含高風(fēng)能滲透率的多域時(shí)滯電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種含高風(fēng)能滲透率的多域時(shí)滯電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制方法，其特征在于，包括以下步驟：S1，構(gòu)建包括多個(gè)區(qū)域的時(shí)滯電力系統(tǒng)，并建立各區(qū)域發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；S2，根據(jù)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，分別對各區(qū)域建立含有不確定項(xiàng)的狀態(tài)模型；S3，根據(jù)含有集結(jié)不確定項(xiàng)的狀態(tài)模型設(shè)計(jì)積分型滑模面σi(t)；S4，根據(jù)積分型滑模面σi(t)設(shè)計(jì)滑模負(fù)荷頻率控制器；S5，根據(jù)步驟S4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。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機(jī)參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，使風(fēng)力發(fā)電與傳統(tǒng)火力發(fā)電緊密配合，每臺發(fā)電機(jī)輸出功率的增量平均減小，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。
【專利說明】
含高風(fēng)能滲透率的多域時(shí)滯電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制方法，尤其是涉及含高風(fēng)能滲透率的多域 時(shí)滯電力系統(tǒng)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)在正常運(yùn)行情況 下，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(dòng)，即發(fā)電功率嚴(yán) 重不平衡時(shí)，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，清潔可再生的風(fēng)能引起了廣泛的關(guān)注，但是風(fēng)能的波動(dòng)性，導(dǎo)致了風(fēng)機(jī) 輸出功率不穩(wěn)定。
[0003] 大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)，使得系統(tǒng)頻率偏移加劇。隨著風(fēng)能滲透 率的增加，期望大風(fēng)場可以參與頻率控制。通常，有兩種方法來減小風(fēng)能波動(dòng)性，一是儲能 電池協(xié)調(diào)控制，另一個(gè)是提高風(fēng)機(jī)的控制水平。
[0004] 同時(shí)，隨著開放型通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的引入，使傳統(tǒng)電力系統(tǒng)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(shí)滯的引入會降低控制系統(tǒng)的控制效果甚至引起整個(gè)閉 環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此時(shí)滯影響成為設(shè)計(jì)時(shí)滯電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制器的一個(gè)關(guān)鍵問題。文 南犬"Yu，Xiaofeng，and K?Tomsovic?"Application of linear matrix inequalities for load frequency control with communication delays^,IEEE Trans.Power Syst., vol. 19，no. 3，pp. 1508-1515,2004."中基于線性矩陣不等式設(shè)計(jì)一個(gè)魯棒性負(fù)荷頻率控制 器，用于電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)不確定延遲。文獻(xiàn)"Ama，Takashi Hiy，D.Zuo，and T.Funabashi.''Multi-agent based automatic generation control of isolated stand alone power system"，Power System Technology,2002.Proceedings.PowerCon 2002.1nternational Conference on 1￡￡￡，￥〇1.1，卩卩.139_143,2002."針對系統(tǒng)中通信延 遲補(bǔ)償方法提出了負(fù)荷頻率控制。這些文獻(xiàn)明確分析了信號延遲對負(fù)荷頻率控制的影響。
[0005] 許多文獻(xiàn)已廣泛研究了不同的控制器在負(fù)荷頻率控制中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的PID控制 器已廣泛用于系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制。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(dòng)和波動(dòng)性新能源影響，使得系統(tǒng)中存在大量的不確定結(jié)構(gòu)與參數(shù)。為 解決傳統(tǒng)頻率控制的缺點(diǎn)，采用了一些先進(jìn)的控制理論，例如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、預(yù)測控 制和自適應(yīng)控制等。這些方法在一定程度上解決了系統(tǒng)不確定性的影響，但是在實(shí)際應(yīng)用 中運(yùn)算法則較為復(fù)雜。儲能系統(tǒng)能夠快速提供有功功率補(bǔ)償，因此文獻(xiàn)"Kalyani，Sheetal， S?Nagalakshmi，and R.Marisha."Load frequency control using battery energy storage system in interconnected power system? ''Computing Communication& Networking Technologies(ICCCNT),2012Third International Conference on.IEEE, 2012"和"Aditya，S.K?，and D?Das?"Application of battery energy storage system to load frequency control of an isolated power system.''International journal of energy research，vol. 23，no .3，pp. 247-258,1999"中用它來提高系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制的 性能c^lt^"Aditya，S.K.，and D.Das,Application of battery energy storage system to load frequency control of an isolated power system.''International journal of energy research，vo 1 ? 23，no? 3，pp? 247-258，1999"將負(fù)荷頻率控制的一個(gè)增量模型應(yīng) 用于一個(gè)具有再熱火力機(jī)組的孤立電力系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)性能。隨著負(fù)載干 擾的增加，對儲能系統(tǒng)的存儲容量的要求也越高。文獻(xiàn)" <1131^，1.，^31.〃〇61&7-dependent stability for load frequency control with constant and time-varying delays"，IEEE Trans .Power Syst ?，vo 1 ? 27，no ? 2，pp ? 932-941，2012" 針對單域和多域時(shí)滯 電力系統(tǒng)PID控制器的負(fù)荷頻率控制方案，討論了 PID控制器延遲利潤和收益之間的關(guān)系。 盡管調(diào)整PID控制器的增益可以削弱時(shí)滯對電力系統(tǒng)的影響和保持額定頻率在偏移范圍 內(nèi)，但是每個(gè)區(qū)域的頻率偏移總是存在于每個(gè)子系統(tǒng)。文獻(xiàn)"Zhou Hui，Ya Fu，and Rong Cong."Fuzzy-based load frequency controller for interconnected power system with wind power integration"，Electrical and Computer Engineering(CCECE)，2014 IEEE 27th Canadian Conference on. IEEE，2014，pp. 1-6?"針對含風(fēng)電的兩區(qū)域互聯(lián)電力 系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了模糊負(fù)荷頻率控制器，但互聯(lián)系統(tǒng)的模型沒有通信延遲。
