CN107732955B - 一种风力发电高压直流输电方法及装置 - Google Patents

一种风力发电高压直流输电方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电高压直流输电方法及装置，本发明包括在各个电机侧变流器都增加一个充放电控制装置和储能装置，当风力发电机产生的交流电通过电机侧AC/DC变流器转换为直流电输出时，判断电机侧AC/DC变流器输出的电压是否大于预设电压阈值，若电机侧AC/DC变流器输出的电压大于预设电压阈值，则充放电控制装置控制储能装置充电，使高压直流母线电压降低，若电机侧AC/DC变流器输出的电压小于预设电压阈值，则充放电控制装置控制储能装置放电，使得高压直流母线电压升高。通过这种方式，可以在各个电机侧AC/DC变流器的直流电能输出存在波动时，将高压直流母线的电压尽可能维持在一个固定值，提高了高压直流母线电压的稳定性，降低了电能传输时产生的损耗。

Description

一种风力发电高压直流输电方法及装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风力发电高压直流输电方法及装置。
背景技术
海上风电具有风速高、湍流强度小、风速风向稳定等优点，是风电行业发展的主要趋势。随着海上风电场容量、离岸距离的增大，采用高压直流输电实现海上风电场的并网将成为必然趋势。
现有技术的输电方案为基于电机侧变流器串联的海上风电场高压直流输电方案，如图1所示，图1为现有技术提供的一种风力发电高压直流输电方案的结构示意图，所有风电机组的电机侧变流器均在直流端串联，所有变流器的直流端电流相等。当风电机组的输入风速波动时，其输出功率的波动将完全体现为电机侧变流器的直流端电压波动。高压直流母线的电压等于所有电机侧变流器的直流端电压之和，因此高压直流母线的电压波动为所有电机侧变流器的直流端电压波动的叠加。因此，当风电场风速稍有波动时，高压直流母线的电压将大幅波动，导致电能传输消耗增大，而且当高压直流母线的电压低于交流电网线电压辐值时，主电网侧逆变器将无法正常工作。
因此，如何提供一种提高高压直流母线的电压稳定性的风力发电高压直流输电方法及装置是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种风力发电高压直流输电方法及装置，其将高压直流母线的电压尽可能维持在一个固定值，提高了高压直流母线电压的稳定性，降低了电能传输时产生的损耗。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种风力发电高压直流输电装置，包括：
若干个风力发电机，各个所述风力发电机的输出端分别连接一个电机侧AC/DC变流器的输入端；
多个所述电机侧AC/DC变流器，各个所述电机侧AC/DC变流器的输出端串联，且串联电路第一端以及第二端分别通过相应的高压直流输电线路与电网侧DC/AC逆变器输入端连接；所述电机侧AC/DC变流器的输出端与充放电控制装置的输入端连接；所述电机侧AC/DC变流器的正负输出端间并联有第一电容；
所述充放电控制装置，所述充放电控制装置正极输出端与储能装置正极连接，所述充放电控制装置负极输出端与所述储能装置负极连接；所述充放电控制装置用于选择性地控制所述第一电容给所述储能装置充电或者控制所述储能装置给所述第一电容放电；
每个所述电机侧AC/DC变流器、每个所述充放电控制装置以及所述电网侧DC/AC逆变器的控制端分别连接一个局部控制器，所述局部控制器用于产生脉冲驱动信号控制所述电机侧AC/DC变流器、所述充放电控制装置以及所述电网侧DC/AC逆变器的输出；
中央控制器，所述中央控制器的输入端与各个所述局部控制器的输出端连接，所述中央控制器的输出端与所述电网侧DC/AC逆变器的局部控制器输入端连接，用于计算出未来n个时段所述电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值并发送给所述电网侧DC/AC逆变器的局部控制器进行控制；
所述电网侧DC/AC逆变器，所述电网侧DC/AC逆变器输出端与交流电网连接；所述电网侧DC/AC逆变器正负输入端间并联有第二电容。
优选地，所述充放电控制装置为双向DC/DC充放电控制器。
优选地，还包括电压检测装置，所述电压检测装置输入端与所述电机侧AC/DC变流器输出端连接，所述电压检测装置输出端与所述充放电控制装置的局部控制器的输入端连接。
优选地，还包括电量检测装置，所述电量检测装置的输入端与所述储能装置连接，所述电量检测装置的输出端与所述中央控制器连接。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种风力发电高压直流输电方法，基于上述的高压直流输电装置，所述方法包括：
将风力发电机产生的交流电输入电机侧AC/DC变流器，局部控制器产生第一驱动脉冲信号控制所述电机侧AC/DC变流器将所述风力发电机产生的交流电转换为直流电并输出至第一电容；
判断所述第一电容的电压是否大于预设电压阈值；
若是，所述局部控制器产生相应的第二驱动脉冲信号发送给充放电控制装置控制所述第一电容给储能装置充电；否则，所述局部控制器产生相应的第二驱动脉冲信号发送给所述充放电控制装置控制所述储能装置给所述第一电容放电；
