风电场参与电网调频的智能惯量响应控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种风电场参与电网调频的智能惯量响应控制方法及系统，从频率响应的角度定义频率调整的优化模型，采用闪电算法求解该模型，计算风机的最佳出力和持续时间，协调风电场的全部风电机组，在电网功率不平衡情况下，通过释放一定的转子动能的方式参与频率调节，并在惯量响应期间和之后控制各个风机。本发明专利技术无论电网扰动和风速如何变化，目标函数全局最优值附近的区域保持稳定，具有很高的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
风电场参与电网调频的智能惯量响应控制方法及系统
本专利技术涉及一种风电场参与电网调频的智能惯量响应控制方法及系统。
技术介绍
随着可再生能源接入到电力系统中，传统的发电机逐渐遭到了淘汰，并且增加了电力生产的可持续性。然而，高渗透率的可再生能源降低了电力系统的惯性，并且危及系统的频率稳定性。具有大规模可再生能源和低惯量的电网极易受到故障和功率缺额的影响从而可能导致跳闸、级联故障和停电事故。变速风机(Variablespeedwindturbines，WTs)，例如双馈感应发电机(doublyfedinductiongenerators，DFIGs)和全功率变换器风机，通过电力电子转换器异步连接到电网，它们通常工作在最大功率跟踪模式(MPPT)。然而MPPT运行模式使风机与系统频率之间不存在耦合关系，从而导致风机不能针对系统频率偏移做出调整。早期的研究表明，风机可以利用惯量控制策略参与系统调频。惯量控制方法分为两类：基于频率的惯量控制法和方波惯量控制法(stepwiseinertialcontrol,SIC)。基于频率的惯量控制，例如频率变化率和下垂环路，针对由于连续的频率测量而导致的频率偏差响应缓慢。相反，方波惯量控制具有相对较好的频率最低值的快速响应速度，当电网发生有功功率不平衡时，方波惯量控制立即增加风机的输出功率，并在短时间内保持在过载阶段。由于风机的惯量响应不同于常规发电机，因此目前对风机参与频率调整的研究仍处于初期阶段，还有几个问题有待解决。大量的文献研究表明，利用常规控制器来调整风机的运行已经得以实现，然而在这些研究中通常假设频率偏差是微小的并且是线性的，所以这些假设不易实现。此外，通过在短时间内偏离MPPT模式而使风机参与频率调整，减少了风电场的利润，并且会导致风机中产生过多的热量和机械应力。在方波惯量控制方案中，风机的输出功率随转子转速的降低而突然增加，为了恢复转速，风机的输出功率只能在有限时间内以过载模式运行。而为了提高转速恢复的速度，过载模式应得到及时的退出。如果采取的控制措施不适当，这个退出操作会在电力系统中引起额外的二次频率跌落，甚至可能会恶化频率偏差。适当的控制策略应该可以决定单台风机的出力增量以及风机的运行时间，目前的研究并没有明确地解决这些问题。此外，现有的大多数研究仅考虑了单一风机的频率控制，考虑风电场频率控制的研究很少。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种风电场参与电网调频的智能惯量响应控制方法及系统，本专利技术从系统频率响应的角度定义了频率调整的优化模型，采用闪电算法(LightningFlashAlgorithm，LFA)求解该模型，协调风电场的全部风电机组，在电网功率不平衡情况下，通过释放一定的转子动能的方式参与频率调节，允许在电网遭受严重干扰后对还在发展中的频率失稳作出即时反应，使得目标函数全局最优值附近的区域保持稳定，有效降低SIC的影响。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种风电场参与电网调频的智能惯量响应控制方法，包括以下步骤：从系统频率响应的角度定义频率调整的优化模型，采用闪电算法求解该模型，计算风机的最佳出力和持续时间，协调风电场的全部风电机组，在电网功率不平衡情况下，通过释放一定的转子动能的方式参与频率调节，并在惯量响应期间和之后控制各个风机。进一步的，从系统频率响应的角度，电网中的功率扰动会引起频率波动，电网功率不平衡量会导致风机的方波式惯量控制产生阶跃功率增量，另外方波式惯量控制的终止时间也产生突然的功率变化，风机的恢复阶段具有斜坡形式的功率变化，将上述因素叠加综合考虑。进一步的，所述优化模型的目标函数为最大限度地降低电网中的频率下降，即电网中的频率下降值最小。进一步的，通过闪电算法获得的数据应用到前馈神经网络中进行训练，协调风电机组并设置它们的最佳有功出力和其参与调频的持续时间，风电机组将返回到MPPT模式以获取最大功率，当电网发生功率不平衡或故障时，计算风机的最佳出力和持续时间，并在惯量响应期间和之后控制各个风机。更进一步的，所述前馈神经网络的输入层具有三个节点，隐藏层具有十个节点，输出层具有两个节点，隐藏层使用S形传递函数来处理其节点输出的总和，输出层采用线性函数，具体输入包括风机的叶片角度、功率失衡向量和风速，闪电算法计算对应于不同实际输入的最佳方波惯量控制的调整输出数据。进一步的，所述风机的最佳出力的持续时间不少于第一次频率达到最低点的时间。