一种考虑风速波动与预测误差的风电场双层有功分配控制方法

摘要

本发明公开了一种考虑风速波动与预测误差的风电场双层有功分配控制方法，该方法在上层风电场全局优化分配策略的基础上，基于PCC连接点处风电场实际出力与电网调度指令之间的实时偏差数据，通过实时调整修正各机组的有功出力指令来缓解风电场功率波动，进而提出了风电场双层有功分配控制框架。本发明完善了风电场有功分配策略，面对风速变化剧烈的风况时能够具有良好的适应性，使风电场能够准确跟踪电网调度下达的发电计划，提高了风电场发电的稳定性，增强了风电场有功控制系统的鲁棒性。

说明书

技术领域

本发明属于风电场有功分配领域，特别是一种考虑风速波动与预测误差的风电场双层有功分配控制方法。

背景技术

单层的风电场全局优化有功分配策略是以调度周期内的风速预测信息和电网调度中心下达的风电场发电计划为基础，综合考虑机组的预测信息、运行状态和控制特性等因素，通过优化算法计算出调度周期内场内各风机的有功出力指令。但是风电场风速预测系统在对风速进行预测时，通常用平均值风速值对一段时间内的风速进行预测，以便于对风能进行估计，风速的随机变化性与不可预测性使得风速预测数据存在一定误差，在湍流风况下，即使在很短的时间内，风速的变化也会很剧烈，而风力机在风速变化剧烈的风况下存在有功出力不足的情况，从而影响有功分配系统调度决策的准确性与可行性，因此单纯依靠全局优化分配策略所制定风电机组的有功调度指令在风电场实际运行时并不能获得理想的控制效果。

基于上述情况，目前迫切需要一种新的风电场有功分配控制方法，能够考虑风速波动与预测误差对风电场控制性能的影响，减小在线调度计划外的风电场发电误差。但是现有技术中尚无相关描述。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种考虑风速波动与预测误差的风电场双层有功分配控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种考虑风速波动与预测误差的风电场双层有功分配控制方法，包括以下步骤：

步骤1、初始化风电场的有功输出计划值预测风速以及仿真时间T_sim；

步骤2、根据预测风速信息确定各风电机组的预测风功率上限

步骤3、通过全局优化分配策略，计算得到各风电机组的初始有功出力指令

步骤4、测量各风电机组实际出力值和PCC点处风电场实际出力值

步骤5、计算各风电机组参与风电场功率调节的协调系数k_mi和风电场实际出力值与电网调度指令的偏差值ΔP_WF；

步骤6、计算各风电机组有功功率的实时修正量

步骤7、计算修正后的机组有功指令

步骤8、判断仿真时间t是否小于T_sim，若t＜T_sim，进入步骤4；否则，结束运行。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明对风速波动与预测误差的考虑更为完善，优化了风电场有功分配控制方法，能够更准确跟踪电网调度下达的发电计划。从而，相对于单层的风电场全局优化有功分配策略，对控制系统运行的鲁棒性进一步的增强。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的考虑风速波动与预测误差的风电场双层有功分配控制方法流程图。

图2为本发明的有无修正控制策略下的风电场有功输出波形图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种考虑风速波动与预测误差的风电场双层有功分配控制方法，包括以下步骤：

步骤1、对风电场的有功输出计划值预测风速以及仿真时间T_sim进行初始化；

步骤2、根据预测风速信息确定各风电机组的预测风功率上限各风电机组的预测风功率上限的计算公式为：

式中，ρ为空气密度，R为风力机风轮半径，C_pmax为最佳叶尖速对应的风机风能捕获系数的最大值，θ₀为初始桨矩角值，ω_N为额定转速，C_P(θ₀,ω_N)为恒转速控制下的风机风能捕获系数，P_N为额定功率，为风速预测信息，V_in为切入风速，V_{con_ω}为恒转速风速，V_N为额定风速，V_out为切出风速。

