本發(fā)明涉及海上風(fēng)力發(fā)電主動(dòng)頻率支撐領(lǐng)域，尤其是一種基于二級(jí)控制框架的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)儲(chǔ)能電站控制方法。

背景技術(shù)：

1、海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)能夠減少化石能源的消耗，能夠助力我國(guó)盡早達(dá)成“雙碳”目標(biāo)。但是風(fēng)能具有隨機(jī)性、波動(dòng)性的特點(diǎn)，需配備儲(chǔ)能電站削峰填谷，提高風(fēng)能的消納能力。而儲(chǔ)能電站中的儲(chǔ)能單元應(yīng)具備即插即用的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)的功率均衡分配。儲(chǔ)能電站的分布式的儲(chǔ)能單元可采用集中控制或分散控制，集中控制需建立可靠的通信拓?fù)?，需性能?yōu)越的中央處理器。分散控制策略則無法獲知全局信息，易導(dǎo)致部分儲(chǔ)能裝置過充、過放。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)以上問題，本發(fā)明提出了一種基于二級(jí)控制框架的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)儲(chǔ)能電站控制方法，該方法的一層控制器采用改進(jìn)的下垂控制策略，二層控制器采用擴(kuò)散策略對(duì)一層控制器的電壓進(jìn)行補(bǔ)償；若二層控制器發(fā)生故障，一層控制器仍舊能夠?qū)崿F(xiàn)分布式儲(chǔ)能單元的功率分配。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于二級(jí)控制框架的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)儲(chǔ)能電站控制方法，包括以下步驟：

3、步驟一：構(gòu)建海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)直流儲(chǔ)能電站，儲(chǔ)能電站中包含多個(gè)分布式儲(chǔ)能單元，且采用即插即用的方式，所述儲(chǔ)能單元由儲(chǔ)能裝置與buck/boost變換器構(gòu)成，各個(gè)儲(chǔ)能裝置采用buck/boost變換器接入直流母線；

4、步驟二：構(gòu)建二級(jí)控制框架，二級(jí)控制框架包括一級(jí)控制器與二級(jí)控制器，一級(jí)控制器采用下垂控制器控制儲(chǔ)能單元，二級(jí)控制器采用擴(kuò)散策略以補(bǔ)償由于一級(jí)控制器引入的電壓偏差。

5、進(jìn)一步地，buck/boost變換器采用雙閉環(huán)控制策略，雙閉環(huán)控制策略的外環(huán)為儲(chǔ)能單元輸出電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為儲(chǔ)能單元輸出電流的控制環(huán)；所述buck/boost變換器包括電壓外環(huán)控制器pi1和電流內(nèi)環(huán)控制器pi2；電壓外環(huán)控制器pi1的輸入為儲(chǔ)能單元輸出電壓參考值與檢測(cè)值的差值，輸出為儲(chǔ)能單元的輸出電流參考值，如式(1)所示；電流內(nèi)環(huán)控制器pi2的輸入為儲(chǔ)能單元輸出電流的參考值與檢測(cè)值的差值，輸出為占空比，如式(2)所示：

6、iout_ref＝kp1(uout_ref-uout)+ki1∫(uout_ref-uout)dt?(1)

7、d＝kp2(iout_ref-iout)+ki2∫(iout_ref-iout)dt?(2)

8、式中，iout_ref為儲(chǔ)能單元的輸出電流的參考值，iout為儲(chǔ)能單元的輸出電流，uout_ref為儲(chǔ)能單元的輸出電壓的參考值，uout為儲(chǔ)能單元的輸出電壓，d為buck/boost變換器中igbt的導(dǎo)通占空比，kp1、ki1分別為電壓外環(huán)控制器pi1的比例系數(shù)與積分系數(shù)；kp2、ki2分別為電流內(nèi)環(huán)控制器pi2的比例系數(shù)與積分系數(shù)。