[0006]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(diǎn)。并且算法簡單，易于工程實(shí)現(xiàn)，因此廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控 制的設(shè)計(jì)。文南犬 "Radosevi6Tamara，KreSimirVrdol jak，and NedjeljkoPerid,"Optimal sliding mode controller for power system's load-frequency control"， Universities Power Engineering Conference，2008?UPEC 2008.43rd International. IEEE，2008"作者在負(fù)荷頻率控制系統(tǒng)中利用了離散時(shí)間滑?？刂?，使系統(tǒng) 具有穩(wěn)定性和魯棒性，取得決定積分平方誤差標(biāo)準(zhǔn)的離散時(shí)間滑模模型的最優(yōu)參數(shù)是很有 必要的。文南犬 "Al-Hamouz，Z ? M ?，and Y ? L ? Abdel-Mag id ."Variable structure load frequency controllers for multiarea power systems"，International Journal of Electrical Power&Energy Systems，vol ? 15，no. 5，pp. 293-300,1993"提出的變結(jié)構(gòu)控制 器對一些參數(shù)變化不敏感，也考慮發(fā)電速速率約束和死區(qū)的影響，但是在大負(fù)載擾動(dòng)下系 統(tǒng)可能不穩(wěn)定。文南犬"Mi Yang,et al.''Decentralized sliding mode load frequency control for multi-area power systems"，IEEE Trans.Power Syst.,vol.28,no.4, pp.4301-4309,2013"針對互聯(lián)電力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了分散滑模負(fù)荷頻率控制，在大范圍的參數(shù) 變動(dòng)和發(fā)電速率約束下它具有動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。它對頻率的響應(yīng)速度快和對參數(shù)變化和負(fù)載擾 動(dòng)不敏感，但沒有考慮負(fù)荷頻率控制設(shè)計(jì)且無新能源電力系統(tǒng)中的通信時(shí)間延遲問題。文 獻(xiàn)"Yang Mi，Yang Yang,Han Zhang,et al.^Sliding mode based load frequency control for multi-area interconnected power system containing renewable energy"，Transportation Electrification Asia-Pacific(ITEC Asia-Pacific), 2014IEEE Conference and Expo.IEEE，2014"分散滑模負(fù)荷頻率控制解決了含風(fēng)電多域電 力系統(tǒng)中負(fù)荷頻率控制問題，但是沒有提出系統(tǒng)通信延遲問題。
[0007]基于上述分析，設(shè)計(jì)一種新穎的滑模負(fù)荷頻率控制器應(yīng)用于多域時(shí)滯混合電力系 統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 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考慮通信延遲 并有效減小多余電力系統(tǒng)各區(qū)域頻率偏差的含高風(fēng)能滲透率的多域時(shí)滯電力系統(tǒng)負(fù)荷頻 率控制方法。
[0009] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0010] -種含高風(fēng)能滲透率的多域時(shí)滯電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制方法，其特征在于，包括 以下步驟：
[0011] S1，構(gòu)建包括多個(gè)區(qū)域的時(shí)滯電力系統(tǒng)，并建立各區(qū)域發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，各區(qū) 域通過聯(lián)絡(luò)線連接，各區(qū)域均包括火力發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī) 為風(fēng)力渦輪機(jī)，令風(fēng)力渦輪機(jī)的頻率偏差作為系統(tǒng)頻率偏差調(diào)節(jié)項(xiàng)中的耦合項(xiàng)參與系統(tǒng) 頻率調(diào)節(jié)；
[0012] S2,根據(jù)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，分別對各區(qū)域建立含有不確定項(xiàng)的狀態(tài)模型： Xfit) = (J,' + A^.)x;(r) +(B' + +(A^dj + AAjdj)xj(t - df) 「00131 n +(F；+AF,)APh(t)^ X
[0014]同時(shí)定義集結(jié)不確定項(xiàng)gi(t):
[0015] gi(t) = (/) + ABjii^t) + AA^jX^l- d;) +(Ft + AF;)(APrf; + Pgj) + [ AE.^Xj(t) a JW,#
[0016] 將含有集結(jié)不確定項(xiàng)的狀態(tài)模型表示為：
[0017] x,(〇 = A'xt(t) + B'jui(t) + A'ljixj(t~d,) + g,(t) + 2
[0018]其中狀態(tài)變量為Xi(t):
[0019] Xi(t) = [ A fi(t) A Pmi(t) A Pvi(t) A Ei(t) A 8i(t) A fTi(t) A xu(t) A xi2(t) A xi3 (t) A Xi4(t)]T
[0020] 式中，A':為系統(tǒng)矩陣，A' ldl為時(shí)滯項(xiàng)系數(shù)矩陣，B':為輸入矩陣，E、為互聯(lián)項(xiàng)系數(shù) 矩陣，為擾動(dòng)項(xiàng)系數(shù)矩陣，AAi、AAidi、AEij、ABi、AFi是分別與Yi、A\di、E\j、BWi 對應(yīng)的電力系統(tǒng)參數(shù)的不確定項(xiàng)，控制變量m(t)為滑模負(fù)荷頻率控制器，A h(t)為系統(tǒng)頻 率偏差，APmi(t)為發(fā)電機(jī)輸出功率增量，APvi(t)為調(diào)節(jié)閥位置增量，AEi(t)是頻率偏差 積分控制器增量， A Si(t)是相角增量，A fTi(t)是風(fēng)力禍輪機(jī)頻率偏差，A xu(t)、A xi2 (t)、AXi3(t)、AXi4(t)代表第i個(gè)區(qū)域風(fēng)機(jī)模型中的各狀態(tài)量；
[0021] S3,根據(jù)含有集結(jié)不確定項(xiàng)的狀態(tài)模型設(shè)計(jì)積分型滑模面〇1(t);
[0022] S4,根據(jù)積分型滑模面〇1(t)設(shè)計(jì)滑模負(fù)荷頻率控制器m(t):
[0023] ui(t) =-KiXi-(GiBi/ )_11 |Gi| (hi-CGiBi7 )_1(Wi+ei)sgn(〇i(t)),
