含風電的多域時滯互聯電力系統滑模負荷頻率控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種多域時滯互聯電力系統的負荷頻率控制方法，尤其是涉及一種含 風電的多域時滯互聯電力系統滑模負荷頻率控制方法。
【背景技術】
[0002] 頻率是反映電力系統安全穩定運行的重要指標之一，電力系統正常運行情況下的 頻率控制主要通過調節發電機的有功出力完成。當電力系統發生大擾動，即發電功率嚴重 不平衡時，電力系統頻率的恢復需要依靠負荷頻率控制使得頻率保持在電力工業所允許的 范圍之內。目前，大量的風力發電機組接入傳統電力系統中參與發電，但是由于風能具有波 動性，會導致系統頻率產生較大的偏差。隨著區域電力系統間的互聯程度日益增強，互聯電 力系統規模和復雜度的不斷增加，控制區域之間的聯絡線潮流控制構成了電力系統頻率控 制的關鍵環節。同時由于電力系統信息處理和網絡通信技術的迅猛發展和應用，開放型通 信網絡結構的引入使負荷頻率控制中不可避免地存在固定和隨機的通信延遲。時滯的引入 會降低控制系統的控制效果甚至引起整個閉環系統不穩定，因此時滯影響成為設計時滯電 力系統負荷頻率控制器的一個關鍵問題。傳統的負荷頻率控制主要是利用PI控制算法來 實現。隨著電力工業的發展，電力系統結構日趨復雜，并且系統還受到多種負荷擾動和波動 性新能源影響，使得系統中存在大量的結構與參數不確定。學者們不斷的改進PI負荷頻率 控制策略，并且將模糊控制、神經網絡、預測控制和自適應控制等先進控制理論應用到電力 系統的負荷頻率控制設計中，這些方法在一定程度上解決了系統不確定的影響，但是也存 在控制復雜，魯棒性差等不足。
[0003] 滑模控制作為典型的非線性控制，具有響應速度快，對系統參數不確定和外部干 擾呈現不變性的優點，并且算法簡單，易于工程實現。文獻"變結構控制理論基礎，高為炳， 中國科學技術出版社，1990"對階躍負荷變化情況下的電力系統設計了常規的滑模負荷頻 率控制器，仿真結果顯示了該控制器比PI控制器有更好的魯棒性。文獻"多區域互聯電力 系統的PI滑模負荷頻率控制，孟祥萍等，中國電機學報，2001"基于區域控制偏差PI控制和 滑模控制二者的優點，提出了一種多域互聯電力系統PI滑模綜合負荷頻率控制的方法，采 用積分滑模控制思想，使系統一開始就進入滑模狀態，實現全程滑模負荷頻率控制。但是以 上方法均未考慮通信延遲對電力系統穩定性的影響。
[0004] 文獻"考慮時滯影晌的電力系統穩定分析和廣域控制研宄進展，江全元等，電力系 統自動化，2005"通過對國內外時滯電力系統的研宄成果進行綜述文獻，指出常規電力系統 穩定分析方法與考慮時滯的狀態估計方法相結合的工程實踐價值。文獻"考慮通信延遲的 網絡化AGC魯棒控制器設計，段獻忠等，中國電機工程學報，2006"將時滯依賴性穩定設計 方法引入到網絡化自動發電控制（AGC)系統的控制器設計之中，并利用魯棒控制理論設計 針對一定范圍內的通信延遲不敏感的負荷頻率控制控制器，但是沒有從根本上解決通信延 遲對控制性能的影響，不利于在大電網中推廣使用。文獻"Delay-dependentstability forloadfrequencycontrolwithconstantandtime-varyingdelays，JiangL， YaoW，IEEETransactionsonPowerSystems，2012"分別對單域和多域時滯電力系統米 用PI控制，發現系統的時滯裕度與PI控制增益的選取有關。雖然調整比例增益和積分 增益可以削弱時滯對系統的影響，使系統頻率偏差到達規定的允許誤差范圍，但是系統頻 率偏差始終存在° 文獻"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中的不確定項來處理，在設計控制器時忽略了時滯內在特性 的影響。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種減小由風能波 動和時滯環節引起的系統頻率偏差的含風電的多域時滯互聯電力系統滑模負荷頻率控制 方法。
[0006] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0007] 含風電的多域時滯互聯電力系統滑模負荷頻率控制方法，其特征在于，包括以下 步驟：
[0008] (1)將含風電的多域時滯互聯電力系統劃分為至少一個區域，每個區域中均包含 火力發電系統和風力發電系統；
