本發(fā)明屬于風(fēng)電場有功功率控制技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種基于模型預(yù)測控制的風(fēng)電場有功功率控制方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)力發(fā)電作為最主要的可再生能源利用形式，得到了快速的發(fā)展。傳統(tǒng)的風(fēng)電場控制方式是一種自治的有功功率控制方式，允許風(fēng)電場內(nèi)各臺(tái)風(fēng)機(jī)自行根據(jù)風(fēng)能的變化盡可能的發(fā)電。隨著風(fēng)電滲透水平逐漸增高，這種因風(fēng)能的不確定性引起的風(fēng)電場有功功率的波動(dòng)性給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來了巨大挑戰(zhàn)。風(fēng)電場實(shí)現(xiàn)可控運(yùn)行將逐漸成為大型風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)展趨勢(shì)，風(fēng)電場可控運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)是風(fēng)電場的有功功率控制。

風(fēng)電場有功功率控制即風(fēng)電場可以盡己所能跟蹤電網(wǎng)調(diào)度值。為了使風(fēng)電場有功輸出波動(dòng)性得到平抑，常用的方法是使用大型儲(chǔ)能設(shè)備，然而這種方法的設(shè)備成本、技術(shù)成本和維護(hù)成本較高。另一種較經(jīng)濟(jì)的方法是風(fēng)電機(jī)組的協(xié)同控制的方法。這種方法利用風(fēng)電場的集合效應(yīng)，通過風(fēng)電場層的控制單元給每臺(tái)風(fēng)機(jī)分配功率參考值，把每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組看作一個(gè)執(zhí)行器，每臺(tái)機(jī)組的有功輸出之和則為風(fēng)電場總有功功率。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)機(jī)的有功功率協(xié)同控制方法展開了一系列探討，最常用的是根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度值與公共鏈接點(diǎn)測量得到的風(fēng)電場有功輸出之間的偏差，采取比例-積分控制方式，然后使用比例分配方式將有功參考值分配給各臺(tái)機(jī)組。由于風(fēng)電場是一個(gè)多變量強(qiáng)耦合，又含約束的系統(tǒng)，非常適合用模型預(yù)測控制方法進(jìn)行控制。近來有學(xué)者提出將模型預(yù)測控制方式應(yīng)用于風(fēng)電場控制，分別又有集中式模型預(yù)測控制和分布式模型預(yù)測控制兩種方案。由于風(fēng)電場模型是一個(gè)多輸入多輸出的系統(tǒng)，隨著風(fēng)機(jī)數(shù)量增多，階數(shù)顯著增大，分布式模型預(yù)測方案較集中式模型預(yù)測控制方案能減少計(jì)算量。總的來說目前這些研究都將風(fēng)電場進(jìn)行統(tǒng)一控制，未考慮機(jī)組所處不同位置風(fēng)況不同等差異。然而如果不考慮機(jī)組間差異，造成功率分配不當(dāng)，必然導(dǎo)致總有功功率跟蹤效果不佳。并且目前的研究忽略了機(jī)組響應(yīng)時(shí)間，認(rèn)為機(jī)組有功輸出瞬間即可達(dá)到參考值，轉(zhuǎn)而將研究重點(diǎn)放在功率可追蹤下的風(fēng)機(jī)載荷控制。所以以快速跟蹤電網(wǎng)調(diào)度為目的的研究甚少。

因此，一種基于模型預(yù)測控制方式，將所處不同風(fēng)況的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行分類并對(duì)有功調(diào)整量進(jìn)行合理分配，使風(fēng)電場能夠快速跟蹤電網(wǎng)調(diào)度命令的有功功率控制方法具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于模型預(yù)測控制的風(fēng)電場有功功率控制方法，使風(fēng)電場快速響應(yīng)，并避免機(jī)組的不必要?jiǎng)幼?，?shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)調(diào)度值的跟蹤。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于模型預(yù)測控制的風(fēng)電場有功功率控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、根據(jù)風(fēng)機(jī)出廠參數(shù)，從切入風(fēng)速v_in到額定風(fēng)速v_rated再到切出風(fēng)速v_out將風(fēng)電機(jī)組所處風(fēng)況進(jìn)行分類，再根據(jù)分類結(jié)果，將來自電網(wǎng)調(diào)度中心的有功調(diào)度功率和從公共鏈接點(diǎn)測量得到的風(fēng)電場實(shí)時(shí)有功出力進(jìn)行風(fēng)電場級(jí)有功參考值分配，使每類風(fēng)電機(jī)組分配到有功功率參考值其中，i＝1,2,…,n，n表示風(fēng)電機(jī)組分類總數(shù)；