将所述高压直流输电线路中的直流电输入所述电网侧DC/AC逆变器，所述局部控制器产生第三驱动脉冲信号控制所述电网侧DC/AC逆变器将所述高压直流输电线路中的直流电转换为交流电并输入至交流电网。
优选地，所述局部控制器产生脉冲驱动信号的方法包括：
根据实测风速计算得到所述风力发电机的最佳转速给定值；
根据所述最佳转速给定值与所述风力发电机的转速实测值的偏差进行转速电流双闭环PI控制产生第一控制电压；对所述第一控制电压进行空间矢量脉宽调制得到第一脉冲驱动信号发送给所述电机侧AC/DC变流器进行控制；
根据所述第一电容电压的给定值与实测值的偏差进行单闭环PI控制产生第二控制电压，对所述第二控制电压进行脉冲宽度调制得到第二脉冲驱动信号发送给所述充放电控制装置进行控制；
根据所述电网侧DC/AC逆变器输入交流电网有功功率的给定值与所述电网侧DC/AC逆变器输入交流电网有功功率实测值的偏差进行单闭环PI控制产生第三控制电压；对所述第三控制电压进行空间矢量脉宽调制得到第三脉冲驱动信号发送给所述电网侧DC/AC逆变器进行控制。
优选地，所述电网侧DC/AC逆变器输入交流电网有功功率的给定值的获取方法包括：
根据整个装置中各个所述储能装置的当前剩余电量、未来n个时段的实时电价以及未来n个时段风速预测结果所对应的电机侧AC/DC变流器平均输出功率，计算出未来n个时段所述电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值。
优选地，所述根据整个装置中各个所述储能装置的当前剩余电量、未来n个时段的实时电价以及未来n个时段风速预测结果所对应的电机侧AC/DC变流器平均输出功率，计算出未来n个时段所述电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值的方法具体包括：
步骤S1：在所述充放电控制装置和所述电网侧DC/AC逆变器的功率额定范围内，随机初始化粒子群的速度和位置，作为各个所述粒子第一周期的速度和位置；所述粒子群由z个粒子组成，每个所述粒子在多维空间中的位置均表示为以下形式的向量：
x(k)＝[P(1,k),P(2,k),…,P(n,k)]T，k＝1,2,…,z
P(i,k)为第k个所述粒子在第i时刻所述电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值；
步骤S2：计算各个所述粒子的初始化适应度值；所述适应度值等于未来n个时段风电场的总电费收益减去各个所述储能装置剩余电量在任一个时段超过允许范围所产生的罚函数；将各个所述粒子的第一周期的位置作为各个所述粒子的初始历史最佳位置，从第一周期的所述粒子群中挑选适应度最大的粒子并将其作为所述粒子群的初始全局历史最佳位置；
步骤S3：根据各个所述粒子上一周期的速度、所述上一周期各个所述粒子的位置与自身的历史最佳位置的距离、所述上一周期各个所述粒子的位置与当前全局历史最佳位置之间的距离计算得到各个所述粒子本周期的速度，根据所述上一周期各个所述粒子的位置与本周期的各个所述粒子的速度计算得到各个所述粒子本周期的位置，计算公式如下：
vt+1(k)为所述粒子本周期的速度，vt(k)为所述粒子上一周期的速度，xt+1(k)为所述粒子本周期的位置，xt(k)为所述粒子上一周期的位置，Plb(k)为所述粒子上一周期的历史最佳位置，Pgb(k)为所述粒子群上一周期的全局历史最佳位置，c1、c2为常数，r1和r2为均匀随机分布rand；
步骤S4：对步骤S3得到的粒子进行校验，若所述充放电控制装置或者所述电网侧DC/AC逆变器的功率超过额定范围，则将其限定在额定值；
步骤S5：计算本周期各个所述粒子的适应度值，所述适应度值等于未来n个时段风电场的总电费收益减去各个所述储能装置剩余电量在任一个时段超过允许范围所产生的罚函数；将本周期各个所述粒子的适应度值与自身历史最佳位置的适应度值进行比较，选择适应度值较大的作为对应粒子的历史最佳位置；将本周期各个所述粒子的适应度值与全局历史最佳位置的适应度值比较，选择其中适应度值最大的位置作为所述全局历史最佳位置；
步骤S6：判断是否达到预设终止条件，若未到达所述预设终止条件，则返回步骤S3；若达到所述预设终止条件，则可获得所述全局历史最佳位置如下：
pgb＝[P(1),P(2),…,P(n)]T
将获得的全局历史最佳位置中的P(1),P(2),…,P(n)作为所述未来n个时段所述电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值赋给所述电网侧DC/AC逆变器的局部控制器。
优选地，所述预设终止条件为所述全局历史最佳位置的适应度值的增量小于预设阈值或者达到最大迭代次数。
优选地，所述计算出未来n个时段所述电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值的方法有约束条件，所述约束条件包括：
任一所述储能装置的剩余电量处于所述储能装置的额定容量的预设百分比范围内；
所述高压直流输电线路的电流等于任意一个所述电机侧AC/DC变流器与其对应的充放电控制装置的输出电流之和；
任意一个所述充放电控制装置的输出功率不大于额定值；
所述电网侧DC/AC逆变器的输出功率不能超过额定值。
