一种多域新能源互联电力系统及其设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种多域新能源互联电力系统及其设计方法,包括三个子电力系统，每一所述子电力系统均包括涡轮机与电池，且第一区域子电力系统采用非再热型汽轮机，所述第二、第三子电力系统采用再热型汽轮机。利用滑模控制方法优化频率控制，滑模控制是典型的非线性控制，其对每个区域整体建模并分散控制，响应速度快，具有良好的鲁棒性；其次，利用储能模块的平滑输出功率，最终减小系统的频率偏差。
【专利说明】
一种多域新能源互联电力系统及其设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于多域互联电力系统负荷频率控制技术领域，特别涉及一种多域新能源 互联电力系统及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 随着风力发电大范围投入应用，其对电力系统运行和控制的影响引起了广泛关 注。在高渗透率风力发电的互联电力系统中，风能的波动性造成系统功率供需不平衡，系统 频率出现偏差，严重时甚至造成系统崩溃。因此，在含有风力发电的互联电力系统中，其频 率控制相比于传统发电系统频率控制更具有挑战性。
[0003 ]系统负荷频率控制(LFC)对发电机组的控制量一般由经济调度分量和区域控制偏 差(ACE)调节分量两种分量组成。大部分研究是将风能作为系统的干扰源，风力发电未参与 系统频率控制。但是随着风力发电在电力系统中的广泛应用，它对系统频率和电压的稳定 具有重要影响与作用，使风电系统参与整个发电系统的频率控制和电压调节以及自动发电 控制(AGC)的经济调度环节。经济调度根据给定的负荷水平，安排最经济的发电调度方案， 将风能进行科学调度利于电力系统运行的经济性。
[0004] 传统的LFC控制通常适合在固定的运行工作点，随着电力系统结构日趋复杂，传统 发电系统与新型发电系统的合并，大量的非线性和不确定环节的加入，使传统的PID控制器 在控制性能上很难同时满足跟踪速度与抑制扰动或系统运行参数变化，难以实现控制目 标。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种能减小由于风能波动而引起的系统 频率偏差的多域新能源互联电力系统及其设计方法。
[0006] 本发明第一方面提供一种多域新能源互联电力系统，包括发电设备、具有非再热 型汽轮机的发电单元、具有再热型汽轮机的发电单元、储能模块及滑模控制器。
[0007] 所述发电设备包括风机发电机组与传统发电机组，传统发电机组包括调速器、涡 轮机、旋转设备及负荷和负荷频率控制单元;风机发电机组包括液压伺服执行机构、转矩系 统与桨距角控制模块。
[0008] 所述液压伺服执行机构和桨距角控制模块通过液力偶合器连接于所述传统发电 机组的端部。所述液力偶合器能够有效的改善传动品质和电机的起动性能，可柔和带动大 惯量的设备起动，起到节能环保、防止电机功率浪费。多机并联运行时，协调多机驱动时负 载的平均分配，保证风机发电机组与传统发电机组实时互动的调频。
[0009] 进一步地，所述储能模块包括电池和变换器，所述变换器包括控制策略单元、12脉 冲桥式逆变器和变压器。
[0010]进一步地，所述多域新能源互联电力系统包括三个子电力系统，每一所述子电力 系统均包括涡轮机与电池，且第一区域子电力系统采用非再热型汽轮机，所述第二、第三子 电力系统采用再热型汽轮机。
[0011] 本发明第二方面提供一种多域新能源互联电力系统的设计方法，包括以下步骤：
[0012] S1、构建所述多域新能源互联电力系统的数学模型：
[0013]
[0014] 其中：i表示第i个区域41、81、？1是电力系统参数，1!1(〇为滑模控制器的数学模 型，AP d(t)表示负荷扰动；
[0015] S2、构建包含系统参数不确定项和负荷扰动的所述多域新能源互联电力系统的数 学模型
[0016]
[0017]其中：六厶^六8^六？1是电力系统参数的变化；
[0018] S3、将系统参数不确定项和负荷扰动集结成一项，BP :
[0019] 8i(〇 = M-xi(〇 + ^,1//(0 + (Fi + (〇 ^
[0020] 再构建所述多域新能源互联电力系统的数学模型：
[0021]
[0022] S4、设计滑模控制器：
[0023]当系统中的参数不确定项和负荷扰动满足匹配条件时，8化1(〇=8/说/1(〇，其中 F'，所设计的滑模控制器满足：