9、進(jìn)一步地，uout_ref通過下垂控制器確定，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元之間的功率分配，下垂控制器主要目的為由儲(chǔ)能單元的空載輸出電壓uout_0、下垂系數(shù)r和儲(chǔ)能單元的輸出電流iout確定儲(chǔ)能單元的輸出電壓參考值，輸出電壓參考值uout_ref表示為：

10、uout_ref＝uout_0-r×iout?????(3)

11、式中，uout_0為儲(chǔ)能單元的空載電壓，r為下垂系數(shù)。

12、進(jìn)一步地，采用改進(jìn)下垂控制策略實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能單元之間的均勻分配，改進(jìn)下垂控制根據(jù)儲(chǔ)能單元的容量、soc狀態(tài)、充放電狀態(tài)確定下垂系數(shù)，在第i個(gè)儲(chǔ)能裝置充電時(shí)的下垂系數(shù)ri_c、在第i個(gè)儲(chǔ)能裝置放電時(shí)的下垂系數(shù)ri_d可表示為：

13、

14、式中，cmax為所有儲(chǔ)能單元中容量最大的儲(chǔ)能單元的容量，ci為第i個(gè)儲(chǔ)能單元的容量，ri為公式(3)中表示的第i個(gè)儲(chǔ)能單元的下垂系數(shù)，soci為第i個(gè)儲(chǔ)能單元的soc狀態(tài)，n為分布式儲(chǔ)能單元soc均衡系數(shù)，且n為正整數(shù)。

15、由式(4)-(5)可知，在儲(chǔ)能單元充放電過程中，下垂系數(shù)隨soc變換，逐漸實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能單元soc均衡。

16、進(jìn)一步地，n根據(jù)儲(chǔ)能單元最大充電功率、最大放電功率、soc均衡速度確定，若n較大，則soc均衡速度快，但是儲(chǔ)能單元的充電功率、放電功率大；若n較小，則soc均衡速度慢，儲(chǔ)能單元的充放電功率小。

17、進(jìn)一步地，下垂控制或改進(jìn)下垂控制的原理機(jī)制為有差控制。且采用下垂控制或改進(jìn)下垂控制實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能單元的功率分配時(shí)，儲(chǔ)能單元的輸出電壓受到線路阻抗的影響，以兩個(gè)儲(chǔ)能單元為例，其表達(dá)式為式(6)：

18、udc_bus＝u1_out_0-(r1+r1_line)×i1_out＝u2_out_0-(r2+r2_line)×i2_out??(6)

19、式中，udc_bus為直流母線電壓、idc_bus為直流母線電流，r1為儲(chǔ)能單元1的下垂系數(shù)、r2為儲(chǔ)能單元2的下垂系數(shù)，r1_line為儲(chǔ)能單元1與直流母線電壓聯(lián)絡(luò)線的線路阻抗、r2_line為儲(chǔ)能單元2與直流母線電壓聯(lián)絡(luò)線的線路阻抗；u1_out為儲(chǔ)能單元1的輸出電壓、u2_out為儲(chǔ)能單元2的輸出電壓，u1_out_0表示儲(chǔ)能單元1的空載電壓、u2_out_0表示儲(chǔ)能單元2的空載電壓；i1_out表示儲(chǔ)能單元1的輸出電流，i2_out表示儲(chǔ)能單元2的輸出電流。

20、由式(6)可知，直流母線電壓受到線路阻抗的影響，會(huì)存在一定的波動(dòng)，而且線路阻抗受到環(huán)境的影響，有一定的變化。

21、即采用下垂控制或改進(jìn)下垂控制時(shí)，由于其自身的機(jī)制、線路阻抗的影響，儲(chǔ)能單元的輸出電壓將存在電壓差，且各個(gè)儲(chǔ)能單元的輸出電壓不相等，易導(dǎo)致儲(chǔ)能單元間出現(xiàn)環(huán)流。

