雙饋風機風電場參與電力系統一次調頻的協調控制方法與流程
2023-12-04 15:54:11
本發明涉及一種雙饋風機風電場參與電力系統一次調頻的協調控制方法，屬於電力系統運行和控制技術領域。
背景技術：
環境問題驅動著電力系統的創新與變革，發展可再生能源發電，可以優化能源結構、推動節能減排和實現經濟可持續發展。作為最具代表性的可再生能源發電方式之一，風力發電被廣泛認為是傳統火力發電的有效替代方案。風力發電的快速發展正在逐漸改變電力系統的傳統運行方式。大規模高滲透率風力發電接入導致的最明顯的問題是由於風能自身的隨機性和波動性，將給電力系統帶來嚴重的功率波動。而由於大規模風力發電採用異步電機的形式，使得其轉子轉速與系統頻率相互解耦，從而降低了系統的慣性，進一步導致了頻率的波動。因此，在風電高滲透率地區，若大規模風電場的風力發電機均採用最大功率跟蹤控制模式，將對電力系統產生巨大的衝擊，甚至影響安全穩定運行。
目前，大多數風電場採用雙饋風機發電，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節提供了可能。通過調節雙饋風機轉子側的電力電子裝置，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頻服務。然而，目前大多數雙饋風機參與一次調頻的方法都只以一臺單獨的風機作為參與調頻的單位，而在電力系統中風電場應整體響應系統的頻率變化，特別是在電力市場的環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算的標準。但若進行風電場參與電力系統頻率控制的協調控制，一般需採用集中式的優化控制方法，目前國內外的已有方法均屬於這一類型。但由於大規模風電場風機數量眾多，地理分布較遠，集中式控制需要建設複雜的通信網絡，且嚴重依賴於風電場集中控制器。若風電場集中控制器發生故障，整個系統將陷於癱瘓，因此可靠性很低，而集中的模型維護和優化計算也將耗費大量的時間，並不適合對響應速度要求很高的一次調頻。
技術實現要素：
本發明的目的是提出一種雙饋風機風電場參與電力系統一次調頻的協調控制方法，以可滿足風電場整體參與系統一次頻率調節的目標，使其呈現類似同步發電機的頻率響應特性，且可按照不同雙饋風機的調節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，改善風電場一次調頻的動態性能，且方法實現方便，控制簡單。
本發明提出的雙饋風機風電場參與電力系統一次調頻的協調控制方法，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評價指標SOEi：
上式中，SOEi表示風電場中第i臺雙饋風機葉片儲存動能的能量狀態評價指標，ωt,i表示風電場中第i臺雙饋風機葉片的轉速標么值，ωtmin,i表示風電場中第i臺雙饋風機保證正常發電的葉片轉速標么值的下限，ωtmax,i表示風電場中第i臺雙饋風機保證正常發電的葉片轉速標么值的上限，i為介於1到m之間的任意整數，m為風電場中雙饋風機的數量；
根據上述得到的風電場中雙饋風機葉片儲存動能的能量狀態評價指標SOEi，建立風電場中雙饋風機發電水平評價指標xi：
上式中，Pe,i表示風電場中第i臺雙饋風機輸出的電磁功率標么值，Pm,i表示風電場中第i臺雙饋風機捕獲的機械功率標么值；
(2)設定風電場中所有雙饋風機間的通信關係在拓撲上是連通的，建立雙饋風機之間的通信係數矩陣A＝[μij]m×m，矩陣中的元素μij為第i臺雙饋風機和第j臺雙饋風機之間的通信係數：
上式中，Ni表示所有與第i臺雙饋風機有通信關係的雙饋風機的下標集合，ni和nj分別表示與第i臺和第j臺雙饋風機有通信關係的雙饋風機的個數；
建立雙饋風機之間的交換係數矩陣B＝[Bij]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的對角線元素構成的對角矩陣；
(3)風電場啟動對電力系統的一次調頻協調控制，包括以下步驟：
(3-1)按照設定時間周期Tf測量風電場與電力系統併網點的頻率f，利用下式計算得到風電場輸出功率參考值Pref：
Pref＝Pref*+Pf*+Pin*
上式中，Pref*表示上級電力系統調度中心給出的穩態下風電場輸出功率指令值，Pf*和Pin*分別為由風電場與電力系統併網點的頻率偏差決定的修正量和由風電場與電力系統併網點的頻率變化率決定的修正量，計算公式如下：
Pf*＝Kf(f*-f)
上式中，Kf和Kin分別為風電場有功功率-頻率的下垂係數和阻尼係數，Kf的取值範圍為0.1～10，Kin的取值範圍為1～20，f*為電力系統的額定頻率；
(3-2)按照設定的時間周期TP測量風電場與電力系統併網點的實際輸出有功功率標么值PPCC，並通過下式計算該實際輸出有功功率標么值與上述步驟(3-1)中風電場輸出功率參考值Pref的偏差ΔPPCC：
ΔPPCC＝PPCC-Pref
並將上述偏差ΔPPCC以廣播通信的方式發生至風電場內所有的雙饋風機；
(4)風電場的雙饋風機啟動對電力系統的一次調頻協調控制，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的一次調頻協調控制的起始步數k＝0，並使測量風電場與電力系統併網點頻率的時鐘tf和測量風電場與電力系統併網點實際輸出有功功率標么值的時鐘tP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頻協調控制的第k步的發電水平評價指標xi(k)：
