大规模海上风电场群分布式自治与协调控制研究

In order to enhance the reliability of offshore wind power generation systems and stabilize fluctuations in power output, this study evaluates the autonomous control of offshore wind farms and coordinated control of offshore wind farm clusters based on distributed control approaches. In accordance to the principle of distributed control, which is the realization of the global objective through local coordination, self-adaptive control and master-slave control strategies are proposed. The allocation optimization algorithm is used to construct a hierarchical control framework of offshore wind farm clusters. Based on the self-adaptive control of wind turbine groups, the coordinated dispatching of wind energy storage and wireless networking technology are further studied, achieving the self-adaptation to self-management to self-healing control design for offshore wind farms. Using the communication method of distributed control, the communication network topology of wind farms is analyzed and a network topology scheme applicable to distributed frameworks is developed. Therefore, from the perspectives of network topology and control strategy, system reliability is improved by taking advantage of distribution and realizing the effects of self-adaptation. Through the arrangement of wind power and energy storage within a wind farm and centralized dispatching between different wind farms, local regulation and global complementation are effectively integrated, enhancing the stability of wind power output. This study is expected to provide novel solutions and feasible schemes for the development of offshore wind power generation technology.

为提高海上风力发电系统的可靠性、平抑风电出力波动，本项目基于分布式控制方法，研究海上风电场的自治控制和海上风电场群的协调控制问题。基于局部协调实现全局目标的分布式控制思想，提出自适应控制和主从控制策略，再结合优化分配算法，构建海上风电场群分层控制架构；在风电机群自适应控制基础上，进一步研究风储协调调度和无线组网技术，完成海上风电场自适应-自治-自愈三步控制设计；依据分布式控制的交互方式，分析风电场通信网络拓扑结构的可靠性，并提出适用于分布式控制的网络拓扑方案。因此，本项目从网络拓扑、控制策略等方面入手，发挥分布的优势、达到自治的效果，提高了系统的可靠性；通过风电场内的风储协调和风电场间的集中调度，综合了本地的调节能力和全区域的互补特性，增强了风电出力的平稳性。这些研究可为海上风力发电技术发展提供新的解决思路和方案储备。

为了平抑海上风电机群功率的随机波动，减小出现故障的机率和维护成本，提高海上风电系统的可靠性，本项目分析了海上风电场通讯拓扑结构的稳定性和经济性，设计了海上风电机群的分布式协调控制策略，构建了海上风电场群分层控制架构，实现出力平稳、分布自治、系统可靠等控制目标。主要研究内容包括：①提出了海上风电机群和风电场群的分布式控制策略，在协同控制、互补控制和主从控制方面取得了显著进展，并进一步深入研究了海上风电机群分布式控制系统中的输入时滞、扰动抑制等问题；②分析了海上风电场通信拓扑结构的可靠性和经济性，研究了海上风电场集电系统拓扑结构的优化设计，根据开关配置方案建立了可靠性评估模型和成本模型；③对海上风电相关领域进行拓展，研究了风电功率预测以及储能系统控制等，具体包括：基于聚类分析和优化的风电功率预测技术，飞轮储能系统比率一致性控制，海上风电场的故障检测与自愈等内容；④在其他相关方向上的拓展研究，具体包括：区块链技术及其在电力系统中的应用，为将其应用于海上风电分布式系统奠定基础；并网系统的高电压穿越问题，提出基于暂态功率特性调整无功电流的高电压穿越控制策略等。与以往研究相比，本项目从网络拓扑、控制策略等方面入手，对海上风电的分布式控制方法和架构进行了深入研究，并对海上风电的风功率预测、储能控制、故障检测及区块链技术进行了拓展研究，达到了分布自治、集中协调、整体优化的控制效果。本项目已顺利完成项目计划书中的工作，取得了一系列特色鲜明的创新成果。成果主要包括学术论著、授权专利、科研获奖等：在国内外学术期刊和会议上发表论文33篇，其中SCI检索7篇、EI检索10篇；出版学术著作1部；申报并受理专利11项，在已授权的8项专利中，5项为发明专利；获得科技奖励2项，具体为全国商业科技进步奖一等奖，2021，第一完成人；江苏省高等学校科学技术研究成果奖三等奖，2021，第一完成人。