(2)、對(duì)分類后的每一類風(fēng)電機(jī)組按照分類類別進(jìn)行等值建模，再在等值建?；A(chǔ)上，設(shè)計(jì)每一類風(fēng)電機(jī)組的模型預(yù)測控制器，最后利用模型預(yù)測控制器對(duì)進(jìn)行修定，得到有功功率值

(3)、將有功功率值按照單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在該類風(fēng)機(jī)機(jī)組中的出力比例分配給單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，使每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組分配到輸出功率值m_i表示第i類風(fēng)電機(jī)組的總臺(tái)數(shù)；

(4)、每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組按照分配到的輸出功率值進(jìn)行輸出，從而完成整個(gè)風(fēng)電場的有功功率控制。

其中，所述步驟(1)中，每類風(fēng)電機(jī)組分配到有功功率參考值的具體步驟為：

(2.1)、功率預(yù)處理

計(jì)算每類風(fēng)電機(jī)組的有功出力

其中，表示第i類風(fēng)電機(jī)組中第j臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的出力，m_i表示第i類風(fēng)電機(jī)組的總臺(tái)數(shù)；

計(jì)算整個(gè)風(fēng)電場有功出力

其中，是第i類風(fēng)電機(jī)組有功出力，n表示風(fēng)電機(jī)組分類總數(shù)；

計(jì)算風(fēng)電場待調(diào)控量ΔP：

其中，是來自電網(wǎng)調(diào)度中心的有功調(diào)度功率；

(2.2)、分配每類風(fēng)電機(jī)組有功功率參考值

(2.2.1)、當(dāng)ΔP＞0時(shí)，則表明那么每類風(fēng)電機(jī)組的有功功率參考值的分配步驟為：

1)、計(jì)算每類風(fēng)電機(jī)組的升功率能力：

2)、按照預(yù)設(shè)的調(diào)控順序，依次累加每類風(fēng)電機(jī)組升功率能力，當(dāng)時(shí)，按照如下公式進(jìn)行分配，得到每類風(fēng)電機(jī)組的有功參考值

其中，表示第i類風(fēng)電機(jī)組升功率的能力，表示第i類風(fēng)電機(jī)組有功輸出最大值，t表示依次累加到第t類風(fēng)電機(jī)組即可滿足調(diào)度目標(biāo)；

(2.2.2)、當(dāng)ΔP＜0時(shí)，表明那么每類風(fēng)電機(jī)組的有功功率參考值的分配步驟為：

1)、計(jì)算每類風(fēng)電機(jī)組的降功率能力：

2)、按照預(yù)設(shè)的調(diào)控順序，依次累加每類風(fēng)電機(jī)組降功率能力，當(dāng)時(shí)，按照如下公式進(jìn)行分配，得到每類風(fēng)電機(jī)組的有功參考值

其中，表示第i類機(jī)組降功率的能力，表示第i類機(jī)組有功輸出最小值。

進(jìn)一步的，所述步驟(2)中，對(duì)每一類風(fēng)電機(jī)組按照分類類別進(jìn)行等值建模的方法為：

(3.1)、設(shè)步驟(1)中風(fēng)電機(jī)組所處風(fēng)況劃分為n類，其中，低風(fēng)速區(qū)機(jī)組占k-1類，表示為T₁,T₂,…T_k-1；臨近額定風(fēng)速區(qū)機(jī)組占一類，表示為T_k；高風(fēng)速區(qū)機(jī)組占n-k類，表示為T_k+1,T_k+2,…T_n；

(3.2)、對(duì)各類風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行等值

(3.2.1)、以容量等值為前提，分別對(duì)各類風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行等值；