本发明提供的一种风力发电高压直流输电方法及装置，在各个电机侧变流器都增加一个充放电控制装置和储能装置，当风力发电机产生的交流电通过电机侧AC/DC变流器转换为直流电输出时，判断电机侧AC/DC变流器输出的电压是否大于预设电压阈值，若电机侧AC/DC变流器输出的电压大于预设电压阈值，则充放电控制装置控制储能装置充电，使高压直流母线电压降低，若电机侧AC/DC变流器输出的电压小于预设电压阈值，则充放电控制装置控制储能装置放电，使得高压直流母线电压升高。通过这种方式，可以在各个电机侧AC/DC变流器的直流电能输出存在波动时，将高压直流母线的电压尽可能维持在一个固定值，提高了高压直流母线电压的稳定性，降低了电能传输时产生的损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的一种风力发电高压直流输电方案的结构示意图；
图2为本发明提供的一种风力发电高压直流输电装置的结构示意图；
图3为本发明提供的一种风力发电高压直流输电方法的流程图；
图4为本发明提供的一种电机侧AC/DC变流器的控制方法框图。
具体实施方式
本发明的核心是提供高压直流输电方法及装置，其将高压直流母线的电压尽可能维持在一个固定值，提高了高压直流母线电压的稳定性，降低了电能传输时产生的损耗。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种风力发电高压直流输电装置，如图2所示，图2为本发明提供的一种风力发电高压直流输电装置的结构示意图，该装置包括：
若干个风力发电机1，各个风力发电机1的输出端分别连接一个电机侧AC/DC变流器2的输入端；
多个电机侧AC/DC变流器2，各个电机侧AC/DC变流器2的输出端串联，且串联电路第一端以及第二端分别通过相应的高压直流输电线路与电网侧DC/AC逆变器5输入端连接；电机侧AC/DC变流器2的输出端与充放电控制装置3的输入端连接；电机侧AC/DC变流器2的正负输出端间并联有第一电容C1；
充放电控制装置3，充放电控制装置3正极输出端与储能装置4正极连接，充放电控制装置3负极输出端与储能装置4负极连接；充放电控制装置3用于选择性地控制第一电容C1给储能装置4充电或者控制储能装置4给第一电容C1放电；
每个电机侧AC/DC变流器2、每个充放电控制装置3以及电网侧DC/AC逆变器5的控制端分别连接一个局部控制器6，局部控制器6用于产生脉冲驱动信号控制电机侧AC/DC变流器2、充放电控制装置3以及电网侧DC/AC逆变器5的输出；
中央控制器7，所述中央控制器7的输入端与各个所述局部控制器6的输出端连接，所述中央控制器的输出端与所述电网侧DC/AC逆变器5的局部控制器输入端连接，用于计算出未来n个时段所述电网侧DC/AC逆变器5的有功功率给定值并发送给所述电网侧DC/AC逆变器5的局部控制器进行控制；
电网侧DC/AC逆变器5，电网侧DC/AC逆变器5输出端与交流电网连接；电网侧DC/AC逆变器5正负输入端间并联有第二电容C2。
作为优选的，充放电控制装置3为双向DC/DC充放电控制器。
需要说明的是，当电机侧AC/DC变流器2输出端电压即第一电容C1电压大于预设电压阈值时，充放电控制装置3控制电机侧AC/DC变流器2对储能装置4进行充电，当第一电容C1电压小于预设电压阈值时，充放电控制装置3控制储能装置4给电网侧DC/AC逆变器5放电，由于在高压直流输电线路中均为直流电，因此充放电控制装置3可以选用DC/DC充放电控制器，当然，本发明不限定充放电控制装置3的具体类型。
需要说明的是，电机侧AC/DC变流器2连接的局部控制器6用于产生第一驱动脉冲信号控制电机侧AC/DC变流器2的输出；充放电控制装置3连接的局部控制器6用于产生第二驱动脉冲信号控制充放电控制器的输出；电网侧DC/AC逆变器5连接的局部控制器6用于产生第三驱动脉冲信号控制电网侧DC/AC逆变器5的输出。
作为优选的，该装置还包括电压检测装置，电压检测装置输入端与电机侧AC/DC变流器2输出端连接，电压检测装置输出端与充放电控制装置3的局部控制器的输入端连接。
需要说明的是，充放电控制装置3的局部控制器在接收到电压检测装置发送的第一电容C1电压实测值后，将实测值与预先储存在充放电控制装置3的局部控制器中的预设电压阈值进行比较，根据比较结果生成相应的驱动脉冲信号发送给充放电控制装置3控制储能装置4充电或者放电。
作为优选的，该装置还包括电量检测装置，所述电量检测装置的输入端与所述储能装置4连接，所述电量检测装置的输出端与所述中央控制器7连接。
需要说明的是，中央控制器7在接收到电量检测装置发送的储能装置4的剩余电量后，根据整个装置中各个储能装置的当前剩余电量、未来n个时段的实时电价以及未来n个时段风速预测结果所对应的电机侧AC/DC变流器平均输出功率，以整个风电场的电费收益最大化为目标，计算出未来n个时段电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值。
本发明提供的一种风力发电高压直流输电装置，在各个电机侧变流器都增加一个充放电控制装置和储能装置，当风力发电机产生的交流电通过电机侧AC/DC变流器转换为直流电输出时，判断电机侧AC/DC变流器输出的电压是否大于预设电压阈值，若电机侧AC/DC变流器输出的电压大于预设电压阈值，则充放电控制装置控制储能装置充电，使高压直流母线电压降低，若电机侧AC/DC变流器输出的电压小于预设电压阈值，则充放电控制装置控制储能装置放电，使得高压直流母线电压升高。通过这种方式，可以在各个电机侧AC/DC变流器的直流电能输出存在波动时，将高压直流母线的电压尽可能维持在一个固定值，提高了高压直流母线电压的稳定性，降低了电能传输时产生的损耗。
