串联拓扑高空风能系统的多发电单元协同控制方法及系统

本发明涉及可再生能源发电，尤其涉及串联拓扑高空风能系统的多发电单元协同控制方法及系统。

背景技术：

1、高空风能发电系统（hawes）依托高空持续稳定的风能资源，是极具前景的可再生能源发电技术。为追求极高的功率重量比，兆瓦级hawes普遍采用包含多个低压发电单元的分布式架构。然而，为实现千米级高空至地面的高效电力传输，必须使用中压等级以平衡欧姆损耗与缆绳质量。

2、高空风能发电系统（hawes）为追求极致的功率重量比，普遍采用多个低压发电单元的分布式架构。为避免空中沉重升压变换器的重量惩罚，各发电单元的机器侧变流器直流输出端口直接串联，构成无变压器串联拓扑。在该拓扑中，所有单元共享同一回路电流，各单元的本地直流母线电压严格正比于其功率分配比例。在均匀风况下，电压自然平衡；然而，大型浮空平台所遭遇的风速空间异质性不可避免，导致单元间功率失配，进而引起直流电压的剧烈波动。

3、更为根本的难题在于，这种轻量化的无变压器串联配置，在转子转速、有功功率与本地直流母线电压三者之间形成了严格的三相物理耦合。在此强耦合下，任何针对单个单元的功率调节都会瞬时改变整个串联电路的电压分布。若某单元因风速较低导致其直流电压过低，将迅速引起该单元变流器调制饱和，丧失电流跟踪能力；电流失控进一步削减其发电功率，导致电压再次下降，从而形成一个自我强化的正反馈回路，最终引发该单元的局部电压崩溃。

4、现有技术中，应用于类似串联拓扑（如海上风电）的解决方案，如增加分布式储能、辅助功率平衡器等硬件冗余手段，会为重量极端敏感的高空平台带来难以承受的惩罚。而传统的分散式控制策略缺乏全局视角，难以协调上述三相耦合关系。因此，亟需一种不依赖硬件冗余、完全通过算法协调的先进控制框架，在严格遵循重量约束的前提下，同时实现系统的全局最大功率点跟踪与内在电压安全稳定。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种串联拓扑高空风能系统的多发电单元协同控制方法，针对高空风电无变压器串联拓扑中转速、功率与电压的三相强耦合难题，旨在通过一种多时间尺度的分层协同控制框架，在不依赖任何硬件冗余的前提下，解决因风速不均导致的系统内部电压失衡、局部调制饱和乃至失稳的问题，实现系统全局安全稳定运行下的最大风能捕获。

2、本发明的另一个目的在于提出一种串联拓扑高空风能系统的多发电单元协同控制系统。

3、为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种串联拓扑高空风能系统的多发电单元协同控制方法，包括：

4、s1，采集各发电单元处的风速及实时转速，基于全局最大功率点追踪策略，通过求解优化问题计算系统总功率参考值及各单元的优化电功率，并将所述优化电功率转换为各单元的参考转子动能；

5、s2，接收参考转子动能，以稳态功率比例参考和基于瞬时转速的电压比例参考为双参考基准，根据实时运行状态动态计算各发电单元在预测时域内的功率比例安全边界；

6、s3，在所述功率比例安全边界内，以转子动能为状态变量建立预测模型，滚动求解未来预测时域内各发电单元的最优电功率轨迹，输出瞬时功率指令至执行层；

7、s4，各发电单元本地的电压感知功率控制器接收所述瞬时功率指令，基于本地实时测量的直流母线电压自适应调整变流器控制策略，驱动变流器输出指令功率，实现多单元协同运行。

8、在本发明的一个实施例中，所述通过求解优化问题计算系统总功率参考值及各单元的优化电功率，包括：

9、以各发电单元的电功率为决策变量，构建并求解一个二次规划问题，该二次规划问题的目标函数为最大化系统总功率并引入松弛变量惩罚项和功率二次惩罚项，约束条件包括各单元功率上限约束、各单元功率比例约束以及功率分布单调性约束，其中所述功率上限约束由当前风速下的最大可用功率确定，所述功率比例约束由全局功率比例下限和上限确定，所述功率分布单调性约束用于限制按风速升序排列的相邻单元间的功率差值。

10、在本发明的一个实施例中，所述二次规划问题的目标函数为：

11、

12、其中，，为非负松弛变量，和为惩罚权重；所述各单元功率上限约束为：,，其中；所述各单元功率比例约束为：,；所述功率分布单调性约束为：,。

13、在本发明的一个实施例中，所述将所述优化电功率转换为各单元的参考转子动能，包括：

14、通过查询或计算风力机的逆气动映射函数，将各单元的优化电功率及其对应的风速映射为所需的转子动能，所述逆气动映射函数表示为：

15、

16、其中，为第i个单元的参考转子动能，为第i个单元的优化电功率，为第i个单元处的风速，为逆气动映射函数。

17、在本发明的一个实施例中，所述以稳态功率比例参考和基于瞬时转速的电压比例参考为双参考基准，根据实时运行状态动态计算各发电单元在预测时域内的功率比例安全边界，具体为：