进一步的，采用闪电算法求解优化模型的过程包括：设置闪电算法的参数，对其进行初始化，使在大气中产生电离的电荷粒子通过跟随高电位电荷粒子，在不同的闪电分支中向下朝向地面移动，在闪电的间歇时间，前导电荷粒子发生积聚并形成统一的大电荷粒子；形成的电荷粒子球以一定的临界距离跳入不同的方向，确定新的电荷粒子是否符合设定的约束条件，对不符合条件的粒子进行校正，并确定所有分支中最小频率下降的最佳领导者，作为最优解输出。更进一步的，对初始带电粒子进行索引，找出其中适应度值最低的L个带电粒子作为领导粒子，其余的带电粒子分配给不同的领导粒子以构成闪电算法的分支，更新分支粒子直到满足迭代约束条件；测量每个闪电算法分支最优与最差带电粒子之间的距离，在领导粒子的帮助下，累积每个分支上所有的带电粒子，直到每个分支的整个带电粒子都与该分支的领导粒子相同；对形成的带电粒子进行跳跃，跳跃后的带电粒子如果有比其领导粒子更好的适应度值，将其与领导粒子交换，更新粒子直到满足迭代约束条件；各闪电分支的领导粒子即为最优解，传输至风机用于控制频率偏差。更进一步的，闪电算法参数包括大气中带电粒子流动的惯性；所有该闪电分支的带电粒子是否可以跟随该分支的领导粒子的确定因子，闪电分支或领导粒子和速度参数。一种风电场参与电网调频的智能惯量响应控制系统，包括：优化建模模块，被配置为从系统频率响应的角度定义频率调整的优化模型；控制模块，被配置为采用闪电算法、使用前馈神经网络求解优化模型，计算风机的最佳出力和持续时间；执行器，被配置为根据计算得到的风机的最佳出力和持续时间协调风电场的全部风电机组，并在惯量响应期间和之后控制各个风机。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术的控制策略使得风电场在最优频率调节下能够正常运行并且降低了方波惯性控制(SIC)的二次影响。功率扰动的增加将搜索空间水平地拉向WT的功率增量范围更大的方向；风速的增加将搜索空间垂直地拉向频率下降更多的方向；无论电网扰动和风速如何变化，目标函数全局最优值附近的区域保持稳定，具有很高的稳定性。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1(a)以λ、β为函数的风机气动特性；图1(b)β＝0下，以vw和ωr为函数的风机气动特性；图2(a)和图2(b)为风电场中单台风机的SIC过程示意图；图3为电网功率扰动作为SFR模块的输入引发的频率响应示意图；图4为用于风机智能惯量控制基于闪电算法的前馈神经网络示意图；图5为实施例中的大型并网风电场示意图；图6为使用LFA的100个不同试验中可取的频率响应示意图；图7(a)、(b)为电网中具有最优频率响应的LFA的精确性能(vw＝10m/s,Δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风电场参与电网调频的智能惯量响应控制方法，其特征是：包括以下步骤：从系统频率响应的角度定义频率调整的优化模型，采用闪电算法求解该模型，计算风机的最佳出力和持续时间，协调风电场的全部风电机组，在电网功率不平衡情况下，通过释放一定的转子动能的方式参与频率调节，并在惯量响应期间和之后控制各个风机。

【技术特征摘要】
1.一种风电场参与电网调频的智能惯量响应控制方法，其特征是：包括以下步骤：从系统频率响应的角度定义频率调整的优化模型，采用闪电算法求解该模型，计算风机的最佳出力和持续时间，协调风电场的全部风电机组，在电网功率不平衡情况下，通过释放一定的转子动能的方式参与频率调节，并在惯量响应期间和之后控制各个风机。2.如权利要求1所述的一种风电场参与电网调频的智能惯量响应控制方法，其特征是：从系统频率响应的角度，电网中的功率扰动会引起频率波动，电网功率不平衡量会导致风机的方波式惯量控制产生阶跃功率增量，另外方波式惯量控制的终止时间也产生突然的功率变化，风机的恢复阶段具有斜坡形式的功率变化，将上述因素叠加综合考虑。3.如权利要求1所述的一种风电场参与电网调频的智能惯量响应控制方法，其特征是：所述优化模型的目标函数为最大限度地降低电网中的频率下降，即电网中的频率下降值最小。4.如权利要求1所述的一种风电场参与电网调频的智能惯量响应控制方法，其特征是：通过闪电算法获得的数据应用到前馈神经网络中进行训练，协调风电机组并设置它们的最佳有功出力和其参与调频的持续时间，风电机组将返回到MPPT模式以获取最大功率，当电网发生功率不平衡或故障时，计算风机的最佳出力和持续时间，并在惯量响应期间和之后控制各个风机。5.如权利要求4所述的一种风电场参与电网调频的智能惯量响应控制方法，其特征是：所述前馈神经网络的输入层具有三个节点，隐藏层具有十个节点，输出层具有两个节点，隐藏层使用S形传递函数来处理其节点输出的总和，输出层采用线性函数，具体输入包括风机的叶片角度、功率失衡向量和风速，闪电算法计算对应于不同实际输入的最佳方波惯量控制的调整输出数据。6.如权利要求1所述的一种风电场参与电网调频的智能惯量响应控制方法，其特征是：所述风机的最佳出力的持续时间不少于第一次频率达到最低点的时间。7.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆斯塔法·哈什提，丁磊，鲍威宇，弗拉基米尔·特兹亚，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37