含風(fēng)電的多域時滯互聯(lián)電力系統(tǒng)滑模負(fù)荷頻率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多域時滯互聯(lián)電力系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制方法，尤其是涉及一種含 風(fēng)電的多域時滯互聯(lián)電力系統(tǒng)滑模負(fù)荷頻率控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 頻率是反映電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)之一，電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下的 頻率控制主要通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功出力完成。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生大擾動，即發(fā)電功率嚴(yán)重 不平衡時，電力系統(tǒng)頻率的恢復(fù)需要依靠負(fù)荷頻率控制使得頻率保持在電力工業(yè)所允許的 范圍之內(nèi)。目前，大量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中參與發(fā)電，但是由于風(fēng)能具有波 動性，會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率產(chǎn)生較大的偏差。隨著區(qū)域電力系統(tǒng)間的互聯(lián)程度日益增強(qiáng)，互聯(lián)電 力系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜度的不斷增加，控制區(qū)域之間的聯(lián)絡(luò)線潮流控制構(gòu)成了電力系統(tǒng)頻率控 制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時由于電力系統(tǒng)信息處理和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和應(yīng)用，開放型通 信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的引入使負(fù)荷頻率控制中不可避免地存在固定和隨機(jī)的通信延遲。時滯的引入 會降低控制系統(tǒng)的控制效果甚至引起整個閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此時滯影響成為設(shè)計時滯電 力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制器的一個關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制主要是利用PI控制算法來 實現(xiàn)。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，并且系統(tǒng)還受到多種負(fù)荷擾動和波動 性新能源影響，使得系統(tǒng)中存在大量的結(jié)構(gòu)與參數(shù)不確定。學(xué)者們不斷的改進(jìn)PI負(fù)荷頻率 控制策略，并且將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、預(yù)測控制和自適應(yīng)控制等先進(jìn)控制理論應(yīng)用到電力 系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制設(shè)計中，這些方法在一定程度上解決了系統(tǒng)不確定的影響，但是也存 在控制復(fù)雜，魯棒性差等不足。
[0003] 滑?？刂谱鳛榈湫偷姆蔷€性控制，具有響應(yīng)速度快，對系統(tǒng)參數(shù)不確定和外部干 擾呈現(xiàn)不變性的優(yōu)點，并且算法簡單，易于工程實現(xiàn)。文獻(xiàn)"變結(jié)構(gòu)控制理論基礎(chǔ)，高為炳， 中國科學(xué)技術(shù)出版社，1990"對階躍負(fù)荷變化情況下的電力系統(tǒng)設(shè)計了常規(guī)的滑模負(fù)荷頻 率控制器，仿真結(jié)果顯示了該控制器比PI控制器有更好的魯棒性。文獻(xiàn)"多區(qū)域互聯(lián)電力 系統(tǒng)的PI滑模負(fù)荷頻率控制，孟祥萍等，中國電機(jī)學(xué)報，2001"基于區(qū)域控制偏差PI控制和 滑?？刂贫叩膬?yōu)點，提出了一種多域互聯(lián)電力系統(tǒng)PI滑模綜合負(fù)荷頻率控制的方法，采 用積分滑模控制思想，使系統(tǒng)一開始就進(jìn)入滑模狀態(tài)，實現(xiàn)全程滑模負(fù)荷頻率控制。但是以 上方法均未考慮通信延遲對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
