CN108471142B - 一种分布式电网频率同步及有功功率分配控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电网载波技术领域,公开了一种分布式电网频率同步及有功功率分配控制方法,给出了实现分布式电网频率同步及有功功率合理分配的一个充分条件。分布式电网由发电节点和负载节点组成,其中发电节点包含可控的火力发电节点和不可控的风力发电节点。控制器仅仅需要某一个可控节点与其邻居节点交互有关功率信息,是一种分布式的控制器。本发明只控制可控的发电节点,使得所有节点频率同步到50Hz,可控发电机组出力比相同,即节点的有功功率与其额定功率的比值达到一致。本发明为分布式能源网络同步应用奠定了理论基础,扩大了其应用范围,恢复了额定频率,避免了某一发电机组出力过大或过小的问题,实现了发电机组功率公平分配。
Description
技术领域
本发明属于电网载波技术领域,尤其涉及一种分布式电网频率同步及有功功率分配控制方法。
背景技术
目前,业内常用的现有技术是这样的:1975年,日本学者Kuramoto第一次提出在含有有限个恒等振子的复杂耦合系统中,不论振子间的耦合强度多么微弱,振子的动力学方程总能用一个简单的相位方程来表示,该方程后来被称为 Kuramoto模型。将Kuramoto模型应用于电网这一想法却是在美国第一次提出智能电网的构建之后。事实上,之前已经有学者对网络收缩电力系统模型和 Kuramoto模型之间的关系进行了研究。随着电力系统的不断互联,电网的规模越来越大,其复杂度也越来越高。与此同时,随着新能源发电技术的发展,越来越多的分布式能源接入电网,并由于分布式能源高度的波动性以及随机性,使得电网遭受着越来越多的扰动,严重时,甚至会出现毁灭性的灾难。众所周知,电网稳定运行时,其频率在50Hz左右,因此,科研工作者试图通过控制某些量来迫使整个系统的频率稳定在该频率附近。目前,这一方面的工作主要分为两类,其一主要是基于Kuramoto模型(即用Kuramoto模型来表示电网中各节点的动力学)以及一致性理论,通过引入一个控制输入或设计一个相差跟踪控制器来使得系统频率同步到期望值。另一类是基于虚拟同步发电机的逆变器控制策略。虚拟同步发电机等效于一个电压源,并在其并联稳定运行时会出现通信互联、频率恢复、功率扰动以及其他相关问题。近年来,有学者基于分散下垂控制策略提出了一种功率控制方法,其保证了虚拟同步发电机可以根据下垂系数独立的分配功率,但当负荷变化时,系统频率难以恢复。在此基础上,又有学者基于集中式二次调频,设计了分散式调频控制器,其保证了系统频率的恢复,但增加了通信链路,增大了成本。为了解决这一难题,又有学者基于一致性理论,提出了并联虚拟同步发电机控制策略。综上所述,现有技术存在的问题是:由于新能源(风能、太阳能)的波动性和随机性,现有的控制方法并不能完全解决现有的实际问题,加之Kuramoto模型本身的复杂性,模型更为复杂,系统稳定性的理论分析更为困难,实际应用缺乏理论支撑。另外,随着能源网络的节点数量不断增加,采用集中式处理将进一步增加控制与通信成本,降低发电效率,浪费数据存储资源。此外,基于分布式能源网络,在恢复频率的同时,如何基于Kuramoto模型避免某一发电机组出力过大或过小,即如何实现发电机组功率公平分配问题也是目前技术存在问题之一。
综上所述,现有技术存在的问题是:
(1)Kuramoto模型本身的复杂性,模型更为复杂,系统稳定性的理论分析更为困难,实际应用缺乏理论支撑;不能严格分析系统稳定性。
(2)采用集中式处理将进一步增加控制与通信成本,降低发电效率,浪费数据存储资源。
(3)基于分布式能源网络,在恢复频率的同时,如何基于Kuramoto模型避免某一发电机组出力过大或过小,如何实现发电机组功率公平分配问题。
解决上述技术问题的难度和意义:
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种分布式电网频率同步及有功功率分配控制方法。