1)、對(duì)低風(fēng)速區(qū)機(jī)組進(jìn)行等值：

1.1)、風(fēng)速等值

根據(jù)風(fēng)速-功率函數(shù)計(jì)算第i類風(fēng)電機(jī)組中每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組功率：P_ij＝F(vi_j)

計(jì)算第i風(fēng)電機(jī)組的等值有功功率

采用倒推法計(jì)算第i類風(fēng)電機(jī)組的等值風(fēng)速

其中，j表示第i類風(fēng)電機(jī)組中第j臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，m_i表示第i類風(fēng)電機(jī)組的總臺(tái)數(shù)，F(xiàn)(v_ij)為風(fēng)速-功率函數(shù)，v_ij表示第i類風(fēng)電機(jī)組中第j臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速；

1.2)、轉(zhuǎn)矩等值

其中，為第i類風(fēng)電機(jī)組的等值轉(zhuǎn)矩，其值相當(dāng)于第i類中某臺(tái)特定機(jī)組j^*的轉(zhuǎn)矩；

2)、對(duì)臨近額定風(fēng)速機(jī)組和高風(fēng)速區(qū)機(jī)組進(jìn)行等值；

2.1)、風(fēng)速等值：

2.2)、轉(zhuǎn)矩等值：

(3.3)、根據(jù)等值建立狀態(tài)空間模型

(3.3.1)、將風(fēng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩在給定穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)的一階泰勒展開近似得到：

其中，δ表示變量與其穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)的偏差，ρ是空氣密度，R是風(fēng)輪半徑，v是風(fēng)速，C_p(λ，β)是功率利用系數(shù)，β是槳距角，λ是葉尖速比，ω_t是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，T_t可看作關(guān)于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω_t、槳距角β和風(fēng)速v的函數(shù)，上劃線表示其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)；

(3.3.2)、建立狀態(tài)空間模型

y＝δP_g＝Cx

其中，d＝δv

其中，ω_g是電機(jī)轉(zhuǎn)速，T_g是電磁轉(zhuǎn)矩，上標(biāo)*表示給定值，K_s和B_s分別表示轉(zhuǎn)動(dòng)軸的等值彈性系數(shù)和等值阻尼系數(shù)，J_t和J_g分別表示風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，τ_g和τ分別表示機(jī)電時(shí)間常數(shù)和槳距角時(shí)間常數(shù)，η是電機(jī)效率。

更進(jìn)一步的，所述步驟(2)中，模型預(yù)測控制器的設(shè)計(jì)流程為：

(4.1)、將狀態(tài)空間模型離散化，得到：

x(k+1)＝A′x(k)+B_u′u(k)+B_d′d(k)

y(k+1)＝C′x(k)

(4.2)、設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及約束條件

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

約束條件為：

其中，n_c,n_p分別表示控制時(shí)域和預(yù)測時(shí)域，Q_P，Q_R，Q_S分別表示權(quán)重系數(shù)，分別表示第i類風(fēng)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩和槳距角的最大值，且分別表示第i類風(fēng)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩給定值和槳距角給定值，已知采樣時(shí)間和變化率約束兩者相乘則可計(jì)算得到分別表示第i類風(fēng)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩變化率的最小值和最大值，槳距角變化率的最小值和最大值。

本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明基于模型預(yù)測控制的風(fēng)電場有功功率控制方法，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組所處風(fēng)速將風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行分類，并采用等值建模方法建立每類機(jī)組的局部線性化狀態(tài)空間模型并基于此設(shè)計(jì)模型預(yù)測控制器，考慮不同類機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，按一定的優(yōu)先級(jí)將電網(wǎng)調(diào)度值分配給每類機(jī)組，每類機(jī)組所得到的有功參考值再由模型預(yù)測控制器進(jìn)行修定，修定值按比例分配給該類中所有機(jī)組。本發(fā)明以風(fēng)電場有功功率控制為目標(biāo)，考慮機(jī)組間的運(yùn)行差異，并基于模型預(yù)測控制，使之能快速跟蹤電網(wǎng)調(diào)度值。