[0024]其中集結(jié)不確定項(xiàng)gl(t)是有界的，且滿足| |gl(t)| Klu，其中l(wèi)u為有界常數(shù)，lu> 0, I 1*1 I表示歐幾里德范數(shù)，矩陣61和1(1為積分型滑模面。i(t)的系數(shù)矩陣， Wi^ H !|G, \hXP max + |G/ II max ^ i > 〇 a = 1 ,--，N，Sgn ( * )為符號函數(shù)，哪⑷=S 乂 ；
[0025] S5,根據(jù)步驟S4得到的控制器m(t)作為控制指令，優(yōu)化電力系統(tǒng)的負(fù)荷頻率偏 差。
[0026] 所述的步驟S1中，系統(tǒng)頻率偏差A(yù) fdt)的調(diào)節(jié)項(xiàng)中，與風(fēng)力渦輪機(jī)相關(guān)的耦合項(xiàng) 為
，其中KP1是系統(tǒng)增益，KICl是液量耦合系數(shù)，T P1是系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，AfTl⑴是 風(fēng)力渦輪機(jī)頻率偏差。
[0027] 所述的火力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)為非再熱型汽輪機(jī)或再熱型汽輪機(jī)。
[0028] 所述的步驟S1中，采用非再熱型汽輪機(jī)的火力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：
[0034]采用再熱型汽輪機(jī)的火力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：
[0041]式中，下標(biāo)i和下標(biāo)j表示區(qū)域的編號，i = l,--，N，j = l,--，N，N為區(qū)域個(gè)數(shù)， A f i(t)是系統(tǒng)頻率偏差，A fTi(t)是風(fēng)力渦輪機(jī)頻率偏差，A Pmi(t)是發(fā)電機(jī)輸出功率增 量，APvl(t)是調(diào)節(jié)閥位置增量，AEdt)是頻率偏差積分控制器增量，m(t)是輸入滑模負(fù) 荷頻率控制器的控制信號，ASi(t)是相角增量，AP di(t)是系統(tǒng)負(fù)荷擾動(dòng)，APGWi(t)為第i 個(gè)區(qū)域的風(fēng)力渦輪機(jī)輸出功率偏差，是第i個(gè)區(qū)域和第j個(gè)區(qū)域之間的聯(lián)絡(luò)線功率同步因 數(shù)，Tdd是汽輪機(jī)時(shí)間常數(shù)，Trh是再加熱器時(shí)間常數(shù)，F(xiàn)h P是本區(qū)域的再加熱汽輪機(jī)發(fā)電量占 本區(qū)域所有發(fā)電機(jī)輸出總功率的比例，TP1是系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，K P1是系統(tǒng)增益，KICl是液量耦合 系數(shù)，APLl(t)是區(qū)域的有功偏差，AP ri⑴是汽輪機(jī)調(diào)速器輸出的狀態(tài)量，h是調(diào)速器速率 調(diào)節(jié)，區(qū)域頻率偏移系數(shù)，KEl是積分控制增益，cU是時(shí)滯常數(shù)，T gl是調(diào)速器時(shí)間常數(shù)； [0042]風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：
[0050] 式中，A Xil(t)、A Xi2(t)、A Xi3(t)、A Xi4(t)代表第i個(gè)區(qū)域風(fēng)機(jī)模型中的各狀態(tài) 量，TW1是風(fēng)機(jī)時(shí)間常數(shù)，KPC1是槳距控制反饋增益，KP3dPT p31分別是槳距響應(yīng)數(shù)據(jù)擬合控制 響應(yīng)系數(shù)和時(shí)間常數(shù)，Km和Tp21分別是液壓變槳執(zhí)行器響應(yīng)系數(shù)和時(shí)間常數(shù)，K PPi、Kn和Kpli 是槳距控制響應(yīng)系數(shù)，Tpli是槳距控制響應(yīng)時(shí)間常數(shù)，A fTi(t)是風(fēng)力渦輪機(jī)頻率偏差，A Pmi(t)是汽輪發(fā)電機(jī)輸出功率增量，KlGi是風(fēng)機(jī)液量親合系數(shù)，KTpi是風(fēng)機(jī)頻率反饋系數(shù)。
[0051]所述的步驟S3具體為：選擇矩陣6:，使為非奇異矩陣，〇1(t)滿足方程 <T,⑴=?，⑴-(4' - h (r>，矩陣Ki滿足MA/ -B/ Ki) <0，A(*)表示求解特征值。
[0052]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0053] (1)令風(fēng)力渦輪機(jī)的頻率偏差作為系統(tǒng)頻率偏差調(diào)節(jié)項(xiàng)中的耦合項(xiàng)參與系統(tǒng)頻率 調(diào)節(jié)，使風(fēng)力發(fā)電與傳統(tǒng)火力發(fā)電緊密配合，每臺發(fā)電機(jī)輸出功率的增量平均減小，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。
[0054] (2)分別對使用不同類型(再熱、非再熱)火力發(fā)電機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)的頻率偏差增量 A fi (t) (Hz)、發(fā)電機(jī)輸出功率的增量變化A Pmi (t) (p. u. MW)、調(diào)速器閥門位置的增量變化 A Pvi(t) (p. u.MW)、區(qū)域控制偏差積分控制增量變化A Ei(t)、角頻率偏差A(yù)心(t)、風(fēng)力渦 輪機(jī)速度偏差A(yù) fn(t) (Hz)和風(fēng)機(jī)模型中狀態(tài)量的變化量A Xil(t)、A Xi2(t)、A Xi3(t)、A Xl4(t)10個(gè)電力系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)絡(luò)線上交換功率值與交換功率計(jì)劃值的快速 平衡。
[0055] (3)對采用不同類型(再熱、非再熱)火力發(fā)電機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)分別建立數(shù)學(xué)模型，可 以充分說明該頻率控制方式適用多種不同發(fā)電機(jī)類型的區(qū)域中，具有廣泛的實(shí)用性。
[0056] (4)與傳統(tǒng)PID負(fù)荷頻率控制和無儲能系統(tǒng)相比，滑?？刂撇呗詼p小了頻率偏移和 聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)，充分保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定和更快的響應(yīng)速度。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)負(fù)載擾動(dòng)增 加，滑模負(fù)荷頻率控制比PID控制和儲能系統(tǒng)具有更好的控制性能。
【附圖說明】
[0057]圖1為本實(shí)施例電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0058]圖2為本實(shí)施例電力系統(tǒng)區(qū)域1的傳遞函數(shù)模型；
[0059] 圖3為本實(shí)施例電力系統(tǒng)區(qū)域2的傳遞函數(shù)模型；
[0060] 圖4為本實(shí)施例電力系統(tǒng)某區(qū)域風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖；
[00611圖5為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=1.2s時(shí)，區(qū)域1的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)；
[0062]圖6為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=1.2s時(shí)，區(qū)域1的系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率偏差響應(yīng)；
[0063]圖7為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=1.2s時(shí)，區(qū)域2的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)；
