一种基于模型预测控制的风电场有功功率优化调控方法

本发明涉及风力发电场并网功率控制及主动支撑领域，具体涉及一种基于模型预测控制的风电场有功功率优化调控方法。

背景技术：

1、随着风力发电装机容量的不断增加，其对电力系统的影响越来越不可忽视。一方面，风力发电机的能量来源于自然界的风，而风速具有随机性与波动性，因此，风力发电的出力也具有随机性和波动性，大规模风电并网后其出力的随机性与波动性会加剧电力系统的发电与用电不平衡波动，使得电力系统频率波动更加频繁和剧烈。同时，风力发电传统控制策略是最大风能追踪，不对参与电力系统调频，风力发电的大规模装机降低了传统提供调频服务的同步机组的装机，使得电力系统整体调频能力下降。

2、为维持电力系统安全稳定运行，减弱海上大规模风力发电并网对电力系统频率造成的负面影响，一种极具潜力的方案是制定风力发电有功主动支撑策略，使得风力发电有功输出主动响应电力系统频率偏差，像常规能源一样提供调频服务和惯量支撑。在2021年，新标准《风电机组接入电力系统技术规定第1部分：陆上风电》(gb/t19963.1—2021)出台，对风电场提出了有功主动支撑的要求。为此，研究人员对风力发电有功主动支撑策略展开了大量研究。其中，风电机组层面的有功主动支撑策略主要包括转子动能控制、转子超速控制、变桨控制，储能控制、超级电容控制以及组合控制等。风电场层面的有功主动支撑策略研究主要涉及多风电机组间的协同策略，即将风电场有功主动支撑期间总有功调节量分配到各个风电机组的分配策略。

3、研究人员提出了不同的风电场总有功调节量分配策略，例如平均分配、按各个风电机组额定功率分配，按各个风电机组调频前功率分配，按各个风电机组实时转子转速分配，按各个风电机组转速调节裕度分配，按各个风电机组的迎风风速进行分配，按各个风电机组功率变化量最小化进行分配，按各个风电机组载荷最小化进行分配等。这些方法都没有对风电机组只利用转子动能的存储/释放进行固定短时调频时的有功主动支撑能力进行精确量化，没有根据风电机组精确的有功主动支撑能力量化结果进行风电场总有功调节量分配。若风电机组日常运行于最大风能追踪模式，只利用转子动能的存储/释放进行固定短时调频，风电机组的转子可储存和可释放的动能有限，因此其有功主动支撑能力有限。当被分配的有功调节量大于风电机组的有功主动支撑能力，会使得风电机组转子转速超出稳定运行范围，触发转速保护动作甚至使风力发电机组脱网。因此对风电机组只利用转子动能进行固定短时调频时的有功主动支撑能力进行精确量化，并根据风电机组精确的有功主动支撑能力量化结果进行风电场总有功调节量分配是非常重要的。

4、申请号为202210743599.2的发明专利中，发明人将风电机组的转速调整量在所有调频风电机组的转速调整量总和中的比例作为第一分配系数，将风电机组的功率调整量在所有调频风电机组的功率调整量总和中的比例作为第二分配系数，两者加权得到风电机组的综合分配系数。申请号为201611220564.1的发明专利中提出一种风电场有功功率分配方法，先把风电场总有功调节量指令除以调频机组数得到平均有功调节量，若风电机组储能值大于平均有功调节量，则机组被分配的有功调节量就是平均有功调节量，若机组储能值小于平均有功调节量，则机组被分配的有功调节量就是机组储能值。上述专利中没有对风电机组只利用转子动能进行固定短时调频时的有功主动支撑能力进行精确量化。

技术实现思路

1、为了弥补现有风电场调频功率分配方法相关研究的不足，本发明提出一种基于模型预测控制的风电场有功功率优化调控方法。首先对风电机组只利用转子动能的存储/释放进行固定短时调频时的有功主动支撑能力进行精确量化。得到不同风速下风电机组的有功主动支撑能力。其次，当电力系统频率偏离额定值，实时计算风电场总有功调节量，考虑各个风电机组有功主动支撑能力精确量化结果以及额定功率，基于模型预测控制技术将风电场总有功调节量分配到各个风电机组，得到各个风电机组被分配的有功调节量。所述方法实现了对风电机组只利用转子动能的存储/释放进行固定短时调频时的有功主动支撑能力的精确量化，并根据风电机组的主动支撑能力精确量化结果以及额定功率对风电场调频时的总有功调节量进行分配，避免风电机组被分配的有功调节量超出其有功主动支撑能力而导致的风电机组转子转速超出稳定运行范围。同时也使得有功主动支撑能力大以及额定功率大的风电机组被分配到更多有功调节量。

2、本发明公开了一种基于模型预测控制的风电场有功功率优化调控方法，其步骤包括：

3、步骤1：对风电机组只利用转子动能的存储/释放进行固定短时调频时的有功主动支撑能力进行精确量化；

4、步骤2：当电力系统频率偏离额定值，实时计算风电场总有功调节量，考虑各个风电机组有功主动支撑能力精确量化结果以及额定功率，基于模型预测控制技术将风电场总有功调节量分配到各个风电机组，得到各个风电机组被分配的有功调节量。