[0004] 文獻(xiàn)"考慮時滯影晌的電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析和廣域控制研宄進(jìn)展，江全元等，電力系 統(tǒng)自動化，2005"通過對國內(nèi)外時滯電力系統(tǒng)的研宄成果進(jìn)行綜述文獻(xiàn)，指出常規(guī)電力系統(tǒng) 穩(wěn)定分析方法與考慮時滯的狀態(tài)估計方法相結(jié)合的工程實踐價值。文獻(xiàn)"考慮通信延遲的 網(wǎng)絡(luò)化AGC魯棒控制器設(shè)計，段獻(xiàn)忠等，中國電機(jī)工程學(xué)報，2006"將時滯依賴性穩(wěn)定設(shè)計 方法引入到網(wǎng)絡(luò)化自動發(fā)電控制（AGC)系統(tǒng)的控制器設(shè)計之中，并利用魯棒控制理論設(shè)計 針對一定范圍內(nèi)的通信延遲不敏感的負(fù)荷頻率控制控制器，但是沒有從根本上解決通信延 遲對控制性能的影響，不利于在大電網(wǎng)中推廣使用。文獻(xiàn)"Delay-dependentstability forloadfrequencycontrolwithconstantandtime-varyingdelays，JiangL， YaoW，IEEETransactionsonPowerSystems，2012"分別對單域和多域時滯電力系統(tǒng)米 用PI控制，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的時滯裕度與PI控制增益的選取有關(guān)。雖然調(diào)整比例增益和積分 增益可以削弱時滯對系統(tǒng)的影響，使系統(tǒng)頻率偏差到達(dá)規(guī)定的允許誤差范圍，但是系統(tǒng)頻 率偏差始終存在° 文獻(xiàn)"loadfrequencycontrolofinterconnectedpowersystems withcommunicationdelays，R.Dey，S.Ghosh，ElectricalPowerandEnergySystems, 2004"和"Onload-frequencyregulationwithtimedelays:Designandreal-time implementation,BevraniH，HiyamaT，IEEETransactionsonEnergyConversion，2009" 利用魯棒控制將時滯作為系統(tǒng)中的不確定項來處理，在設(shè)計控制器時忽略了時滯內(nèi)在特性 的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種減小由風(fēng)能波 動和時滯環(huán)節(jié)引起的系統(tǒng)頻率偏差的含風(fēng)電的多域時滯互聯(lián)電力系統(tǒng)滑模負(fù)荷頻率控制 方法。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0007] 含風(fēng)電的多域時滯互聯(lián)電力系統(tǒng)滑模負(fù)荷頻率控制方法，其特征在于，包括以下 步驟：
[0008] (1)將含風(fēng)電的多域時滯互聯(lián)電力系統(tǒng)劃分為至少一個區(qū)域，每個區(qū)域中均包含 火力發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；
[0009] (2)將增量頻率偏移Afi (t)、發(fā)電機(jī)輸出功率的增量變化APmi(t)、調(diào)速器閥門 位置的增量變化APvi (t)、區(qū)域控制偏差積分控制增量變化AEi (t)和角頻率偏差A(yù)Si(t) 作為電力系統(tǒng)狀態(tài)變量，用滑模負(fù)荷頻率控制器作為控制變量Ui (t)，將系統(tǒng)參數(shù)變化引起 的不確定項AApAAidi、AEij和ABi,以及負(fù)荷波動引起的干擾AFi加入狀態(tài)模型，對每 個區(qū)域建立含風(fēng)電的時滯互聯(lián)電力系統(tǒng)建立含有不確定項的狀態(tài)模型：
[0011]同時定義集結(jié)不確定項gjt) =AAiXi (!^ +ABiUi (t) +AEijXj (t)+ (F'片AFi) (APdi (t) +Pgi⑴），將含有集結(jié)不確定項的狀態(tài)模型表示為：

[0018] 式中，i表示第i個區(qū)域，i= 1，. . . .，N，j表示第j個區(qū)域，j= 1，. . . .，N，N為 區(qū)域個數(shù)，A'i為系統(tǒng)矩陣，A'idi為時滯項系數(shù)矩陣，B'i為輸入矩陣，E'u為互聯(lián)項 系數(shù)矩陣，F(xiàn)'i為擾動項系數(shù)矩陣，AApAAidi、AEpABpAF^分別與A'i、A'idi、 E'ij、B'Wi對應(yīng)的電力系統(tǒng)參數(shù)的不確定項，APdi(t)為負(fù)荷擾動，Pgi(t)為第i個 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率，為區(qū)域i和區(qū)域j的聯(lián)絡(luò)線功率同步系數(shù)，Tm為調(diào)速器時間常數(shù)， Tn為汽輪機(jī)時間常數(shù)，TPi為電力系統(tǒng)模型時間常數(shù)，KPi為電力系統(tǒng)增益，Ri為調(diào)速器速率 調(diào)節(jié)，ei為區(qū)域頻率偏差系數(shù)，KE為積分控制增益，d,為第i個區(qū)域的時滯常數(shù)；