同時(shí)，本發(fā)明基于模型預(yù)測控制的風(fēng)電場有功功率控制方法還具有以下有益效果：

(1)、與現(xiàn)有的PI控制方法相比，通過風(fēng)電機(jī)組按所處風(fēng)速不同進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)了功率按機(jī)組運(yùn)行差異進(jìn)行分配；

(2)、與現(xiàn)有的PI控制方法相比，功率的分配上具有優(yōu)先級(jí)，總體上減少了機(jī)組不必要的槳距角頻繁動(dòng)作(尤其是臨近額定風(fēng)速區(qū)機(jī)組的槳距角動(dòng)作)，加快了響應(yīng)速度，同時(shí)有利于延長機(jī)組壽命；

(3)、使用的模型預(yù)測控制器，其本質(zhì)是在對(duì)過程的未來行為進(jìn)行預(yù)測的基礎(chǔ)上對(duì)控制量加以優(yōu)化；其中預(yù)測對(duì)于所基于的模型精度沒有苛刻的要求，這給予風(fēng)電場這種高階非線性的復(fù)雜系統(tǒng)建模一定容錯(cuò)空間；優(yōu)化是在未來一段有限時(shí)間內(nèi)，通過某一性能指標(biāo)的最優(yōu)化來確定未來的控制作用，優(yōu)化是在線反復(fù)進(jìn)行的，有別與傳統(tǒng)意義上的全局優(yōu)化；并且模型預(yù)測控制是一種閉環(huán)控制算法，充分利用了實(shí)際輸出誤差進(jìn)行反饋校正，因此可以得到良好控制效果。

附圖說明

圖1是基于模型預(yù)測控制的風(fēng)電場有功功率控制方法系統(tǒng)框圖；

圖2是現(xiàn)有的PI控制方法系統(tǒng)框圖；

圖3是仿真驗(yàn)證所用的風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速情況圖；

圖4是跟蹤電網(wǎng)調(diào)度值效果對(duì)比圖；

圖5是某臺(tái)近額定風(fēng)速區(qū)機(jī)組槳距角變化對(duì)比圖；

圖6是機(jī)組有功出力變化對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。

實(shí)施例

圖1是基于模型預(yù)測控制的風(fēng)電場有功功率控制方法系統(tǒng)框圖。

在本實(shí)施例中，如圖1所示，本發(fā)明基于模型預(yù)測控制的風(fēng)電場有功功率控制方法的系統(tǒng)架構(gòu)主要包括：一、風(fēng)電場級(jí)有功參考值分配；二、基于模型預(yù)測控制的參考值修定；三、機(jī)組間有功參考修定值分配。下面對(duì)三個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)說明。

一、風(fēng)電場級(jí)有功參考值分配

風(fēng)電場級(jí)有功參考值分配是以機(jī)組分類為前提的。因?yàn)榧词乖谝粋€(gè)很小的風(fēng)電場內(nèi)，由于地理位置等因素，每臺(tái)風(fēng)機(jī)所受風(fēng)速不可能完全相同，本發(fā)明按風(fēng)電機(jī)組所受風(fēng)速對(duì)應(yīng)于不同的預(yù)設(shè)風(fēng)速區(qū)間，將風(fēng)電場內(nèi)所有風(fēng)電機(jī)組劃歸為若干子類，但就總體而言按控制方式可以分為三大類：

低風(fēng)速區(qū)機(jī)組：該類風(fēng)電機(jī)組在切入風(fēng)速到額定風(fēng)速間運(yùn)行，槳距角保持在0°，通過控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來改變風(fēng)能利用系數(shù)實(shí)現(xiàn)有功功率控制，慣性時(shí)間常數(shù)小，響應(yīng)速度快。

臨近額定風(fēng)速區(qū)機(jī)組：該類機(jī)組在額定風(fēng)速附近很小的區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，由于處于風(fēng)速-功率曲線拐點(diǎn)附近，受到很小的風(fēng)速擾動(dòng)其工作狀態(tài)都有可能發(fā)生從較大轉(zhuǎn)變，從而引起槳距角的不斷變化，導(dǎo)致機(jī)組不必要的機(jī)械動(dòng)作，增加響應(yīng)時(shí)間，所以一般情況下不將其納入調(diào)節(jié)，而始終為其分配固定的有功參考值。

