含风电的多域时滞互联电力系统滑模负荷频率控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多域时滞互联电力系统的负荷频率控制方法，尤其是涉及一种含 风电的多域时滞互联电力系统滑模负荷频率控制方法。
【背景技术】
[0002] 频率是反映电力系统安全稳定运行的重要指标之一，电力系统正常运行情况下的 频率控制主要通过调节发电机的有功出力完成。当电力系统发生大扰动，即发电功率严重 不平衡时，电力系统频率的恢复需要依靠负荷频率控制使得频率保持在电力工业所允许的 范围之内。目前，大量的风力发电机组接入传统电力系统中参与发电，但是由于风能具有波 动性，会导致系统频率产生较大的偏差。随着区域电力系统间的互联程度日益增强，互联电 力系统规模和复杂度的不断增加，控制区域之间的联络线潮流控制构成了电力系统频率控 制的关键环节。同时由于电力系统信息处理和网络通信技术的迅猛发展和应用，开放型通 信网络结构的引入使负荷频率控制中不可避免地存在固定和随机的通信延迟。时滞的引入 会降低控制系统的控制效果甚至引起整个闭环系统不稳定，因此时滞影响成为设计时滞电 力系统负荷频率控制器的一个关键问题。传统的负荷频率控制主要是利用PI控制算法来 实现。随着电力工业的发展，电力系统结构日趋复杂，并且系统还受到多种负荷扰动和波动 性新能源影响，使得系统中存在大量的结构与参数不确定。学者们不断的改进PI负荷频率 控制策略，并且将模糊控制、神经网络、预测控制和自适应控制等先进控制理论应用到电力 系统的负荷频率控制设计中，这些方法在一定程度上解决了系统不确定的影响，但是也存 在控制复杂，鲁棒性差等不足。
[0003] 滑模控制作为典型的非线性控制，具有响应速度快，对系统参数不确定和外部干 扰呈现不变性的优点，并且算法简单，易于工程实现。文献"变结构控制理论基础，高为炳， 中国科学技术出版社，1990"对阶跃负荷变化情况下的电力系统设计了常规的滑模负荷频 率控制器，仿真结果显示了该控制器比PI控制器有更好的鲁棒性。文献"多区域互联电力 系统的PI滑模负荷频率控制，孟祥萍等，中国电机学报，2001"基于区域控制偏差PI控制和 滑模控制二者的优点，提出了一种多域互联电力系统PI滑模综合负荷频率控制的方法，采 用积分滑模控制思想，使系统一开始就进入滑模状态，实现全程滑模负荷频率控制。但是以 上方法均未考虑通信延迟对电力系统稳定性的影响。
[0004] 文献"考虑时滞影晌的电力系统稳定分析和广域控制研宄进展，江全元等，电力系 统自动化，2005"通过对国内外时滞电力系统的研宄成果进行综述文献，指出常规电力系统 稳定分析方法与考虑时滞的状态估计方法相结合的工程实践价值。文献"考虑通信延迟的 网络化AGC鲁棒控制器设计，段献忠等，中国电机工程学报，2006"将时滞依赖性稳定设计 方法引入到网络化自动发电控制（AGC)系统的控制器设计之中，并利用鲁棒控制理论设计 针对一定范围内的通信延迟不敏感的负荷频率控制控制器，但是没有从根本上解决通信延 迟对控制性能的影响，不利于在大电网中推广使用。文献"Delay-dependentstability forloadfrequencycontrolwithconstantandtime-varyingdelays，JiangL， YaoW，IEEETransactionsonPowerSystems，2012"分别对单域和多域时滞电力系统米 用PI控制，发现系统的时滞裕度与PI控制增益的选取有关。虽然调整比例增益和积分 增益可以削弱时滞对系统的影响，使系统频率偏差到达规定的允许误差范围，但是系统频 率偏差始终存在° 文献"loadfrequencycontrolofinterconnectedpowersystems withcommunicationdelays，R.Dey，S.Ghosh，ElectricalPowerandEnergySystems, 2004"和"Onload-frequencyregulationwithtimedelays:Designandreal-time implementation,BevraniH，HiyamaT，IEEETransactionsonEnergyConversion，2009" 利用鲁棒控制将时滞作为系统中的不确定项来处理，在设计控制器时忽略了时滞内在特性 的影响。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种减小由风能波 动和时滞环节引起的系统频率偏差的含风电的多域时滞互联电力系统滑模负荷频率控制 方法。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007] 含风电的多域时滞互联电力系统滑模负荷频率控制方法，其特征在于，包括以下 步骤：
[0008] (1)将含风电的多域时滞互联电力系统划分为至少一个区域，每个区域中均包含 火力发电系统和风力发电系统；
