CN103855705A - 一种直流送端孤岛系统频率的模糊控制方法 - Google Patents

一种直流送端孤岛系统频率的模糊控制方法 Download PDF

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Abstract

一种直流送端孤岛系统频率的模糊控制方法，其特征包含以下步骤：①提取直流送端孤岛系统的实时频率值，确定频率偏差等级参数；②计算直流送端孤岛系统的实时频率变化率值；③采用模糊控制方法，确定调整频率偏差等级参数；④确定修正实时频率偏差等级参数；⑤确定直流功率的实时调制量；⑥确定实时直流功率值。本发明引入频率偏差等级概念，针对频率变化率的变化，采用模糊控制方法，能够对频率波动作出预判，具有出色的时效性和调控精确性，具有工程使用价值。

Description

一种直流送端孤岛系统频率的模糊控制方法
技术领域
本发明涉及一种电力系统频率稳定控制方法，特别涉及一种直流送端孤岛系统频率的模糊控制方法，属于电力系统稳定性控制技术领域。
背景技术
直流孤岛运行是电力系统运行的一种特殊形式，它是在电网规划初期形成或者由交直流并列输电系统解列后形成。直流送端孤岛系统自身网架结构单薄，维持频率稳定性能力弱，系统频率变化剧烈，如果控制措施不当，极可能出现大面积停电事故。由于直流送端孤岛系统与主电网之间仅依靠直流输电线路相联系，因此如何利用直流输电功率的快速可控性对直流送端孤岛系统进行有效的调节和控制就是急需解决的重要问题之一。因此研究直流送端孤岛系统频率的控制方法具有显著的现实意义。
目前，直流送端孤岛系统频率控制方法总体上讲，研究成果较少。在云广直流送端孤岛系统的频率控制分析中曾出现过一种控制方式，其频率控制原理简单概括为：将频率控制功能设定上、下限值（50±0.2Hz或50±0.5Hz）。当实际频率超过（或低于）定义的上限（或下限）时，自动投入相对应的控制器，逐渐增加（或减少）功率调制量直到上限值（或下限值）。如果在调制量上升或下降过程中，频率恢复到限制值，则控制器的输出保持此时的调制量;如果频率已恢复到定义的频率范围内，则控制器会按定义的速率减少功率调制量直到调制量为0。
这种方法现阶段主要存在三个问题：一是频率上、下限值的不易确定，频率限值的范围应与频率波动的大小正相关，而实际系统中频率的的变化具有很大的不确定性，无法保证频率限值与频率的波动程度的匹配程度；二是该方法的判断条件单一，把握系统的频率变化情况的时效性较差，降低了系统频率稳定性控制的效率，延缓了稳控措施的实施，对于提高系统的稳定性和可靠性效果不明显；三是该方法的控制措施较简单，在频率波动剧烈的情况不能保证频率的控制效果，缺乏后续应急频率控制措施。基于上述原因，这种方法应用在工程上不能最大限度地保证频率控制稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可靠的直流送端孤岛系统频率的模糊控制方法。本发明采用的方法是把直流送端孤岛系统频率的控制问题，通过对频率偏差等级和频率变化率进行模糊控制，依靠直流输电功率的快速可控性来确定直流输电功率的大小，以此来控制孤岛系统的频率。本发明采用的方法，能够更有效和可靠地控制直流送端孤岛系统的频率稳定性，具有工程使用价值。
本发明的特点和现有技术上述方法的根本区别是：（1）基于频率偏离基准值的大小，把频率的偏差程度分为不同等级，依据等级的高低进行相应的功率控制（2）引入频率变化率作为判断条件，对频率偏差等级做出预判，提高了调控效率和频率稳定性。（3）采用模糊控制对频率偏差等级的界定给出了最佳判断，达到功率调控的精确性目的。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
1、一种直流送端孤岛系统频率的模糊控制方法，其特征是按以下步骤进行： 
步骤1）提取直流送端孤岛系统的实时频率值，确定频率偏差等级参数                                               
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE002
；
所述的初始频率偏差等级参数
Figure 433453DEST_PATH_IMAGE002
是指：以50.0Hz为基准，0.1Hz为一个偏差值，从50.0Hz到51.0Hz之间分成10段，每一段为一个级别区间，每个级别区间分别对应正1级至正10级，相应地频率偏差等级参数
Figure 944069DEST_PATH_IMAGE002
为1至10；同样从50.0Hz到49.0Hz之间分成10段，每一段为一个级别区间，每个级别区间分别对应负1级至负10级，相应地频率偏差等级参数
Figure 192647DEST_PATH_IMAGE002
为-1至-10；当频率稳定在50Hz时，=0；
步骤2）计算直流送端孤岛系统的实时频率变化率值； 
所述的实时频率变化率是指，系统频率随时间变化的快慢；
步骤3）采用模糊控制方法，确定调整频率偏差等级参数
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE004
； 
所述的调整频率偏差等级是指：频率变化率的值的大小决定着频率偏差等级变化的可能性的大小；当频率变化率达到设定的条件时，则认为频率级别变化的可能性提高，此时立即相应地调整频率偏差级别，属于预判行为； 
所述的调整频率偏差等级参数β是指：设定频率变化率限定值
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE006
，依据实时频率变化率值
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE008
与频率变化率上限定值
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE010
的比例关系确定的数值即为调整频率偏差等级参数β，即为：
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE012
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE014
                       (1)
所述的采用模糊控制方法是指：频率偏差等级的最终值需要频率偏差等级和频率变化率两者共同确定；但是频率偏差等级在正负四级之内时，表明系统频率波动情况较稳定，对变更频率偏差等级的期望较低；当频率偏差等级达到正负四到八级之间时，表明系统频率波动情况较差，此时应迅速实施控制措施，对变更频率偏差等级的期望较高；当频率偏差等级接近正负八级之上的极限时，频率偏差等级提升空间较小，对变更频率偏差等级的期望较低。频率变化率值的大小与频率偏差等级无关，但却与频率偏差等级的调整变化情况有关。因此频率偏差等级变化情况的判断条件模糊；
本发明采用的模糊控制方法按以下步骤进行:
 
