一种含光热发电的混合电力系统负荷频率控制方法与流程

本发明涉及电力系统自动发电控制领域，具体是一种含光热发电的混合电力系统负荷频率控制方法。

背景技术：

近年来，能源危机和环境污染等问题促使人们加快了对可再生能源的开发和应用。在此背景下，风能和太阳能等新能源得到了大力发展。随着风电机组装机容量的逐年增加，其在电网中所占比重也越来越大。由于风电机组的输出功率受不恒定风速的影响，使得风力发电具有间歇性和波动性，风力发电机组接入含有火力发电机组的传统电网，会造成较大的频率偏差，并对电网的安全调度会产生一定的影响，因而需要其他电源作为备用和调节。光热发电具有传统火力发电的技术特性，作为一种调节电源，可以根据电网用电负荷的需要，快速调节汽轮发电机组的出力，即参与电力系统的一次、二次调频；通常光热发电机组都配备有蓄热装置，这样在没有阳光的情况下仍可正常发电并根据调度要求进行调节。因此，含光热的混合电力系统可以有效解决风力发电的间歇性、波动性问题，能够改善频率稳定性，保障系统的频率质量。

电力系统的频率是电能质量的基本指标之一，要保证用户和发电厂正常工作就必须将系统频率偏差控制在允许范围之内。当电力系统正常运行时通过调节机组的有功出力就可调节频率，但当电力系统发生大扰动时，要保证频率偏差在允许的范围之内，需要进行负荷频率控制。

目前国内外学者对负荷频率控制方法有广泛的研究。传统的pid控制器在负荷频率控制中广泛应用。随着电力工业的发展，区域电力系统间的互联程度日益增强，电力系统结构日趋复杂、规模日益庞大，同时开放型通信网络结构的引入使负荷频率控制中存在通信延迟，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不确定结构与参数。为此，研究人员不断地改进自动发电控制中的pid负荷频率控制策略，并且将鲁棒控制、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，文献“automaticgenerationcontrolofamulti-areast–thermalpowersystemusinggreywolfoptimizeralgorithmbasedclassicalcontrollers,yatinsharma,chandrasalkia,electricalpowerandenergysystems,2015”采用greywolfoptimizeralgorithm对pid参数进行优化，进而调节电力系统频率偏差。文献“ningc.robusth∞load-frequencycontrolininterconnectedpowersystem,ietcontroltheory&applications,2016”针对两区域互联电网采用鲁棒控制，通过扇形有界鲁棒控制方式，可补偿低阶简化模型的非线性环节，降低控制模型阶数，与pi对比仿真分析，具有良好的控制性能。文献“aysendemiroren,sengorns,zeynelgilhl.automaticgenerationcontrolbyusinganntechnique,electricpowercomponents&system,2001”考虑机组死区等非线性环节，设计了两区域互联电力系统ann控制器，采用该控制器减小了频率偏差波动及联络线振荡。文献“火电、风电、储能联合调频运行算法研究,王文剑,北京交通大学,2016”采用模糊pi控制器对互联系统频率进行调节且额外配置了调频电源。这些控制方法在一定程度上解决了系统结构和参数不确定的问题，但控制复杂或鲁棒性不好。

基于上述所提问题，滑膜变结构控制作为一种非线性控制器，以控制响应快、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点，在电力系统负荷频率控制中得到应用。文献“多区域互联电力系统的工滑模负荷频率控制,孟祥萍等,中国电机学报,2001”基于新区域控制偏差的比例积分控制和滑模控制的优点，采用积分型滑膜切换面，对任意初始位置，使系统一开始就进入滑模状态，实现全程滑膜控制。文献“基于滑膜控制的单域电力系统负荷频率控制,米阳等,控制与决策,2012”针对包含参数不确定和负荷干扰的电力系统，提出了一种负荷频率滑模控制器的设计方法。上述两篇文献均未考虑系统时滞对电力系统频率稳定性的影响。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术上的缺陷，针对电力系统的通信延迟和新能源波动对电网调频的影响，提出一种含光热发电的混合电力系统负荷频率控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

1.一种含光热发电的混合电力系统负荷频率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将时滞系统分为三个区域，ⅰ区包含光热发电系统、火力发电系统和风力发电系统，ⅱ、ⅲ区包含火力发电子系统和风力发电子系统，建立各个区域发电系统的数学模型。

