本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)保護(hù)與控制領(lǐng)域，具體涉及一種考慮多狀態(tài)量耦合約束的風(fēng)電場(chǎng)頻率協(xié)調(diào)控制方法。

背景技術(shù)：

1、為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)，近年來(lái)風(fēng)電滲透率不斷提高。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)降低了電力系統(tǒng)的慣量水平，系統(tǒng)抗擾能力持續(xù)下降。雙饋風(fēng)電機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型之一，具有高可控性、風(fēng)能利用率高、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。雙饋風(fēng)電機(jī)組可在電力系統(tǒng)出現(xiàn)不平衡功率時(shí)，通過(guò)快速調(diào)節(jié)有功功率輸出改善系統(tǒng)頻率特性。但是，風(fēng)電場(chǎng)通常由數(shù)十甚至數(shù)百臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組組成，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況存在差異，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)中雙饋風(fēng)電機(jī)組的功率支撐能力不同，使得風(fēng)電場(chǎng)中雙饋風(fēng)電機(jī)組的協(xié)調(diào)存在很大難度。高比例風(fēng)電電力系統(tǒng)的頻率控制面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2、目前可通過(guò)雙饋風(fēng)電機(jī)組的綜合慣量控制和風(fēng)電場(chǎng)功率控制定值分配協(xié)調(diào)雙饋風(fēng)電機(jī)組參與電網(wǎng)頻率控制。綜合慣量控制通過(guò)模擬同步機(jī)的慣量響應(yīng)和下垂特性，根據(jù)系統(tǒng)頻率變化，改變雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能為電網(wǎng)提供額外功率支撐。傳統(tǒng)綜合慣量控制采用固定控制參數(shù)，無(wú)法計(jì)及風(fēng)電場(chǎng)中不同雙饋風(fēng)電機(jī)組功率支撐能力的差異，可能導(dǎo)致部分雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到限制而退出頻率控制。因此，根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組的功率支撐能力實(shí)時(shí)調(diào)整綜合慣量控制參數(shù)的思想受到關(guān)注。研究人員利用動(dòng)態(tài)下垂控制計(jì)算雙饋風(fēng)電機(jī)組的功率跟蹤運(yùn)行參數(shù)。有研究提出了不考慮風(fēng)速的下垂系數(shù)計(jì)算方法。也有研究提出了考慮機(jī)組調(diào)頻能量的綜合慣量控制控制參數(shù)設(shè)定方法。研究人員還提出了基于時(shí)變參數(shù)的綜合慣量控制方法。風(fēng)電場(chǎng)常根據(jù)電網(wǎng)頻率控制需求，采用平均分配法或權(quán)重分配法確定各雙饋風(fēng)電機(jī)組的功率控制定值。但是，平均分配法根據(jù)機(jī)組容量設(shè)定功率控制定值，忽略了雙饋風(fēng)電機(jī)組功率支撐能力的差異。權(quán)重分配法多從風(fēng)速、轉(zhuǎn)速等角度考慮雙饋風(fēng)電機(jī)組功率支撐能力的差異。有研究考慮風(fēng)速波動(dòng)的影響，提出了基于隨機(jī)分層分布式模型預(yù)測(cè)控制的風(fēng)電集群頻率控制方法。研究人員提出了分級(jí)最優(yōu)功率控制以減少雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速差異和能量損失?？紤]轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和變流器容量對(duì)機(jī)組功率支撐能力的影響，研究人員提出了基于裕度因子的風(fēng)電場(chǎng)頻率協(xié)調(diào)控制方法。基于時(shí)變控制參數(shù)的綜合慣量控制和基于權(quán)重分配法的風(fēng)電場(chǎng)頻率控制考慮了機(jī)組功率支撐能力的差異，但其控制效果決定于功率支撐能力評(píng)估的準(zhǔn)確度。

