风电场一次调频及惯量支撑系数可行域评估方法

1.本发明涉及电力系统运行和控制技术领域，特别是涉及一种风电场一次调频及惯量支撑系数可行域评估方法。


背景技术：

2.风电机组大多通过电力电子逆变器装置并网，且其转速与系统频率处于解耦状态，不具备天然惯性，大规模接入电网替代火电机组会导致系统惯性下降，无法及时对系统频率变化做出快速有效的响应。新能源场站需要参与一次调频，并网发电比重较高地区，需提供必要惯量支撑。
3.风电机组可通过模拟同步发电机参与一次调频时的下垂特性和惯性特性进行调频，风电场作为并网主体，在一次调频期间需要整体模拟常规电站的下垂特性和惯量支撑特性，满足并网导则。采用电力电子变换器输出调节方法，通过调节变流器的有功功率设定值，利用风机桨叶中存储的动能可以参与一次调频和惯性支撑。但该控制方法会造成风机转速变化，影响安全运行，因此需要合理分配风机功率以保证各风机运行安全。为了保证各风机转速安全且功率不越限，在参与一次调频和惯量支撑前，首先需要评估一次调频和惯量支撑参数可行域，计算自身的极限参数进行上报，然后根据电网反馈的指令执行调节。
4.然而，由于风电场中风机数量多，动态特性复杂，一次调频及惯量支撑系数评估模型是高维非线性微分代数方程组，难以精确解析求解。在不同风速状态下，需要重新进行仿真计算方能确定调频能力，因而所需时间很长，而且时域分析方法严重依赖模型参数，一旦模型不完备或精度较差，计算结果无法保证。
5.传统模型方法分析风电场动态调频过程难以保证评估精度，而针对过程复杂问题进行求解正是数据驱动算法的优势。根据koopman数据驱动理论，可以通过升维变换将非线性动态模型转化为全局近似线性模型，具备更强的数学理论支撑，能够将原本复杂的评估模型利用数据驱动方法转换为线性模型进行评估。