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE016
定义初始频率偏差等级参数
Figure 684120DEST_PATH_IMAGE002
所有可能值组成的模糊集合A。其数学模为:    
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE018
                    （2）
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE020
为模糊集合A的隶属函数，X为论域(-10≤X≤10，X∈Z)。    
模糊集合A隶属函数
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE024
的数学表达式为： 
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE026
                   （3）
该隶属函数符合梯形分布；
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE028
定义集合B，表征调整频率偏差等级参数的集合的，其中任一元素为b，其数学表达式为：
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE030
                            (4)
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE032
将模糊集合A与集合B相叠加，得到修正集合C，其数学表达式为：
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE034
                         (5)
修正集合C的隶属函数的数学表达式为：
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE040
                    (6)
步骤4）确定修正实时频率偏差等级参数；
所述的实时频率偏差等级参数
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE044
是指：通过模糊控制之后，最终修正后的频率偏差等级。实时频率偏差等级修正规则如下：  
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE046
                        (7)
注：频率偏差等级主要决定于实时频率值，频率变化率最多修正频率偏差等级两级；
步骤5）确定直流功率的实时调制量
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE048
；
所述的直流功率调制量是指：在直流孤岛系统中，直流输电线路在功率平衡的基础上，为了调控频率，额外增加或减少的那部分输电功率。最大直流功率调制量
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE050
为直流功率满容量运行时的最大功率过载量；
所述的功率平衡时直流输电功率
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE052
是指：不采取稳控措施时，直流送端孤岛系统的发电总功率； 
所述的确定直流功率的实时调制量
Figure 942800DEST_PATH_IMAGE052
是指：对应实时频率偏差等级参数
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE054
的变化，实时直流功率调制量也随之发生改变。其函数关系为：
  