3、雙饋風(fēng)電機(jī)組提供功率支撐時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸降低。若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低至雙饋風(fēng)電機(jī)組最小轉(zhuǎn)速，雙饋風(fēng)電機(jī)組須退出頻率控制，將功率恢復(fù)至初始功率，以避免雙饋風(fēng)電機(jī)組退出運(yùn)行。因此，雙饋風(fēng)電機(jī)組的功率支撐能力受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速限制。同時(shí)，當(dāng)槳距角不為零時(shí)，轉(zhuǎn)速變化觸發(fā)風(fēng)力機(jī)槳距角控制，改變槳距角以增大機(jī)械功率。機(jī)械功率變化量和轉(zhuǎn)子釋放旋轉(zhuǎn)動(dòng)能同時(shí)造成雙饋風(fēng)電機(jī)組有功功率的變化。因此，雙饋風(fēng)電機(jī)組的功率支撐能力還與槳距角密切相關(guān)。此外，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化使得轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)發(fā)生變化，改變轉(zhuǎn)子電流大小。為了避免損壞轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，轉(zhuǎn)子電流存在較小的上限。轉(zhuǎn)速變化可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流限幅，限制雙饋風(fēng)電機(jī)組輸出功率，從而影響雙饋風(fēng)電機(jī)組的功率支撐能力。因此，雙饋風(fēng)電機(jī)組的功率支撐能力受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、槳距角和轉(zhuǎn)子電流的耦合約束?，F(xiàn)有研究忽略了槳距角變化導(dǎo)致的機(jī)械功率變化以及轉(zhuǎn)速變化造成的轉(zhuǎn)子電流變化，可能造成雙饋風(fēng)電機(jī)組功率支撐能力的評(píng)估產(chǎn)生誤差。若雙饋風(fēng)電機(jī)組功率支撐能力的評(píng)估結(jié)果偏小，則無(wú)法充分發(fā)揮風(fēng)電場(chǎng)的功率支撐能力；評(píng)估結(jié)果偏大，則使雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到最小轉(zhuǎn)速而退出頻率控制，或轉(zhuǎn)子電流限幅而難以提供充足的支撐，惡化系統(tǒng)頻率。

4、綜上所述，考慮多狀態(tài)量對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組功率支撐能力的耦合約束，提出基于機(jī)組功率支撐能力的風(fēng)電場(chǎng)頻率協(xié)調(diào)控制方法，降低電網(wǎng)不平衡功率導(dǎo)致的系統(tǒng)頻率偏差，是本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了考慮多狀態(tài)量耦合約束的風(fēng)電場(chǎng)頻率協(xié)調(diào)控制方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中因雙饋風(fēng)電機(jī)組功率支撐能力差異引發(fā)的機(jī)組頻率控制退出的問(wèn)題，通過(guò)準(zhǔn)確刻畫(huà)和充分利用雙饋風(fēng)電場(chǎng)的功率支撐能力，對(duì)電網(wǎng)發(fā)生功率擾動(dòng)后的雙饋風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行控制，可有效抑制電網(wǎng)不平衡功率導(dǎo)致的系統(tǒng)頻率偏差。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種考慮多狀態(tài)量耦合約束的風(fēng)電場(chǎng)頻率協(xié)調(diào)控制方法，包括如下步驟：

4、s101、實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)頻率，當(dāng)頻率偏差超過(guò)死區(qū)時(shí)啟動(dòng)控制；

5、s102、根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、槳距角和轉(zhuǎn)子電流的預(yù)測(cè)模型以及以雙饋風(fēng)電機(jī)組有功功率最大為目標(biāo)的優(yōu)化模型，評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)中各雙饋風(fēng)電機(jī)組的最大功率支撐能力；

6、s103、根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組的最大功率支撐能力，計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)中各雙饋風(fēng)電機(jī)組的貢獻(xiàn)度；

7、s104、根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)頻率和雙饋風(fēng)電機(jī)組貢獻(xiàn)度，計(jì)算雙饋風(fēng)電機(jī)組的功率控制定值，實(shí)施控制。

8、優(yōu)選地，步驟s102中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的預(yù)測(cè)模型按以下方法建立：

9、根據(jù)前一時(shí)刻的雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及控制采樣間隔對(duì)應(yīng)的雙饋風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)軸系等效阻尼與感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值，得到當(dāng)前時(shí)刻的第一轉(zhuǎn)速參量；

10、根據(jù)前一時(shí)刻的雙饋風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速以及控制采樣間隔對(duì)應(yīng)的雙饋風(fēng)電機(jī)組的電磁功率與感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值，得到當(dāng)前時(shí)刻的第二轉(zhuǎn)速參量；

11、根據(jù)前一時(shí)刻的雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸系的角位移以及控制采樣間隔對(duì)應(yīng)的雙饋風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)軸系等效阻尼與感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值，得到當(dāng)前時(shí)刻的第三轉(zhuǎn)速參量；

12、根據(jù)前一時(shí)刻的雙饋風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)軸系的角位移以及控制采樣間隔對(duì)應(yīng)的雙饋風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)軸系等效剛度與感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值，得到當(dāng)前時(shí)刻的第四轉(zhuǎn)速參量；

13、根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的第一轉(zhuǎn)速參量、第二轉(zhuǎn)速參量、第三轉(zhuǎn)速參量以及第四轉(zhuǎn)速參量，得到當(dāng)前時(shí)刻雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

14、優(yōu)選地，步驟s102中，槳距角的預(yù)測(cè)模型按以下方法建立：

15、根據(jù)前一時(shí)刻的雙饋風(fēng)電機(jī)組的槳距角的控制調(diào)節(jié)變量以及控制采樣間隔與槳距角控制的時(shí)間常數(shù)的比例關(guān)系，得到當(dāng)前時(shí)刻的第一槳距角參量；