22、進(jìn)一步地，采用二級(jí)控制器補(bǔ)償各個(gè)儲(chǔ)能單元的輸出電壓差；二級(jí)控制器分為兩個(gè)部分，第一個(gè)部分為補(bǔ)償由于下垂控制、改進(jìn)下垂控制引入的電壓差，第二個(gè)部分為補(bǔ)償儲(chǔ)能單元功率分配不均衡導(dǎo)致的電壓差。

23、進(jìn)一步地，在各個(gè)儲(chǔ)能單元的一級(jí)控制器之間建立通信拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元控制器之間的信息交互。

24、進(jìn)一步地，表述各個(gè)儲(chǔ)能單元之間的通信拓?fù)涞泥徑泳仃嘺中的元素，應(yīng)滿足式(7)，采用式(8)計(jì)算：

25、

26、式中，aij為鄰接矩陣中的元素，n為儲(chǔ)能單元的總數(shù)，ni表示與第i個(gè)儲(chǔ)能單元互相通信的儲(chǔ)能單元個(gè)數(shù)、nj表示與第j個(gè)儲(chǔ)能單元互相通信的儲(chǔ)能單元個(gè)數(shù)，nj表示與儲(chǔ)能單元j互相通信的儲(chǔ)能單元的集合。

27、通信拓?fù)涞泥徑泳仃嚤硎緸椋?/p>

28、

29、進(jìn)一步地，二級(jí)控制器采用擴(kuò)散策略，而擴(kuò)散策略為優(yōu)化策略，將由于一級(jí)控制器導(dǎo)致的電壓偏差的均方差的最小值作為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建第一個(gè)電壓補(bǔ)償器；將各個(gè)儲(chǔ)能單元的輸出功率與剩余容量的比值的均方差的最小值作為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建第二個(gè)電壓補(bǔ)償器。

30、進(jìn)一步地，擴(kuò)散策略可分為兩步，分別為第一步適應(yīng)與第二步組合，其中第一步適應(yīng)可表示為式(10)，第二步組合可表示為式(11)：

31、

32、式中，ji(xi,k-1)為擴(kuò)散策略的優(yōu)化目標(biāo)，xi,k-1表示第i個(gè)儲(chǔ)能單元在第k-1次迭代的狀態(tài)變量、xi,k分別表示第i個(gè)儲(chǔ)能單元在第k次迭代的狀態(tài)變量，表示第i個(gè)儲(chǔ)能單元在第k次迭代的中間變量，μi為第i個(gè)儲(chǔ)能單元的迭代步長(zhǎng)，為一個(gè)較小的常數(shù)；ni表示與第i個(gè)儲(chǔ)能單元相互通信的儲(chǔ)能單元集合。

33、進(jìn)一步地，第一個(gè)電壓補(bǔ)償器包含了兩個(gè)部分，第一個(gè)部分為補(bǔ)償由于采用線路阻抗導(dǎo)致的電壓偏差，第二個(gè)部分為補(bǔ)償由于下垂控制策略是有差控制引入的電壓偏差；第一個(gè)部分的優(yōu)化目標(biāo)可表示為：

34、argminσui2(uavgi)(12)

35、式中，uavgj表示與第j個(gè)儲(chǔ)能單元相互通信的所有儲(chǔ)能單元的輸出電壓的平均電壓，可表示為式(13)，σui2(uavgi)表示uavgj的均方差，可表示為是(14)：

36、

37、式中，uoutj表示第j個(gè)儲(chǔ)能單元的輸出電壓；

38、因此，第一個(gè)電壓補(bǔ)償器在擴(kuò)散策略迭代過程中的中間變量與狀態(tài)量分別為式(15)和(16)：

39、

40、xi1(k)＝uavgi?????(16)

