一种用于风电场的飞轮矩阵系统分布式分层控制方法

摘要

该发明一种用于风电场的飞轮矩阵系统分布式分层控制方法，应用于风电场的飞轮储能系统控制方法，尤其涉及一种应用于风电场的飞轮储能矩阵系统的分层结构的协调控制方法。首先建立各风轮储能单元的通信拓扑结构,然后构建基于多智能体的分布式的上层功率分配算法,使各飞轮根据自身及其邻居的交流信息，按比例分配系统总参考功率，来确定自己的充放电状态及功率，将计算得到的结果交由本地控制器执行，实现发明目的，从而具有实时性、减小建设成本、增加系统灵活性、减小系统计算复杂度、增强系统鲁棒性和容错性。

主权项

一种用于风电场的飞轮矩阵系统分布式分层控制方法，该方法包括：步骤1：首先将各飞轮储能单元并联在飞轮矩阵系统的直流母线上，其中一些飞轮储能单元与风电场相连，再将飞轮矩阵系统的直流母线通过主双向变流器与风电场的交流母线并联，然后建立飞轮矩阵系统中各飞轮储能单元的通信网络拓扑结构，所述飞轮储能单元包括：智能体通信和控制器、本地控制器、次双向变流器、电机、飞轮；步骤2：构建基于多智能体的分布式的上层功率分配算法，该算法规则为：充电控制时，各飞轮的充电功率与其当前状态下最大可充电功率之比相同，都为当前飞轮矩阵系统的总参考功率与其总的最大可充电功率之比放电控制时，各飞轮的放电功率与其当前最大可放电功率之比相同，都为当前飞轮矩阵系统的总参考功率与其总的最大可放电功率之比其中，ΔP为当前飞轮矩阵系统的总参考功率，表示如下：ΔP＝P^*‑P_W式中，P^*表示风电场应输出的参考功率，由相关部门根据电力市场不同的运行情况来确定；P_W是风电场实际输出功率；ΔP>0表示飞轮矩阵系统需要放电来补充风电场发电不足，ΔP<0则表示飞轮矩阵系统需要充电来平滑风电场发电尖峰；步骤2的具体步骤为：步骤2.1：给每个飞轮储能单元定义用于迭代的充放电比例因子：$r_{char\_i}\left[k\right]=\frac{y_{char\_i}\left[k\right]}{z_{char\_i}\left[k\right]},r_{disc\_i}\left[k\right]=\frac{y_{disc\_i}\left[k\right]}{z_{disc\_i}\left[k\right]}$其中，r_{char_i}[k]和r_{disc_i}[k]分别为第i个飞轮储能单元第k次迭代后的的充电和放电比例因子，第0次迭代表示初始值；$\left\{\begin{array}{c}{y}_{char\_i}\left[0\right]=\frac{\Delta P}{l}\\ z_{char\_i}\left[0\right]={\bar{P}}_{char\_i}\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{y}_{disc\_i}\left[0\right]=\frac{\Delta P}{l}\\ z_{disc\_i}\left[0\right]={\bar{P}}_{disc\_i}\end{array}\right.,i=1,2,\mathrm{...},l,$$\left\{\begin{array}{c}{y}_{char\_i}\left[0\right]=0\\ z_{char\_i}\left[0\right]={\bar{P}}_{char\_i}\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{y}_{disc\_i}\left[0\right]=0\\ z_{disc\_i}\left[0\right]={\bar{P}}_{disc\_i}\end{array}\right.,i=l+1,l+2,\mathrm{...},n$编号为1～l的飞轮储能单元与风电场有直接通信，编号为l+1～n的飞轮储能单元与风电场没有直接通信，n表示飞轮储能单元的总个数；步骤2.2：各飞轮储能单元在每个功率分配周期内，利用与之相邻飞轮储能单元的信息，采用公式：$\left\{\begin{array}{c}{y}_{char\_i}[k+1]=\underset{j\in N_i}{\Sigma }{p}_{ij}{y}_{char\_j}\left[k\right]\\ z_{char\_i}[k+1]=\underset{j\in N_i}{\Sigma }{p}_{ij}{z}_{char\_j}\left[k\right]\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{y}_{disc\_i}[k+1]=\underset{j\in N_i}{\Sigma }{p}_{ij}{y}_{disc\_i}\left[k\right]\\ z_{disc\_i}[k+1]=\underset{j\in N_i}{\Sigma }{p}_{ij}{z}_{disc\_i}\left[k\right]\end{array}\right.$对各自充放电比例因子进行迭代；其中p_ij为中间变量，N_i为与飞轮储能单元i相邻的所有飞轮储能单元的集合，j为N_i中飞轮储能单元的编号，l_ij为飞轮矩阵系统通信网络图的拉普拉斯矩阵中的元素；步骤2.3：在m次收敛迭代后，根据充放电比例因子的符号来判断此次的充放电状态，并根据各自飞轮储能单元的存储状态计算充放电功率大小，各个飞轮储能单元的充放电功率为：${\mathrm{\Delta P}}_i^{*}=\left\{\begin{array}{cc}{r}_{char}^{*}{\bar{P}}_{char\_i},& r_{char}^{*}<0,r_{disc}^{*}<0\\ r_{disc}^{*}{\bar{P}}_{disc\_i},& r_{char}^{*}\ge 0,r_{disc}^{*}\ge 0\end{array}\right.$其中表示飞轮储能单元的充放电功率，为m次迭代后计算出的飞轮储能单元充电比例因子，为m次迭代后计算出的飞轮储能单元放电比例因子；可以证明当迭代次数m充分大时，有从而满足步骤2中的分配规则；步骤3：按步骤2的功率分配算法，各飞轮储能单元计算出自身应执行的充放电状态及功率；步骤4：将步骤3计算得到的各飞轮充放电功率利用公式：$E_i^{*}=E_{i0}+\int {\mathrm{\Delta P}}_i^{*}dt$${\omega }_i^{*}=\sqrt{2E_i^{*}/J_m}$转化为飞轮转速，利用本地控制器对飞轮的转速进行控制，从而执行飞轮储能单元的充放电过程；其中为飞轮应存储的总能量，E_i0为初始能量状态，为步骤3计算得到的飞轮储能单元的充放电功率，J_m为飞轮的转动惯量，表示飞轮的参考转速。