技术实现要素：

6.本发明旨在提出一种风电场一次调频及惯量支撑系数可行域评估方法，利用数据驱动最小二乘方法构建线性模型，实现不依赖于模型参数的高精度系数可行域评估。
7.一种风电场一次调频及惯量支撑系数可行域评估方法，该方法包括以下步骤：
8.步骤1、利用风电场历史数据库中参与一次调频和惯量支撑过程的运行数据，通过数据驱动训练，获取一次调频和惯量支撑过程中风机最终转速ω
final
、风机最大功率调整量δpe与一次调频系数kf、惯量支撑系数k
in
和风速vw之间的线性函数关系作为路径数据；该步骤具体包括以下处理：
9.步骤1-1、构成i个数据样本，所述数据样本的参数包括风机最终转速ω
final,i
、风机最大功率调整量δp
e,i
与一次调频系数k
f,i
、惯量支撑系数k
in,i
和风速v
w,i
；
10.步骤1-2、将所述数据样本分类建立输入样本和输出样本；
11.输入样本定义为：
[0012][0013]
输出样本定义为：
[0014][0015]
步骤1-3、将输入样本进行升维，得到升维后的输入样本，定义为：
[0016][0017]
其中，ψ(xi)表示第i个升维标量函数；
[0018]
ψj(xi)定义为：
[0019][0020]
其中，cj代表与xi相同维度的基底向量，ψj()代表第j维的第j个升维标量函数；
[0021]
步骤1-4、分别将输出样本和升维后的输入样本按顺序排列，得到输出样本集和升维后的输入样本集，其中输出样本集定义为：
[0022][0023]
升维后的输入样本集定义为：
[0024][0025]
步骤1-5、通过最小二乘数据驱动训练，构建风机最终转速ω
final
、风机最大功率调整量δpe与一次调频系数kf、惯量支撑系数k
in
和风速vw之间的线性函数关系，最小二乘数据驱动矩阵m公式如下：
[0026][0027]
其中，代表的矩阵转置，代表的矩阵伪逆；
[0028]
构建得到的线性函数关系定义为：
[0029]
；
[0030]
步骤2、根据风机最终转速ω
final
、风机最大功率调整量δpe与一次调频系数kf、惯量支撑系数k
in
和风速vw之间的线性函数关系在线评估风电场一次调频及惯量支撑系数可行域，具体执行流程如下：
[0031]
步骤2-1、量测风电场该时刻实时风速v
w,real
；
[0032]
步骤2-2、设定迭代步t＝0，设定风电场一次调频及惯量支撑过程中允许的风机最终转速下限ω
final,min
及风机最大功率调整量上限δp
e,max
，其中，
[0033]
风机最大功率调整量上限δp
e,max
，定义为：
[0034][0035]
风机最终转速下限ω
final,min
，定义为：
[0036][0037]
其中，m1为最小二乘数据驱动矩阵m中的第1行，m2代表最小二乘数据驱动矩阵m中的第2行，k
in
(t+1)代表t+1次迭代更新的惯量支撑系数，kf(t+1)代表t+1次迭代更新次调频系数，v
w,m
代表风电场所有风机的风速矢量矩阵，ψ()代表升维函数矩阵；
[0038]
步骤2-3、设定在线评估过程中风电场一次调频及惯量支撑系数初值，其中风电场一次调频系数初值kf(0)＝0，风电场惯量支撑系数初值k
in
(0)＝0；
[0039]
步骤2-4、利用二分法求解风机最大功率调整量上限δp
e,max
方程，得到迭代更新的惯量支撑系数可行边界k
in
(t+1)；
[0040]
步骤2-5、利用二分法求解风机最终转速下限ω
final,min
方程，得到迭代更新的一次调频系数可行边界kf(t+1)；
[0041]
步骤2-6、判断惯量支撑系数k
in
(t+1)和一次调频系数kf(t+1)是否满足下列收敛条件：
[0042][0043]
其中，δ1和δ2为设定的收敛条件；
[0044]
若公式(11)条件成立，则输出惯量支撑系数可行边界和一次调频系数可行边界，本次评估结束，转入步骤2-1重新开始下一次评估；
[0045]
上述条件若不成立，则令迭代步t＝t+1，转入步骤2-4继续迭代。
[0046]
与现有技术相比，本发明能够达成以下有益技术效果：
[0047]
1)考虑了风电场一次调频系数和惯性支撑系数之间的关联性，同时评估出两个系数的可行域，且采用了数据驱动的线性模型，求解速度快，降低了计算负担，相比传统机理
模型适用于在线应用场景；
[0048]
2)直接利用风电场历史运行数据构建了评估所需的线性模型，避免了传统模型分析方法评估精度受到模型完备程度和参数设定精度影响的问题，实现不依赖模型的一次调频及惯量支撑系数可行域评估；
[0049]
3)综合了数据驱动与机理模型的特性，降低了训练数据获取难度，构建的线性模型是对物理模型简化表达，训练集不需要覆盖极限运行场景，即可保证评估结果的可靠性。
附图说明
[0050]