本发明还提供了一种风力发电高压直流输电方法，基于上述的高压直流输电装置，如图3所示，图3为本发明提供的一种风力发电高压直流输电方法的流程图，该方法包括：
步骤101：将风力发电机产生的交流电通过电机侧AC/DC变流器转换为直流电输出至第一电容；
步骤102：判断第一电容输出的电压是否大于预设电压阈值；若是，则进入步骤103，否则进入步骤104；
步骤103：充放电控制装置控制第一电容给储能装置充电；
步骤104：充放电控制装置控制储能装置给第一电容放电；
步骤105：将高压直流输电线路中的直流电通过电网侧DC/AC逆变器转换为交流电输入至交流电网。
需要说明的是，当电机侧AC/DC变流器输出的电压大于预设电压阈值时，充放电控制装置控制电机侧AC/DC变流器给储能装置充电，将高压直流输电线路的电压降低至预设电压阈值，同时电机侧AC/DC变流器也会通过高压直流输电线路给电网侧DC/AC逆变器传输直流电；当电机侧AC/DC变流器输出的电压小于预设电压阈值时，充放电控制装置控制储能装置通过高压直流输电线路给电网侧DC/AC逆变器传输直流电，提高高压直流输电线路的电压。
作为优选的，局部控制器产生脉冲驱动信号的方法包括：
根据实测风速计算得到风力发电机的最佳转速给定值；
根据最佳转速给定值与风力发电机的转速实测值的偏差进行转速电流双闭环PI控制产生第一控制电压；第一控制电压通过空间矢量脉宽调制(SVPWN，Space VectorPulse Width Modulation)得到第一脉冲驱动信号发送给电机侧AC/DC变流器进行控制；
需要说明的是，电机侧AC/DC变流器采用矢量控制方法，用于实现对所连接风力发电机组的最大功率点跟踪控制，如图4所示，图4为本发明提供的一种电机侧AC/DC变流器的控制方法框图，具体控制方法为：获得风力发电机的旋转角度θ以及三相电流ia、ib、ic；对风力发电机的旋转角度θ进行求微分计算得到风力发电机的转速实测值ω，对风力发电机的三项电流ia、ib、ic进行静止/旋转变换后获得风力发电机的d、q轴电流实测值ω，根据实测风速产生风力发电机的最佳转速给定值ω*，将最佳转速给定值ω*与风力发电机的转速实测值ω的偏差经过PI调节器，产生风力发电机q轴电流给定值风力发电机d轴电流给定值/>设定为零；将d、q轴电流给定值与风力发电机采集的d、q轴电流实测值iq、id的偏差，分别经过PI调节器，进行转速电流双闭环PI控制产生第一控制电压uq、ud；对第一控制电压uq、ud进行旋转/静止变换得到uα、uβ，对uα、uβ进行空间矢量脉宽调制后生成第一脉冲驱动信号，该信号控制电机侧AC/DC变流器的输出。
根据第一电容电压的给定值与实测值的偏差进行单闭环PI控制产生第二控制电压，对第二控制电压进行脉冲宽度调制得到第二脉冲驱动信号发送给充放电控制装置进行控制；
需要说明的是，充放电控制器采用电容电压闭环控制方法，用于控制与其连接的第一电容电压，使其保持恒定，从而使得高压直流母线电压保持恒定，具体控制方法为：将第一电容电压的给定值与实测值的偏差，经过PI调节器，产生第二控制电压，对第二控制电压进行脉冲宽度调制得到第二脉冲驱动信号，充放电控制器根据相应的第二脉冲驱动信号控制储能装置进行充电或者放电。其中，第一电容电压给定值为高压直流母线电压设定值的1/m，m为电机侧AC/DC变流器的个数。其中，充放电控制器根据局部控制器发送的相应的驱动信号控制自身内部的开关管的导通，根据开关管的导通控制充放电控制器中电流的流向，即控制储能装置进行充电或者放电。
根据电网侧DC/AC逆变器输入交流电网有功功率的给定值与电网侧DC/AC逆变器输入交流电网有功功率实测值的偏差进行单闭环PI控制产生第三控制电压；对第三控制电压进行空间矢量脉宽调制得到第三脉冲驱动信号发送给电网侧DC/AC逆变器进行控制。
需要说明的是，电网侧DC/AC逆变器采用基于电网电压定向的矢量控制方法，用于实现对输入交流电网的有功、无功功率的闭环控制，从而令输入交流电网的有功功率分时恒定。具体的控制方法为：将电网侧DC/AC逆变器输入交流电网有功功率的给定值与实测值的偏差，经过PI调节器，产生d轴控制电压；将电网侧DC/AC逆变器输入交流电网无功功率的给定值与实测值的偏差，经过PI调节器产生q轴控制电压；d、q轴控制电压构成的第三控制电压通过旋转/静止变换和空间矢量脉宽调制后得到第三脉冲信号控制电网侧DC/AC逆变器的输出。其中，电网侧DC/AC逆变器输入交流电网的有功功率给定值由局部控制器计算产生，无功功率给定值为零，上述三种控制方法均是在局部控制器中进行的。
可以理解的是，第一驱动脉冲信号是根据实测风速计算得到的，因此在正常的风速波动范围内，第一驱动脉冲信号控制电机侧AC/DC变流器的输出是稳定的；第二驱动脉冲信号是根据第一电容电压实测值与预设电压阈值计算得到的，根据第一电容电压与预设电压阈值的偏差产生相应的第二驱动脉冲信号控制充放电控制装置，充放电控制装置控制储能装置的充电和放电；第三驱动脉冲信号是根据电网侧DC/AC逆变器输入交流电网的有功功率的给定值与实测值计算得到的，第三驱动脉冲信号控制电网侧DC/AC逆变器的输出。
作为优选地，电网侧DC/AC逆变器输入交流电网有功功率的给定值的获取方法包括：
