，P_m,i表示風電場中第i臺雙饋風機捕獲的機械功率標幺值；

(2)設定風電場中所有雙饋風機間的通信關(guān)系在拓撲上是連通的，建立雙饋風機之間的通信系數(shù)矩陣A＝[μ_ij]_m×m，矩陣中的元素μ_ij為第i臺雙饋風機和第j臺雙饋風機之間的通信系數(shù)：

上式中，N_i表示所有與第i臺雙饋風機有通信關(guān)系的雙饋風機的下標集合，n_i和n_j分別表示與第i臺和第j臺雙饋風機有通信關(guān)系的雙饋風機的個數(shù)；

建立雙饋風機之間的交換系數(shù)矩陣B＝[B_ij]_m×m：

B＝I-2diag(A)+A

上式中，I表示m階的單位矩陣，diag(A)表示由矩陣A的對角線元素構(gòu)成的對角矩陣；

(3)風電場啟動對電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制，其流程框圖如圖1所示，包括以下步驟：

(3-1)按照設定時間周期T_f(建議值0.5秒，可根據(jù)風電場規(guī)模適當調(diào)整)測量風電場與電力系統(tǒng)并網(wǎng)點的頻率f，利用下式計算得到風電場輸出功率參考值P_ref：

P_ref＝P_ref^*+P_f^*+P_in^*

上式中，P_ref^*表示上級電力系統(tǒng)調(diào)度中心給出的穩(wěn)態(tài)下風電場輸出功率指令值，P_f^*和P_in^*分別為由風電場與電力系統(tǒng)并網(wǎng)點的頻率偏差決定的修正量和由風電場與電力系統(tǒng)并網(wǎng)點的頻率變化率決定的修正量，計算公式如下：

P_f^*＝K_f(f^*-f)

上式中，K_f和K_in分別為風電場有功功率-頻率的下垂系數(shù)和阻尼系數(shù)，K_f的取值范圍為0.1～10，K_in的取值范圍為1～20，f^*為電力系統(tǒng)的額定頻率，本發(fā)明的一個實施例中，K_f和K_in分別為0.8和2；

(3-2)按照設定的時間周期T_P(建議值0.08秒，可根據(jù)風電場規(guī)模適當調(diào)整)測量風電場與電力系統(tǒng)并網(wǎng)點的實際輸出有功功率標幺值P_PCC，并通過下式計算該實際輸出有功功率標幺值與上述步驟(3-1)中風電場輸出功率參考值P_ref的偏差ΔP_PCC：

ΔP_PCC＝P_PCC-P_ref

并將上述偏差ΔP_PCC以廣播通信的方式發(fā)生至風電場內(nèi)所有的雙饋風機；

(4)風電場的雙饋風機啟動對電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制，其流程框圖如圖3所示，包括以下步驟：

(4-1)初始化時，設定風電場的雙饋風機啟動對電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制的起始步數(shù)k＝0，并使t_f和t_P兩個時鐘從0時刻開始計時；

(4-2)利用上述步驟(1)的方法，計算風電場中雙饋風機在一次調(diào)頻協(xié)調(diào)控制的第k步的發(fā)電水平評價指標x_i(k)：

(4-3)風電場中的所有雙饋風機與有通信關(guān)系的其他雙饋風機互相交換由上述步驟(4-2)計算的第k步的雙饋風機發(fā)電水平評價標準x_i(k)，即第i臺雙饋風機在第k步的發(fā)電水平評價指標，發(fā)送給所有在通信上與其直接相連的第j臺雙饋風機，其中j∈N_i，且第i臺雙饋風機收集所有在通信上與其直接相連的第j臺雙饋風機在第k步的發(fā)電水平評價指標x_i(k)；

(4-4)風電場中的各雙饋風機計算第k步迭代計算所需要的參數(shù)D_ii，k和g_i，k：

上式中，系數(shù)α為小于1的正實數(shù)，本發(fā)明的一個實施例中，α的值為0.5。

上式中，K為權(quán)重系數(shù)，根據(jù)風電場容量或通過實驗選取的正實數(shù)，取值范圍為：0.1～10；

(4-5)利用遞推方法，計算風電場中各雙饋風機在第k步迭代時的牛頓方向遞推值，具體遞推過程為：

(4-5-1)初始化時，設遞推步驟t＝0，并設定遞推步驟終止時t＝T，T取3～5，遞推過程開始；

(4-5-2)計算風電場中各雙饋風機各自的牛頓方向遞推初始值，其中第i臺雙饋風機的牛頓方向遞推初始值為d_i,k⁽⁰⁾：

d_i,k⁽⁰⁾＝D_ii,k^-1g_i,k；

(4-5-3)對t進行判斷，若t<T，則進行步驟(4-5-4)，若t≥T，結(jié)束遞推，進行步驟(4-6)；

(4-5-4)將第i臺雙饋風機在第t步遞推的牛頓方向遞推值d_i,k^(t)，發(fā)送給其他所有有通信關(guān)系的雙饋風機，同時第i臺雙饋風機接收所有有通信關(guān)系的其他雙饋風機在第t步遞推中的牛頓方向遞推值；

(4-5-5)風電場中各雙饋風機根據(jù)接收到的其他有通信關(guān)系的雙饋風機的牛頓方向遞推值，計算第k+1步的牛頓方向遞推值d_i,k^(t+1)，以第i臺雙饋風機為例，計算公式如下：

上式中，B_ij為上述步驟(2)中雙饋風機之間的交換系數(shù)矩陣B中的元素；

(4-5-6)使t＝t+1，返回步驟(4-5-3)；

(4-6)風電場中各雙饋風機執(zhí)行迭代，利用下式計算第k+1步的第i臺雙饋風機的發(fā)電水平評價指標x_i(k+1)：

x_i(k+1)＝x_i(k)-εd_i,k^(T)

上式中，ε為牛頓迭代步長，根據(jù)雙饋風機的實際容量選取，或通過實驗調(diào)節(jié)取值大小，以獲得最佳效果，取值范圍為：0.02～1；

(4-7)風電場中各雙饋風機根據(jù)新的發(fā)電水平評價指標調(diào)整輸出的電磁功率，利用下式計算第k+1步的第i臺雙饋風機輸出的電磁功率標幺值P_e,i(k)：

P_e,i(k)＝SOE_i·x_i(k)+P_m,i(k)

上式中，P_m,i(k)為第i臺雙饋風機在第k步調(diào)整時采集的機械功率標幺值；

(4-8)對測量風電場與電力系統(tǒng)并網(wǎng)點實際輸出有功功率標幺值的時間t_P進行判斷，若t_P≥T_P，使k＝k+1，t_P重新開始計時，并進入步驟(4-9)，若t_P<T_P，重新執(zhí)行本步驟(4-8)；

(4-9)對測量風電場與電力系統(tǒng)并網(wǎng)點頻率的時間t_f進行判斷，若t_f≥T_f，則返回步驟(4-1)，若t_f<T_f，則返回步驟(4-2)。