面向电网频率支撑的风电场分布式无领导一致性控制方法与流程

本发明涉及新能源并网与电力系统频率稳定，具体涉及一种面向电网频率支撑的风电场分布式无领导一致性协调控制方法。

背景技术：

1、随着以风电为代表的新能源装机规模持续扩张，电力系统逐步呈现出高比例可再生能源与高比例电力电子设备的“双高”特征。随着风电渗透率升高，传统同步发电机被大量取代，导致系统惯量降低，频率稳定性面临严峻挑战。2019年英国大停电事故的起因就是新能源高比例并网恶化了系统频率响应特性。因此，许多国家在电网导则中要求风电场需具备主动参与系统调频的能力。

2、风电场提供频率支撑主要通过减载控制和转子动能控制实现。减载控制会直接造成弃风，降低经济性。而转子动能控制可在风机工作在最大功率跟踪（mppt）控制下采用，通过释放储存在风机中的转子动能参与系统频率支撑。然而，受地理位置分布、风速风向及尾流效应影响，风电场内各风机实时风速分布不均，导致各风电机组所具备的调频能力不同。若采用均一化的调频控制策略，设置调频系数较小时，高风速风机调频能力未被充分利用；设置系数较大时，低风速风机可能转速过低而失稳。

3、针对上述问题，现有研究提出了集中式控制和分布式控制两类方案。集中式控制需要中央控制器收集所有风机信息并统一分配功率，存在通讯延时和通讯故障风险。分布式控制中，领导-跟随型一致性算法虽然实现了风机间的实时协调，但主导风机的通讯故障可能导致所有跟随风机退出调频，存在单点故障风险。此外，现有固定系数的分布式控制无法适应不同严重程度的频率事件，在严重事故下可能导致风机转速失稳。在转速恢复阶段，阶跃式恢复控制易引起二次频率跌落问题。

4、综上所述，亟需一种兼具通信可靠性、功率合理分配、运行安全保障和二次跌落缓解能力的风电场频率支撑协调控制策略。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题：

2、针对现有风电场频率支撑控制策略中，集中式控制存在通讯延时和单点故障风险，领导-跟随式分布式控制的领导风机通信故障将导致整个风电场退出调频，以及固定调频系数无法兼顾风机安全运行和调频能力充分利用的问题，提供一种面向电网频率快速支撑的风电场分布式自适应无领导一致性协调控制方法。

3、本发明的技术方案：

4、面向电网频率支撑的风电场分布式无领导一致性控制方法，该方法包括以下步骤：

5、步骤s1：构建包含多台双馈异步风电机组的风电场并网系统模型，各风机按矩阵排列并工作在mppt模式下，建立考虑尾流效应的场内风速分布模型；

6、步骤s2：定义基于转子动能的一致性状态指标，建立风电场内各风机之间的无领导一致性通信拓扑网络；

7、步骤s3：基于无领导一致性算法，设计各风机的一致性功率参考值和综合惯量附加功率值，实现频率支撑功率的分布式协调分配；

8、步骤s4：设计自适应调频系数调节策略，使下垂系数和惯性系数随风机转速状态自适应变化，保障风机安全运行；

9、步骤s5：在频率支撑阶段结束后，采用预设转速恢复控制策略，通过线性斜坡加速曲线使各风机平滑退出调频并恢复至事故前工作状态。

10、进一步，针对步骤s1，所述风电场并网系统模型中，各风电机组采用忽略定子暂态的三阶双馈异步发电机模型，正常运行于mppt模式下，风机输出功率参考值为mppt基础功率，其中为mppt曲线系数，为风机i的实时转子转速；风机安全转速范围设定为0.7~1.2 pu。

11、进一步，步骤s2所述一致性状态指标具有明确的物理意义。以向上调频为例，其分子与风机参与调频过程中释放的转子动能成正比，分母代表风机的初始可用调频动能。该指标取值范围为[0,1]，当时表示风机尚未参与调频，时表示风机的转子动能已耗尽至安全限值。各风机在调频初始时刻的均为0，满足一致性算法的连续控制要求。