(4-3)風電場中的所有雙饋風機與有通信關係的其他雙饋風機互相交換由上述步驟(4-2)計算的第k步的雙饋風機發電水平評價標準xi(k)，即第i臺雙饋風機在第k步的發電水平評價指標，發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∈Ni，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步的發電水平評價指標xi(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Dii,k和gi,k：
上式中，係數α為小於1的正實數，本發明的一個實施例中，α的值為0.5。
上式中，K為權重係數，根據風電場容量或通過實驗選取的正實數，取值範圍為：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，並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di,k(0)：
di,k(0)＝Dii,k-1gi,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di,k(t)，發送給其他所有有通信關係的雙饋風機，同時第i臺雙饋風機接收所有有通信關係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接收到的其他有通信關係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di,k(t+1)，以第i臺雙饋風機為例，計算公式如下：
上式中，Bij為上述步驟(2)中雙饋風機之間的交換係數矩陣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行迭代，利用下式計算第k+1步的第i臺雙饋風機的發電水平評價指標xi(k+1)：
xi(k+1)＝xi(k)-εdi,k(T)
上式中，ε為牛頓迭代步長，根據雙饋風機的實際容量選取，或通過實驗調節取值大小，以獲得最佳效果，取值範圍為：0.02～1；
(4-7)風電場中各雙饋風機根據新的發電水平評價指標調整輸出的電磁功率，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么值Pe,i(k)：
Pe,i(k)＝SOEi·xi(k)+Pm,i(k)
上式中，Pm,i(k)為第i臺雙饋風機在第k步調整時採集的機械功率標么值；
(4-8)對測量風電場與電力系統併網點實際輸出有功功率標么值的時鐘tP進行判斷，若tP≥TP，使k＝k+1，tP重新開始計時，並進入步驟(4-9)，若tP<TP，重新執行本步驟(4-8)；
(4-9)對測量風電場與電力系統併網點頻率的時鐘tf進行判斷，若tf≥Tf，則返回步驟(4-1)，若tf<Tf，則返回步驟(4-2)。
本發明提出的雙饋風機風電場參與電力系統一次調頻的協調控制方法，其優點是：
1、本發明方法建立了風電場整體參與一次調頻的協調控制框架，在風機側基於稀疏通信網絡的點對點控制，大大提高風電場控制的響應速度，而風場側協調層只需要進行量測和信息廣播，不需要進行複雜的模型維護的集中優化計算，其負擔大大降低。
2、本方法通過矩陣分解技術提出了具有二階收斂特性的基於分布式牛頓法的一次調頻控制，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現象、改善一次調頻動態特性等優點，相比線性收斂的分布式調頻算法，本發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頻。
3、本方法引入了能量狀態指標的概念，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，且利用能量狀態指標合理分配功率能夠減少調頻中的風能損失。
4、本發明提出了一種雙饋風機風電場參與電力系統一次調頻的協調控制方法，在風電場側只需安裝協調控制器，其功能僅限於監測風電場併網點的頻率和輸出功率，產生風電場輸出功率參考值，並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。本發明提出的方法不僅使得風電場對系統呈現整體的頻率響應特性，而且能夠在風機間合理分配功率，並改善頻率控制動態特性。
附圖說明
圖1為本發明方法中涉及的風電場對電力系統的一次調頻協調控制流程框圖。
圖2為本發明方法中涉及的風電場一次調頻協調控制產生風電場對電力系統併網點輸出功率參考值的控制框圖。
圖3為本發明方法涉及的雙饋風機對電力系統的一次調頻協調控制流程框圖。
具體實施方式
本發明提出的雙饋風機風電場參與電力系統一次調頻的協調控制方法，包括兩個控制流程，即風電場協調控制器控制流程、雙饋風機分布式控制流程，兩個流程均按照一定周期循環執行，由風電場協調控制器通過廣播通信的方式將場站層的信息定時發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評價指標SOEi：
上式中，SOEi表示風電場中第i臺雙饋風機葉片儲存動能的能量狀態評價指標，ωt,i表示風電場中第i臺雙饋風機葉片的轉速標么值，ωtmin,i表示風電場中第i臺雙饋風機保證正常發電的葉片轉速標么值的下限，ωtmax,i表示風電場中第i臺雙饋風機保證正常發電的葉片轉速標么值的上限，i為介於1到m之間的任意整數，m為風電場中雙饋風機的數量；根據上述得到的風電場中雙饋風機葉片儲存動能的能量狀態評價指標SOEi，建立風電場中雙饋風機發電水平評價指標xi：
