一种基于多工况专家策略的智能风电场有功功率控制方法与流程

本发明涉及风力发电自动化控制技术领域，尤其是涉及一种在快速调节风电场有功功率的同时防止有功功率振荡的基于多工况专家策略的智能风电场有功功率控制方法。

背景技术：

风电场有功功率控制的目的是为了满足电网调频和消纳风电的需要，其基本方案是通过电网调度系统给风电场下发有功功率指令，风电场能量管理系统接收到有功功率指令后通过一定的控制策略向所管理的每台风电机组下发有功控制目标值以控制风电机组输出功率，从而升高或降低风电场的有功功率。当前对风电场能量管理平台使用的控制策略主要是普通的逻辑控制或pid控制。同时对风电场有功功率控制的研究集中在提升发电效率和降低风电机组损耗，而在提升控制速度及优化系统在不同工况和参数下的稳定性方面，对控制方法的改进提升鲜有研究。

随着风力发电在我国电力结构中占比逐渐上升，风电参与电网调频逐渐普及，这对风电场的功率控制性能尤其是控制速度提出了较高的要求。在技术发展的过程中，普通的开环控制，爬坡式的闭环控制及常规pi控制等都基本实现了风电场功率跟踪控制的目标。但是，这些常规的控制办法存在两方面的问题：

1.由于调节速度与系统稳定性的矛盾关系，系统爬坡速率或控制器增益不能过大，导致不能完全发挥机组的变桨变功率能力，无法支持快速调节的需求；

2.针对风电机组本身发电能力受风能限制且场内机组因维护等原因会动态参与或退出调节的情况，常规控制系统鲁棒性不足，参数难以调节，严重时导致有功振荡。

例如，一种在中国专利文献上公开的“一种变速变桨风电机组阵风控制方法”，其公告号cn107131100a，包括以下步骤：a)检测风电机组的转速ω是否大于风电机组的额定转速ωrate；b)计算风电机组的加速度δω/δt是否大于加速度设定阈值；c)如果风电机组同时满足a和b两个条件，则变桨角度直接给定为90度，进行开环控制，同时变桨速率增加到设定阀值；d)在变桨开环控制的时候，转矩控制输出保持为原转矩值；e)经过顺桨设定时间t之后，如果风电机组不满足a和b的条件，则变桨控制切换到常规闭环控制，如果风电机组还是同时满足条件a和b，则变桨系统继续顺桨。该方案中风电机组的控制方法是在简单的开环控制和闭环控制中进行切换，切换的过程无法解决调节速度与系统稳定性的矛盾，容易出现动态参与或退出调节的情况，常规控制系统鲁棒性不足，参数难以调节，严重时导致有功振荡。

技术实现要素：

本发明是为了克服现有技术的风电场调节速度与系统稳定性的矛盾导致不能完全发挥机组的变桨变功率能力、无法快速调节的问题，提供一种基于多工况专家策略的智能风电场有功功率控制方法，该方法实现的有功功率控制器适用于风电场有功功率控制实际应用，能充分发挥单台风机的调节能力，同时在系统特性变化时，甚至在pid参数不做严格整定时也能保持系统稳定。

本发明的第二个目的克服机组本身发电能力受限导致的参数难以调节产生有功振荡的问题，能够极大提升控制器的鲁棒性，在快速调节风电场有功功率的同时保证有功功率不会振荡。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于多工况专家策略的智能风电场有功功率控制方法，包括以下步骤：

s1：控制器对输入数据进行初步处理判断风机状态得出给定值sp和反馈值pv；

s2：控制器对误差进行处理并根据给定值sp和反馈值pv刷新当前误差；

s3：根据误差分成四种工况并计算有功控制量增量；

s4：控制器根据四种工况计的有功控制量增量算有功控制量；

s5：有功控制量经过控制器限幅处理后分配给风机执行有功功率控制动作计算输出。

本发明结合pid控制，将风电场分成四种工况设计控制策略，从而提升了控制器的控制效果，使得在误差较大时风场能快速升降功率，在误差较小时能保证调节精准。同时，通过按照风场发电规律设计误差较大时控制器的输出，能够极大提升控制器的鲁棒性，在快速调节风电场有功功率的同时保证有功功率不会振荡。