5、其中，步骤1所述风电机组有功主动支撑能力是指风电机组日常运行于最大风能追踪模式，只利用转子动能的存储/释放进行固定短时调频时最大的有功上调量和最大的有功下调量。

6、其中，所述风电机组有功主动支撑能力进行精确量化的数学模型为：

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11、其中，pt0为风电机组调频前有功输出，为风电机组实时风能捕获，ω0为风电机组调频前转子转速，t为调频时间长度。为风电机组只利用转子动能的存储/释放进行固定短时调频时的最大的有功上调量，δerele为风电机组可释放的最大转子动能，ωmin为风电机组允许最低转子转速。为风电机组只利用转子动能的存储/释放进行固定短时调频时的最大的有功下调量。δestor为风电机组可储存的最大转子动能，ωmax为风电机组允许最大转子转速，j为风电机组的转动惯量。

12、其中，所述风电机组有功主动支撑能力进行精确量化的仿真求解方法为：

13、步骤1.1：根据风电机组参数建立风电机组仿真模型；

14、步骤1.2：在仿真模型中，风电机组先运行于最大风能追踪模式，随后进入有功上调的调频模式且有功为调频前功率加上有功上调量，持续ts后退出调频；

15、步骤1.3：在仿真模型中，若风电机组退出调频时转子转速大于风电机组允许最低转子转速，则增加风电机组有功上调量，重复步骤1.2直到风电机组退出调频时转子转速近似于风电机组允许最低转子转速，此时的风电机组有功上调量即为风电机组只利用转子动能的存储/释放进行固定短时调频时的最大的有功上调量若风电机组退出调频时转子转速小于风电机组允许最低转子转速，则减少风电机组有功上调量，重复步骤1.2直到风电机组退出调频时转子转速近似于风电机组允许最低转子转速，此时的风电机组有功上调量即为风电机组只利用转子动能的存储/释放进行固定短时调频时的最大的有功上调量

16、步骤1.4：在仿真模型中，风电机组先运行于最大风能追踪模式，随后进入有功下调的调频模式且有功为调频前功率减去有功下调量，持续ts后退出调频；

17、步骤1.5：若风电机组退出调频时转子转速小于风电机组允许最大转子转速，则增加风电机组有功下调量，重复步骤1.4直到风电机组退出调频时转子转速近似于风电机组允许最大转子转速，此时的风电机组有功下调量即为风电机组只利用转子动能的存储/释放进行固定短时调频时的最大的有功下调量若风电机组退出调频时转子转速大于风电机组允许最大转子转速，则减少风电机组有功下调量，重复步骤1.4直到风电机组退出调频时转子转速近似于风电机组允许最低转子转速，此时的风电机组有功下调量即为风电机组只利用转子动能的存储/释放进行固定短时调频时的最大的有功下调量

18、步骤1.6：在不同风速下重复步骤1.1-1.5，得到不同风速下风电机组的有功主动支撑能力。

19、其中，所述步骤2中基于模型预测控制技术将风电场总有功调节量分配到各个风电机组具体方法为：

20、步骤2.1：根据各个风电机组当前迎风风速以及步骤1中的风电机组有功主动支撑能力量化结果，确定各个风电机组的当前有功主动支撑能力，即只利用转子动能的存储/释放进行固定短时调频时的最大的有功上调量和最大有功下调量

21、步骤2.2：建立模型预测控制器的优化目标函数，优化目标为各个风电机组被分配的有功调节量接近各自理想有功调节量，优化目标函数如下所示；

22、

23、

24、其中，n为风电机组总数，δpi为第i台风电机组的被分配有功调节量，δpides为第i台风电机组的理想有功调节量，pin为第i台风电机组的额定功率，为第i台风电机组只利用转子动能的存储/释放进行固定短时调频时的最大的有功上调量，为第i台风电机组只利用转子动能的存储/释放进行固定短时调频时的最大的有功下调量，δpall为风电场总的有功调节量；

25、步骤2.3：建立模型预测控制器的约束条件，包括各个风电机组被分配的有功调节量之和等于风电场总有功调节量，各个风电机组被分配的有功调节量不超出其有功主动支撑能力。各个风电机组有功输出不超出其额定功率；

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29、其中，pit0为第i台风电机组调频前有功功率；

30、步骤2.4：求解模型预测控制器的优化问题，得到各个风电机组被分配的有功调节量。

31、与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有创新：

32、1)针对风电机组只利用转子动能的存储/释放进行固定短时调频时的有功主动支撑能力，提出了精确量化的方法。该方法可得到不同风速下风电机组的最大的有功上调量和最大有功下调量。

33、2)考虑各个风电机组有功主动支撑能力精确量化结果以及额定功率，提出一种基于模型预测控制技术的风电场总有功调节量分配方法，将风电场总有功调节量分配到各个风电机组。该分配方法可避免风电机组被分配的有功调节量超出其有功主动支撑能力而导致的风电机组转子转速超出稳定运行范围。同时也使得有功主动支撑能力大以及额定功率大的风电机组被分配到更多有功调节量。