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE056
                    (8)               
步骤6）确定实时直流功率值P；
所述的确定实时直流功率值是指：实时直流功率为功率平衡时直流功率
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE058
与直流功率实时调制量
Figure 740992DEST_PATH_IMAGE052
之和。故直流输电实时功率值P为：
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE060
 。                            (9)
本发明采用的方法，能够更有效和可靠的控制直流送端孤岛系统的频率，具有工程实用价值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明具有较出色的时效性。首先本方法是实时控制方式，实施控制措施及时有效；同时引入频率变化率参数，对系统频率发展情况进行有效的预判，提前实施有效地频率控制措施，将未来可能发生的频率波动扼制在发生之前，更提高了频率控制的效率。因此本方法整体时效性较好。
2.本发明具有较出色的频率调控精确性。由于采用模糊控制方法，在频率偏差等级的判断上，具有更符合系统实际的特性，并且能够给出最佳的功率调制量值。
3.本发明具有较好的经济性。由于本方法是根据频率偏差等级大小来确定直流输电功率值的大小，相当于功率调制量按需分配，不会造成送端孤岛系统发电机组发电功率的浪费。
附图说明      
图1是直流送端孤岛系统频率的模糊控制方法总体流程图；
图2是模糊集合隶属函数梯形分布图；
图3是IEEE12节点系统网络拓扑结构图；
图4是采用本发明方法与现有方法和无控制方式方法对频率控制结果的对比图。
具体实施方式
图1是一种直流送端孤岛系统频率的模糊控制方法总体流程图。流程图与本发明的实施方式的基本步骤是一致的。需要说明的是，直流孤岛系统频率控制目标是通过实时调控实现的，频率偏差等级和直流功率调制量仅对应发生当时的时刻，而随着时间的变化，其参数也将随之变化。下面结合附图以及算例，对本发明的特征和优点，实施方式做进一步详细说明。
如图1所示，一种直流送端孤岛系统频率的模糊控制方法，包括以下步骤：
步骤1）提取直流送端孤岛系统的实时频率值，确定频率偏差等级参数
Figure 284100DEST_PATH_IMAGE002
；
所述的初始频率偏差等级参数
Figure 421820DEST_PATH_IMAGE002
是指：以50.0Hz为基准，0.1Hz为一个偏差值，从50.0Hz到51.0Hz之间分成10段，每一段为一个级别区间，每个级别区间分别对应正1级至正10级，相应地频率偏差等级参数为1至10；同样从50.0Hz到49.0Hz之间分成10段，每一段为一个级别区间，每个级别区间分别对应负1级至负10级，相应地频率偏差等级参数
Figure 231830DEST_PATH_IMAGE002
为-1至-10；当频率稳定在50Hz时，
Figure 310120DEST_PATH_IMAGE002
=0。
步骤2）计算直流送端孤岛系统的实时频率变化率值； 
所述的实时频率变化率是指，系统频率随时间变化的快慢。
步骤3）采用模糊控制方法，确定调整频率偏差等级参数
Figure 833506DEST_PATH_IMAGE004
； 
所述的调整频率偏差等级是指：频率变化率的值的大小决定着频率偏差等级变化（提高或者降低级别）的可能性的大小。当频率变化率达到设定的条件时，则认为频率级别变化的可能性提高，此时立即相应地调整（提高或者降低级别）频率偏差级别，属于预判行为。 
所述的调整频率偏差等级参数β是指：设定频率变化率限定值，依据实时频率变化率值
Figure 567292DEST_PATH_IMAGE008
与频率变化率上限定值
Figure 311257DEST_PATH_IMAGE010
的比例关系确定的数值即为调整频率偏差等级参数β，即为
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE062
                       (1)
所述的采用模糊控制方法是指：频率偏差等级的最终值需要频率偏差等级和频率变化率两者共同确定。但是频率偏差等级较低（正负四级之内）时，表明系统频率波动情况较稳定，对变更频率偏差等级的期望较低；当频率偏差等级达到较高范围（正负四到八级之间）时，表明系统频率波动情况较差，此时应迅速实施控制措施，对变更频率偏差等级的期望较高；当频率偏差等级接近极限（正负八级之上）时，频率偏差等级提升空间较小，对变更频率偏差等级的期望较低。频率变化率值的大小与频率偏差等级无关，但却与频率偏差等级的调整变化情况有关。因此频率偏差等级变化情况的判断条件模糊。
本发明采用的模糊控制方法按以下步骤进行:
 
Figure 102944DEST_PATH_IMAGE016
定义初始频率偏差等级参数
Figure 425341DEST_PATH_IMAGE002
所有可能值组成的模糊集合A。其数学模为:                                             
Figure 504155DEST_PATH_IMAGE018
                    （2）
Figure 470974DEST_PATH_IMAGE020
为模糊集合A的隶属函数，X为论域(-10≤X≤10，X∈Z)。    
Figure 586829DEST_PATH_IMAGE022
模糊集合A隶属函数
Figure 6309DEST_PATH_IMAGE024
的数学表达式为： 
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE064
                   （3）
该隶属函数符合梯形分布，如图2所示。
定义集合B，表征调整频率偏差等级参数的集合的，其中任一元素为b，其数学表达式为：
Figure 303615DEST_PATH_IMAGE030
                            (4)
Figure 590371DEST_PATH_IMAGE032
将模糊集合A与集合B相叠加，得到修正集合C，其数学表达式为：
                         (5)
修正集合C的隶属函数
Figure 452651DEST_PATH_IMAGE038
的数学表达式为：
Figure 566100DEST_PATH_IMAGE040
                    (6)
步骤4）确定修正实时频率偏差等级参数
Figure 844328DEST_PATH_IMAGE042
；
所述的实时频率偏差等级参数
Figure 537477DEST_PATH_IMAGE044
是指：通过模糊控制之后，最终修正后的频率偏差等级。实时频率偏差等级修正规则如下：  
Figure 192450DEST_PATH_IMAGE046
                        (7)
注：频率偏差等级主要决定于实时频率值，频率变化率最多修正频率偏差等级两级。
步骤5）确定直流功率的实时调制量
Figure 476801DEST_PATH_IMAGE048
；
所述的直流功率调制量是指：在直流孤岛系统中，直流输电线路在功率平衡的基础上，为了调控频率，额外增加或减少的那部分输电功率。最大直流功率调制量
Figure 358169DEST_PATH_IMAGE050
为直流功率满容量运行时的最大功率过载量。
所述的功率平衡时直流输电功率是指：不采取稳控措施时，直流送端孤岛系统的发电总功率。 
所述的确定直流功率的实时调制量
Figure 380800DEST_PATH_IMAGE052
是指：对应实时频率偏差等级参数
Figure 570473DEST_PATH_IMAGE054
的变化，实时直流功率调制量也随之发生改变。其函数关系为：
  