41、σui2(uavgi)在第k次迭代時(shí)的梯度可表示為：

42、

43、式中，uavgi(k)表示第k次迭代時(shí)，與第i個(gè)儲(chǔ)能單元相互通信的所有儲(chǔ)能單元的輸出電壓的平均電壓；uavgj(k)表示第k次迭代時(shí)，與第j個(gè)儲(chǔ)能單元相互通信的所有儲(chǔ)能單元的輸出電壓的平均電壓；uavgi(k-1)表示第k-1次迭代時(shí)，與第i個(gè)儲(chǔ)能單元相互通信的所有儲(chǔ)能單元的輸出電壓的平均電壓；uavgj(k-1)表示第k-1次迭代時(shí)，與第j個(gè)儲(chǔ)能單元相互通信的所有儲(chǔ)能單元的輸出電壓的平均電壓；

44、因此，經(jīng)過第k次運(yùn)算后，第k+1次迭代過程中，狀態(tài)量可更新為：

45、

46、因此，第一個(gè)電壓補(bǔ)償器為了補(bǔ)償各個(gè)儲(chǔ)能單元由于線路阻抗不同導(dǎo)致的輸出電壓不均的電壓補(bǔ)償量，可表示為：

47、

48、式中，kpv2為第一個(gè)電壓補(bǔ)償器補(bǔ)償由于線路阻抗不同導(dǎo)致的輸出電壓不均的電壓補(bǔ)償量的控制器的比例系數(shù)，kiv2為第一個(gè)電壓補(bǔ)償器補(bǔ)償由于線路阻抗不同導(dǎo)致的輸出電壓不均的電壓補(bǔ)償量的控制器的積分系數(shù)，為根據(jù)擴(kuò)散策略計(jì)算的狀態(tài)量，可表示為：

49、

50、由于下垂控制策略引入的電壓偏差，可表示為：

51、δuui1(k)＝kpv1(vref-vavgi(k))+kiv1∫(vref-vavgi(k))?(21)

52、式中，kpv1補(bǔ)償由于下垂控制策略引入的電壓偏差的控制器的比例系數(shù)，kiv1為補(bǔ)償由于下垂控制策略引入的電壓偏差的控制器的積分系數(shù)；uref表示參考電壓。

53、因此，第一個(gè)電壓補(bǔ)償器的補(bǔ)償電壓可表示為：

54、δuui(k)＝δuui2(k)+gi·δuui1(k)??????(22)

55、式中，gi表示第i個(gè)儲(chǔ)能單元的權(quán)重系數(shù)。

56、進(jìn)一步地，第二個(gè)電壓補(bǔ)償器主要用于補(bǔ)償功率分配引入的電壓差，其狀態(tài)變量可表示為：

57、

58、式中，表示第二個(gè)電壓補(bǔ)償器的第i個(gè)儲(chǔ)能單元的狀態(tài)變量，采用γi表示；pi表示第i個(gè)儲(chǔ)能單元輸出功率，可表示為式(25)，ci為第i個(gè)儲(chǔ)能單元的容量，si為第i個(gè)儲(chǔ)能單元的剩余soc狀態(tài)，表示為式(26)－(27)：

59、pi＝ui_out×ii_out?(24)

60、si＝soci-socmin?(25)

61、si＝socmax-soci?(26)

62、式中，ui_out表示第i個(gè)儲(chǔ)能單元的輸出電壓，ii_out表示第i個(gè)儲(chǔ)能單元的輸出電流，socmin表示儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)最小值，socmax表示儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)最大值；

63、第二個(gè)電壓補(bǔ)償器的優(yōu)化目標(biāo)為：

64、argminσγi2(27)