根据整个装置中各个储能装置的当前剩余电量、未来n个时段的实时电价以及未来n个时段风速预测结果所对应的电机侧AC/DC变流器平均输出功率，以整个风电场的电费收益最大化为目标，计算出未来n个时段电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值。
需要说明的是，计算未来n个时段电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值采用的是粒子群优化算法，其目的是使整个高压直流输电装置的经济收益最大化，整个高压直流输电装置的经济收益可根据以下公式计算得到：
其中，定义i＝1,2,...,n为单位时间段的序号，j＝1,2,...,m为串联模块的序号，一个串联模块包括一个风力发电机、一个电机侧AC/DC变流器、一个第一电容、一个充放电控制器以及一个储能装置，P(i)为第i时段电网侧DC/AC逆变器有功功率给定值，Pri(i)为第i时段的电价，Δt为单位时间段的时间长度。
作为优选地，根据整个装置中各个储能装置的当前剩余电量、未来n个时段的实时电价以及未来n个时段风速预测结果所对应的电机侧AC/DC变流器平均输出功率，计算出未来n个时段电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值的方法具体包括：
步骤S1：在充放电控制装置和电网侧DC/AC逆变器的功率额定范围内，随机初始化粒子群的速度和位置，作为各个粒子第一周期的速度和位置，粒子群由z个粒子组成，每个粒子在多维空间中的位置均表示为以下形式的向量：
x(k)＝[P(1,k),P(2,k),…,P(n,k)]T，k＝1,2,…,z
P(i,k)为第k个粒子在第i时刻电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值；
步骤S2：计算各个粒子的初始化适应度值，适应度值等于未来n个时段风电场的总电费收益减去各个储能装置剩余电量在任一个时段超过允许范围所产生的罚函数；将各个粒子的第一周期的位置作为各个粒子的初始历史最佳位置，从第一周期的粒子群中挑选适应度最大的粒子并将其作为粒子群的初始全局历史最佳位置；
需要说明的是，粒子群中各个粒子的适应度值按以下公式计算：
其中，K为罚函数的权重系数，PEN(i,j,k)为第k个粒子在第i单位时间段第j个储能装置剩余电量超过允许范围所产生的罚函数，罚函数计算方式如下：
首先，令
然后，令Es(i+1,j,k)＝Es(i,j,k)+Ps(i,j,k)Δt；
最后，令
步骤S3：根据各个粒子上一周期的速度、上一周期各个粒子的位置与自身的历史最佳位置的距离、上一周期各个粒子的位置与当前全局历史最佳位置之间的距离计算得到各个粒子本周期的速度，根据上一周期各个粒子的位置与本周期的各个粒子的速度计算得到各个粒子本周期的位置，计算公式如下：
其中，vt+1(k)为所述粒子本周期的速度，vt(k)为所述粒子上一周期的速度，xt+1(k)为所述粒子本周期的位置，xt(k)为所述粒子上一周期的位置，Plb(k)为所述粒子上一周期的历史最佳位置，Pgb(k)为所述粒子群上一周期的全局历史最佳位置，c1、c2为常数，r1和r2为均匀随机分布rand；
步骤S4：对步骤S3得到的粒子进行校验，若充放电控制装置或者电网侧DC/AC逆变器的功率超过额定范围，则将其限定在额定值；
步骤S5：计算本周期各个粒子的适应度值，适应度值等于未来n个时段风电场的总电费收益减去各个储能装置剩余电量在任一个时段超过允许范围所产生的罚函数；将本周期各个粒子的适应度值与自身历史最佳位置的适应度值进行比较，选择适应度值较大的作为对应粒子的历史最佳位置；将本周期各个粒子的适应度值与全局历史最佳位置的适应度值比较，选择其中适应度值最大的位置作为全局历史最佳位置；
步骤S6：判断是否达到预设终止条件，若未到达预设终止条件，则返回步骤S3；若达到预设终止条件，则可获得全局历史最佳位置如下：
pgb＝[P(1),P(2),…,P(n)]T
将获得的全局历史最佳位置中的P(1),P(2),…,P(n)作为未来n个时段电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值赋给电网侧DC/AC逆变器的局部控制器。
作为优选的，预设终止条件为全局历史最佳位置的适应度值的增量小于预设阈值或者达到最大迭代次数。
需要说明的是，例如，当最大迭代次数达到10次后，就终止计算。当然，本发明不限定最大迭代次数的具体数值，也不限定预设终止条件的具体内容。
作为优选的，计算出未来n个时段电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值的方法有约束条件，约束条件包括：
任一储能装置的剩余电量处于储能装置的额定容量的预设百分比范围内；
其中，设定EsN为储能装置额定容量，Es(i,j)为第i单位时间段第j个储能装置的剩余电量，Ps(i,j)为第i单位时间段第j个充放电控制器的输出功率，则有
20％EsN≤Es(i,j)+Ps(i,j)Δt≤80％EsN，i＝1,2,...,n，j＝1,2,...,m
高压直流输电线路的电流等于任意一个电机侧AC/DC变流器与其对应的充放电控制装置的输出电流之和；
其中，由于第一电容的电压、高压直流母线电压均保持恒定，该约束条件可表述为