16、根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及pac的比例系數(shù)與槳距角控制的時(shí)間常數(shù)的比值，得到當(dāng)前時(shí)刻的第二槳距角參量；

17、根據(jù)前一時(shí)刻的雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及控制采樣間隔、pac的比例系數(shù)、積分系數(shù)、槳距角控制的時(shí)間常數(shù)，得到當(dāng)前時(shí)刻的第三槳距角參量；

18、根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速參考值以及控制采樣間隔對(duì)應(yīng)下pac的積分系數(shù)與槳距角控制的時(shí)間常數(shù)的比值，得到當(dāng)前時(shí)刻的第四槳距角參量；

19、根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的第一槳距角參量、第二槳距角參量、第三槳距角參量、第四槳距角參量以及前一時(shí)刻的雙饋風(fēng)電機(jī)組的槳距角，得到當(dāng)前時(shí)刻雙饋風(fēng)電機(jī)組的槳距角。

20、優(yōu)選地，步驟s102中，轉(zhuǎn)子電流的預(yù)測(cè)模型按以下方法建立：

21、根據(jù)前一時(shí)刻的雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子電流d軸分量、控制采樣間隔、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子電感、漏磁系數(shù)，得到當(dāng)前時(shí)刻的第一d軸參量；

22、根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子電壓參考值d軸分量、轉(zhuǎn)子電感、漏磁系數(shù)和控制采樣間隔，得到當(dāng)前時(shí)刻的第二d軸參量；

23、根據(jù)前一時(shí)刻的雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)差角速度、轉(zhuǎn)子電流d軸分量和控制采樣間隔，得到當(dāng)前時(shí)刻的第三d軸參量；

24、根據(jù)前一時(shí)刻的雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子電流q軸分量、控制采樣間隔、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子電感、漏磁系數(shù)，得到當(dāng)前時(shí)刻的第一q軸參量；

25、根據(jù)雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子電壓參考值q軸分量、轉(zhuǎn)子電感、漏磁系數(shù)和控制采樣間隔，得到當(dāng)前時(shí)刻的第二q軸參量；

26、根據(jù)前一時(shí)刻的雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)差角速度、轉(zhuǎn)子電流q軸分量和控制采樣間隔，得到當(dāng)前時(shí)刻的第三q軸參量；

27、根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻對(duì)應(yīng)的三個(gè)d軸參量和三個(gè)q軸參量，計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻的雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子電流預(yù)測(cè)結(jié)果。

28、優(yōu)選地，步驟s102中，優(yōu)化模型按以下方法建立：

29、對(duì)優(yōu)化時(shí)域各個(gè)時(shí)刻轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速約束下風(fēng)電場(chǎng)的有功功率按照大小降序排序，得到優(yōu)化時(shí)域內(nèi)轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速約束下風(fēng)電場(chǎng)的有功功率最大值第一參量；

30、對(duì)優(yōu)化時(shí)域各個(gè)時(shí)刻轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距角約束下風(fēng)電場(chǎng)的有功功率按照大小降序排序，得到優(yōu)化時(shí)域內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和槳距角約束下風(fēng)電場(chǎng)的有功功率最大值第二參量；

31、從有功功率最大值第一參量和有功功率最大值第二參量中選擇較小的有功功率值，作為優(yōu)化后雙饋風(fēng)電機(jī)組的有功功率最大值。

32、優(yōu)選地，步驟s103中，雙饋風(fēng)電機(jī)組的最大功率支撐能力按以下方法確定：

33、s301、設(shè)定優(yōu)化時(shí)域tp，并根據(jù)k時(shí)刻雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、槳距角和轉(zhuǎn)子電流初始值，利用轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、槳距角和轉(zhuǎn)子電流預(yù)測(cè)模型計(jì)算k+1時(shí)刻雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、槳距角和轉(zhuǎn)子電流，其中k時(shí)刻為啟動(dòng)控制的時(shí)刻；

34、s302、根據(jù)k+1時(shí)刻雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、槳距角和轉(zhuǎn)子電流，利用優(yōu)化模型計(jì)算k+1時(shí)刻雙饋風(fēng)電機(jī)組有功功率；

35、s303、利用預(yù)測(cè)模型和優(yōu)化模型迭代計(jì)算至k+tp時(shí)刻雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、槳距角和轉(zhuǎn)子電流和有功功率，遍歷優(yōu)化時(shí)域內(nèi)雙饋風(fēng)電機(jī)組的有功功率計(jì)算結(jié)果，將滿足約束條件的雙饋風(fēng)電機(jī)組有功功率的最大值確定為最大功率支撐能力。