[0024] ti, (〇 = Κμ, - (GfBj )_1 \\G,· || ||c, || ||.t, (〇|sgn(a,·(f)) -dj - )_I^ sgn(^· (〇)
[0025] 当系统中的参数不确定项和负荷扰动不满足匹配条件时，所设计的滑模控制器满 足：
[0026]
[0027] 其中圳=是符号函数，巧=瓜3叉|轉/ = 1,"%#}，|4/办）||彡山，|^(七）||彡比。
[0028] 进一步地，所述步骤S1还包括针对采用非再热型汽轮机的所述第一区域子电力系 统构建数学模型：
[0029] xi(t) = [ Δ fi(t), A pgi(t) , A xgi(t), Δ Ei(t), Δ 5i(t), Δ fn(t) , Δ Xu , Δ Xi2, Δ Xi3, ΔΧι4]τ,
[0030] 其中：
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035] A<5j(/) = ΙπΑ^Ο),
[0036] 且：Af(t)为频率偏差，APg(t)为发电机输出功率偏差，AXg(t)为调节阀位置偏 差，Δ δ(1：)为转子角度偏差。
[0037] 进一步地，所述步骤S1还包括针对采用再热型汽轮机的所述第一区域子电力系统 构建数学模型：
[0038] X2(t) = [ Δ f2(t)，Δ pg2(t)，Δ xg2(t)，Δ E2(t)，Δ δ2(?)，Δ fT2(t)，Δ Χ21，Δ Χ22，Δ X23，Δ X24]T，
[0039] 其中：
[0045] Αδ2(? = 2πΑ/2(?) 〇
[0046] 进一步地，所述多域新能源互联电力系统的设计方法还包括针对涡轮机建立数学 模型：
[0054] AfT(t)为涡轮机频率偏差，KIC为耦合增益，cti为变换器的触发角，ΚΡ为电力系统增 益，Τ Ρ为电力系统时间长常数，KP1为桨距控制增益。
[0055] 优选地，所述滑模控制器需满足切换面设计，取切换面函数为：
[0056]
[0057] 根据滑模控制原理取4^，可得等效控制：
[0058]
[0059] 基于上述技术方案的公开，本发明提供的所述多域新能源互联电力系统及其设计 方法利用滑模控制方法优化频率控制，滑模控制是典型的非线性控制，其对每个区域整体 建模并分散控制，响应速度快，具有良好的鲁棒性;其次，利用储能模块的平滑输出功率，最 终减小系统的频率偏差。
【附图说明】
[0060] 图1为本发明提供的一种多域新能源互联电力系统的结构示意图；
[0061] 图2为第一区域子电力系统的动态方程；
[0062]图3为第二区域子电力系统的动态方程；
[0063]图4为储能模块的结构示意图；
[0064]图5为储能模块的等效电路图；
[0065]图6为等量微增储能模块的模型；
[0066] 图7为本发明实施例1中不确定项匹配时不采用滑模控制器控制的Afi(t)响应示 意图；
[0067] 图8为本发明实施例1中不确定项匹配时不采用滑模控制器控制的APtlel(t)响应 示意图；
[0068]图9为本发明实施例1中不确定项匹配时不采用滑模控制器控制的APGWi(t)响应 示意图；
[0069] 图10为本发明实施例1中不确定项匹配时采用滑模控制器控制的Afi(t)响应示 意图；
[0070] 图11为本发明实施例1中不确定项匹配时采用滑模控制器控制的APtlel(t)响应 示意图；
[0071] 图12为本发明实施例1中不确定项匹配时采用滑模控制器控制的APGWl(t)响应示 意图；
[0072] 图13为第一区域分别采用PID控制和所构造的滑模控制器控制的Δ fKt)响应示 意图；
[0073] 图14为第二区域分别采用PID控制和所构造的滑模控制器控制的Af2(t)响应示 意图；
[0074]图15为第三区域分别采用PID控制和所构造的滑模控制器控制的Af3(t)响应示 意图；
[0075] 图16为第一区域分别采用PID控制和所构造的滑模控制器控制的APtle3l(t)响应 示意图；
[0076] 图17为第二区域分别采用PID控制和所构造的滑模控制器控制的APtle32(t)响应 示意图；
[0077]图18为第三区域分别采用PID控制和所构造的滑模控制器控制的APtle3(t)响应 示意图；
[0078]图19为第一区域分别采用PID控制和所构造的滑模控制器控制的APcwl(t)响应示 意图；