(2)对每个区域建立含有不确定项和外加干扰系统的状态模型。

ⅰ区针对光热系统建立包含火电系统和风电系统的状态模型为：

其中，

ⅰ区针对火电系统建立包含光热系统和风电系统的状态模型为：

其中，

ⅱ、ⅲ区系统状态模型为：

其中系数矩阵与ⅰ区针对火电系统建立的状态模型中的系数矩阵相同。

xi(t)为状态变量，ui(t)为控制变量，ai为状态变量系数，adi为时滞项系数矩阵，bi为输入项系数矩阵，hi为扰动项系数矩阵，fij为互联项系数矩阵，δai、δadi、δbi、δhi均为电力系统参数和负荷干扰引起的变化量。δfi为频率偏差，tgi为调速器时间常数，tti汽轮机时间常数，tpi为电力系统时间常数，ri为调速器速度调节，kpi为电力系统增益，为汽轮发电机输出功率增量变化，δpvi为调速器阀门位置增量，ui为控制器输入量，δpli为负荷干扰，pmi为第i个风力发电机组的输出功率，δps(t)为光热机组的输出功率变化量，下标s表示光热机组的参数，δptiei为联络线功率增量变化，tij为两区域之间联络线功率同步系数，kε为积分控制增益，δei为积分控制增量。

(3)根据状态模型，设计带有积分的滑膜切换面si(t)。

为了方便滑膜控制器的设计，定义如下集结不确定项：

则状态模型就可简化表示为：

针对简化的状态模型设计积分型滑膜切换面si(t)满足如下方程：

(4)根据积分型滑膜切换面，设计滑膜变结构的控制变量ui(t)，进而进行电力系统负荷频率控制。

ui(t)＝-kixi-(cibi)^-1||ci||β(x,t)-(cibi)^-1(wi+εi)sgn(σi(t))

2.所述的步骤(2)中，τi是第i个区域的时滞常数，取正数，系统的时滞常数与状态变量之间满足：

||xk(t-τi)||≤xkmax，其中，xkmax＝max||xk(t)||，k＝1，2，……，n。

3.所述的步骤(2)中，为了对频率偏差有效调节，增加了频率偏差的积分量δei

4.所述的步骤(3)中，存在以下两个设定：

一：||d(x,t)||≤β(x,t)，||*||是欧几里得范数，电力系统中的负荷在一定范围内波动，所以集结的参数不确定项是一个常数。

二：系数矩阵(a,b)可控。

5.所述的步骤(3)中，矩阵ci∈r^1×5和矩阵ki∈r^1×5是积分型滑膜切换面的系数矩阵，矩阵ki满足λ(ai-biki)＜0，并选择ci使得cibi为非奇异矩阵。

6.所述的步骤(4)中，||d(x,t)||≤β(x,t)，||adi||≤αi，||eij||≤γi，其中，β(x,t)、αi、γi是有界常数，εi为非负常数，sgn(*)是符号函数，

附图说明

图1为混合电力系统结构图

图2为光热发电系统的传递函数框图

图3为区域ⅰ的传递函数框图

图4为区域ⅱ、ⅲ的传递函数框图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

(1)混合电力系统中各个区域的数学模型和状态模型

如图1所示为混合电力系统的结构图，该系统包括三个区域，ⅰ区包含光热发电系统、火力发电系统和风力发电系统，ⅱ、ⅲ区包含火力发电子系统和风力发电子系统，由图3～4可建立各区域的数学模型。

ⅰ区针对火电系统建立包含光热系统和风电系统的数学模型为：

δei(t)′＝kεβiδfi(t)+kεδptiei(t)

ⅱ、ⅲ区系统的频率数学表达式与ⅰ不同，其余均相同。频率数学表达式为：

单区光热发电系统传递函数模型如图2所示，其光场的数学模型为：

输出温度的变化率为：

t0是光场工质流体的出口温度，ti是光场工质流体的进口温度，i是太阳辐照量，te是环境温度，η0是光场集热效率，ul是总的热损失系数，a是收集器表面积，c是工质热流量，v管道流量。

工作流体的流速恒定，因而有：

将上式进行拉普拉斯变换可得：

这里ts是太阳能收集器的时间常数，为：

入口和环境温度的变化非常小，因此光场的传递函数为：

ks是光热场增益，通过热转换器产生的蒸汽推动汽轮机转动。这里还需考虑一步延迟的影响。

针对ⅰ区光热系统建立包含火电系统和风电系统的数学模型为：

δes(t)′＝kεβ1δf1(t)+kεδptie1(t)

