CN102403719A - 非匹配不确定电力系统的滑模负荷频率控制器设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非匹配不确定电力系统的滑模负荷频率控制器设计方法,设计了积分型滑模面,可以优化系统达到阶段的动态性能,同时基于趋近律到达条件,设计相应的滑模负荷频率控制器,使得系统状态在有限时间内到达积分型滑模面,保证系统频率趋于稳定,保证电力系统运行的平稳性和鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制器设计方法,特别涉及一种非匹配不确定电力系统的滑模负荷频率控制器设计方法。
背景技术
负荷频率控制是电力系统设计和运行中重要的课题之一,是最主要的系统频率控制手段。对于电力系统而言,负荷总是不断变化的,还可能随时发生各种故障,有必要设计一个负荷频率控制系统,使得该系统依赖频率对发电机的负荷进行控制。因此针对具有参数不确定的电力系统,如何将频率控制在一个可接受的范围内,始终是一个极具挑战性的研究课题。在过去的几年中,具有较好动态性能的负荷频率控制器设计受到学者们的关注,并且已经在负荷控制领域展开很多相关研究。在各种负荷频率控制器的设计中,比例积分控制被广泛的应用到调速系统的设计中。然而电力系统作为一种工业过程,它包含各种由系统参数和特性变化,负荷波动和建模误差等引起的不确定性,特别考虑到由于阀门位置变化引起的调速器速度限制时,比例积分控制器不能够实现较好的控制效果。为了保证供电质量,有必要基于电力系统负荷和频率的变化,设计鲁棒控制器。
滑模控制作为一种控制器的设计方法,具有鲁棒性的优点,特别是当系统状态到达滑动模态阶段时,对参数摄动和外界干扰具有不敏感性,因此可以用来有效处理电力系统中负荷扰动的变化和由发电机变化率受限产生的非线性问题。在现有的文献中,针对互联电力系统,设计了滑模负荷频率控制器,但是文献并没有考虑不确定参数项的影响。也有文献提出了基于Ackermann公式的分散滑模LFC方法,对于一个由N个区域组成的互联电力系统,考虑不确定性并把关联项作为系统的扰动,但是该系统中的扰动需要满足匹配条件。然而,在现实电力系统中许多非线性不确定项是不满足匹配条件的。
发明内容
本发明是针对一类非匹配不确定性电力系统频率控制器很难达到控制要求的问题,提出了一种非匹配不确定电力系统的滑模负荷频率控制器设计方法,设计了积分型滑模面,可以优化系统达到阶段的动态性能,同时基于趋近律到达条件,设计相应的滑模负荷频率控制器,使得系统状态在有限时间内到达切换面,保证系统频率趋于稳定。
本发明的技术方案为:一种非匹配不确定电力系统的滑模负荷频率控制器设计方法,包括如下步骤:
4)给定稳定性判据条件:如果条件成立, 为已知的正函数是一个有界函数,存在,和是正定矩阵,是矩阵的最小特征值,使得对于所有的和,不确定电力系统在滑模面上保持稳定,其中是以为球心以为半径的封闭球面的补。
式中是频率偏差增量(HZ);是发电机输出功率的增量变化;是调节阀位置的增量变化;是积分控制的变化量;是负荷干扰,是调速器时间常数(s);是汽轮机时间常数(s);是电厂模型时间常数(s);是电厂增益;是调速器动作引起的速率调节;是积分控制增益。
本发明的有益效果在于:本发明非匹配不确定电力系统的滑模负荷频率控制器设计方法,此方法设计的系统的频率偏差能够在有限的时间内趋于滑动模态,保证电力系统运行的平稳性和鲁棒性。
附图说明
图1是本发明单一电力系统的结构框图;
图2是本发明在标称系统中频率偏差响应图;
图3是本发明在标称系统中切换函数响应图;
图5是本发明在包含非匹配不确定的电力系统中频率偏差响应图;
图9是本发明在所设计的滑模控制器的作用下的切换函数响应图;
图11是本发明存在GRC的电力系统的结构框图;
具体实施方式
下面从模型建立、设计原理、设计方法、有效性验证几个方面对非匹配不确定电力系统的滑模负荷频率控制器设计方法做进一步说明:
(1)考虑非匹配不确定单域电力系统模型:
式中是频率偏差增量(HZ);是发电机输出功率的增量变化(P.u. MW);是调节阀位置的增量变化(P.u. MW);是积分控制的变化量;是负荷干扰(P.u. MW)是调速器时间常数(s);是汽轮机时间常数(s);是电厂模型时间常数(s);是电厂增益;是调速器动作引起的速率调节(HZ P.u. MW-1);是积分控制增益。
考虑由参数变化引起的不确定性和负荷波动引起的干扰时,电力系统表示为不确定项的模型:
(2)本发明的基于滑模控制的非匹配不确定单域电力系统的负荷频率控制器的设计原理:
在设计控制器之前,首先给出两个假设,
考虑如下不确定电力系统:
证明:令
定理2:如果滑模负荷频率控制器满足如下方程
则系统满足到达条件。
证明:利用到达条件,可以得到控制律
(3)本发明的基于滑模控制的非匹配不确定单域电力系统的负荷频率控制器的设计方法:
本发明提出的不确定单域电力系统滑模负荷频率控制器的设计方法,在建立了考虑非匹配不确定的电力模型之后,按照下列步骤进行:
2)设计积分型滑模面
3)设计滑模负荷频率控制器
(4)算例分析:利用单域电力系统来验证本发明的有效性。
考虑如下单域系统仿真模型:
结构框图如图1所示,其中参数值变化范围和标称参数满足如下定义
为了证明提出控制器在非匹配不确定条件下具有鲁棒性,我们将针三种不同情况进行仿真证明。
情况(1): 如果系统矩阵仅包含标称参数,不确定项,我们设计控制器参数满足如下条件:
情况(3): 在上面两种情况的设计和分析中,没有考虑发电机变化率的约束(GRC)。在实际电力系统中,如图11所示发电机变化率存在上限的约束,所以本例中我们将考虑GRC为每分钟0.1p.u.,即,系统的频率偏差的仿真如图12-13所示。
由图2-13的仿真结果可以看出,针对存在不确定项和GRC约束的单域电力系统,在本文设计的变结构控制器的作用下,系统的频率偏差能够在有限的时间内趋于滑动模态,保证电力系统运行的平稳性和鲁棒性。
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