图1为本发明的一种风电场一次调频及惯量支撑系数可行域评估方法流程图；
[0051]
图2为步骤1具体执行流程图；
[0052]
图3为步骤2具体执行流程图。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例,，由本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的与技术方案所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0054]
如图1所示，为本发明的一种风电场一次调频及惯量支撑系数可行域评估方法流程图。该流程具体包括以下步骤：
[0055]
步骤1、利用风电场历史数据库中参与一次调频和惯量支撑过程的运行数据，通过数据驱动训练，获取一次调频和惯量支撑过程中风机最终转速ω
final
、风机最大功率调整量δpe与一次调频系数kf、惯量支撑系数k
in
和风速vw之间的线性函数关系，此步骤仅执行1次，具体执行流程如下：
[0056]
步骤1-1、通过风电场的历史数据库，获取风电场参与一次调频和惯量支撑的各次数据，每次的数据记录作为一个数据样本，其中，第i个样本包括：风机最终转速ω
final,i
、风机最大功率调整量δp
e,i
与一次调频系数k
f,i
、惯量支撑系数k
in,i
和风速v
w,i
。最终记录的数据样本总数为n，n的取值不少于1000组。
[0057]
步骤1-2、将上述数据样本分类建立n个输入样本和n个输出样本，其中第i个输入样本定义为：
[0058][0059]
第i个输出样本定义为：
[0060][0061]
步骤1-3、将输入样本进行升维，得到升维后的输入样本，对于第i个输入样本，其升维后的输入样本定义为：
[0062][0063]
其中，ψ(xi)中的第j维定义为：
[0064][0065]
其中，cj代表与xi相同维度的基底向量，其取值完全随机，ψj()代表第j维的升维标量函数；
[0066]
步骤1-4、将输出样本和升维后的输入样本分别按顺序排列，得到输出样本集和升维后的输入样本集，其中输出样本集定义为：
[0067][0068]
升维后的输入样本集定义为：
[0069][0070]
步骤1-5、通过最小二乘数据驱动训练，构建风机最终转速ω
final
、风机最大功率调整量δpe与一次调频系数kf、惯量支撑系数k
in
和风速vw之间的线性函数关系，作为训练结果的最小二乘数据驱动矩阵m公式如下：
[0071][0072]
其中，代表的矩阵转置，代表的矩阵伪逆。
[0073]
构建得到的线性函数关系为：
[0074][0075]
如图2所示，为步骤1具体执行流程图。
[0076]
步骤2、根据步骤1构建的风机最终转速ω
final
、风机最大功率调整量δpe与一次调频系数kf、惯量支撑系数k
in
和风速vw之间的线性函数关系，在线评估风电场一次调频及惯量支撑系数可行域，该步骤循环执行，具体执行流程如下：
[0077]
步骤2-1、量测风电场该时刻实时风速v
w,real
。
[0078]
步骤2-2、设定风电场一次调频及惯量支撑过程中允许的风机最终转速下限ω
final,min
及风机最大功率调整量上限δp
e,max
；其中，
[0079]
风机最大功率调整量上限δp
e,max
，定义为：
[0080][0081]
风机最终转速下限ω
final,min
，定义为：
[0082][0083]
其中，m1为最小二乘数据驱动矩阵m中的第1行，m2代表最小二乘数据驱动矩阵m中的第2行，k
in
(t+1)代表t+1次迭代更新的惯量支撑系数，kf(t+1)代表t+1次迭代更新次调频系数，vw代表风电场所有风机的风速矢量矩阵，ψ()代表升维函数矩阵；
[0084]
步骤2-3、设定迭代步t＝0，设定在线评估过程中风电场一次调频及惯量支撑系数初值，其中风电场一次调频系数初值kf(0)＝0，风电场惯量支撑系数初值k
in
(0)＝0；
[0085]
步骤2-4、利用二分法求解下列方程得到迭代更新的惯量支撑系数可行边界k
in
(t+1)；
[0086]
步骤2-5、利用二分法求解下列方程得到迭代更新的一次调频系数可行边界kf(t+1)；
[0087]
步骤2-6、判断惯量支撑系数可行边界k
in
(t+1)和一次调频系数可行边界kf(t+1)是否满足下列收敛条件：
[0088][0089]
其中，δ1和δ2为设定的收敛条件，可取值为10-4
。
[0090]
上述条件若成立，则输出惯量支撑系数可行边界k
in
(t+1)和一次调频系数可行边界kf(t+1)，本次评估结束，转入步骤2-1重新开始下一次评估；
[0091]
上述条件若不成立，则令迭代步t＝t+1，转入步骤2-4继续迭代。
[0092]
如图3所示，为步骤2具体执行流程图。