高風(fēng)速區(qū)機(jī)組：該類風(fēng)電機(jī)組在額定風(fēng)速到切出風(fēng)速間運(yùn)行，處于額定轉(zhuǎn)速恒功率發(fā)電狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)槳距角實(shí)現(xiàn)有功功率控制，而槳距角的變化是機(jī)械動(dòng)作，慣性時(shí)間常數(shù)較大，響應(yīng)速度慢；高風(fēng)速區(qū)機(jī)組由于轉(zhuǎn)速已達(dá)到額定值，所以所受風(fēng)速越高，其輸出功率對(duì)槳距角變化越敏感，即改變同樣大小的角度，所受風(fēng)速越高的機(jī)組功率變化越大。

在本實(shí)施例中，將風(fēng)電機(jī)組所處風(fēng)況劃分為n類，其中，低風(fēng)速區(qū)機(jī)組占k-1類，表示為T₁,T₂,…T_k-1；臨近額定風(fēng)速區(qū)機(jī)組占一類，表示為T_k；高風(fēng)速區(qū)機(jī)組占n-k類，表示為T_k+1,T_k+2,…T_n；

當(dāng)風(fēng)電場在接收到來自電網(wǎng)調(diào)度中心的有功調(diào)度功率和從公共鏈接點(diǎn)測量得到的風(fēng)電場實(shí)時(shí)有功出力后，得到電網(wǎng)調(diào)度值與風(fēng)電場實(shí)時(shí)有功出力的偏差ΔP，即風(fēng)電場的待調(diào)控量，判斷風(fēng)電場應(yīng)進(jìn)行升功率還是降功率控制，根據(jù)每類機(jī)組響應(yīng)速度的特征，按一定優(yōu)先級(jí)將分配到每類機(jī)組，從而得到每類機(jī)組的有功功率參考值為了加快風(fēng)電場響應(yīng)速度，顯然應(yīng)該盡可能少地調(diào)節(jié)槳距角，則每類機(jī)組參與調(diào)節(jié)的優(yōu)先級(jí)順序?yàn)榈惋L(fēng)速區(qū)機(jī)組首先參與到調(diào)節(jié)中，按風(fēng)速增大方向依次將最低風(fēng)速區(qū)機(jī)組，次低風(fēng)速區(qū)機(jī)組，直到低風(fēng)速區(qū)風(fēng)速最接近額定風(fēng)速的某類機(jī)組納入有功功率調(diào)節(jié)中，若有功功率控制目標(biāo)尚未達(dá)到，高風(fēng)速區(qū)機(jī)組再參與到調(diào)節(jié)中，按風(fēng)速降低方向，依次將最高風(fēng)速區(qū)機(jī)組，次高風(fēng)速區(qū)，直到高風(fēng)速區(qū)風(fēng)速最接近額定風(fēng)速的某類機(jī)組納入有功功率調(diào)節(jié)中。其中，某類機(jī)組參與調(diào)節(jié)后，能夠滿足電網(wǎng)調(diào)度要求，則按照優(yōu)先級(jí)順序，在其之后的機(jī)組有功輸出維持原值。

下面對(duì)每類風(fēng)電機(jī)組分配到有功功率參考值的具體步驟進(jìn)行詳細(xì)說明，具體為：

(1)、計(jì)算每類風(fēng)電機(jī)組的有功出力

其中，表示第i類風(fēng)電機(jī)組中第j臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的出力，m_i表示第i類風(fēng)電機(jī)組的總臺(tái)數(shù)；

計(jì)算整個(gè)風(fēng)電場有功出力

其中，是第i類風(fēng)電機(jī)組有功出力，n表示風(fēng)電機(jī)組分類總數(shù)；

計(jì)算風(fēng)電場待調(diào)控量ΔP：

其中，是來自電網(wǎng)調(diào)度中心的有功調(diào)度功率；

(2)、分配每類風(fēng)電機(jī)組有功功率參考值

(2.1)、當(dāng)ΔP＞0時(shí)，則表明表示為了跟蹤電網(wǎng)調(diào)度值，風(fēng)電場此時(shí)需要增加有功出力，那么每類風(fēng)電機(jī)組的有功功率參考值的分配步驟為：