[0064] 圖8為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=1.2s時(shí)，區(qū)域2的系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率偏差響應(yīng)；
[0065] 圖9為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=1.2s時(shí)，區(qū)域3的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)；
[0066] 圖10為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=1.2s時(shí)，區(qū)域3的系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率偏差響應(yīng)；
[0067]圖11為本實(shí)施例電力系統(tǒng)cb = 3. Os時(shí)，區(qū)域1的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)；
[0068]圖12為本實(shí)施例電力系統(tǒng)cb = 3. Os時(shí)，區(qū)域1的系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率偏差響應(yīng)；
[0069]圖13為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=3.Os時(shí)，區(qū)域2的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)；
[0070]圖14為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=3.Os時(shí)，區(qū)域2的系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率偏差響應(yīng)；
[0071]圖15為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=3.Os時(shí)，區(qū)域3的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)；
[0072]圖16為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=3.0s時(shí)，區(qū)域3的系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率偏差響應(yīng)；
[0073]圖17為本實(shí)施例電力系統(tǒng)隨機(jī)負(fù)荷擾動(dòng)響應(yīng)；
[0074]圖18為本實(shí)施例電力系統(tǒng)(^ = 1.4948111(0+0.1時(shí)，區(qū)域1的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)； [0075]圖19為本實(shí)施例電力系統(tǒng)d2 = 8sin(t)+0.3時(shí)，區(qū)域2的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)；
[0076]圖20為本實(shí)施例電力系統(tǒng)d2 = 8sin(t)+0.3時(shí)，區(qū)域3的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)；
[0077]圖21為本實(shí)施例電力系統(tǒng)cb = 1.2s時(shí)，區(qū)域1的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)；
[0078] 圖22為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=1.2s時(shí)，區(qū)域1的系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率偏差響應(yīng)；
[0079] 圖23為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=1.2s時(shí)，區(qū)域2的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)；
[0080] 圖24為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=1.2s時(shí)，區(qū)域2的系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率偏差響應(yīng)；
[00811圖25為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=1.2s時(shí)，區(qū)域3的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)；
[0082]圖26為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=1.2s時(shí)，區(qū)域3的系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率偏差響應(yīng)；
[0083]圖27 (a)為本實(shí)施例電力系統(tǒng)cb = 3. Os時(shí)，區(qū)域1的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)；
[0084]圖27(b)為圖27(a)中0~10s部分的放大圖；
[0085]圖28為本實(shí)施例電力系統(tǒng)cb = 3. Os時(shí)，區(qū)域1的系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率偏差響應(yīng)；
[0086]圖29(a)為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=3.Os時(shí)，區(qū)域2的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)；
[0087]圖29(b)為圖29(a)中0~10s部分的放大圖；
[0088]圖30為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=3.Os時(shí)，區(qū)域2的系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率偏差響應(yīng)；
[0089]圖31 (a)為本實(shí)施例電力系統(tǒng)cb = 3. Os時(shí)，區(qū)域3的系統(tǒng)頻率偏差響應(yīng)；
[0090]圖31(b)為圖31(a)中0~10s部分的放大圖；
[0091]圖32為本實(shí)施例電力系統(tǒng)山=3.Os時(shí)，區(qū)域3的系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率偏差響應(yīng)。
【具體實(shí)施方式】
[0092]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方 案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限 于下述的實(shí)施例。
[0093] 實(shí)施例
[0094] 針對如圖1所示的高風(fēng)能滲透率的多域互聯(lián)電力系統(tǒng)，為了減小由于風(fēng)能波動(dòng)而 引起的系統(tǒng)頻率偏差，通過使用分散滑?？刂破鱽韮?yōu)化負(fù)荷頻率控制，以減小頻率偏差。本 發(fā)明含高風(fēng)能滲透率的多域時(shí)滯電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制方法包括以下步驟：
[0095] S1，構(gòu)建包括多個(gè)區(qū)域的時(shí)滯電力系統(tǒng)，并建立各區(qū)域發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，各區(qū) 域通過聯(lián)絡(luò)線連接，各區(qū)域均包括火力發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，火力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī) 為非再熱型汽輪機(jī)或再熱型汽輪機(jī)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)為風(fēng)力渦輪機(jī)，其中采用非再 熱型汽輪機(jī)的火力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：