[0079]图20为第二区域分别采用PID控制和所构造的滑模控制器控制的Δ PGW2(t)响应示 意图；
[0080]图21为第三区域分别采用PID控制和所构造的滑模控制器控制的Δ PGW3(t)响应示 意图；
[0081]图22为切换函数0!(!：)的响应示意图；
[0082]图23为所构造的滑模控制器输出m(t)的响应示意图；
[0083]图24为切换函数〇2(t)的响应示意图；
[0084]图25为所构造的滑模控制器输出u2(t)的响应示意图；
[0085]图26为切换函数〇3(t)的响应示意图；
[0086]图27为所构造的滑模控制器输出u3(t)的响应示意图；
[0087]图28为考虑GRC的非线性涡轮机示意图；
[0088]图29为三域均采用所构造的滑模控制器的AfKt)响应示意图；
[0089]图30为三域均采用所构造的滑模控制器的APtlel(t)响应示意图；
[0090]图31为三域均采用所构造的滑模控制器的Δ PGWl(t)响应示意图；
[0091]图32为第一区域分别采用MSS和所构造的滑模控制器控制的AfKt)响应示意 图；
[0092]图33为第二区域分别采用MSS和所构造的滑模控制器控制的Af2(t)响应示意 图；
[0093]图34为第三区域分别采用MSS和所构造的滑模控制器控制的Af3(t)响应示意 图；
[0094]图35为第一区域分别采用BESS和所构造的滑模控制器控制的APtlel(t)响应示意 图；
[0095]图36为第二区域分别采用BESS和所构造的滑模控制器控制的APtle2(t)响应示意 图；
[0096]图37为第三区域分别采用BESS和所构造的滑模控制器控制的Δ Ptle3(t)响应示意 图；
[0097]图38为第一区域分别采用BESS和所构造的滑模控制器控制的APGW1(t)响应示意 图；
[0098]图39为第二区域分别采用BESS和所构造的滑模控制器控制的APGW2(t)响应示意 图；
[0099]图40第三区域分别采用BESS和所构造的滑模控制器控制的Δ PGW3(t)响应示意图； [0100]图41为本发明提供的所述多域新能源互联电力系统的系统参数以及变量描述。
【具体实施方式】
[0101]下面结合附图对本发明的实施例进行详述。
[0102] 请参阅图1至图3,本发明提供一种多域新能源互联电力系统，包括发电设备、具有 非再热型汽轮机的发电单元、具有再热型汽轮机的发电单元、储能模块及滑模控制器3。所 述发电设备包括风机发电机组2与传统发电机组1，传统发电机组1包括调速器11、涡轮机 12、旋转设备及负荷13和负荷频率控制单元;风机发电机组2包括液压伺服执行机构、转矩 系统与桨距角控制模块21。
[0103] 所述液压伺服执行机构和桨距角控制模块21通过液力偶合器4连接于所述传统发 电机组1的端部。所述液力偶合器4能够有效的改善传动品质和电机的起动性能，可柔和带 动大惯量的设备起动，起到节能环保、防止电机功率浪费。多机并联运行时，协调多机驱动 时负载的平均分配，保证风机发电机组与传统发电机组实时互动的调频。
[0104] 请参照图1，所述多域新能源互联电力系统包括三个子电力系统，每一所述子电力 系统均包括涡轮机与电池，且第一区域子电力系统采用非再热型汽轮机，所述第二区域、第 三区域子电力系统采用再热型汽轮机。所述第一区域子电力系统的动态方程请参照图2,所 述第二区域子电力系统的动态方程请参照图3。
[0105] 请参照图4及图5,所述储能模块包括电池和变换器，所述变换器包括控制策略单 元、12脉冲桥式逆变器和变压器。
[0106] 基于上述的一种多域新能源互联电力系统，其设计方法主要包括以下步骤：
[0107] S1、构建所述多域新能源互联电力系统的数学模型：
[0108] 尸
[0109] 其中：i表示第i个区域41、81、？1是电力系统参数，111(〇为滑模控制器的数学模 型，AP d(t)表示负荷扰动；
[0110] S2、构建包含系统参数不确定项和负荷扰动的所述多域新能源互联电力系统的数 学模型
[0111]
[0112] 其中：八六^八8^&?1是电力系统参数的变化；
[0113] S3、将系统参数不确定项和负荷扰动集结成一项，BP :
[0114]
[0115] 再构建所述多域新能源互联电力系统的数学模型：
[0116]
[0117] S4、设计滑模控制器：
[0118]当系统中的参数不确定项和负荷扰动满足匹配条件时，8化1(〇=8/说/1(〇，其中 € ，所设计的滑模控制器满足：