1)、計(jì)算每類風(fēng)電機(jī)組的升功率能力：

2)、按照預(yù)設(shè)的調(diào)控順序，依次累加每類風(fēng)電機(jī)組升功率能力，當(dāng)時(shí)，按照如下公式進(jìn)行分配，得到每類風(fēng)電機(jī)組的有功參考值

其中，表示第i類風(fēng)電機(jī)組升功率的能力，表示第i類風(fēng)電機(jī)組有功輸出最大值，t表示依次累加到第t類風(fēng)電機(jī)組即可滿足調(diào)度目標(biāo)；

(2.2)、當(dāng)ΔP＜0時(shí)，表明表示為了跟蹤電網(wǎng)調(diào)度值，風(fēng)電場此時(shí)需要減少有功出力，那么每類風(fēng)電機(jī)組的有功功率參考值的分配步驟為：

1)、計(jì)算每類風(fēng)電機(jī)組的降功率能力：

2)、按照預(yù)設(shè)的調(diào)控順序，依次累加每類風(fēng)電機(jī)組降功率能力，當(dāng)時(shí)，按照如下公式進(jìn)行分配，得到每類風(fēng)電機(jī)組的有功參考值

其中，表示第i類機(jī)組降功率的能力，表示第i類機(jī)組有功輸出最小值，t表示依次累加到第t類風(fēng)電機(jī)組即可滿足調(diào)度目標(biāo)。

二、基于模型預(yù)測控制的參考值修定

為了設(shè)計(jì)模型預(yù)測控制器，必須先對(duì)每類風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行等值建模，下面以容量等值為前提，分別對(duì)各類機(jī)組進(jìn)行單機(jī)等值，等值方法分為兩種情況說明：

1)、對(duì)低風(fēng)速區(qū)機(jī)組進(jìn)行等值：

1.1)、風(fēng)速等值

根據(jù)風(fēng)速-功率函數(shù)計(jì)算第i風(fēng)電機(jī)組中每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組功率P_ij：P_ij＝F(v_ij)

計(jì)算第i風(fēng)電機(jī)組的等值有功功率

采用倒推法計(jì)算第i類風(fēng)電機(jī)組的等值風(fēng)速

其中，j表示第i類風(fēng)電機(jī)組中第j臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，m_i表示第i類風(fēng)電機(jī)組的總臺(tái)數(shù)，F(xiàn)(v_ij)為風(fēng)速-功率函數(shù)，v_ij表示第i類風(fēng)電機(jī)組中第j臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速；

如兩臺(tái)風(fēng)速分別為6m/s和8m/s的機(jī)組進(jìn)行風(fēng)速等值，風(fēng)速-功率函數(shù)為空氣密度ρ＝1.2231kg/m³，風(fēng)輪半徑R＝63m，由于機(jī)組位于低風(fēng)速區(qū)，功率利用系數(shù)取最大值C_p＝C_pmax＝0.482，v是風(fēng)速。先根據(jù)風(fēng)速-功率函數(shù)分別計(jì)算得到兩臺(tái)機(jī)組的功率，0.793872MW和1.881772MW。求其和，再根據(jù)風(fēng)速-功率函數(shù)反解得到等值風(fēng)速約為9m/s。

1.2)、轉(zhuǎn)矩等值

其中，為第i類風(fēng)電機(jī)組的等值轉(zhuǎn)矩，其值相當(dāng)于第i類中某臺(tái)特定機(jī)組j^*的轉(zhuǎn)矩；

2)、對(duì)臨近額定風(fēng)速區(qū)機(jī)組和高風(fēng)速區(qū)機(jī)組進(jìn)行等值；

2.1)、風(fēng)速等值：

2.2)、轉(zhuǎn)矩等值：

3)、根據(jù)等值建立狀態(tài)空間模型

3.1)、由于模型預(yù)測控制對(duì)預(yù)測模型的精度要求不高，所以直接將風(fēng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩在給定穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行一階泰勒展開，將T_t在穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)附近部分線性化近似得到：