[0101]采用再熱型汽輪機(jī)的火力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：
[0108]式中，下標(biāo)i和下標(biāo)j表示區(qū)域的編號，i = l，. . . .，N，j = l，. . . .，N，N為區(qū)域個(gè)數(shù)， A fi(t)是系統(tǒng)頻率偏差(Hz)，A fTi(t)是風(fēng)力渦輪機(jī)頻率偏差，A Pmi(t)是發(fā)電機(jī)輸出功率 的增量(P. u.MW)，A Pvi(t)是調(diào)節(jié)閥位置的增量(p. u.MW)，A Ei(t)是頻率偏差積分控制器 增量，m(t)是輸入滑模負(fù)荷頻率控制器的控制信號，ASJt)是相角的增量，APdl(t)是系 統(tǒng)負(fù)荷擾動(dòng)(P.u.MW)，A PCWi(t)為第i區(qū)域的風(fēng)力渦輪機(jī)輸出功率偏差(p. u.MW)，Tij是第i 個(gè)區(qū)域和第j個(gè)區(qū)域之間的聯(lián)絡(luò)線功率同步因數(shù)，Tchl是汽輪機(jī)時(shí)間常數(shù)(s)，Trh是再加熱器 時(shí)間常數(shù)(s)，F(xiàn) hp是本區(qū)域的再加熱汽輪機(jī)發(fā)電量占本區(qū)域所有發(fā)電機(jī)輸出總功率的比例， TP1是系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)(s)，Kpi是系統(tǒng)增益，KIC是液量耦合系數(shù)，AP Ll(t)是第i個(gè)區(qū)域的有功偏 差，APri(t)是汽輪機(jī)調(diào)速器輸出的狀態(tài)量，Ri是調(diào)速器速率調(diào)節(jié)(Hz/p.u.麗），Bi是區(qū)域頻 率偏移系數(shù)，K El是積分控制增益，cU是時(shí)滯常數(shù)，Tgl是調(diào)速器時(shí)間常數(shù)；
[0109]風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

[0117] 式中，A Xil(t)、A Xi2(t)、A Xi3(t)、A Xi4(t)代表第i個(gè)區(qū)域風(fēng)機(jī)模型中的各狀態(tài) 量，TW1是風(fēng)機(jī)時(shí)間常數(shù)，K PC1是槳距控制反饋增益，KP3dPTp31分別是槳距響應(yīng)數(shù)據(jù)擬合控制 響應(yīng)系數(shù)和時(shí)間常數(shù)，Km和T p21分別是液壓變槳執(zhí)行器響應(yīng)系數(shù)和時(shí)間常數(shù)，KPPi、Kn和Kpli 是槳距控制響應(yīng)系數(shù)，Tpli是槳距控制響應(yīng)時(shí)間常數(shù)，A fTi(t)是風(fēng)力渦輪機(jī)速度偏差，A Pmi(t)是發(fā)電機(jī)輸出功率增量，KlGi是風(fēng)機(jī)液量親合系數(shù)，KTpi是風(fēng)機(jī)頻率反饋系數(shù)。
[0118] S2,根據(jù)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，分別對各區(qū)域建立含有不確定項(xiàng)的狀態(tài)模型： X. (0 - (.< + M )x: (0 -h{ B] -h AB： )u, {t) -f (.4；；/; -f Muh )_y, (r -- cl,)
[0119] n +(F；+AFi)APli(t)+ X (Eii+AEij)xi(t)
[0120] 同時(shí)定義集結(jié)不確定項(xiàng)gi(t):
[0121] g.(/) - A^^v^/) + d. ) +(/^- + AFi)(APdj + Pgi) + [ AEjjXj(t)
[0122] 將含有集結(jié)不確定項(xiàng)的狀態(tài)模型表示為： :N
[0123] (r) = A'Xi(t) + B'juj (〇 + A'mxt(r - ^) + (〇 + X Ei,xj
[0124] 其中狀態(tài)變量為Xi(t):
[0125] Xi(t) = [ A fi(t) A Pmi(t) A Pvi(t) A Ei(t) A 8i(t) A fTi(t)Xii(t) A xi2(t) A xi3 (t) A Xi4(t)]T
[0126] 控制變量m(t)為滑模負(fù)荷頻率控制器，為系統(tǒng)矩陣，為時(shí)滯項(xiàng)系數(shù)矩陣， i為輸入矩陣，E\j為互聯(lián)項(xiàng)系數(shù)矩陣，為擾動(dòng)項(xiàng)系數(shù)矩陣，A Ai、A Aidi、A Eij、A Bi、A Fi是分別與# idiW ijl iY i對應(yīng)的電力系統(tǒng)參數(shù)的不確定項(xiàng)；
[0127] S3,根據(jù)含有集結(jié)不確定項(xiàng)的狀態(tài)模型設(shè)計(jì)積分型滑模面〇1(t);
[0128] S4,根據(jù)積分型滑模面〇1(t)設(shè)計(jì)滑模負(fù)荷頻率控制器m(t):
[0129] ui(t)=-KiXi-(GiBi/ )^| |Gi| jhi-CGiBi7 )_1(ffi + ei)sgn(〇i(t)),
[0130]其中集結(jié)不確定項(xiàng)gl(t)是有界的，且滿足| |gl(t)| Klu，其中l(wèi)u為有界常數(shù)，lu> 0, I 1*1 I表示歐幾里德范數(shù)，矩陣61和1(1為積分型滑模面。dt)的系數(shù)矩陣， 嘴-S II 勾 + |吟 lAimax 'Si〉〇，i = l，? ? ? ?，N，Sgn(*)為付號函數(shù)，Sgn('y) == 1 ; .0
[0131] S5,根據(jù)步驟S4得到的控制器m(t)作為控制指令，優(yōu)化電力系統(tǒng)的負(fù)荷頻率偏 差。
[0132] 本發(fā)明多域互聯(lián)電力系統(tǒng)體現(xiàn)在圖1的區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3相互通過聯(lián)絡(luò)線相連。 每個(gè)區(qū)域電力系統(tǒng)包含火力發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。對于火力發(fā)電系統(tǒng)中，根據(jù)發(fā)電機(jī) 的類型又可分為再熱型火力發(fā)電機(jī)和非再熱型火力發(fā)電機(jī)。圖2是區(qū)域1的傳遞函數(shù)模型， 采用了非再熱型火力發(fā)電機(jī)。圖3是區(qū)域2的傳遞函數(shù)模型，采用了再熱型火力發(fā)電機(jī)。這兩 個(gè)傳遞函數(shù)除火力發(fā)電機(jī)類型不同外，都包含了火力發(fā)電機(jī)的輔助控制環(huán)節(jié)、通信延遲環(huán) 節(jié)、一次調(diào)速環(huán)節(jié)，且有大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接入。圖中，G表示等效發(fā)電機(jī)，WTG表示風(fēng)力 發(fā)電機(jī)即風(fēng)力渦輪機(jī)。
[0133] 在圖2和圖3的開環(huán)傳遞函數(shù)模型中，第一個(gè)模塊是輔助控制，也稱二次控制，通過 二次控制可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電和負(fù)荷間的適配，并恢復(fù)頻率偏差至零，二次控制中采用比例積分
控制，積分的作用是保證了靜態(tài)頻率偏差為零，比例的作用是為了改善穩(wěn)定性和增加 響應(yīng)速度。
[0134] 第二個(gè)模塊是通信延遲環(huán)節(jié)，隨著區(qū)域電力系統(tǒng)間的互聯(lián)程度日益增強(qiáng)以及電力 系統(tǒng)信息處理和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(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(shí)滯的引入會降低控制系統(tǒng)的控制效果甚至引 起整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此時(shí)滯影響成為設(shè)計(jì)時(shí)滯電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制器的一個(gè)關(guān)鍵 問題。本模塊是通過指數(shù)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)一定的延時(shí)。