作为优选，所述s1包括以下步骤：

s11：plc采集风电机组数据判断风机状态；

s12：控制器将正常并网且允许参与有功调节的风机定义为可控状态，其余风机为不可控状态；

s13：计算给定值sp和反馈值pv。

作为优选，所述s13中给定值sp和反馈值pv的计算步骤为：

s131：将不可控风机的有功功率累加为p’；

s132：将可控风机的有功功率累加为p；

s133：将风电场有功目标指令为p0；

s134：求得sp＝p0–p；求得pv＝p–p’。

作为优选，所述s2包括以下步骤：

s21：向后平移得到前两个周期的误差，e2＝e1及e1＝e，其中e、e1和e2分别为当前周期误差、上一周期误差及上两周期误差；

s22：刷新当前周期误差为e＝sp-pv。

作为优选，所述s3包括以下步骤：

s31：判断当|e|＜a时，进行工况一，令δu＝kp(e-e1)+ki·e+kd(e-2e1+e2)；

若|e|≥a，则进入s32；

其中：kp，ki，kd为差分pid参数，a为改进pid控制器的调节参数；

s32：判断是否满足e·(e-e1)≥0，若是，进入工况二；

令有功控制变化量为：δu＝kp2(e-e1)+ki2·e+kd2(e-2e1+e2)，否则进入s33；

其中：kp2，ki2，kd2为差分pid参数；

s33：进入工况三，令有功控制变化量为：δu＝0

s34：进入工况四，判断是否满足|e|＞＝b

若是，则执行s35，若否则停止；

s35：判断是否满足e＞0，

若是则进行快速升功率；否则执行快速降功率。

作为优选，所述s35中快速升功率为：令δu＝max{sp-c1，δu}，其中c1为改进pid控制器的调节参数；δu为有功控制变化量，用来与上一周期有功控制量一起作为变量去计算有功控制量。

作为优选，所述s35中快速降功率为：令δu＝max{sp+c2，δu}，其中c2为改进pid控制器的调节参数；δu为有功控制变化量，用来与上一周期有功控制量一起作为变量去计算有功控制量。

作为优选，所述s4包括以下步骤：

s41：计算上一周期有功控制量u0；

s42：根据上一周期有功控制量u0计算有功控制量u。

作为优选，所述s41中上一周期有功控制量u0的计算方式为：

u＝u0+δu

其中i为可控风机数量，pi为可控风机i的有功功率目标参数。

作为优选，所述有功控制量的计算方式为：

u＝u0+δu，

其中u为有功控制量，u0为上一周期的有功控制量，δu为有功控制变化量。

有功控制量经限幅处理即可分配给风机执行有功功率控制动作。即顺序计算uout＝min{u，umax}，uout＝max{uout，umin}，其中umax，umin为调节参数。

因此，本发明具有如下有益效果：

1.本发明将风电场分成四种工况设计控制策略，从而提升了控制器的控制效果，使得在误差较大时风场能快速升降功率，在误差较小时能保证调节精准。

2.本发明通过按照风场发电规律设计误差较大时控制器的输出，能够极大提升控制器的鲁棒性，在快速调节风电场有功功率的同时保证有功功率不会振荡，本发明将风电场分成四种工况设计控制策略，将风机分为可控状态和不可控状态，通过累加不可控风机和可控风机的有功功率，使用pid控制器进行误差处理、有功控制量增量计算对四种工况进行不同的处理去计算有功控制量，有功控制量经过pid控制器限幅处理即可分配给风机执行有功功率控制动作。