其中，δ表示變量與其穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)的偏差，ρ是空氣密度，R是風(fēng)輪半徑，v是風(fēng)速，C_p(λ，β)是功率利用系數(shù)，β是槳距角，λ是葉尖速比，ω_t是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，T_t可看作關(guān)于風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω_t、槳距角β和風(fēng)速v的函數(shù)，上劃線表示其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)；

3.2)、建立狀態(tài)空間模型

y＝δP_g＝Cx

其中，d＝δv

其中，ω_g是電機(jī)轉(zhuǎn)速，T_g是電磁轉(zhuǎn)矩，上標(biāo)*表示給定值，K_s和B_s分別表示轉(zhuǎn)動(dòng)軸的等值彈性系數(shù)和等值阻尼系數(shù)，J_t和J_g分別表示風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，τ_g和τ分別表示機(jī)電時(shí)間常數(shù)和槳距角時(shí)間常數(shù)，η是電機(jī)效率。

4)、再根據(jù)狀態(tài)空間模型設(shè)計(jì)模型預(yù)測控制器，其設(shè)計(jì)流程為：

4.1)、將狀態(tài)空間模型離散化，得到：

x(k+1)＝A′x(k)+B_u′u(k)+B_d′d(k)

y(k+1)＝C′x(k)

4.2)、設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)及約束條件

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

約束條件為：

其中，n_c,n_p分別表示控制時(shí)域和預(yù)測時(shí)域，Q_P，Q_R，Q_S分別表示權(quán)重系數(shù)，分別表示第i類風(fēng)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩和槳距角的最大值，且分別表示第i類風(fēng)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩給定值與槳距角給定值在兩個(gè)采樣時(shí)刻之差，分別表示第i類風(fēng)電機(jī)組的電磁轉(zhuǎn)矩給定值和槳距角給定值，已知采樣時(shí)間和變化率約束兩者相乘則可計(jì)算得到分別表示第i類風(fēng)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩變化率的最小值和最大值，槳距角變化率的最小值和最大值。

三、機(jī)組間有功參考修定值分配

為保證相似運(yùn)行狀態(tài)的機(jī)組間分配的公平性，將由模型預(yù)測控制器得到的每類機(jī)組有功參考值的修定值按照單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在該類風(fēng)機(jī)機(jī)組中的出力比例分配給單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，使每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組分配到輸出功率值

圖2是現(xiàn)有的PI控制方法系統(tǒng)框圖。

該方法僅根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度值與公共鏈接點(diǎn)測量得到的風(fēng)電場有功輸出之間的偏差，采取比例-積分控制方式進(jìn)行控制，然后使用比例分配方式將有功參考值分配給各臺(tái)機(jī)組。該方法沒有考慮機(jī)組間的差異，在調(diào)節(jié)過程中沒有優(yōu)先級(jí)，所有機(jī)組的有功參考值會(huì)隨電網(wǎng)調(diào)度值的波動(dòng)而波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致部分機(jī)組，尤其是臨近額定風(fēng)速區(qū)機(jī)組的槳距角頻繁動(dòng)作，勢(shì)必延長響應(yīng)時(shí)間，既不利于風(fēng)電場快速跟蹤電網(wǎng)調(diào)度值，也有損機(jī)組壽命，增加風(fēng)電場成本。

實(shí)施例

為了說明本發(fā)明的技術(shù)效果，將本發(fā)明的有功功率控制方法應(yīng)用于一個(gè)每臺(tái)容量為5MW，擁有14臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場進(jìn)行仿真驗(yàn)證。并假設(shè)風(fēng)電場測量到的風(fēng)速情況如圖3所示，根據(jù)仿真所使用的風(fēng)機(jī)參數(shù)(切入風(fēng)速v_in＝3m/s，額定風(fēng)速v_rated＝11.4m/s，切出風(fēng)速v_out＝25m/s)將風(fēng)速劃分5個(gè)子類，如表1所示，風(fēng)電場內(nèi)14臺(tái)機(jī)組按初始風(fēng)速劃歸到5個(gè)子類中，機(jī)組分類情況如表2所示。以電網(wǎng)調(diào)度值變化50MW-42MW-36MW-40MW-45MW-52MW為例說明本發(fā)明方法的有效性。