对每个区域建立含有不确定项和外加干扰系统的状态模型。

ⅰ区针对光热系统建立包含火电系统和风电系统的状态模型为：

其中，

ⅰ区针对火电系统建立包含光热系统和风电系统的状态模型为：

其中，

ⅱ、ⅲ区系统状态模型为：

其中系数矩阵与ⅰ区针对火电系统建立的状态模型中的系数矩阵相同。

xi(t)为状态变量，ui(t)为控制变量，ai为状态变量系数，adi为时滞项系数矩阵，bi为输入项系数矩阵，hi为扰动项系数矩阵，fij为互联项系数矩阵，δai、δadi、δbi、δhi均为电力系统参数和负荷干扰引起的变化量。δfi为频率偏差，tgi为调速器时间常数，tti汽轮机时间常数，tpi为电力系统时间常数，ri为调速器速度调节，kpi为电力系统增益，为汽轮发电机输出功率增量变化，δpvi为调速器阀门位置增量，ui为控制器输入量，δpli为负荷干扰，pmi为第i个风力发电机组的输出功率，δps(t)为光热机组的输出功率变化量，下标s表示光热机组的参数，δptiei为联络线功率增量变化，tij为两区域之间联络线功率同步系数，kε为积分控制增益，δei为积分控制增量，可对频率偏差有效调节。τi是第i个区域的时滞常数，取正数。

(2)本发明一种含光热发电的混合电力系统负荷频率控制器设计原理根据状态模型，设计带有积分的滑膜切换面si(t)，进而设计滑膜变结构控制器。

为了方便滑膜控制器的设计，定义如下集结不确定项：

则状态模型就可简化表示为：

对简化的状态模型设计积分型滑膜切换面si(t)，该切换面满足如下方程：

在设计滑膜变结构控制器之前，给出如下假设：

假设一：||d(x,t)||≤β(x,t)，||*||是欧几里得范数，电力系统中的负荷在一定范围内波动，所以集结的参数不确定项是一个常数。

假设二：系数矩阵(a,b)可控。

矩阵ci∈r^1×5和矩阵ki∈r^1×5是积分型滑膜切换面的系数矩阵，矩阵ki满足λ(ai-biki)＜0，并选择ci使得cibi为非奇异矩阵。

假设三：系统的时滞常数与状态变量之间满足：||xk(t-τi)||≤xkmax，其中，xkmax＝max||xk(t)||，k＝1，2，……，n。

根据积分型滑膜切换面，设计滑膜变结构的控制变量ui(t)，进而进行电力系统负荷频率控制。

ui(t)＝-kixi-(cibi)^-1||ci||β(x,t)-(cibi)-¹(wi+εi)sgn(σi(t))

||d(x,t)||≤β(x,t)，||adi||≤αi，||eij||≤γi，其中，β(x,t)、αi、γi是有界常数，εi为非负常数，sgn(*)是符号函数，

||d(x,t)||≤β(x,t)，||adi||≤αi，||eij||≤γi成立，存在使得对于所有的t和x∈b^c(η)，不确定电力系统在滑模面s(t)＝0上保持稳定。其中p是李雅普诺夫方程的解，qi是给定的对称正定矩阵。

(3)算例分析

为验证光热发电机组参与混合时滞电力系统负荷频率控制时采用的滑膜变结构控制器的有效性，可实施以下两个算例。

①算例一

本算例中，各个区域都在额定条件下运行，分析光热发电对系统负荷频率控制的影响，为此设计以下两种场景。(a)在该时滞混合电力系统中，光热发电机组参与负荷频率控制；(b)在该时滞电力系统中，光热机组不参与负荷频率控制。

②算例二

本算例中，各个区域都在额定条件下运行且光热机组也参与调频，分析滑膜变结构控制器对变化的时间延迟和负荷扰动的控制。(a)系统时滞常数分别取τi＝1.5s，τi＝3s，负荷扰动和风机输出功率不变，频率控制器分别采用滑膜变结构控制器和采用传统pid控制器。(b)负荷扰动分别为δpli＝1％，δpli＝2％，系统时滞常数不变，频率控制器分别采用滑膜变结构控制和采用传统pid控制。对比分析两种控制器的控制效果。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。