[0135] 第三個(gè)模塊是一次調(diào)速環(huán)節(jié)，采用有靜態(tài)調(diào)差的比例控制，通過一階慣性環(huán)節(jié)
實(shí)現(xiàn)。
[0136] 第四個(gè)模塊是汽輪機(jī)。對于非再熱型汽輪機(jī)，當(dāng)節(jié)流閥位置變化時(shí)，由于蒸氣室和 通向HP汽缸管道的充氣時(shí)間的影響，非再熱汽輪機(jī)表現(xiàn)出小的時(shí)間常數(shù)。由于蒸氣室引起 的的時(shí)間滯后情況比較簡單，因此采用一階慣性環(huán)節(jié)
表示。對于再熱型汽輪機(jī)，必 須考慮進(jìn)去再熱器和順流進(jìn)入汽缸的瞬變蒸汽流，在LP透平段的氣流量會隨再熱器容積內(nèi) 壓力的建立過程而變化。
[0137] 第五個(gè)模塊是電力系統(tǒng)模塊，采用一階慣性環(huán)節(jié)
?；ヂ?lián)區(qū)域之間引入同步 功率系數(shù)。
[0138] 本發(fā)明中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)參與了系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)。在圖4風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳遞函數(shù)模型 中，包含風(fēng)機(jī)模塊和槳距角控制器。頻率偏差A(yù) fdt)是輸入控制信號，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)參 與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。頻率偏差A(yù) fi(t)的輸入，使?fàn)顟B(tài)方程中的狀態(tài)量A fTi(t)和系統(tǒng)矩陣A' i 改變，從而在控制器設(shè)計(jì)上與現(xiàn)有技術(shù)有所不同。風(fēng)力發(fā)電機(jī)參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，使整個(gè)電 力系統(tǒng)參與頻率調(diào)節(jié)的發(fā)電機(jī)增多。在頻率波動(dòng)小的情況下，多臺發(fā)電機(jī)參與頻率調(diào)節(jié)時(shí)， 使得每臺發(fā)電機(jī)輸出功率的增量平均減小，從而使負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)更加容易并將系統(tǒng)頻率波 動(dòng)控制在較小的范圍內(nèi)。在頻率波動(dòng)較大的情況下，由于參與調(diào)頻的發(fā)電機(jī)數(shù)量增加，每臺 發(fā)電機(jī)按一定的比例增加發(fā)電機(jī)量，達(dá)到調(diào)頻的目的。這樣減少了火力發(fā)電機(jī)二次調(diào)頻的 參與，使頻率調(diào)節(jié)變得容易。在嚴(yán)重情況下，也減小的系統(tǒng)甩負(fù)荷的概率，從而提高電力系 統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
[0139] 本發(fā)明對電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率的控制是有效的，設(shè)計(jì)的滑模控制器可將負(fù)荷頻率控 制在國家規(guī)定的允許甚至更小的范圍內(nèi)。可為以后負(fù)荷頻率控制方面的研究奠定一定的基 礎(chǔ)。
[0140] (1)高風(fēng)電滲透率的時(shí)滯互聯(lián)電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
[0141]將多域互聯(lián)電力系統(tǒng)進(jìn)行分散控制，每個(gè)區(qū)域電力系統(tǒng)中主要包括火力發(fā)電系統(tǒng) 和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。為了設(shè)計(jì)包含風(fēng)能發(fā)電和火力發(fā)電的多域時(shí)滯互聯(lián)混合電力系統(tǒng)的分散 滑?？刂破?，每個(gè)區(qū)域建立狀態(tài)模型滿足：
[0142] x (1 > - A；x .(t) + B；u;(l) + x;(l- d,) -f- F； A P,,+ V ：，^ ^： E； x；(l)
[0143] 隨著電力系統(tǒng)負(fù)荷的不斷改變，必須對系統(tǒng)的運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整。在不同的運(yùn)行 方式下，系統(tǒng)的參數(shù)不同。因此，考慮到電力系統(tǒng)參數(shù)的不確定性，電力系統(tǒng)表示為不確定 項(xiàng)的模型： ⑴=.('\ + ^/) x / ⑴ + (B, + A B,) u，⑴ + (,義;"+ A .4,;") x(t.- d【）
[0144] + (F；+ AF^A P,+ X ；=W,;.(E, +
[0145] 其中，Ai'為系統(tǒng)矩陣，A'idi為時(shí)滯項(xiàng)系數(shù)矩陣，Bi'為輸入矩陣，E'ij為互聯(lián)項(xiàng)系數(shù) 矩陣，F(xiàn)i為擾動(dòng)項(xiàng)系數(shù)矩陣，AAi、ABi、AAidi、AFi、AEij是電力系統(tǒng)參數(shù)的不確定項(xiàng)。

[0154] (2)本發(fā)明含風(fēng)電的時(shí)滯互聯(lián)混合電力系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制的設(shè)計(jì)原理
[0155] 為了方便滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)，利用前述集結(jié)不確定項(xiàng)，將含集結(jié)不確定項(xiàng)的電力 系統(tǒng)表示為 ( ( N
[0156] i,(/) = A'x:{l) + B'u^t) + g,(/) + - d{)+ ^
[0157] 在設(shè)計(jì)控制器之前，首先給出四個(gè)假設(shè)，
[0158] 假設(shè)1: (A/，B/)可控。假設(shè)2:rank(B/，gi)乒rank(B/)。假設(shè)3:集結(jié)不確定項(xiàng)gi (t)是有界的，且滿足如下條件：| |gl(t) | | ，其中l(wèi)u>0為常數(shù)，i = l，. . ? .，N。假設(shè)4:系 統(tǒng)的時(shí)滯項(xiàng)滿足如下條件
[0159] I |xp(t-di) I I <Xp max，其中Xp max=max| |xP| I，p = i，j;
[0160] 設(shè)計(jì)積分型滑模面滿足方程〃，⑴=(心(f) - .V - (十r，其中，矩陣Ki滿足 MAZ-B/LXO,選擇適當(dāng)?shù)木仃?:使矩陣Gd/為非奇異矩陣。本發(fā)明的目的即是針對各 區(qū)域時(shí)滯混合電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)滑模負(fù)荷頻率控制器。
[0161 ] Ui(t) = _KiXi_(GiBi/ )-11 | Gi | | hi-CGiB/ )-HRi+eOsgr^odt))來鎮(zhèn)定非匹配不確 定的電力系統(tǒng)?；瑒?dòng)模態(tài)的穩(wěn)定性和控制器的設(shè)計(jì)可由如下定理1和定理2來實(shí)現(xiàn)。
[0162]定理1:當(dāng)XGBe(n)，任何時(shí)刻系統(tǒng)的滑動(dòng)模態(tài)都是穩(wěn)定的，其中Be(n)是以x = 0為 球心，n為半徑的封閉球面B(n)的補(bǔ)。
[0164] 證明：構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)= 其中p是李雅普諾夫方程可P, +:?& =-弘 的解，Qi是給定的正定對稱矩陣。
[0165] 取4 = 4f -盡X，月=人-<(GXf ，I =(4 -<
[0166] 鳥=(/" ，對v(t)求導(dǎo)可得：
[0167] v(〇 = 4 (AT,P, + PA h + Fr^.r, + .vf P,F + ! r,r (/ - dt )^t + f x] (t)^ }P:x, + !=h.J 竽 l J=Ul子t = -^Q,xt+FTPixi+xIlP lF + \xIl(t-dl)Aln++ ^ xr/(t)El\P1xl + .\{Pl{Annxl(t-dl)+ ^ E,lXl(t)\