上式中，Pe,i表示風電場中第i臺雙饋風機輸出的電磁功率標么值，Pm,i表示風電場中第i臺雙饋風機捕獲的機械功率標么值；
(2)設定風電場中所有雙饋風機間的通信關係在拓撲上是連通的，建立雙饋風機之間的通信係數矩陣A＝[μij]m×m，矩陣中的元素μij為第i臺雙饋風機和第j臺雙饋風機之間的通信係數：
上式中，Ni表示所有與第i臺雙饋風機有通信關係的雙饋風機的下標集合，ni和nj分別表示與第i臺和第j臺雙饋風機有通信關係的雙饋風機的個數；
建立雙饋風機之間的交換係數矩陣B＝[Bij]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的對角線元素構成的對角矩陣；
(3)風電場啟動對電力系統的一次調頻協調控制，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Tf(建議值0.5秒，可根據風電場規模適當調整)測量風電場與電力系統併網點的頻率f，利用下式計算得到風電場輸出功率參考值Pref：
Pref＝Pref*+Pf*+Pin*
上式中，Pref*表示上級電力系統調度中心給出的穩態下風電場輸出功率指令值，Pf*和Pin*分別為由風電場與電力系統併網點的頻率偏差決定的修正量和由風電場與電力系統併網點的頻率變化率決定的修正量，計算公式如下：
Pf*＝Kf(f*-f)
上式中，Kf和Kin分別為風電場有功功率-頻率的下垂係數和阻尼係數，Kf的取值範圍為0.1～10，Kin的取值範圍為1～20，f*為電力系統的額定頻率，本發明的一個實施例中，Kf和Kin分別為0.8和2；
(3-2)按照設定的時間周期TP(建議值0.08秒，可根據風電場規模適當調整)測量風電場與電力系統併網點的實際輸出有功功率標么值PPCC，並通過下式計算該實際輸出有功功率標么值與上述步驟(3-1)中風電場輸出功率參考值Pref的偏差ΔPPCC：
ΔPPCC＝PPCC-Pref
並將上述偏差ΔPPCC以廣播通信的方式發生至風電場內所有的雙饋風機；
(4)風電場的雙饋風機啟動對電力系統的一次調頻協調控制，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的一次調頻協調控制的起始步數k＝0，並使tf和tP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頻協調控制的第k步的發電水平評價指標xi(k)：
(4-3)風電場中的所有雙饋風機與有通信關係的其他雙饋風機互相交換由上述步驟(4-2)計算的第k步的雙饋風機發電水平評價標準xi(k)，即第i臺雙饋風機在第k步的發電水平評價指標，發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∈Ni，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步的發電水平評價指標xi(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Dii，k和gi，k：
上式中，係數α為小於1的正實數，本發明的一個實施例中，α的值為0.5。
上式中，K為權重係數，根據風電場容量或通過實驗選取的正實數，取值範圍為：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，並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di,k(0)：
di,k(0)＝Dii,k-1gi,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di,k(t)，發送給其他所有有通信關係的雙饋風機，同時第i臺雙饋風機接收所有有通信關係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接收到的其他有通信關係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di,k(t+1)，以第i臺雙饋風機為例，計算公式如下：
上式中，Bij為上述步驟(2)中雙饋風機之間的交換係數矩陣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行迭代，利用下式計算第k+1步的第i臺雙饋風機的發電水平評價指標xi(k+1)：
xi(k+1)＝xi(k)-εdi,k(T)
上式中，ε為牛頓迭代步長，根據雙饋風機的實際容量選取，或通過實驗調節取值大小，以獲得最佳效果，取值範圍為：0.02～1；
(4-7)風電場中各雙饋風機根據新的發電水平評價指標調整輸出的電磁功率，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么值Pe,i(k)：
Pe,i(k)＝SOEi·xi(k)+Pm,i(k)
上式中，Pm,i(k)為第i臺雙饋風機在第k步調整時採集的機械功率標么值；
(4-8)對測量風電場與電力系統併網點實際輸出有功功率標么值的時間tP進行判斷，若tP≥TP，使k＝k+1，tP重新開始計時，並進入步驟(4-9)，若tP<TP，重新執行本步驟(4-8)；
(4-9)對測量風電場與電力系統併網點頻率的時間tf進行判斷，若tf≥Tf，則返回步驟(4-1)，若tf<Tf，則返回步驟(4-2)。