[0019] (3)根據(jù)含有集結(jié)不確定項的狀態(tài)模型設(shè)計積分型滑模面Oi(t);
[0020] (4)根據(jù)積分型滑模面〇i(t)設(shè)計滑模負(fù)荷頻率控制器Ui (t):
[0021] Ui(t) =-KiXf(GiB' 1 !Gi I I Iii-(GiB' (Wi+ e^sgn(〇^t)),
[0022] 其中集結(jié)不確定項gi(t)、時滯項系統(tǒng)矩陣A'idi和互聯(lián)項系數(shù)矩陣E'u是有界 的，且滿足如下條件：I|gi(t)II彡hi,I|A' idi|I彡ai,IfijlI彡Yi，其中hi,ai,Yi 為有界常數(shù)，匕>0,ai>0,Yi>〇,I1*1I表示歐幾里德范數(shù)，GiS具有適當(dāng)維數(shù)的數(shù)值
[0023](5)將步驟⑷得到的控制器Ui(t)作為控制指令，優(yōu)化電力系統(tǒng)的負(fù)荷頻率偏 差。
[0024] 所述的步驟（1)中，第i個區(qū)域的時滯常數(shù)Cli取正實數(shù)，Cli與狀態(tài)變量x(t)之間 滿足：IIxpCt-(Ii)II彡X醇x，其中X醇x=max| |xp(t)II，P= 1，...，N〇
[0025] 所述的步驟（2)中，集結(jié)不確定項gjt)滿足條件rank(B'i,gD乒rank(B'i)。
[0026] 所述的步驟（3)具體為：選擇矩陣匕，使GiB'i為非奇異矩陣，〇Jt)滿足方程 = ⑴-，其中矩陣Ki是狀態(tài)反饋矩陣并滿足入（A' ^i) < 0，X(*)表示求解特征值。
[0027] 所述的步驟（5)中，所設(shè)計的滑模負(fù)荷頻率控制器需要滿足的條件：(A'i，B'J 可控，GiB'i為非奇異矩陣，
[0031] 其中，其中咚，f,.和&為大于零的常數(shù)，Pi是李雅普諾夫方程=-a的解，Qi 是給定的正定對稱矩陣，Amin(Qi)為矩陣Qi的特征值。
[0032] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0033] (1)對增量頻率偏移Afi (t)、發(fā)電機(jī)輸出功率的增量變化APmi(t)、調(diào)速器閥門 位置的增量變化APvi (t)、區(qū)域控制偏差積分控制增量變化AEi (t)和角頻率偏差A(yù)Si(t) 五個電力系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，所設(shè)計的滑模負(fù)荷頻率控制器與現(xiàn)有PI負(fù)荷頻率控制器相 比，本發(fā)明的控制方法使得時滯互聯(lián)混合電力系統(tǒng)實現(xiàn)了聯(lián)絡(luò)線上交換功率值與交換功率 計劃值的快速平衡，使風(fēng)力發(fā)電與傳統(tǒng)火力發(fā)電緊密配合，保證各區(qū)域功率供需平衡，有效 減小各區(qū)域的頻率偏差。
[0034] (2)考慮了通信延遲對系統(tǒng)的影響，控制簡單，魯棒性強(qiáng)。
[0035] (3)相比現(xiàn)有PI負(fù)荷頻率控制器，所設(shè)計的滑模負(fù)荷頻率控制器使系統(tǒng)的時滯裕 度增大。
[0036] (4)在不同時滯、不同風(fēng)電滲透率、不同負(fù)荷擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化的情況下，均能 取得顯著的優(yōu)化控制效果。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發(fā)明含風(fēng)電的多域時滯互聯(lián)電力系統(tǒng)分區(qū)域示意圖；
[0038] 圖2為本發(fā)明電力系統(tǒng)第i區(qū)域結(jié)構(gòu)框圖；
[0039]圖3為本發(fā)明電力系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型；
[0040] 圖4為本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制框圖；
[0041] 圖5為本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)配置框圖；
[0042] 圖6為組合風(fēng)速曲線；
[0043] 圖7為組合風(fēng)速對應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率；
[0044] 圖8為擬合實測風(fēng)速曲線；
[0045] 圖9為擬合實測風(fēng)速所對應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率；
[0046] 圖10為nw= 〇,di= 3. 8s時的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)Afi(t);
[0047] 圖11為nw= 〇,di= 5s時的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)Afi(t);
[0048] 圖12