[0168] 由假設(shè)3可得|式|4 = 4 -A ~，| |Aidi | | <ai，| |Eij | | < y i，
[0169] 貝lj制 f (G )|-、l2 + 2引|C||x, | + 2?, R|x,_ + 2，,防|x/max 〇
[0170] 當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡進(jìn)入閉合球面Be(n)時(shí)，MQdX)，則李雅普諾夫函數(shù)〖(0<〇成 立，保證系統(tǒng)在滑模面上穩(wěn)定。
[0171 ]定理2:如果變結(jié)構(gòu)控制器滿足如下方程
[0172] UiUh-KiXi-WiB/)-" |Gi| Ihi-WiB/)-kRi+eDsgWoiU))，則系統(tǒng)滿足到達(dá)條 件。 N
[0173] 其中：4= Z Sgn(*)表示符號函數(shù)。 戶V濟(jì)
[0174] 證明：構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)
[0175] 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)時(shí)滿足〇i(t)=0和木的=:.〇，則
[0176] ' 7 M"M
[0179] 由假設(shè)3可得
顯而易見?)<〇,系統(tǒng)狀態(tài)軌線可以在有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)滑模面。
[0180] (3)算例分析
[0181] 為驗(yàn)證大規(guī)模風(fēng)電集成時(shí)滯混合電力系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)滑模負(fù)荷頻率控制器的有效 性，通過下面三個(gè)仿真算例進(jìn)行仿真研究，并與調(diào)優(yōu)的傳統(tǒng)比例積分負(fù)荷頻率控制、有儲能 系統(tǒng)的比例積分負(fù)荷控制、無儲能系統(tǒng)的比例積分負(fù)荷控制策略進(jìn)行比較。三個(gè)算例的系 統(tǒng)參數(shù)值在表1中。此外，還有各系統(tǒng)的延遲時(shí)間。
[0182] 表1電力系統(tǒng)各區(qū)域參數(shù)值
[0184] 1)算例1-風(fēng)力發(fā)電對不同負(fù)荷頻率控制的影響
[0185] 在這個(gè)算例中，互聯(lián)系統(tǒng)在額定條件下運(yùn)行且無不確定參數(shù)，系統(tǒng)負(fù)荷擾動(dòng)為A Pdl = 0.02pu。隨著風(fēng)能滲透率的增加，有必要考慮風(fēng)力發(fā)電參與系統(tǒng)負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)。因此， 高風(fēng)能滲透互聯(lián)時(shí)滯電力系統(tǒng)將在如下的負(fù)荷頻率控制方案中進(jìn)行研究，（a)含風(fēng)力發(fā)電 機(jī)有功控制回路，風(fēng)機(jī)不參與調(diào)頻的PID負(fù)荷頻率控制；（b)含風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功控制回路，風(fēng) 機(jī)參與調(diào)頻的PID負(fù)荷頻率控制；（c)含風(fēng)力發(fā)電機(jī)有功控制回路，滑模負(fù)荷頻率控制。
[0186] a.當(dāng)互聯(lián)系統(tǒng)時(shí)間延遲為di = 1.2s (i = 1，2，3)時(shí)，三種負(fù)荷頻率控制下，三個(gè)區(qū) 域的響應(yīng)如圖5-10。其中方案(c)的效果最明顯，在10s內(nèi)頻率偏差近似為零。同時(shí)，每個(gè)區(qū) 域聯(lián)絡(luò)線功率偏差在方案(c)的控制下，在很短的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)近似為零而且超調(diào)量較小，而 方案(a)和(b)的頻率偏差A(yù) fi(t)和聯(lián)絡(luò)線功率偏差A(yù) Pti(5 i(t)在很長的時(shí)間內(nèi)都不能近 似為零。比較圖5-10中方案(a)和(b)，明顯發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)機(jī)參與調(diào)頻時(shí)，頻率偏差響應(yīng)波動(dòng)很 小。風(fēng)能發(fā)電的增量由系統(tǒng)頻率增量決定并且互聯(lián)系統(tǒng)風(fēng)能發(fā)電的弱慣性可以提高。
[0187] b.當(dāng)互聯(lián)系統(tǒng)時(shí)間延遲為di = 3. Os (i = 1，2，3)時(shí)，三種負(fù)荷頻率控制下，三個(gè)區(qū) 域的響應(yīng)如圖11-16。明顯發(fā)現(xiàn)方案(c)控制下，三個(gè)區(qū)域的負(fù)荷頻率偏差A(yù) fi(t)和聯(lián)絡(luò)線 功率偏差A(yù)Ptie i(t)的響應(yīng)快速近似為零且超調(diào)量很小。
[0188] 2)算例2-變化的時(shí)間延遲和負(fù)荷擾動(dòng)的影響
[0189] 這個(gè)算例中，每個(gè)區(qū)域都在額定條件下運(yùn)行且風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，有滑模負(fù) 荷頻率控制和傳統(tǒng)PID負(fù)荷頻率控制兩種方案。仿真不同時(shí)延下控制器的響應(yīng)d i = 1.494sin(t)+0.1，d2 = 8sin(t)+0.3，d3 = 5sin(t)+0.1，在隨機(jī)負(fù)荷擾動(dòng)下的仿真結(jié)果如圖 18-20，每個(gè)區(qū)域的隨機(jī)負(fù)荷擾動(dòng)波形如圖17。與PID控制下的負(fù)荷頻率偏差A(yù) fi(t)相比， 滑?？刂茖r(shí)變通信延遲的影響更遲鈍，而且超調(diào)量小、響應(yīng)速度快、振蕩小。
[0190] 3)算例3-儲能電池參與高風(fēng)能滲透率系統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制
[0191]由于儲能電池可以快速提供有功功率的補(bǔ)償因此它可以用來提高負(fù)荷頻率控制 的性能。為廣泛驗(yàn)證滑模負(fù)荷頻率控制的有效性，每個(gè)區(qū)域都采用滑模負(fù)荷頻率控制、有儲 能系統(tǒng)的PID控制和無儲能系統(tǒng)的PID控制，系統(tǒng)在額定條件下運(yùn)行，且風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)頻率 調(diào)節(jié)。三個(gè)區(qū)域的響應(yīng)如圖21-32。
[0192] a.當(dāng)互聯(lián)系統(tǒng)中時(shí)間延遲為cU = d2 = d3 = 1.2s時(shí)，每個(gè)區(qū)域的負(fù)荷頻率偏差A(yù) fi (t)和聯(lián)絡(luò)線功率偏差A(yù) Ptie i(t)響應(yīng)如圖21-26。無儲能系統(tǒng)的PID控制在10s后，A fi(t) 和A Pti(5 i(t)等幅振蕩，而有儲能系統(tǒng)的PID控制比無儲能系統(tǒng)的PID控制有較小的超調(diào)量。 比較三種控制方案，滑模負(fù)荷頻率控制的超調(diào)量最小、響應(yīng)速度最快、在15s內(nèi)A fi(t)和A Ptie i(t)近似為零。