表1按風(fēng)速劃分5個(gè)子類

表2風(fēng)電場內(nèi)機(jī)組分類情況

圖4是跟蹤電網(wǎng)調(diào)度值效果對(duì)比圖。從圖4可以看出，風(fēng)電場按本發(fā)明的方法進(jìn)行有功功率控制，響應(yīng)速度較現(xiàn)有的PI控制方法更快。定義風(fēng)電場有功功率達(dá)到并隨后穩(wěn)定在電網(wǎng)調(diào)度值±5％的誤差帶范圍內(nèi)的時(shí)間為調(diào)節(jié)時(shí)間，本發(fā)明的該項(xiàng)指標(biāo)為1.27s，而PI控制方法該項(xiàng)指標(biāo)為2.4s，本發(fā)明較現(xiàn)有方法在快速性上提高47.2％。

圖5是近額定風(fēng)速區(qū)機(jī)組槳距角變化對(duì)比圖。從圖5可以看出，風(fēng)電場按本發(fā)明的方法進(jìn)行有功功率控制，給處于臨近額定風(fēng)速區(qū)機(jī)組中的每臺(tái)機(jī)組分配的有功參考值始終為5MW，使得其槳距角始終保持在0°，有利于風(fēng)電場快速響應(yīng)；而PI控制方法沒有考慮該類機(jī)組對(duì)風(fēng)速擾動(dòng)的敏感性特征，不斷地給其分配功率參考值，造成槳距角頻繁變化，不利于風(fēng)電場快速響應(yīng)。

圖6是機(jī)組有功出力變化對(duì)比圖。從圖6可以看出兩種方法下，五類機(jī)組的功率變化趨勢(shì)。以其在六個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的采樣時(shí)刻的功率值來描述。六個(gè)時(shí)刻分別為5s，15s，25s，35s，45s，55s，65s。每類的前三根柱狀圖描述了風(fēng)電場跟蹤逐漸下降的電網(wǎng)調(diào)度功率時(shí)(電網(wǎng)調(diào)度值從初始50MW突變至42MW再突變至36MW)，每類機(jī)組的出力情況。當(dāng)調(diào)度值從初始50MW突變至42MW時(shí)，使用本發(fā)明進(jìn)行有功功率控制，低風(fēng)速區(qū)的第一類機(jī)組和第二類機(jī)組率先降至最小值，因?yàn)樯形礉M足降功率量，高風(fēng)速區(qū)處于最高風(fēng)速的第五類機(jī)組參與到調(diào)節(jié)中，而第五類機(jī)組降至最小功率后仍然不能滿足調(diào)節(jié)量，隨后高風(fēng)速區(qū)處于次高風(fēng)速的第四類機(jī)組也降低出力參與到調(diào)節(jié)中，此過程可以通過每類機(jī)組的第一根到第二根柱狀圖看出；當(dāng)電網(wǎng)調(diào)度值從42MW突變至36MW時(shí)，由于第一、二和五類機(jī)組已經(jīng)全部降至設(shè)定的最小功率值，只有第四類機(jī)組還有調(diào)節(jié)余量，第四類機(jī)組繼續(xù)減少出力，完成跟蹤目標(biāo)，此過程可以從每類機(jī)組第二根到第三根柱狀圖看出。與降功率類似，功率升高過程中，按照本發(fā)明方法進(jìn)行有功功率控制，每類機(jī)組仍然按照預(yù)設(shè)的優(yōu)先級(jí)順序參與到調(diào)節(jié)中，即第一類，第二類，第五類，第四類機(jī)組依次動(dòng)作，符合預(yù)期效果。而使用PI控制方法的每類機(jī)組的有功輸出都會(huì)隨著電網(wǎng)調(diào)度值的變化而不斷變化，系統(tǒng)穩(wěn)定性欠佳。

盡管上面對(duì)本發(fā)明說明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。