Pw(i,j)为第i单位时间段，第j个电机侧AC/DC变流器的输出功率。
任意一个充放电控制装置的输出功率不大于额定值；
其中，设PsN为充放电控制装置的额定功率，则有
|Ps(i,j)|≤PsN，i＝1,2,...,n，j＝1,2,...,m
电网侧DC/AC逆变器的输出功率不大于额定值。
其中，设PN为电网侧DC/AC逆变器的输出功率，则有
|P(i)|≤PN i＝1,2,...,n。
需要说明的是，在使用粒子群优化算法计算出未来n个时段电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值之前，需要定义两个n维向量，分别用于描述电价、电网侧DC/AC逆变器的有功功率，定义三个n*m维矩阵向量分别用于描述储能装置剩余电量、储能装置充放电功率、风力发电机输出功率，2个n维向量如下：
Pri＝[Pri(1),Pri(2),…,Pri(n)]T，P＝[P(1),P(2),…,P(n)]T
其中Pri表示未来n个时间段的电价，P表示电网侧DC/AC逆变器的有功功率。
三个n*m维矩阵如下：
其中，Es表示剩余电量，Ps表示充放电控制装置的输出功率，Pw表示电机侧AC/DC变流器平均输出功率。在定义完成上述的向量和矩阵后，采集各个储能装置的当前剩余电量、未来n个时段的实时电价、未来n个时段风速预测结果所对应的电机侧AC/DC变流器平均输出功率，赋给上述所定义的Pri、Es和Pw。
本发明提供的一种风力发电高压直流输电方法，在各个电机侧变流器都增加一个充放电控制装置和储能装置，当风力发电机产生的交流电通过电机侧AC/DC变流器转换为直流电输出时，判断电机侧AC/DC变流器输出的电压是否大于预设电压阈值，若电机侧AC/DC变流器输出的电压大于预设电压阈值，则充放电控制装置控制储能装置充电，使高压直流母线电压降低，若电机侧AC/DC变流器输出的电压小于预设电压阈值，则充放电控制装置控制储能装置放电，使得高压直流母线电压升高。通过这种方式，可以在各个电机侧AC/DC变流器的直流电能输出存在波动时，将高压直流母线的电压尽可能维持在一个固定值，提高了高压直流母线电压的稳定性，降低了电能传输时产生的损耗。
以上对本发明所提供一种风力发电高压直流输电方法及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风力发电高压直流输电装置，其特征在于，包括：
若干个风力发电机，各个所述风力发电机的输出端分别连接一个电机侧AC/DC变流器的输入端；
多个所述电机侧AC/DC变流器，各个所述电机侧AC/DC变流器的输出端串联，且串联电路第一端以及第二端分别通过相应的高压直流输电线路与电网侧DC/AC逆变器输入端连接；所述电机侧AC/DC变流器的输出端与充放电控制装置的输入端连接；所述电机侧AC/DC变流器的正负输出端间并联有第一电容；
所述充放电控制装置，所述充放电控制装置正极输出端与储能装置正极连接，所述充放电控制装置负极输出端与所述储能装置负极连接；所述充放电控制装置用于选择性地控制所述第一电容给所述储能装置充电或者控制所述储能装置给所述第一电容放电；
每个所述电机侧AC/DC变流器、每个所述充放电控制装置以及所述电网侧DC/AC逆变器的控制端分别连接一个局部控制器，所述局部控制器用于产生脉冲驱动信号控制所述电机侧AC/DC变流器、所述充放电控制装置以及所述电网侧DC/AC逆变器的输出；
中央控制器，所述中央控制器的输入端与各个所述局部控制器的输出端连接，所述中央控制器的输出端与所述电网侧DC/AC逆变器的局部控制器输入端连接，用于计算出未来n个时段所述电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值并发送给所述电网侧DC/AC逆变器的局部控制器进行控制；
所述电网侧DC/AC逆变器，所述电网侧DC/AC逆变器输出端与交流电网连接；所述电网侧DC/AC逆变器正负输入端间并联有第二电容；
所述局部控制器，具体用于：
当所述风力发电机产生的交流电输入电机侧AC/DC变流器时，所述局部控制器产生第一驱动脉冲信号控制所述电机侧AC/DC变流器将所述风力发电机产生的交流电转换为直流电并输出至第一电容；
判断所述第一电容的电压是否大于预设电压阈值；
若是，所述局部控制器产生相应的第二驱动脉冲信号发送给充放电控制装置控制所述第一电容给储能装置充电；否则，所述局部控制器产生相应的第二驱动脉冲信号发送给所述充放电控制装置控制所述储能装置给所述第一电容放电；
将所述高压直流输电线路中的直流电输入所述电网侧DC/AC逆变器，所述局部控制器产生第三驱动脉冲信号控制所述电网侧DC/AC逆变器将所述高压直流输电线路中的直流电转换为交流电并输入至交流电网；
所述局部控制器产生脉冲驱动信号的方法包括：
根据实测风速计算得到所述风力发电机的最佳转速给定值；
根据所述最佳转速给定值与所述风力发电机的转速实测值的偏差进行转速电流双闭环PI控制产生第一控制电压；对所述第一控制电压进行空间矢量脉宽调制得到第一脉冲驱动信号发送给所述电机侧AC/DC变流器进行控制；
根据所述第一电容电压的给定值与实测值的偏差进行单闭环PI控制产生第二控制电压，对所述第二控制电压进行脉冲宽度调制得到第二脉冲驱动信号发送给所述充放电控制装置进行控制；