[0119] M/ (0 = - {GjB- y1 ||G; I ||r;. I ||.Τ,. (/)j|sgn(a; (/)) -d^ (G^ fl sgn(^· (〇)
[0120] 当系统中的参数不确定项和负荷扰动不满足匹配条件时，所设计的滑模控制器满 足：
[0121]
[0122]
[0123] 所述步骤S1还包括针对采用非再热型汽轮机的所述第一区域子电力系统构建数 学模型：
[0124] xi(t) = [ Δ fi(t), A pgi(t) , A xgi(t), Δ Ei(t), Δ 5i(t), Δ fn(t) , Δ Xu , Δ Xi2, Δ Xi3, ΔΧι4]τ,
[0125] 其中：
[0130] Δ<5,(〇 = 2λγΔ/,(〇 ，且：
[0131] Af(t)为频率偏差，APg(t)为发电机输出功率偏差，AXg(t)为调节阀位置偏差， Δ δ(1：)为转子角度偏差。
[0132] 所述步骤S1还包括针对采用再热型汽轮机的所述第一区域子电力系统构建数学 模型：
[0133] X2(t) = [ Δ f2(t)，Δ pg2(t)，Δ xg2(t)，Δ E2(t)，Δ δ2(?)，Δ fT2(t)，Δ Χ21，Δ Χ22，Δ X23，Δ X24]T，
[0134] 其中：
[0140] Δδ2 (r) = 2πΑ/2(? 〇
[0141 ]所述多域新能源互联电力系统的设计方法还包括针对涡轮机建立数学模型：
[0149] AfT(t)为涡轮机频率偏差，KIG为耦合增益，cti为变换器的触发角，ΚΡ为电力系统增 益，Τ Ρ为电力系统时间长常数，KP1为桨距控制增益。
[0150] 所述滑模控制器需满足切换面设计，取切换面函数为：
[0151] crf(4=(??(〇-laQ：(4' -Β?κ^^τ m
[0152] 根据滑模控制原理取七⑴=?:，可得等效控制：
[0153]
[0154] 本发明中将通过仿真结果来验证所提出的控制策略的有效性。通过两种情况来对 比本发明提出的方法和传统方法的效果。
[0155] 实施例1
[0156] 本实施例中，系统中的参数不确定项和负荷扰动满足匹配条件，仿真结果表示了 不采用滑模控制器的控制和采用滑模控制器的控制（SMC)时各项仿真结果。其中，图4是不 确定项匹配时不采用滑模控制器的控制的A fKt)响应，图5是不采用滑模控制器的控制的 APtlel(t)响应，图6是不采用滑模控制器的控制的APCWl(t)响应，图7是采用滑模控制器的 控制的Afdt)响应，图8是采用滑模控制器的控制的AP tle31(t)响应，图9是采用滑模控制 器的控制的APGWi(t)响应。
[0157] 实施例2
[0158] 本实施例中，系统中的参数不确定项和负荷扰动不满足匹配条件，仿真结果表示 了采用PID控制和采用SMC控制时各项仿真结果。其中，图10、11、12分别是第一、第二、第三 区域采用PID控制和所构造的SMC控制的Δ fi(t)响应，图13、14、15分别是第一、第二、第三 区域采用？1〇控制和所构造的31(：控制的八？*^(〇响应，图16、17、18分别是第一、第二、第 三区域采用PID控制和所构造的SMC控制的AP GWi(t)响应，图19、21、23分别是第一、第二、第 三区域切换函数〇i( t)的响应，图20、22、24分别是第一、第二、第三区域所构造的滑模控制 器的控制器输出Ui(t)的响应。
[0159] 实施例3
[0160] 本实施例中，系统考虑了发电速率限制(GRC)，其中，图25是考虑GRC的非线性涡轮 机，图26是三域均采用所构造的滑模控制器的控制器的Afdt)响应，图27是三域均采用所 构造的滑模控制器的控制器的A Ptlel(t)响应，图28是三域均采用所构造的滑模控制器的 控制器的A PCWl(t)响应。由仿真结果表明，在考虑发电速率限制(GRC)的情况下，所提出的 SMC控制仍能保证系统的稳定性。
[0161] 实施例4
[0162] 本实施例中，将将BESS接入各个区域你，实现对频率控制的优化，并与采用构造的 滑模控制器的控制器进行比较。其中，图29、30、31分别是第一、第二、第三区域采用BESS和 所构造的SMC控制的Δ fi(t)响应，图32、33、34分别是第一、第二、第三区域采用BESS和所构 造的SMC控制的APtiei(t)响应，图35、36、37分别是第一、第二、第三区域采用BESS和所构造 的SMC控制的△ PGWi(t)响应。由仿真结果表明，所提出的SMC控制响应时间短，超调量小且抖 振频率低，相比于BESS所花费的成本要低。