技术特征：
1.一种风电场一次调频及惯量支撑系数可行域评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、利用风电场历史数据库中参与一次调频和惯量支撑过程的运行数据，通过数据驱动训练，获取一次调频和惯量支撑过程中风机最终转速ω
final
、风机最大功率调整量δp
e
与一次调频系数k
f
、惯量支撑系数k
in
和风速v
w
之间的线性函数关系作为路径数据；该步骤具体包括以下处理：步骤1-1、构成i个数据样本，所述数据样本的参数包括风机最终转速ω
final,i
、风机最大功率调整量δp
e,i
与一次调频系数k
f,i
、惯量支撑系数k
in,i
和风速v
w,i
；步骤1-2、将所述数据样本分类建立输入样本和输出样本；其中：输入样本定义为：输出样本定义为：步骤1-3、将输入样本进行升维，得到升维后的输入样本，定义为：其中，ψ(x
i
)表示第i个升维标量函数；ψ
j
(x
i
)定义为：其中，c
j
代表与x
i
相同维度的基底向量，ψ
j
()代表第j维的标量升维函数；步骤1-4、分别将输出样本和升维后的输入样本按顺序排列，得到输出样本集和升维后的输入样本集，其中输出样本集定义为：升维后的输入样本集定义为：步骤1-5、通过最小二乘数据驱动训练，构建风机最终转速ω
final
、风机最大功率调整量δp
e
与一次调频系数k
f
、惯量支撑系数k
in
和风速v
w
之间的线性函数关系，得到作为训练结果的最小二乘数据驱动矩阵m公式如下：其中，代表的矩阵转置，代表的矩阵伪逆；构建得到的线性函数关系定义为：
步骤2、根据风机最终转速ω
final
、风机最大功率调整量δp
e
与一次调频系数k
f
、惯量支撑系数k
in
和风速v
w
之间的线性函数关系在线评估风电场一次调频及惯量支撑系数可行域，具体执行流程如下：步骤2-1、量测风电场该时刻实时风速v
w,real
；步骤2-2、设定迭代步t＝0，设定风电场一次调频及惯量支撑过程中允许的风机最终转速下限ω
final,min
及风机最大功率调整量上限δp
e,max
，其中，风机最大功率调整量上限δp
e,max
，定义为：风机最终转速下限ω
final,min
，定义为：其中，m1为最小二乘数据驱动矩阵m中的第1行，m2代表最小二乘数据驱动矩阵m中的第2行，k
in
(t+1)代表t+1次迭代更新的惯量支撑系数，k
f
(t+1)代表t+1次迭代更新次调频系数，v
w
代表风电场所有风机的风速矢量矩阵，ψ()代表升维函数矩阵；步骤2-3、设定在线评估过程中风电场一次调频及惯量支撑系数初值，其中风电场一次调频系数初值k
f
(0)＝0，风电场惯量支撑系数初值k
in
(0)＝0；步骤2-4、利用二分法求解风机最大功率调整量上限δp
e,max
方程，得到迭代更新的惯量支撑系数可行边界k
in
(t+1)；步骤2-5、利用二分法求解风机最终转速下限ω
final,min
方程，得到迭代更新的一次调频系数可行边界k
f
(t+1)；步骤2-6、判断惯量支撑系数k
in
(t+1)和一次调频系数k
f
(t+1)是否满足下列收敛条件：
其中，δ1和δ2为设定的收敛条件；步骤2-7、若公式(11)条件成立，则输出惯量支撑系数可行边界和一次调频系数可行边界，本次评估结束，转入步骤2-1重新开始下一次评估；上述条件若不成立，则令迭代步t＝t+1，转入步骤2-4继续迭代。2.如权利要求1所述的一种风电场一次调频及惯量支撑系数可行域评估方法，其特征在于，收敛条件δ1和δ2取值为10-4
。

技术总结
本发明公开了一种风电场一次调频及惯量支撑系数可行域评估方法，利用风电场历史数据库中参与一次调频和惯量支撑过程的运行数据，构建包含一次调频和惯量支撑过程中风机最终转速、风机最大功率调整量与一次调频系数、惯量支撑系数和风速之间的线性函数关系的路径数据；量测风电场实时风速，利用构建出的上述变量间的线性函数关系，考虑风机最终转速与风机最大功率调整量极限值，在线评估风电场一次调频及惯量支撑系数可行域。本发明具有不依赖于静态模型参数准确性、在线评估计算效率高、能够计及两种参数间的相互作用等优点。能够计及两种参数间的相互作用等优点。能够计及两种参数间的相互作用等优点。


技术研发人员：桂前进 钟成元 张二龙 徐文法 李晓阳 朱加明 王中冠 郭力 刘嘉琛
受保护的技术使用者：国网安徽省电力有限公司 国家电网有限公司 天津大学
技术研发日：2022.12.30
技术公布日：2023/8/4