根据所述电网侧DC/AC逆变器输入交流电网有功功率的给定值与所述电网侧DC/AC逆变器输入交流电网有功功率实测值的偏差进行单闭环PI控制产生第三控制电压；对所述第三控制电压进行空间矢量脉宽调制得到第三脉冲驱动信号发送给所述电网侧DC/AC逆变器进行控制；
所述电网侧DC/AC逆变器输入交流电网有功功率的给定值的获取方法包括：
根据整个装置中各个所述储能装置的当前剩余电量、未来n个时段的实时电价以及未来n个时段风速预测结果所对应的电机侧AC/DC变流器平均输出功率，计算出未来n个时段所述电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值；
所述根据整个装置中各个所述储能装置的当前剩余电量、未来n个时段的实时电价以及未来n个时段风速预测结果所对应的电机侧AC/DC变流器平均输出功率，计算出未来n个时段所述电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值的方法具体包括：
步骤S1：在所述充放电控制装置和所述电网侧DC/AC逆变器的功率额定范围内，随机初始化粒子群的速度和位置，作为各个粒子第一周期的速度和位置；所述粒子群由z个粒子组成，每个所述粒子在多维空间中的位置均表示为以下形式的向量：
x(k)＝[P(1,k),P(2,k),…,P(n,k)]T，k＝1,2,…,z
P(i,k)为第k个所述粒子在第i时刻所述电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值；
步骤S2：计算各个所述粒子的初始化适应度值；所述适应度值等于未来n个时段风电场的总电费收益减去各个所述储能装置剩余电量在任一个时段超过允许范围所产生的罚函数；将各个所述粒子的第一周期的位置作为各个所述粒子的初始历史最佳位置，从第一周期的所述粒子群中挑选适应度最大的粒子并将其作为所述粒子群的初始全局历史最佳位置；
步骤S3：根据各个所述粒子上一周期的速度、所述上一周期各个所述粒子的位置与自身的历史最佳位置的距离、所述上一周期各个所述粒子的位置与当前全局历史最佳位置之间的距离计算得到各个所述粒子本周期的速度，根据所述上一周期各个所述粒子的位置与本周期的各个所述粒子的速度计算得到各个所述粒子本周期的位置，计算公式如下：
vt+1(k)为所述粒子本周期的速度，vt(k)为所述粒子上一周期的速度，xt+1(k)为所述粒子本周期的位置，xt(k)为所述粒子上一周期的位置，Plb(k)为所述粒子上一周期的历史最佳位置，Pgb(k)为所述粒子群上一周期的全局历史最佳位置，c1、c2为常数，r1和r2为均匀随机分布rand；
步骤S4：对步骤S3得到的粒子进行校验，若所述充放电控制装置或者所述电网侧DC/AC逆变器的功率超过额定范围，则将其限定在额定值；
步骤S5：计算本周期各个所述粒子的适应度值，所述适应度值等于未来n个时段风电场的总电费收益减去各个所述储能装置剩余电量在任一个时段超过允许范围所产生的罚函数；将本周期各个所述粒子的适应度值与自身历史最佳位置的适应度值进行比较，选择适应度值较大的作为对应粒子的历史最佳位置；将本周期各个所述粒子的适应度值与全局历史最佳位置的适应度值比较，选择其中适应度值最大的位置作为所述全局历史最佳位置；
步骤S6：判断是否达到预设终止条件，若未到达所述预设终止条件，则返回步骤S3；若达到所述预设终止条件，则获得所述全局历史最佳位置如下：
pgb＝[P(1),P(2),…,P(n)]T
将获得的全局历史最佳位置中的P(1),P(2),…,P(n)作为所述未来n个时段所述电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值赋给所述电网侧DC/AC逆变器的局部控制器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述充放电控制装置为双向DC/DC充放电控制器。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括电压检测装置，所述电压检测装置输入端与所述电机侧AC/DC变流器输出端连接，所述电压检测装置输出端与所述充放电控制装置的局部控制器的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括电量检测装置，所述电量检测装置的输入端与所述储能装置连接，所述电量检测装置的输出端与所述中央控制器连接。
5.一种风力发电高压直流输电方法，其特征在于，基于权利要求1-4所述的装置，所述方法包括：
将风力发电机产生的交流电输入电机侧AC/DC变流器，局部控制器产生第一驱动脉冲信号控制所述电机侧AC/DC变流器将所述风力发电机产生的交流电转换为直流电并输出至第一电容；
判断所述第一电容的电压是否大于预设电压阈值；
若是，所述局部控制器产生相应的第二驱动脉冲信号发送给充放电控制装置控制所述第一电容给储能装置充电；否则，所述局部控制器产生相应的第二驱动脉冲信号发送给所述充放电控制装置控制所述储能装置给所述第一电容放电；
将所述高压直流输电线路中的直流电输入所述电网侧DC/AC逆变器，所述局部控制器产生第三驱动脉冲信号控制所述电网侧DC/AC逆变器将所述高压直流输电线路中的直流电转换为交流电并输入至交流电网。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述局部控制器产生脉冲驱动信号的方法包括：
