一种储能抑制低频振荡的控制器设计方法与流程

[0001]
本发明涉及电力系统低频振荡抑制技术领域，具体公开了一种储能抑制低频振荡的控制器设计方法。


背景技术：

[0002]
随机出力的可再生新能源大规模并网后，导致电力系统低频振荡现象频繁出现。传统抑制低频振荡的措施为：在同步发电机励磁电压上叠加一份由电力系统稳定器输出的励磁电压增量，该措施是基于电压无功控制的角度抑制低频振荡，并取得了大规模的工程应用。但是，引起电力系统低频振荡的根本原因是系统有功功率供需不平衡，导致发电机转子加速或减速运动，进而产生振荡现象。目前，新能源电站为了减小对风光资源的浪费，均配备有一定容量的储能装置；为了充分利用储能装置的快速充放电特性，提出使其参与抑制电力系统低频振荡的措施。储能装置抑制振荡是通过有功功率交换实现的，为避免深度充放电而影响其寿命，需要储能装置有较大的容量配置；但该措施在一定程度上会加剧储能装置的投资成本，进而限制了储能的大规模应用。因此，需要提供一种技术手段，使得储能装置能够参于抑制电力系统低频振荡，同时满足在振荡结束后荷电状态变化量为零的要求，即一个振荡结束后储能装置的剩余电量等于振荡开始时刻的电量。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的在于提供一种储能抑制低频振荡的控制器设计，以解决传统的比例积分控制器难以实现储能抑制低频振荡后使其自身荷电状态变化量为零的问题。
[0004]
本发明一种储能抑制低频振荡的控制器设计提供的技术方案如下：
[0005]
一种储能抑制低频振荡的控制器设计方法包括以下步骤：
[0006]
(1)构建荷电状态变化量δsoc(s)的频域表达式
[0007]
设控制器的输入同步发电机转速误差信号为δω，给定同步发电机转速参考信号为同步发电机实际同步发电机转速信号为ω
r
，则有另外，令控制器输出值为i
ref
，即可写出荷电状态变化量的频域表达式为
[0008][0009]
其中，s表示拉普拉斯算子，g
ω
(s)为控制器传递函数，δω(s)为同步发电机转速误差信号的频域形式；
[0010]
(2)构建同步发电机转速误差信号的时域表达式
[0011][0012]
其中，l-1
[δω(s)]表示拉普拉斯逆变换，t表示当前时刻，n表示主导振荡信号的个数，a
n
表示信号分量n的振幅，α
n
表示信号分量n的衰减因子，θ
n
表示信号分量n的初相位，
f
n
表示信号分量n的无阻尼自振频率；
[0013]
(3)构建控制器的传递函数
[0014]
1)在传统的pi控制的基础上引入积分清空回路
[0015][0016]
其中，k
p
为比例参数，k
i
为积分参数，k
b
为荷电反馈参数(k
b
>0或者k
b
<0)；
[0017]
2)当δω(s)(0，ξ)在开区间(0-ξ，0+ξ)时(其中ξ为邻域半径)，积分清空回路会对积分器原有的累积误差进行清除直到累积误差等于零为止，进一步地，可推导出控制器传递函数为
[0018][0019]
(4)用理论证明荷电状态变化量δsoc(s)的时域表达式是随着时间增加而衰减的函数
[0020]
1)推导荷电状态变化量δsoc(s)的时域表达式
[0021]
2)上式中，由于且k
i
k
b
＞0，故此时当存在时间时，有其中￡为邻域半径。
[0022]
优选地，该控制器应用于同步发电机并网控制系统中，同步发电机并网控制系统还包括外部电网、lc滤波器、逆变器、储能装置、spwm发生器、反dq变换模块、电流环pi控制器、dq变换模块、锁相环，其中控制器位于电流环pi控制器与电流环外环输入端之间。
[0023]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0024]
1.本发明提出一种储能抑制低频振荡的控制器设计，该控制器的设计能够实现有效抑制电力系统振荡的目的，可以保证其自身荷电状态不变，具有提高储能利用率的有益效果，而且不会因电网系统储能容量需求的变化而额外增加投资。
[0025]
2.本发明提出的控制器能实现高效稳定的振荡抑制，且无需增加复杂的软件控制程序以及相应硬件设备，因此，该控制器的设计使得控制系统具有结构简单和易于工程应用的有益效果。
附图说明
[0026]
图1是储能抑制低频振荡的控制器结构图；
[0027]
图2是同步发电机并网控制系统的控制框图；
[0028]
图3是同步发电机实际转速与给定转速的误差仿真图；
[0029]