Figure 63771DEST_PATH_IMAGE056
                    (8)               
步骤6）确定实时直流功率值P。
所述的确定实时直流功率值是指：实时直流功率为功率平衡时直流功率
Figure 98723DEST_PATH_IMAGE058
与直流功率实时调制量
Figure 744599DEST_PATH_IMAGE052
之和。故直流输电实时功率值P为：
Figure 105173DEST_PATH_IMAGE060
                             (9)
图3是IEEE12节点系统网络拓扑结构图。其中G1、G2、G3、G4、G5为5个发电机组，每个发电机组有2台发电机，其额定功率均为600MW；BUS1、BUS2、BUS3、BUS4、BUS5、BUS6、BUS7、BUS8、BUS9为9条交流母线节点，BUS10、BUS11为2条直流输电母线节点，BUS12为主电网等值母线节点，T1、T2、T3、T4、T5为五台变压器，TR为整流侧变压器，TI 为逆变侧变压器，L1、L2、L3为三个常规负荷单元，JL为解列点。系统解列后，形成直流送端孤岛系统。
该系统解列前，发电机组G1、G2、G3、G4、G5形成发电系统，除去内部负荷L1，发电电量经由直流系统和交流系统两部分向外输电。此时系统运行方式为：G1、G2、G3、G4共8台机组发电有功功率均为500MW，直流输电有功功率为1500MW，交流通道有功功率为2000MW。
在10s时刻系统解列，发电机组G1、G2、G3与主网架仅依靠直流系统相联系，形成直流送端孤岛系统。此时系统运行方式为：G1、G2、G3共6台机组发电有功功率均为500MW。在解列前原本经由交流通道向外传送的有功功率向直流通道转移1500MW，此时直流输电有功功率为3000MW，直流功率变化速率为2000MW/s。针对该系统，
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE066
=300MW，
Figure 2012104982147100002DEST_PATH_IMAGE068
=3000MW。此时直流送端孤岛系统的频率发生剧烈波动。
图4是采用本发明方法与现有方法和无控制方式方法对频率控制结果的对比图。当不采取稳控措施时，系统频率如曲线1所示；当采取现有方法时，系统频率如曲线2所示；采用本发明方法，系统频率如曲线3所示。通过对比，可以明显看到采用本发明方法能够大幅降低频率的波动剧烈程度，调高直流送端孤岛系统的频率稳定性。由此可见，采用本发明提出的方法可对直流送端孤岛系统的频率进行可靠而有效优化控制，验证了本发明的实用性。

Claims (1)