[0009] (2)将增量频率偏移Afi (t)、发电机输出功率的增量变化APmi(t)、调速器阀门 位置的增量变化APvi (t)、区域控制偏差积分控制增量变化AEi (t)和角频率偏差ASi(t) 作为电力系统状态变量，用滑模负荷频率控制器作为控制变量Ui (t)，将系统参数变化引起 的不确定项AApAAidi、AEij和ABi,以及负荷波动引起的干扰AFi加入状态模型，对每 个区域建立含风电的时滞互联电力系统建立含有不确定项的状态模型：
[0011]同时定义集结不确定项gjt) =AAiXi (!^ +ABiUi (t) +AEijXj (t)+ (F'片AFi) (APdi (t) +Pgi⑴），将含有集结不确定项的状态模型表示为：
[0018] 式中，i表示第i个区域，i= 1，. . . .，N，j表示第j个区域，j= 1，. . . .，N，N为 区域个数，A'i为系统矩阵，A'idi为时滞项系数矩阵，B'i为输入矩阵，E'u为互联项 系数矩阵，F'i为扰动项系数矩阵，AApAAidi、AEpABpAF^分别与A'i、A'idi、 E'ij、B'Wi对应的电力系统参数的不确定项，APdi(t)为负荷扰动，Pgi(t)为第i个 风力发电机输出功率，为区域i和区域j的联络线功率同步系数，Tm为调速器时间常数， Tn为汽轮机时间常数，TPi为电力系统模型时间常数，KPi为电力系统增益，Ri为调速器速率 调节，ei为区域频率偏差系数，KE为积分控制增益，d,为第i个区域的时滞常数；
[0019] (3)根据含有集结不确定项的状态模型设计积分型滑模面Oi(t);
[0020] (4)根据积分型滑模面〇i(t)设计滑模负荷频率控制器Ui (t):
[0021] Ui(t) =-KiXf(GiB' 1 !Gi I I Iii-(GiB' (Wi+ e^sgn(〇^t)),
[0022] 其中集结不确定项gi(t)、时滞项系统矩阵A'idi和互联项系数矩阵E'u是有界 的，且满足如下条件：I|gi(t)II彡hi,I|A' idi|I彡ai,IfijlI彡Yi，其中hi,ai,Yi 为有界常数，匕>0,ai>0,Yi>〇,I1*1I表示欧几里德范数，GiS具有适当维数的数值
[0023](5)将步骤⑷得到的控制器Ui(t)作为控制指令，优化电力系统的负荷频率偏 差。
[0024] 所述的步骤（1)中，第i个区域的时滞常数Cli取正实数，Cli与状态变量x(t)之间 满足：IIxpCt-(Ii)II彡X醇x，其中X醇x=max| |xp(t)II，P= 1，...，N〇
[0025] 所述的步骤（2)中，集结不确定项gjt)满足条件rank(B'i,gD乒rank(B'i)。
[0026] 所述的步骤（3)具体为：选择矩阵匕，使GiB'i为非奇异矩阵，〇Jt)满足方程 = ⑴-，其中矩阵Ki是状态反馈矩阵并满足入（A' ^i) < 0，X(*)表示求解特征值。
[0027] 所述的步骤（5)中，所设计的滑模负荷频率控制器需要满足的条件：(A'i，B'J 可控，GiB'i为非奇异矩阵，
[0031] 其中，其中咚，f,.和&为大于零的常数，Pi是李雅普诺夫方程=-a的解，Qi 是给定的正定对称矩阵，Amin(Qi)为矩阵Qi的特征值。
[0032] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0033] (1)对增量频率偏移Afi (t)、发电机输出功率的增量变化APmi(t)、调速器阀门 位置的增量变化APvi (t)、区域控制偏差积分控制增量变化AEi (t)和角频率偏差ASi(t) 五个电力系统状态进行优化，所设计的滑模负荷频率控制器与现有PI负荷频率控制器相 比，本发明的控制方法使得时滞互联混合电力系统实现了联络线上交换功率值与交换功率 计划值的快速平衡，使风力发电与传统火力发电紧密配合，保证各区域功率供需平衡，有效 减小各区域的频率偏差。
[0034] (2)考虑了通信延迟对系统的影响，控制简单，鲁棒性强。
[0035] (3)相比现有PI负荷频率控制器，所设计的滑模负荷频率控制器使系统的时滞裕 度增大。
[0036] (4)在不同时滞、不同风电渗透率、不同负荷扰动和系统参数变化的情况下，均能 取得显著的优化控制效果。
【附图说明】
[0037] 图1为本发明含风电的多域时滞互联电力系统分区域示意图；
[0038] 图2为本发明电力系统第i区域结构框图；
[0039]图3为本发明电力系统传递函数模型；
[0040] 图4为本发明风力发电机组控制框图；
[0041] 图5为本发明风力发电机的系统配置框图；
[0042] 图6为组合风速曲线；
[0043] 图7为组合风速对应的风力发电机输出功率；
[0044] 图8为拟合实测风速曲线；
[0045] 图9为拟合实测风速所对应的风力发电机输出功率；
[0046] 图10为nw= 〇,di= 3. 8s时的系统频率偏差响应Afi(t);
[0047] 图11为nw= 〇,di= 5s时的系统频率偏差响应Afi(t);
[0048] 图12