[0163] 综上，在实施例1中，系统中的参数不确定项和负荷扰动满足匹配条件，各项仿真 结果表明相比不采用滑模控制器的控制，采用滑模控制器的控制时各项仿真结果的超调量 较小并且响应速度快。在第二种情况中，系统中的参数不确定项和负荷扰动不满足匹配条 件，相比不采用滑模控制器的控制，采用滑模控制器的控制时各项仿真结果的超调量较小 并且响应速度快。在算例三中，系统考虑了发电速率限制(GRC)，更符合电力系统的实际运 行条件，仿真结果表明各区域的AfdthAPt^U)和△Pcwdt)响应。在算例四中，将采用 BESS优化频率控制与采用构造的滑模控制器的控制器进行比较，各项仿真结果体现了所提 出的滑模控制器的控制具有良好特性，超调量较小并且响应速度快，相比于BESS系统成本 较低，提高了整个电力系统经济效益。
[0164] 即：本发明提供的所述多域新能源互联电力系统及其设计方法利用滑模控制方法 优化频率控制，响应速度快，具有良好的鲁棒性，且可减小系统的频率偏差。
[0165] 以上所述，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。
【主权项】
1. 一种多域新能源互联电力系统，其特征在于，包括发电设备、具有非再热型汽轮机的 发电单元、具有再热型汽轮机的发电单元、储能模块及滑模控制器;所述发电设备包括风机 发电机组与传统发电机组，传统发电机组包括调速器、涡轮机、旋转设备及负荷和负荷频率 控制单元;风机发电机组包括液压伺服执行机构、转矩系统与桨距角控制模块;所述液压伺 服执行机构和桨距角控制模块通过液力偶合器连接于所述传统发电机组的端部。2. 根据权利要求1所述的多域新能源互联电力系统，其特征在于，所述储能模块包括电 池和变换器，所述变换器包括控制策略单元、12脉冲桥式逆变器和变压器。3. 根据权利要求2所述的多域新能源互联电力系统，其特征在于，包括三个子电力系 统，每一所述子电力系统均包括涡轮机与电池，且第一区域子电力系统采用非再热型汽轮 机，所述第二区域、第三区域子电力系统采用再热型汽轮机。4. 一种多域新能源互联电力系统的设计方法，包括如权利要求1至权利要求3所述的多 域新能源互联电力系统，其特征在于，包括以下步骤： 51、 构建所述多域新能源互联电力系统的数学模型：其中：i表示第i个区域，仏几上是电力系统参数^⑴为滑模控制器的数学模型一匕 (t)表示负荷扰动； 52、 构建包含系统参数不确定项和负荷扰动的所述多域新能源互联电力系统的数学模 型其中：AAi、ABi、AFi是电力系统参数的变化； 53、 将系统参数不确定项和负荷扰动集结成一项，BP : = ^.λ·.(/) + Δ5 + 4 Af])APd.(t) ^ 再构建所述多域新能源互联电力系统的数学模型：54、 设计滑模控制器： 当系统中的参数不确定项和负荷扰动满足匹配条件时，即gl(t) =B^g1' (t)，其中 g:.(〇 e iT·，所设计的滑模控制器满足：当系统中的参数不确定项和负荷扰动不满足匹配条件时，所设计的滑模控制器满足：5. 根据权利要求4所述的多域新能源互联电力系统的设计方法，其特征在于，所述步骤 Sl还包括针对采用非再热型汽轮机的所述第一区域子电力系统构建数学模型：Af(t)为频率偏差，APg(t)为发电机输出功率偏差，AXg(t)为调节阀位置偏差，Δδ (t)为转子角度偏差。6. 根据权利要求4所述的多域新能源互联电力系统的设计方法，其特征在于，所述步骤 Sl还包括针对采用再热型汽轮机的所述第一区域子电力系统构建数学模型：7. 根据权利要求4所述的多域新能源互联电力系统的设计方法，其特征在于，还包括针 对涡轮机建立数学模型：AfT⑴为涡轮机频率偏差，Kic为耦合增益，Cti为变换器的触发角，Kp为电力系统增益， Tp为电力系统时间长常数，Kp1为桨距控制增益。8.根据权利要求4所述的多域新能源互联电力系统的设计方法，其特征在于，所述滑模 控制器需满足切换面设计，取切换面函数为：根据滑模控制原理取4⑴=G，可得等效控制：
【文档编号】H02J3/28GK105932710SQ201510821429
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2015年11月23日
【发明人】厉建新, 米阳, 李建勇, 任鲁飞, 李兆春, 张守海, 焦建亮, 张军, 王利民, 张文春, 杨洋
【申请人】国网山东省电力公司日照供电公司