1.一种直流送端孤岛系统频率的模糊控制方法，其特征是按以下步骤进行： 
步骤1）提取直流送端孤岛系统的实时频率值，确定频率偏差等级参数 ；
所述的初始频率偏差等级参数
Figure 487591DEST_PATH_IMAGE001
是指：以50.0Hz为基准，0.1Hz为一个偏差值，从50.0Hz到51.0Hz之间分成10段，每一段为一个级别区间，每个级别区间分别对应正1级至正10级，相应地频率偏差等级参数
Figure 998207DEST_PATH_IMAGE001
为1至10；同样从50.0Hz到49.0Hz之间分成10段，每一段为一个级别区间，每个级别区间分别对应负1级至负10级，相应地频率偏差等级参数
Figure 246785DEST_PATH_IMAGE001
为-1至-10；当频率稳定在50Hz时，
Figure 235470DEST_PATH_IMAGE001
=0；
步骤2）计算直流送端孤岛系统的实时频率变化率值； 
所述的实时频率变化率是指，系统频率随时间变化的快慢；
步骤3）采用模糊控制方法，确定调整频率偏差等级参数
Figure 518684DEST_PATH_IMAGE002
； 
所述的调整频率偏差等级是指：频率变化率的值的大小决定着频率偏差等级变化的可能性的大小；当频率变化率达到设定的条件时，则认为频率级别变化的可能性提高，此时立即相应地调整频率偏差级别，属于预判行为； 
所述的调整频率偏差等级参数β是指：设定频率变化率限定值
Figure 2012104982147100001DEST_PATH_IMAGE003
，依据实时频率变化率值
Figure 495474DEST_PATH_IMAGE004
与频率变化率上限定值
Figure 2012104982147100001DEST_PATH_IMAGE005
的比例关系确定的数值即为调整频率偏差等级参数β，即为：
Figure 231349DEST_PATH_IMAGE006
Figure 2012104982147100001DEST_PATH_IMAGE007
                       (1)
所述的采用模糊控制方法是指：频率偏差等级的最终值需要频率偏差等级和频率变化率两者共同确定；但是频率偏差等级在正负四级之内时，表明系统频率波动情况较稳定，对变更频率偏差等级的期望较低；当频率偏差等级达到正负四到八级之间时，表明系统频率波动情况较差，此时应迅速实施控制措施，对变更频率偏差等级的期望较高；当频率偏差等级接近正负八级之上的极限时，频率偏差等级提升空间较小，对变更频率偏差等级的期望较低；
频率变化率值的大小与频率偏差等级无关，但却与频率偏差等级的调整变化情况有关；
因此频率偏差等级变化情况的判断条件模糊；
本发明采用的模糊控制方法按以下步骤进行:
 
Figure 492566DEST_PATH_IMAGE008
定义初始频率偏差等级参数
Figure 754920DEST_PATH_IMAGE001
所有可能值组成的模糊集合A；
其数学模为:                                             
Figure 2012104982147100001DEST_PATH_IMAGE009
                    （2）
Figure 312065DEST_PATH_IMAGE010
为模糊集合A的隶属函数，X为论域(-10≤X≤10，X∈Z)；
模糊集合A隶属函数
Figure 128712DEST_PATH_IMAGE012
的数学表达式为： 
Figure 2012104982147100001DEST_PATH_IMAGE013
                   （3）
该隶属函数符合梯形分布；
Figure 928040DEST_PATH_IMAGE014
定义集合B，表征调整频率偏差等级参数的集合的，其中任一元素为b，其数学表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
                            (4)
Figure 920267DEST_PATH_IMAGE016
将模糊集合A与集合B相叠加，得到修正集合C，其数学表达式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
                         (5)
修正集合C的隶属函数
Figure DEST_PATH_IMAGE019
的数学表达式为：
Figure 226625DEST_PATH_IMAGE020
                    (6)
步骤4）确定修正实时频率偏差等级参数
Figure DEST_PATH_IMAGE021
；
所述的实时频率偏差等级参数
Figure 564065DEST_PATH_IMAGE022
是指：通过模糊控制之后，最终修正后的频率偏差等级；
实时频率偏差等级修正规则如下：  
Figure DEST_PATH_IMAGE023
                        (7)
注：频率偏差等级主要决定于实时频率值，频率变化率最多修正频率偏差等级两级；
步骤5）确定直流功率的实时调制量
Figure 269853DEST_PATH_IMAGE024
；
所述的直流功率调制量是指：在直流孤岛系统中，直流输电线路在功率平衡的基础上，为了调控频率，额外增加或减少的那部分输电功率；
最大直流功率调制量
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为直流功率满容量运行时的最大功率过载量；
所述的功率平衡时直流输电功率
Figure 198495DEST_PATH_IMAGE026
是指：不采取稳控措施时，直流送端孤岛系统的发电总功率； 
所述的确定直流功率的实时调制量
Figure 396258DEST_PATH_IMAGE026
是指：对应实时频率偏差等级参数
Figure DEST_PATH_IMAGE027
的变化，实时直流功率调制量也随之发生改变；
其函数关系为：
  
Figure 38854DEST_PATH_IMAGE028
                    (8)               
步骤6）确定实时直流功率值P；
所述的确定实时直流功率值是指：实时直流功率为功率平衡时直流功率
Figure DEST_PATH_IMAGE029
与直流功率实时调制量
Figure 599148DEST_PATH_IMAGE026
之和；
故直流输电实时功率值P为：
；
                            (9)
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