根据实测风速计算得到所述风力发电机的最佳转速给定值；
根据所述最佳转速给定值与所述风力发电机的转速实测值的偏差进行转速电流双闭环PI控制产生第一控制电压；对所述第一控制电压进行空间矢量脉宽调制得到第一脉冲驱动信号发送给所述电机侧AC/DC变流器进行控制；
根据所述第一电容电压的给定值与实测值的偏差进行单闭环PI控制产生第二控制电压，对所述第二控制电压进行脉冲宽度调制得到第二脉冲驱动信号发送给所述充放电控制装置进行控制；
根据所述电网侧DC/AC逆变器输入交流电网有功功率的给定值与所述电网侧DC/AC逆变器输入交流电网有功功率实测值的偏差进行单闭环PI控制产生第三控制电压；对所述第三控制电压进行空间矢量脉宽调制得到第三脉冲驱动信号发送给所述电网侧DC/AC逆变器进行控制。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电网侧DC/AC逆变器输入交流电网有功功率的给定值的获取方法包括：
根据整个装置中各个所述储能装置的当前剩余电量、未来n个时段的实时电价以及未来n个时段风速预测结果所对应的电机侧AC/DC变流器平均输出功率，计算出未来n个时段所述电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据整个装置中各个所述储能装置的当前剩余电量、未来n个时段的实时电价以及未来n个时段风速预测结果所对应的电机侧AC/DC变流器平均输出功率，计算出未来n个时段所述电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值的方法具体包括：
步骤S1：在所述充放电控制装置和所述电网侧DC/AC逆变器的功率额定范围内，随机初始化粒子群的速度和位置，作为各个粒子第一周期的速度和位置；所述粒子群由z个粒子组成，每个所述粒子在多维空间中的位置均表示为以下形式的向量：
x(k)＝[P(1,k),P(2,k),…,P(n,k)]T，k＝1,2,…,z
P(i,k)为第k个所述粒子在第i时刻所述电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值；
步骤S2：计算各个所述粒子的初始化适应度值；所述适应度值等于未来n个时段风电场的总电费收益减去各个所述储能装置剩余电量在任一个时段超过允许范围所产生的罚函数；将各个所述粒子的第一周期的位置作为各个所述粒子的初始历史最佳位置，从第一周期的所述粒子群中挑选适应度最大的粒子并将其作为所述粒子群的初始全局历史最佳位置；
步骤S3：根据各个所述粒子上一周期的速度、所述上一周期各个所述粒子的位置与自身的历史最佳位置的距离、所述上一周期各个所述粒子的位置与当前全局历史最佳位置之间的距离计算得到各个所述粒子本周期的速度，根据所述上一周期各个所述粒子的位置与本周期的各个所述粒子的速度计算得到各个所述粒子本周期的位置，计算公式如下：
vt+1(k)为所述粒子本周期的速度，vt(k)为所述粒子上一周期的速度，xt+1(k)为所述粒子本周期的位置，xt(k)为所述粒子上一周期的位置，Plb(k)为所述粒子上一周期的历史最佳位置，Pgb(k)为所述粒子群上一周期的全局历史最佳位置，c1、c2为常数，r1和r2为均匀随机分布rand；
步骤S4：对步骤S3得到的粒子进行校验，若所述充放电控制装置或者所述电网侧DC/AC逆变器的功率超过额定范围，则将其限定在额定值；
步骤S5：计算本周期各个所述粒子的适应度值，所述适应度值等于未来n个时段风电场的总电费收益减去各个所述储能装置剩余电量在任一个时段超过允许范围所产生的罚函数；将本周期各个所述粒子的适应度值与自身历史最佳位置的适应度值进行比较，选择适应度值较大的作为对应粒子的历史最佳位置；将本周期各个所述粒子的适应度值与全局历史最佳位置的适应度值比较，选择其中适应度值最大的位置作为所述全局历史最佳位置；
步骤S6：判断是否达到预设终止条件，若未到达所述预设终止条件，则返回步骤S3；若达到所述预设终止条件，则获得所述全局历史最佳位置如下：
pgb＝[P(1),P(2),…,P(n)]T
将获得的全局历史最佳位置中的P(1),P(2),…,P(n)作为所述未来n个时段所述电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值赋给所述电网侧DC/AC逆变器的局部控制器。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预设终止条件为所述全局历史最佳位置的适应度值的增量小于预设阈值或者达到最大迭代次数。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述计算出未来n个时段所述电网侧DC/AC逆变器的有功功率给定值的方法有约束条件，所述约束条件包括：
任一所述储能装置的剩余电量处于所述储能装置的额定容量的预设百分比范围内；
所述高压直流输电线路的电流等于任意一个所述电机侧AC/DC变流器与其对应的充放电控制装置的输出电流之和；
任意一个所述充放电控制装置的输出功率不大于额定值；
所述电网侧DC/AC逆变器的输出功率不能超过额定值。
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