其中,n为可控发电节点的个数,Di为阻尼系数,Pi为第i个发电节点的有功功率,Pi *为该节点的额定功率,θi为第i个发电节点的相位,Pi0为第i个发电节点的注入功率,aij和bij分别为物理连接网络耦合矩阵元素和通信连接网络耦合矩阵元素,K,G,H和bi为系统参数及控制参数。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述基于一阶Kuramoto相位振子模型的控制器的分布式电网频率同步及有功功率分配控制方法,所述分布式电网频率同步及有功功率分配控制方法的控制参数G、H都要大于零,物理连接网络和通信连接网络的拓扑是联通的,以及相位差满足
将上述控制器ui施加在每一个可控的发电节点上,则该节点的动力学方程为第i个发电节点仅仅需要与其邻居节点交互有关功率信息。针对该动力学方程,定义状态误差变量其中则有只要控制参数G、H都要大于零,物理连接网络和通信连接网络的拓扑是联通的,以及相位差满足选取 Lyapunov函数为通过Lyapunov稳定性理论、相关数学引理和代数图论的知识,能够证明则有和说明能够实现相位同步及功率公平分配。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于一阶Kuramoto相位振子模型的控制器的火力发电网络化系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于一阶Kuramoto相位振子模型的控制器的水利发电网络化系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于一阶Kuramoto相位振子模型的控制器的新能源发电网络化系统。
综上所述,本发明的优点及积极效果为:本发明采用分布式功率控制器,能够实现电网所有节点频率同步,即所有节点频率同步到额定频率f=50Hz (2πf=100π),而且使得可控发电机组出力比相同,即节点的有功功率与其额定功率的比值达到一致避免了某一发电机组出力过大或过小的问题,实现了发电机组功率公平分配。本发明为分布式能源网络同步应用奠定了理论基础,扩大了其应用范围,恢复了额定频率,避免了某一发电机组出力过大或过小的问题,实现了发电机组功率公平分配。本发明所设计的控制器带来的技术效果在于针对分布式电网,仅仅通过对可控发电节点施加上述控制器ui就能够同时实现电网的频率同步以及功率公平分配,避免了某一发电机组出力过大或过小的问题,能够提高发电机组工作效率。另外,采用分布式控制器,能够降低控制与通信成本,节省数据存储资源,提高数据处理效率。
结合本发明上述技术方案,以下用表格的形式更好地说明本发明技术效果。每一组比较中,取发电机组额定功率P*均相同。
表一:在含功率控制项的控制器下发电机组出力分析表(单位:MW)
P* | P1 | P2 | P3 | P1/P* | P2/P* | P3/P* |
7 | 4.8265 | 4.8265 | 4.7432 | 68.95% | 68.95% | 67.76% |
7.5 | 5.1803 | 5.1803 | 5.0865 | 69.07% | 69.07% | 67.82% |
7.8 | 5.1815 | 5.1815 | 5.0833 | 66.43% | 66.43% | 65.17% |
8 | 5.1824 | 5.1824 | 5.0816 | 64.78% | 64.78% | 63.52% |
8.2 | 5.1832 | 5.1832 | 5.0799 | 63.21% | 63.21% | 61.95% |
表二:在不含功率控制项的控制器下发电机组出力分析表(单位:MW)
P* | P1 | P2 | P3 | P1/P* | P2/P* | P3/P* |
7 | 7 | 7 | 0.3962 | 1 | 1 | 5.66% |
7.5 | 7.5 | 7.5 | 0.4463 | 1 | 1 | 5.95% |
7.8 | 7.6526 | 7.8 | 0 | 98.11% | 1 | 0 |
8 | 7.4520 | 8 | 0 | 93.15% | 1 | 0 |
8.2 | 7.4546 | 7.9942 | 0 | 90.91% | 97.49% | 0 |