3.本发明能充分发挥单台风机的调节能力，同时在系统特性变化时，甚至在pid参数不做严格整定时也能保持系统稳定。

附图说明

图1是本发明实施例1的流程图。

图2是本发明实施例2的一次周期内的计算流程图。

图3是本发明控制器用于风电场有功功率控制的控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例1：

本实施例一种基于多工况专家策略的智能风电场有功功率控制方法，如图1所示，本发明提供了一种基于多工况专家策略的智能风电场有功功率控制方法，包括以下步骤：

s1：控制器对输入数据进行初步处理判断风机状态得出给定值sp和反馈值pv；

s2：控制器对误差进行处理并根据给定值sp和反馈值pv刷新当前误差；

s3：根据误差分成四种工况并计算有功控制量增量；

s4：控制器根据四种工况计的有功控制量增量算有功控制量；

s5：有功控制量经过控制器限幅处理后分配给风机执行有功功率控制动作计算输出。

实施例2：

如图2、图3所示，本发明提出一种基于多工况专家策略的智能风电场有功功率控制方法，具体包括以下步骤：

s1：控制器对输入数据进行初步处理判断风机状态得出给定值sp和反馈值pv；

其中，步骤s1具体包括以下步骤：

s11：plc采集风电机组数据判断风机状态；

s12：控制器将正常并网且允许参与有功调节的风机定义为可控状态，其余风机为不可控状态；

s13：计算给定值sp和反馈值pv。

其中，s13中的给定值sp和反馈值pv的计算具体包括以下步骤：

s131：将不可控风机的有功功率累加为p’；

s132：将可控风机的有功功率累加为p；

s133：将风电场有功目标指令为p0；

s134：求得sp＝p0-p；求得pv＝p-p’。

s2：控制器对误差进行处理并根据给定值sp和反馈值pv刷新当前误差；

其中，步骤s2具体包括以下步骤：

s21：向后平移得到前两个周期的误差，e2＝e1及e1＝e，其中e、e1和e2分别为当前周期误差、上一周期误差及上两周期误差；

s22：刷新当前周期误差为e＝sp-pv。

s3：根据误差分成四种工况并计算有功控制量增量；

其中，步骤s3具体包括以下步骤：

s31：判断当|e|＜a时，进行工况一，令δu＝kp(e-e1)+ki·e+kd(e-2e1+e2)；若|e|≥a，则进入s32；

其中：kp，ki，kd为差分pid参数，a为改进pid控制器的调节参数；

s32：判断是否满足e·(e-e1)≥0，若是，进入工况二；

令有功控制变化量为：δu＝kp2(e-e1)+ki2·e+kd2(e-2e1+e2)，否则进入s33；

其中：kp2，ki2，kd2为差分pid参数；

s33：进入工况三，令有功控制变化量为：δu＝0

s34：进入工况四，判断是否满足|e|＞＝b

若是，则执行s35，若否则停止；

s35：判断是否满足e＞0，

若是则进行快速升功率；否则执行快速降功率。

具体的，进行快速升功率的步骤为：令δu＝max{sp-c1，δu}，其中c1为改进pid控制器的调节参数；δu为有功控制变化量，用来与上一周期有功控制量一起作为变量去计算有功控制量。

具体的，进行快速降功率的步骤为：令δu＝max{sp+c2，δu}，其中c2为改进pid控制器的调节参数；δu为有功控制变化量，用来与上一周期有功控制量一起作为变量去计算有功控制量。

s4：控制器根据四种工况计的有功控制量增量算有功控制量；

其中，步骤s4具体包括以下步骤：

s41：计算上一周期有功控制量u0；

s42：根据上一周期有功控制量u0计算有功控制量u。

其中，上一周期有功控制量u0的计算方式为：

其中i为可控风机数量，pi为可控风机i的有功功率目标参数。

其中，有功控制量的计算方式为：

u＝u0+δu，其中u为有功控制量，u0为上一周期的有功控制量，δu为有功控制变化量。

s5：有功控制量经过控制器限幅处理后分配给风机执行有功功率控制动作计算输出。

有功控制量经限幅处理即可分配给风机执行有功功率控制动作，即顺序计算uout＝min{u，umax}，uout＝max{uout，umin}，其中umax，umin为调节参数。

本发明将风电场分成四种工况设计控制策略，将风机分为可控状态和不可控状态，通过累加不可控风机和可控风机的有功功率，使用pid控制器进行误差处理、有功控制量增量计算对四种工况进行不同的处理去计算有功控制量，有功控制量经过pid控制器限幅处理即可分配给风机执行有功功率控制动作，从而提升了控制器的控制效果，使得在误差较大时风场能快速升降功率，在误差较小时能保证调节精准，通过按照风场发电规律设计误差较大时控制器的输出，能够极大提升控制器的鲁棒性，在快速调节风电场有功功率的同时保证有功功率不会振荡，本发明能充分发挥单台风机的调节能力，同时在系统特性变化时，甚至在pid参数不做严格整定时也能保持系统稳定。

上述实施例对本发明的具体描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整均落入本发明的保护范围之内。