12、进一步，步骤s3所述无领导一致性算法中，所有风机地位平等，各风机仅需与相邻风机交换一致性状态指标，通过比例积分环节计算一致性功率参考值。当某风机的大于邻居的时，说明该风机已释放较多动能，将减小该风机出力；反之则增大出力。该机制实现了风机之间的自动功率均衡，使高风速风机承担更多调频任务，低风速风机出力相对较小，实现按能分配。

13、进一步，步骤s4所述自适应调频系数将下垂系数分为固定部分和自适应部分。固定部分保证风机始终提供基本的频率支撑能力，自适应部分随着增大（转速接近限值）而减小，使调频系数自动降低，避免风机过度参与调频导致转速失稳。惯性系数采用相同的自适应机制。

14、进一步，步骤s5所述预设转速恢复控制采用线性斜坡曲线，其初值等于频率支撑阶段结束时的综合惯量附加功率值，经过预设恢复时间线性减小至零。该控制使风机出力平滑地从频率支撑状态过渡到mppt状态，避免了阶跃式退出造成的突然功率缺额，有效缓解二次频率跌落。

1.面向电网频率支撑的风电场分布式无领导一致性控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的面向电网频率支撑的风电场分布式无领导一致性控制方法，其特征在于，步骤s1所述风电场并网系统模型中，各风电机组采用忽略定子暂态的三阶双馈异步发电机模型，正常运行于mppt模式下，风机输出功率参考值为mppt基础功率，其中为mppt曲线系数，为风机i的实时转子转速；风机安全转速范围设定为0.7~1.2 pu。

3.根据权利要求1所述的面向电网频率支撑的风电场分布式无领导一致性控制方法，其特征在于，步骤s2所述一致性状态指标的定义方法为： 对于系统频率下降的向上调频场景，一致性状态指标定义为：

4.根据权利要求3所述的面向电网频率支撑的风电场分布式无领导一致性控制方法，其特征在于，一致性状态指标的取值范围为[0,1]，当时表示风机尚未参与调频，时表示风机的转子动能已消耗至安全限值。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的面向电网频率支撑的风电场分布式无领导一致性控制方法，其特征在于，步骤s2所述无领导一致性通信拓扑网络的建立方法为：风电场内各风机按矩阵排列，每台风机仅与上下左右相邻的风机进行信息交换，所有风机地位平等，不设置主导风机；通信权重设定规则为：若风机i与风机j之间存在直接通信通道，则，否则；该通信拓扑满足具有生成树的无向连通图条件，保证一致性算法的收敛性。

6.根据权利要求1所述的面向电网频率支撑的风电场分布式无领导一致性控制方法，其特征在于，步骤s3所述分布式协调分配的具体方法为：各风机总定子功率参考值表示为：

7.根据权利要求6所述的面向电网频率支撑的风电场分布式无领导一致性控制方法，其特征在于，所述比例系数、积分系数。

8.根据权利要求1所述的面向电网频率支撑的风电场分布式无领导一致性控制方法，其特征在于：步骤s4所述自适应调频系数调节策略的具体方法为： 将下垂系数和惯性系数各分为固定部分和自适应部分：

9.根据权利要求8所述的面向电网频率支撑的风电场分布式无领导一致性控制方法，其特征在于，下垂系数的固定部分，自适应部分的初始值；惯性系数的固定部分、自适应部分的初始值。

10.根据权利要求1所述的面向电网频率支撑的风电场分布式无领导一致性控制方法，其特征在于：步骤s5所述预设转速恢复控制策略的具体方法为：在检测到系统频率到达极值点后延时1秒，风机进入转速恢复阶段；恢复阶段中，综合惯量附加功率值替换为预设加速曲线：