65、式中，σγi2可表示為：

66、

67、式中，γavgi表示狀態(tài)變量的平均值，可表示為：

68、

69、式中，sj為第j個(gè)儲(chǔ)能單元的剩余soc狀態(tài)；σγi2表示狀態(tài)變量的均方差；

70、則擴(kuò)散策略在第k次迭代時(shí)的中間變量可表示為：

71、

72、式中，pj表示第j個(gè)儲(chǔ)能單元輸出功率，cj為第j個(gè)儲(chǔ)能單元的容量；

73、式中，可表示為：

74、

75、式中，σγi2(k)表示第k次迭代，第i個(gè)儲(chǔ)能單元的狀態(tài)變量均方差，σγi2(k-1)表示第k-1次迭代，第i個(gè)儲(chǔ)能單元的狀態(tài)變量均方差，pi(k)表示第k次迭代，第i個(gè)儲(chǔ)能單元的輸出功率，pj(k)表示第k次迭代，第j個(gè)儲(chǔ)能單元的輸出功率，pi(k-1)表示第k-1次迭代，第i個(gè)儲(chǔ)能單元的輸出功率，pj(k-1)表示第k-1次迭代，第j個(gè)儲(chǔ)能單元的輸出功率，si(k)表示第k次迭代，第i個(gè)儲(chǔ)能單元的剩余荷電狀態(tài)，sj(k)表示第k次迭代，第j個(gè)儲(chǔ)能單元的剩余荷電狀態(tài)，si(k-1)表示第k-1次迭代，第i個(gè)儲(chǔ)能單元的剩余荷電狀態(tài)，sj(k-1)表示第k-1次迭代，第j個(gè)儲(chǔ)能單元的剩余荷電狀態(tài)，ci(k)表示第k次迭代，第i個(gè)儲(chǔ)能單元的容量，cj(k)表示第k次迭代，第j個(gè)儲(chǔ)能單元的容量，ci(k-1)表示第k-1次迭代，第i個(gè)儲(chǔ)能單元的容量，cj(k-1)表示第k-1次迭代，第j個(gè)儲(chǔ)能單元的容量；因此，在第k次迭代時(shí)，狀態(tài)變量可更新為：

76、

77、式中，xi2(k+1)表示第二個(gè)電壓補(bǔ)償器的第i個(gè)儲(chǔ)能單元在第k+1次迭代時(shí)的狀態(tài)變量；

78、因此，第二個(gè)電壓補(bǔ)償器的補(bǔ)償電壓可表示為：

79、

80、式中，kpγ為第二個(gè)電壓補(bǔ)償器的pi控制器的比例系數(shù)，kiγ為第二個(gè)電壓補(bǔ)償器的pi控制器的積分系數(shù)，γi(k)表示第k次迭代時(shí)，第i個(gè)儲(chǔ)能單元的狀態(tài)變量；其中可表示為：

81、

82、進(jìn)一步地，控制策略包含如下步驟：步驟一：儲(chǔ)能單元采用雙閉環(huán)控制器得到igbt的開關(guān)信號(hào)；步驟二：儲(chǔ)能單元的雙閉環(huán)控制器的輸入信號(hào)由下垂控制器與補(bǔ)償系統(tǒng)確定；步驟三：補(bǔ)償量分為兩個(gè)部分，第一個(gè)部分是由于線路阻抗不同導(dǎo)致的輸出電壓不均的電壓補(bǔ)償量，第二個(gè)部分是補(bǔ)償功率分配引入的電壓差。

83、有益效果：分布式儲(chǔ)能單元接入電網(wǎng)時(shí)，常采用下垂控制策略，但是下垂控制為有差控制導(dǎo)致各個(gè)儲(chǔ)能單元與電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓各不相等；此外由于線路阻抗的存在，各個(gè)儲(chǔ)能單元與電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)電壓的偏差進(jìn)一步擴(kuò)大。本發(fā)明搭建了二層控制框架，構(gòu)建了2個(gè)電壓補(bǔ)償器，分別補(bǔ)償由于下垂控制導(dǎo)致的電壓偏差與由于線路阻抗導(dǎo)致的電壓偏差，使各個(gè)儲(chǔ)能單元與電網(wǎng)電壓節(jié)點(diǎn)處電壓相等，抑制各個(gè)儲(chǔ)能單元之間的環(huán)流，提高儲(chǔ)能單元的使用壽命，且保障了各個(gè)儲(chǔ)能單元的出力均衡。