[0193] b.當(dāng)互聯(lián)系統(tǒng)中時(shí)間延遲為cU = d2 = d3 = 3.0s時(shí)，每個(gè)區(qū)域的負(fù)荷頻率偏差A(yù) fi (t)和聯(lián)絡(luò)線功率偏差A(yù)Pti(5 i(t)響應(yīng)如圖27(a)_32。隨著通信延時(shí)的增加，在無儲能系統(tǒng) 的PID控制下，A fi (t)和A Pti(5 i (t)趨于大幅度分散振蕩，頻率偏差大于0.2Hz，因此系統(tǒng)采 用無儲能系統(tǒng)的PID控制是不可行的。雖然儲能系統(tǒng)可提高PID負(fù)荷頻率控制中A h(t)和 AP& Kt)的變化，但不能完全消除。然而，通過使用滑模負(fù)荷頻率控制，頻率偏差和聯(lián)絡(luò)線 功率偏差相對減小，在很短的過渡時(shí)間內(nèi)超調(diào)量減小。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種含高風(fēng)能滲透率的多域時(shí)滯電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制方法，其特征在于，包括以 下步驟： S1，構(gòu)建包括多個(gè)區(qū)域的時(shí)滯電力系統(tǒng)，并建立各區(qū)域發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，各區(qū)域通 過聯(lián)絡(luò)線連接，各區(qū)域均包括火力發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)為風(fēng) 力渦輪機(jī)，令風(fēng)力渦輪機(jī)的頻率偏差作為系統(tǒng)頻率偏差調(diào)節(jié)項(xiàng)中的耦合項(xiàng)參與系統(tǒng)頻率調(diào) -K- T ; 52, 根據(jù)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，分別對各區(qū)域建立含有不確定項(xiàng)的狀態(tài)模型：同時(shí)定義集結(jié)不確定項(xiàng)gi(t):將含有集結(jié)不確定項(xiàng)的狀態(tài)模型表示為：其中狀態(tài)變量為Xi(t): Xi(t) = [ Δ fi(t) APmi(t) APvi(t) ΔΕ?(?) Δδ?(?) AfTi(t) Axn(t) Axi2(t) Axi3(t) Axi4(t)]T 式中，A' i為系統(tǒng)矩陣，A' idi為時(shí)滯項(xiàng)系數(shù)矩陣，B' i為輸入矩陣，E' ij為互聯(lián)項(xiàng)系數(shù)矩陣， K i為擾動(dòng)項(xiàng)系數(shù)矩陣，AAi、AAidi、AEij、ABi、AFi是分別與AW idi、E、jJ i、K i對應(yīng)的 電力系統(tǒng)參數(shù)的不確定項(xiàng)，控制變量m(t)為滑模負(fù)荷頻率控制器，△ fi(t)為系統(tǒng)頻率偏 差，APmi(t)為發(fā)電機(jī)輸出功率增量，APvi(t)為調(diào)節(jié)閥位置增量，AEi(t)是頻率偏差積分 控制器增量，Δ 5i(t)是相角增量，Δ fTi(t)是風(fēng)力禍輪機(jī)頻率偏差，Δ xu(t)、Δ xi2(t)、Δ Xi3(t)、Axi4(t)代表第i個(gè)區(qū)域風(fēng)機(jī)模型中的各狀態(tài)量； 53, 根據(jù)含有集結(jié)不確定項(xiàng)的狀態(tài)模型設(shè)計(jì)積分型滑模面〇1(t); S4，根據(jù)積分型滑模面〇1 (t)設(shè)計(jì)滑模負(fù)荷頻率控制器m (t): ui(t) =-KiXi-(GiB/i)_11 |Gi| I hi-(GiB7 i)_1(Wi+ei)sgn(〇i(t)), 其中集結(jié)不確定項(xiàng)gl(t)是有界的，且滿足I |gl(t)| Klu，其中l(wèi)u為有界常數(shù)，1η>0， * I I表示歐幾里德范數(shù)，矩陣G i和K i為積分型滑模面σ i ( t )的系數(shù)矩陣，%符號函數(shù)S5,根據(jù)步驟S4得到的控制器m(t)作為控制指令，優(yōu)化電力系統(tǒng)的負(fù)荷頻率偏差。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含高風(fēng)能滲透率的多域時(shí)滯電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制方 法，其特征在于，所述的步驟S1中，系統(tǒng)頻率偏差A(yù)fdt)的調(diào)節(jié)項(xiàng)中，與風(fēng)力渦輪機(jī)相關(guān)的 KniKfri 耦合項(xiàng)為，其中KP1是系統(tǒng)增益，KICl是液量耦合系數(shù)，TP1是系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，△ fTl lpi (t)是風(fēng)力禍輪機(jī)頻率偏差。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種含高風(fēng)能滲透率的多域時(shí)滯電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制 方法，其特征在于，所述的火力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)為非再熱型汽輪機(jī)或再熱型汽輪機(jī)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種含高風(fēng)能滲透率的多域時(shí)滯電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制方 法，其特征在于，所述的步驟S1中，采用非再熱型汽輪機(jī)的火力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：采用再熱型汽輪機(jī)的火力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：式中，下標(biāo)i和下標(biāo)j表示區(qū)域的編號，i = l，--，N，j = l，--，N，N為區(qū)域個(gè)數(shù)，Δ fi (t)是系統(tǒng)頻率偏差，AfTi(t)是風(fēng)力渦輪機(jī)頻率偏差，APmi(t)是發(fā)電機(jī)輸出功率增量，Δ P vl(t)是調(diào)節(jié)閥位置增量，AEdt)是頻率偏差積分控制器增量，m(t)是輸入滑模負(fù)荷頻率 控制器的控制信號，ΑδΑ)是相角增量，AP dl⑴是系統(tǒng)負(fù)荷擾動(dòng)，APc^t)為第i個(gè)區(qū)域 的風(fēng)力渦輪機(jī)輸出功率偏差，Tu是第i個(gè)區(qū)域和第j個(gè)區(qū)域之間的聯(lián)絡(luò)線功率同步因數(shù)，Tdn 是汽輪機(jī)時(shí)間常數(shù)，Trh是再加熱器時(shí)間常數(shù)，F(xiàn)hp是本區(qū)域的再加熱汽輪機(jī)發(fā)電量占本區(qū)域 所有發(fā)電機(jī)輸出總功率的比例，T P1是系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，KP1是系統(tǒng)增益，KICl是液量耦合系數(shù)， APLl(t)是區(qū)域的有功偏差，APri(t)是汽輪機(jī)調(diào)速器輸出的狀態(tài)量，心是調(diào)速器速率調(diào)節(jié)， 8 1是區(qū)域頻率偏移系數(shù)，KEl是積分控制增益，cU是時(shí)滯常數(shù)，Tgl是調(diào)速器時(shí)間常數(shù)； 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：式中，Δ xu(t)、Δ xi2(t)、Δ xi3(t)、Δ xi4(t)代表第i個(gè)區(qū)域風(fēng)機(jī)模型中的各狀態(tài)量，Twi 是風(fēng)機(jī)時(shí)間常數(shù)，KPC1是槳距控制反饋增益，KP3dPTp31分別是槳距響應(yīng)數(shù)據(jù)擬合控制響應(yīng)系 數(shù)和時(shí)間常數(shù)，Km和τ ρ21分別是液壓變槳執(zhí)行器響應(yīng)系數(shù)和時(shí)間常數(shù)，KPPi、Kn和Kpli是槳距 控制響應(yīng)系數(shù)，T pli是槳距控制響應(yīng)時(shí)間常數(shù)，△ fTi(t)是風(fēng)力渦輪機(jī)頻率偏差，△ Pmi(t)是 汽輪發(fā)電機(jī)輸出功率增量，KlGi是風(fēng)機(jī)液量親合系數(shù)，KTpi是風(fēng)機(jī)頻率反饋系數(shù)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含高風(fēng)能滲透率的多域時(shí)滯電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制方 法，其特征在于，所述的步驟S3具體為:選擇矩陣61，使為非奇異矩陣，〇1(t)滿足方程 σ,.(?) = (?,Λ·,⑴卜,(rV/r，矩陣Ki滿足i-B' iKi) <0，λ(*)表示求解特征值。
【文檔編號】H02J3/24GK105958512SQ201610157023
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】米陽, 劉永娟, 郝學(xué)智, 吳彥偉, 馬超, 符楊
【申請人】上海電力學(xué)院