[0009] (2)將增量頻率偏移Afi (t)、發電機輸出功率的增量變化APmi(t)、調速器閥門 位置的增量變化APvi (t)、區域控制偏差積分控制增量變化AEi (t)和角頻率偏差ASi(t) 作為電力系統狀態變量，用滑模負荷頻率控制器作為控制變量Ui (t)，將系統參數變化引起 的不確定項AApAAidi、AEij和ABi,以及負荷波動引起的干擾AFi加入狀態模型，對每 個區域建立含風電的時滯互聯電力系統建立含有不確定項的狀態模型：
[0011]同時定義集結不確定項gjt) =AAiXi (!^ +ABiUi (t) +AEijXj (t)+ (F'片AFi) (APdi (t) +Pgi⑴），將含有集結不確定項的狀態模型表示為：
[0018] 式中，i表示第i個區域，i= 1，. . . .，N，j表示第j個區域，j= 1，. . . .，N，N為 區域個數，A'i為系統矩陣，A'idi為時滯項系數矩陣，B'i為輸入矩陣，E'u為互聯項 系數矩陣，F'i為擾動項系數矩陣，AApAAidi、AEpABpAF^分別與A'i、A'idi、 E'ij、B'Wi對應的電力系統參數的不確定項，APdi(t)為負荷擾動，Pgi(t)為第i個 風力發電機輸出功率，為區域i和區域j的聯絡線功率同步系數，Tm為調速器時間常數， Tn為汽輪機時間常數，TPi為電力系統模型時間常數，KPi為電力系統增益，Ri為調速器速率 調節，ei為區域頻率偏差系數，KE為積分控制增益，d,為第i個區域的時滯常數；
[0019] (3)根據含有集結不確定項的狀態模型設計積分型滑模面Oi(t);
[0020] (4)根據積分型滑模面〇i(t)設計滑模負荷頻率控制器Ui (t):
[0021] Ui(t) =-KiXf(GiB' 1 !Gi I I Iii-(GiB' (Wi+ e^sgn(〇^t)),
[0022] 其中集結不確定項gi(t)、時滯項系統矩陣A'idi和互聯項系數矩陣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，匕>0,ai>0,Yi>〇,I1*1I表示歐幾里德范數，GiS具有適當維數的數值
[0023](5)將步驟⑷得到的控制器Ui(t)作為控制指令，優化電力系統的負荷頻率偏 差。
[0024] 所述的步驟（1)中，第i個區域的時滯常數Cli取正實數，Cli與狀態變量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，所設計的滑模負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，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] 與現有技術相比，本發明具有以下優點：
[0033] (1)對增量頻率偏移Afi (t)、發電機輸出功率的增量變化APmi(t)、調速器閥門 位置的增量變化APvi (t)、區域控制偏差積分控制增量變化AEi (t)和角頻率偏差ASi(t) 五個電力系統狀態進行優化，所設計的滑模負荷頻率控制器與現有PI負荷頻率控制器相 比，本發明的控制方法使得時滯互聯混合電力系統實現了聯絡線上交換功率值與交換功率 計劃值的快速平衡，使風力發電與傳統火力發電緊密配合，保證各區域功率供需平衡，有效 減小各區域的頻率偏差。
[0034] (2)考慮了通信延遲對系統的影響，控制簡單，魯棒性強。
[0035] (3)相比現有PI負荷頻率控制器，所設計的滑模負荷頻率控制器使系統的時滯裕 度增大。
[0036] (4)在不同時滯、不同風電滲透率、不同負荷擾動和系統參數變化的情況下，均能 取得顯著的優化控制效果。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發明含風電的多域時滯互聯電力系統分區域示意圖；
[0038] 圖2為本發明電力系統第i區域結構框圖；
[0039]圖3為本發明電力系統傳遞函數模型；
[0040] 圖4為本發明風力發電機組控制框圖；
[0041] 圖5為本發明風力發電機的系統配置框圖；
[0042] 圖6為組合風速曲線；
[0043] 圖7為組合風速對應的風力發電機輸出功率；
[0044] 圖8為擬合實測風速曲線；
[0045] 圖9為擬合實測風速所對應的風力發電機輸出功率；
[0046] 圖10為nw= 〇,di= 3. 8s時的系統頻率偏差響應Afi(t);
[0047] 圖11為nw= 〇,di= 5s時的系統頻率偏差響應Afi(t);
[0048] 圖12