步骤3、通过全局优化分配方法，确定各风电机组的初始有功出力指令各风电机组的初始有功出力指令的计算公式为：

式中，k₁、k₂、k₃分别为3个子目标的权重系数；T为纳入优化考虑范围内的调度周期个数，n为风电场内风机个数；为电网在第j个周期下达给风电场的有功输出计划值；为机组i在第j个周期时的运行状态，“1”表示运行状态，“0”表示停机状态；表示机组i在第j个周期时接收到的有功出力指令；分别为机组i在第j个周期时输出功率上下限；ΔP_WTi为风电机组功率指令变化上限值。

步骤4、测量各风电机组实际出力值和PCC点处风电场实际出力值

步骤5、确定各风电机组参与风电场功率调节的协调系数k_mi和风电场实际出力值与电网调度指令的偏差值ΔP_WF；各风电机组参与风电场功率调节的协调系数k_mi和风电场实际出力值与电网调度指令的偏差值ΔP_WF的计算公式分别为：

步骤6、确定各风电机组有功功率的实时修正量各风电机组的有功功率的实时修正量的确定公式为：

步骤7、确定修正后的机组有功指令

步骤8、判断仿真时间t是否小于T_sim，若t＜T_sim，进入步骤4；否则，结束运行。

本发明对风速波动与预测误差的考虑更为完善，优化了风电场有功分配控制方法，能够更准确跟踪电网调度下达的发电计划。从而，相对于单层的风电场全局优化有功分配策略，对控制系统运行的鲁棒性进一步的增强。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例

采用一个由5台配置信息相同的2MW风电机组构成的风电场作为研究对象，具体参数如表1所示。

表1. 2MW直驱永磁同步风力机气动参数与机械参数

风电场各风电机组的初始启停状态、预测风速信息和电网下达给风电场的目标功率值分别如表2、3所示。

表2.风电场内各机组初始启停状态与预测风速信息

表3.风电场目标功率指令

首先，在MATLAB/Simulink中搭建风电场有功控制系统模型，调度周期定为10min，即仿真时间T_sim＝60min。风电机组的功率下限按其额定值的15％进行整定，机组功率指令变化速率限制为50kW/s，根据预测风速信息计算得到各风电机组的预测风功率上限如下表4所示。

表4.各风电机组的预测风功率上限

机组周期T₁T₂T₃T₄T₅T₆1807.2755.7659.4730.8614.4917.221100.1571.6636.6530.8888.8888.83550.91305.9917.2473.31132.8730.84636.6636.6917.2473.31132.8730.85833.8682.6437.31068.1614.4636.6

然后，根据3个子目标的重要性程度对其进行排序，考虑其量级不同，设置3个权重系数分别为：k₁＝1000,k₂＝10,k₃＝1。通过全局优化分配策略，计算得到初始有功出力指令如表5所示。

表5.采用全局优化分配策略的有功分配方案

机组周期T₁T₂T₃T₄T₅T₆1300400400400378.8314.82306.4306.4406.4406.4406.6406.43378.8378.8378.8378.8378.8378.84378.8378.8378.8378.83003005336336336336336300总计/kW170018001900190018001700

在上层采用全局优化分配策略的基础上，增设下层实时修正控制，通过仿真获得有无修正控制策略下的风电场有功输出波形图，如图2所示。从图中可以看出，在相同风电场发电计划下，带有实时修正控制的风电场有功输出能够有效跟踪电网给定的风电场有功出力曲线，而没有实时修正控制的风电场有功输出波形有剧烈抖动，发电误差较大。

采用均方根误差RMSE作为评价指标对有无实时修正控制的风电场有功分配策略进行评估，计算公式为：

式中，N为采样点数。计算结果如表6所示。

表6.有无实时修正控制的风电场有功分配策略的均方根误差比较

有无实时修正控制策略RMSE有0.2％无5.2％

从RMSE的计算结果可以看出，附加实时修正控制策略的风电场有功控制系统可以有效减少风电场发电误差，提高风电场输出功率的稳定性。

由上述实施例，可以验证本发明完善了风电场有功分配策略，减小了风速随机波动性与预测误差的影响，面对风速剧烈变化的风况时具有更好的适应性，进一步提高了有功分配控制系统的鲁棒性。