图4是储能装置的荷电状态变化量仿真图。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
参照图1和图2，本发明一种储能抑制低频振荡的控制器(82)设计方法，包括以下步骤：
[0032]
(1)构建荷电状态变化量δsoc(s)的频域表达式
[0033]
设控制器的输入同步发电机(1)转速误差信号为δω，给定同步发电机转速参考信号为同步发电机实际同步发电机转速信号为ω
r
，则有另外，令控制器输出值为i
ref
，即可写出荷电状态变化量的频域表达式为
[0034][0035]
其中，s表示拉普拉斯算子，g
ω
(s)为控制器传递函数，δω(s)为同步发电机转速误差信号的频域形式。
[0036]
(2)构建同步发电机转速误差信号的时域表达式
[0037][0038]
其中，l-1
[δω(s)]表示拉普拉斯逆变换，t表示当前时刻，n表示主导振荡信号的个数，a
n
表示信号分量n的振幅，α
n
表示信号分量n的衰减因子，θ
n
表示信号分量n的初相位，f
n
表示信号分量n的无阻尼自振频率。
[0039]
(3)构建控制器的传递函数
[0040]
1)在传统的pi控制的基础上引入积分清空回路
[0041][0042]
其中，k
p
为比例参数，k
i
为积分参数，k
b
为荷电反馈参数(k
b
>0或者k
b
<0)；
[0043]
2)当δω(s)(0，ξ)在开区间(0-ξ，0+ξ)时(其中ξ为邻域半径)，积分清空回路会对积分器原有的累积误差进行清除直到累积误差等于零为止，进一步地，可推导出控制器传递函数为
[0044]
[0045]
(4)用理论证明荷电状态变化量δsoc(s)的时域表达式是随着时间增加而衰减的函数
[0046]
1)推导荷电状态变化量δsoc(s)的时域表达式
[0047]
2)上式中，由于且k
i
k
b
＞0，故此时当存在时间时，有其中￡为邻域半径。
[0048]
优选地，该控制器应用于同步发电机并网控制系统中，同步发电机并网控制系统还包括外部电网(2)、lc滤波器(3)、逆变器(4)、储能装置(5)、spwm发生器(6)、反dq变换模块(71)、电流环pi控制器(81)、dq变换模块(72)、锁相环(73)，其中控制器位于电流环pi控制器与电流环外环输入端之间。
[0049]
以上技术方案能够实现有效抑制电力系统振荡的目的，可以保证其自身荷电状态不变，具有提高储能利用率的有益效果，而且不会因电网系统储能容量需求的变化而额外增加投资；另外，该控制器的设计能实现高效稳定的振荡抑制控制，且无需增加复杂的软件控制程序以及相应硬件设备，因此，该控制器的设计使得控制系统具有结构简单和易于工程应用的有益效果。
[0050]
实施例1
[0051]
参考图1～4，在处理器为inter(r)core(tm)i9-9820x cpu@3.30ghz的硬件平台上，选用matlab/simulink软件实现本发明仿真实验。参考附图2搭建仿真模型，控制器设计时的参数取值见表1。同步发电机转速误差曲线见图3，结果表明储能装置在本发明控制器的控制下能够有效地抑制低频振荡。在本发明控制器的控制下，储能装置的荷电状态变化曲线见图4，可以看出当同步发电机转速误差为零时，荷电状态变化量也收敛到零，其表明本发明控制器能够控制储能装置能有效地抑制低频振荡，同时还能保证其自身荷电状态变化量为零。优选地，在本施例中分别对比了传统的比例(p)控制器和比例积分(pi)控制器，在这两种传统控制器的作用下，储能装置的荷电状态变化曲线参考图4；仿真结果表明在同步发电机转速误差为零时，荷电状态变化量大于零，即对储能进行了充电；因此，若电力系统持续性的发生同类型低频振荡，储能装置在振荡抑制的过程中必然能实现深度充电。
[0052]
表1 控制器的参数取值
[0053]
参数名称符号大小参数名称符号大小
比例参数k
p
552.69积分参数k
i
28.60荷电反馈参数k
b
0.056
------
[0054]
综上所述，本发明一种储能抑制低频振荡的控制器设计，基于传递函数模型构建了储能装置在抑制低频振荡时其自身荷电状态变化量的频域表达式，设计了实现储能抑制低频振荡的控制器，该控制器具有控制的稳定性和可行性。同时，与传统的p和pi控制器进行仿真对比，结果表明本发明控制器的设计具有更好的响应。与现有技术相比，本发明具有控制器结构简单、控制效果稳定和易于工程实践的有益效果，具有广阔的应用前景。
[0055]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。