从表一可知,针对不同的额定功率,在施加含功率控制项的控制器下,三台发电机组出力基本一致。从表二来看,在未施加含功率控制项的控制器下,三台发电机组出力完全不一致,有出力饱和的机组,还有未出力的机组,功率分配严重不公平。从以上对比可知,在本发明所设计的控制器下,发电机组能够实现功率公平分配,避免了某一发电机组出力过大或过小的问题,能够提高发电机组工作效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的分布式电网频率同步及有功功率分配控制方法流程图。
图2是本发明实施例提供的分布式电网示意图。
图3是本发明实施例提供的分布式电网物理连接与通信连接示意图。
图4是本发明实施例提供的风力发电节点功率变化轨迹图。
图5是本发明实施例提供的所有节点的相位变化轨迹图。
图6是本发明实施例提供的所有节点的角频率变化轨迹图。
图7是本发明实施例提供的可控发电节点功率比值图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明为分布式能源网络同步应用奠定了理论基础,扩大了其应用范围,恢复了额定频率,避免了某一发电机组出力过大或过小的问题,实现了发电机组功率公平分配。
如图1所示,本发明实施例提供的分布式电网频率同步及有功功率分配控制方法包括以下步骤:
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
其中,n为可控发电节点的个数,Di为阻尼系数,Pi为第i个发电节点的有功功率,Pi *为该节点的额定功率,θi为第i个发电节点的相位,Pi0为第i个发电节点的注入功率,aij和bij分别为物理连接网络耦合矩阵元素和通信连接网络耦合矩阵元素,K,G,H和bi为系统参数及控制参数。
上述分布式控制器施加于可控的发电节点,发电节点通过无线信号发送和接受其他节点状态信息,其中每一个节点仅仅向其邻居节点发送信息,同时也仅仅接受其邻居节点发送的信息。
定义状态误差变量其中则有只要控制参数G、H都要大于零,物理连接网络和通信连接网络的拓扑是联通的,以及相位差满足选取Lyapunov函数为通过 Lyapunov稳定性理论、相关数学引理和代数图论的知识,能够证明则有和
上述理论证明可以说明:电网中各节点通过信息耦合之后就能够实现频率同步,即2πf=100π可知电网各节点能够到达同步频率 f=50Hz。另外,所有可控发电机组出力比相同即节点的有功功率与其额定功率的比值达到一致避免了某一发电机组出力过大或过小的问题,实现了发电机组功率公平分配。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
以一阶系统作为发电节点动力学方程为例进行数值仿真,如图3所示分布式电网物理连接与通信连接图,整个电力网络包含三个可控的发电节点(tp1,tp2,tp3)、一个不可控发电节点(wp)和一个负载节点(load),其物理连接与通信连接网络图都是联通的拓扑图,这是网络频率同步与功率公平分配的前提。图4表示不可控的风力发电节点功率变化曲线,由于其变化较慢,其取值可以取为分段常值。图5和图6说明整个分布式电网实现了频率同步,即所有节点频率同步到额定频率f=50Hz(2πf=100π)。图7为可控发电节点功率比值图,说明可控发电机组出力比相同,即节点的有功功率与其额定功率的比值达到一致避免了某一发电机组出力过大或过小的问题,实现了发电机组功率公平分配。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
3.如权利要求2所述的分布式电网频率同步及有功功率分配控制方法,其特征在于,第i个发电节点需要与其邻居节点交互有关功率信息。
6.一种应用权利要求1所述基于一阶Kuramoto相位振子模型的控制器的火力发电网络化系统。
7.一种应用权利要求1所述基于一阶Kuramoto相位振子模型的控制器的水利发电网络化系统。
8.一种应用权利要求1所述基于一阶Kuramoto相位振子模型的控制器的新能源发电网络化系统。
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