18、以所述稳态功率比例参考和所述基于瞬时转速的电压比例参考为双参考基准，通过求解一个二次规划问题，在线计算各发电单元在预测时域内的动态功率比例安全边界，并将该边界作为时变约束输入至步骤s3的凸优化轨迹规划过程。

19、在本发明的一个实施例中，所述以转子动能为状态变量建立预测模型，滚动求解未来预测时域内各发电单元的最优电功率轨迹，具体为：

20、以各发电单元的转子动能为状态变量建立预测模型，在所述功率比例安全边界内，以最小化转子动能对参考值的跟踪误差以及功率指令的变化率为目标，滚动求解一个凸优化问题，输出满足转矩上限约束的功率指令序列，并采用延迟补偿机制将求解结果以与采样周期同步的方式加载至执行层。

21、在本发明的一个实施例中，步骤s4中所述电压感知功率控制器包含转矩调节级、电压自适应电流参考生成级与磁场定向电流内环；所述电压自适应电流参考生成级实时感知本地直流母线电压，并在变流器可用电压范围内确定最优d-q轴电流参考值，实现从最大转矩电流比区到弱磁区的自适应平滑切换。

22、在本发明的一个实施例中，步骤s1还包括：基于系统稳态电压-功率耦合关系判定系统当前的运行模式，所述系统稳态电压-功率耦合关系由以下公式描述：

23、系统总直流电压：

24、

25、各单元本地直流母线电压：

26、

27、其中，为地面直流电压，为电缆电阻，为第i个单元的电功率，为发电单元集合，为第i个单元的功率分配比例；所述判定系统运行模式包括：当某一单元的过低导致其机器侧变流器调制比饱和时，判定存在局部电压崩溃风险；当系统总功率超过地面变流器容量时，判定进入限流模式。

28、为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种串联拓扑高空风能系统的多发电单元协同控制系统，包括：

29、规划层执行全局功率规划模块，用于采集各发电单元处的风速及实时转速，基于全局最大功率点追踪策略，通过求解优化问题计算系统总功率参考值及各单元的优化电功率，并将所述优化电功率转换为各单元的参考转子动能后传递至导航层；

30、导航层执行自适应约束生成模块，用于接收来自规划层的参考转子动能，以稳态功率比例参考和基于瞬时转速的电压比例参考为双参考基准，根据实时运行状态动态计算各发电单元在预测时域内的功率比例安全边界；

31、导航层执行凸优化轨迹规划模块，用于在所述功率比例安全边界内，以转子动能为状态变量建立预测模型，滚动求解未来预测时域内各发电单元的最优电功率轨迹，输出瞬时功率指令至执行层；

32、执行层执行电压感知的跟踪控制模块，用于各发电单元本地的电压感知功率控制器接收所述瞬时功率指令，基于本地实时测量的直流母线电压自适应调整变流器控制策略，驱动变流器输出指令功率，实现多单元协同运行。

33、本发明实施例的串联拓扑高空风能系统的多发电单元协同控制方法、系统，根据全局风速信息计算系统最优稳态工作点，生成各单元的参考转子动能；根据实时运行状态动态确定各单元的功率分配安全边界，并在该边界内滚动优化功率轨迹，输出瞬时功率指令；接收所述功率指令，并基于本地实时测量的直流电压自适应调整变流器控制策略，实现功率的精确跟踪。本发明通过算法协同替代硬件冗余，在无需增加机载设备重量的前提下，实现了多发电单元在转速、功率与电压强耦合条件下的稳定运行与全局最大风能捕获，显著提升了高空风能发电系统的轻量化水平与运行可靠性。

34、综上，本技术相对于现有技术具有以下优点：

35、1) 本技术首创性地构建了“规划—导航—执行”三层协同控制框架。这种架构创新使得系统能够在全局最优与局部安全之间取得动态平衡，解决了串联拓扑中因风速不均导致的电压失衡难题，同时满足高空平台极致的轻量化要求。

36、2) 本技术不仅实现了系统级的全局最大风能捕获，更通过导航层的动态边界机制，将安全约束内嵌于优化过程中。相比传统的被动防御式保护策略，本发明能够主动预判并规避电压崩溃风险，显著提升了系统的动态稳定性与运行可靠性。

37、3) 本发明完全摒弃了对空中辅助硬件（如分布式储能或冗余变流器）的依赖，所有的协同控制均通过软件算法实现，完美契合了高空平台对极致轻量化的严苛要求。

38、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。