36、優(yōu)選地，步驟s303中，約束條件包括：

37、在當(dāng)前時(shí)刻每臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子電流小于或等于轉(zhuǎn)子電流最大值；在當(dāng)前時(shí)刻每臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于或等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速最大允許值且大于或等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速最小允許值；在當(dāng)前時(shí)刻每臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組的槳距角小于或等于槳距角最大允許值且大于0；在當(dāng)前時(shí)刻每臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組的槳距角偏差值小于或等于槳距角最大偏差值且大于或等于槳距角最小偏差值；當(dāng)前時(shí)刻每臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組的槳距角偏差值為當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻雙饋風(fēng)電機(jī)組的槳距角差值。

38、優(yōu)選地，步驟s104中，每臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組的貢獻(xiàn)度按以下方法計(jì)算：

39、根據(jù)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的最大功率支撐能力與風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)電機(jī)組的最大功率支撐能力之和的比值，得到每臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組的貢獻(xiàn)度。

40、優(yōu)選地，步驟s104中，每臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組的功率控制定值按以下方法計(jì)算：

41、根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)每臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組的下垂系數(shù)與頻率偏差的微分，得到風(fēng)電場(chǎng)每臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組的第一控制定值；

42、根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)每臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組的慣量系數(shù)與頻率偏差的乘積，得到風(fēng)電場(chǎng)每臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組的第二控制定值；

43、根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)所有雙饋風(fēng)電機(jī)組的第一控制定值和第二控制定值之和，得到雙饋風(fēng)電場(chǎng)的補(bǔ)償功率；

44、根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)每臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械功率與控制參量乘積，結(jié)合雙饋風(fēng)電場(chǎng)的補(bǔ)償功率，得到每臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組的功率控制定值。

45、本發(fā)明提供了一種考慮多狀態(tài)量耦合約束的風(fēng)電場(chǎng)頻率協(xié)調(diào)控制方法，通過(guò)準(zhǔn)確刻畫(huà)雙饋風(fēng)電場(chǎng)的功率支撐能力，對(duì)電網(wǎng)發(fā)生功率擾動(dòng)后的雙饋風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行控制，可充分利用風(fēng)電場(chǎng)的功率支撐能力，有效抑制電網(wǎng)不平衡功率導(dǎo)致的系統(tǒng)頻率偏差。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

46、1、現(xiàn)有技術(shù)采用綜合慣量控制使風(fēng)電場(chǎng)參與系統(tǒng)頻率控制，但是，基于固定控制參數(shù)的綜合慣量控制無(wú)法計(jì)及風(fēng)電場(chǎng)中不同雙饋風(fēng)電機(jī)組功率支撐能力的差異，可能導(dǎo)致部分雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到限制而退出頻率控制?；趧?dòng)態(tài)控制參數(shù)的綜合慣量控制僅關(guān)注風(fēng)速、轉(zhuǎn)速等單一變量對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組功率支撐能力的影響，忽略了轉(zhuǎn)速、槳距角和轉(zhuǎn)子電流對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組功率支撐能力的耦合約束，造成雙饋風(fēng)電機(jī)組功率支撐能力的評(píng)估產(chǎn)生誤差。本發(fā)明通過(guò)準(zhǔn)確評(píng)估轉(zhuǎn)速、槳距角和轉(zhuǎn)子電流耦合約束下雙饋風(fēng)電機(jī)組的功率支撐能力，提出了基于貢獻(xiàn)度的雙饋風(fēng)電場(chǎng)頻率協(xié)調(diào)控制方法，實(shí)現(xiàn)了雙饋風(fēng)電場(chǎng)功率支撐能力的最大化利用，有效改善了系統(tǒng)頻率特性。

47、2、現(xiàn)有技術(shù)采用基于權(quán)重分配法的風(fēng)電場(chǎng)頻率控制，其權(quán)重系數(shù)多根據(jù)風(fēng)速或轉(zhuǎn)速設(shè)定，忽略了轉(zhuǎn)速、槳距角和轉(zhuǎn)子電流對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組權(quán)重系數(shù)的耦合影響，可能難以充分發(fā)揮風(fēng)電場(chǎng)的功率支撐能力，或由于機(jī)組轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能釋放過(guò)大達(dá)到最小轉(zhuǎn)速而退出頻率控制，進(jìn)而惡化系統(tǒng)頻率。本發(fā)明根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各機(jī)組貢獻(xiàn)度調(diào)整有功出力，可以避免低風(fēng)速區(qū)的機(jī)組轉(zhuǎn)速越限，充分發(fā)揮風(fēng)電場(chǎng)功率支撐能力的同時(shí)，改善系統(tǒng)頻率特性。