海上风电场集中式优化控制：在线最优功率调度的创新架构与验证

本研究针对海上风电场功率分配效率低、响应速度慢等问题，提出了一种分层集中控制架构。通过将实时调度模块与中央控制器集成，实现了考虑变流器级限制的在线约束优化，显著提升了风电场的整体性能、灵活性和鲁棒性。仿真验证表明，该系统能有效应对电网故障、发电机脱网等复杂工况，为现代电力市场中的风电并网提供了创新解决方案。

　　

随着全球能源结构转型加速，海上风电作为清洁能源的重要组成部分面临严峻挑战。风力资源的强波动性和电网对稳定性的严苛要求形成尖锐矛盾，传统分布式控制方案因通信延迟和局部优化局限，难以满足现代电力市场对风电场快速响应和灵活调节的需求。尤其当电网出现故障或机组突发脱网时，如何实现毫秒级功率再分配同时兼顾设备安全约束，成为制约海上风电发展的关键技术瓶颈。

针对这一难题，研究人员在《Mathematics and Computers in Simulation》发表创新成果，提出革命性的分层集中控制架构。该研究通过建立基于dq坐标系(直交坐标系)的状态空间模型，将n台串联风力发电机组(WTG)和输电线路的动态特性转化为矩阵形式，为系统级优化奠定数学基础。其核心突破在于设计了包含实时调度模块的双层控制结构：下层局部控制器执行变流器电流控制，上层中央控制器则在线求解考虑变流器电流限制I_r,i
和机组可用性s_i
的优化问题，动态分配各机组功率参考值P_i

和Q_i

。

关键技术方法包括：1)采用Clarke-Park变换将三相时变系统转换为dq坐标系下的时不变模型；2)构建包含变压器损耗φ_Ti

和线路损耗φ_Li

的全局目标函数；3)应用McCormick包络法处理功率约束中的双线性项；4)设计多变量控制器C_o
消除稳态误差。研究使用PSCAD/EMTDP等仿真平台验证了系统在100%额定功率运行、电网电压骤降20%等严苛工况下的性能。

研究结果部分：

1. 系统建模：通过公式(4)-(6)建立dq坐标系下WTG和输电线路的状态方程，形成如公式(14)所示的整体系统矩阵A_o
   ∈R^6n×6n
   。
2. 控制架构：图4所示分层结构中，中央控制器每10ms更新一次功率分配方案，确保总功率P_o
   ^**
   跟踪调度指令的同时，最小化3/2(I_Ti

^T
R_Ti

I_Ti

)的铜损。
3. 约束处理：公式(23)采用Schur补将电流约束‖I_Ti

^*
‖≤I_r,i
转化为半正定矩阵条件，公式(30a-h)用McCormick包络处理功率约束。
4. 仿真验证：在n=5的测试系统中，该方法使故障恢复时间缩短62%，满发工况下损耗降低15%。

结论表明，该集中式架构通过在线求解凸优化问题，实现了三大突破：1)将传统分钟级调度提升至毫秒级响应；2)首次在功率分配中同时考虑park-level目标和converter-level约束；3)状态空间建模方法可扩展至任意拓扑的风电场。研究为高比例新能源电网提供了兼具经济性和可靠性的控制范式，其数学框架也可推广至光伏电站等分布式电源的集群控制。未来工作将聚焦于计及尾流效应的机组间耦合关系建模，进一步提升超大规模风电场的控制精度。