CN108711859B - 一种基于自适应鲁棒控制的多源微电网频率协调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于自适应鲁棒控制的多源微电网频率协调方法,该方法包括步骤:1)构建包含多组光伏系统、柴油机系统、储能系统及多种类型的负荷的多源微电网系统;2)设定光伏系统的调频功率,获取光伏系统可调频率偏差范围,根据可调频率偏差范围设定频率偏差阈值;3)提出频率协调策略,使光伏系统、储能系统根据频率偏差阈值协调运行,参与多源微电网系统的频率一次调节;4)基于柴油机系统构建滑模负荷频率控制器;5)将滑模负荷频率控制器输出指令作为柴油机系统二次频率调整的补偿量,结合提出的频率协调策略完成频率协调。与现有技术相比,本发明具有主动参与频率调节、鲁棒性强、减小储能系统的频繁动作和功率配置等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种频率协调方法,尤其是涉及一种基于自适应鲁棒控制的多源微电网频率协调方法。
背景技术
微电网作为大电网的补充部分,对于解决海岛、偏远地区和城市区域性供电问题具有广泛的应用前景,同时微电网能够最大程度的利用可再生能源,最小程度地使用柴油机发电,对环境保护和资源节约具有重要贡献。微电网独立运行是其主要的运行模式,此模式下微电网需要维持自身的电压和频率质量。可再生能源发电系统输出功率随光照强度、温度等自然环境而变化,具有随机性和间歇性,而系统负荷功率也随着时间不断变化,这些因素都将引起微电网有功功率供需不平衡,导致频率出现大幅偏移,使系统运行在安全范围之外。因此,在含有可再生能源的微电网中必须采用恰当的频率协调策略来保证微电网的安全稳定运行。
目前针对微电网频率协调问题主要有三种措施:1)光伏机组、风电机组等可再生能源机组参与频率调节,并提出一种以火电机组调频为主,风电机组调频为辅的一次调频联合控制策略,能够充分利用风电调频容量,有效改善系统频率特性。文献A CoordinatedControl Method for Leveling PV Output Power Fluctuations of PV–Diesel HybridSystems Connected to Isolated Power Utility针对多个光伏机组提出一种基于中央控制和本地控制相协调的策略,抑制光伏机组输出功率对于系统频率的影响。可再生能源参与频率调节虽然能够充分利用能源并有效提高频率质量,但是可再生能源存在间歇性,容易导致系统停止运行。2)储能系统主动参与频率调节。文献储能电池参与电网快速调频的自适应控制策略提出一种基于区域控制偏差信号分配储能电源的控制策略,能够减小频率偏差和储能容量配置。文献A Novel Adaptive Neural Network Constrained Controlfor a Multi-Area Interconnected Power System With Hybrid Energy Storage使用超级电容和燃料电池组成的混合储能系统根据提出的协调策略进行系统频率管理。该种措施能够通过多种类型的储能系统配合有效的提升系统频率响应速度并抑制频率波动,但是微电网作为可再生能源可以大规模渗透的自治系统,仅仅通过储能系统和传统发电机组协调调频,无法发挥可再生能源机组的调频能力,同时也增加了微电网配置的储能系统容量。3)改进传统发电机组的频率调节能力。有文献内容针对适用于高风电渗透率电力系统的火电机组一次调频策略,通过分析风电功率波动对系统调频的影响,提出基于分频原理的火电机组动态一次调频控制策略,提高了火电机组的一次调频能力。文献Sliding mode loadfrequency control for mult-area time-delay power system with wind powerintegration考虑系统参数不确定性和火电机组时滞环节,通过设计滑模负荷频率控制器提高了火电机组的一次和二次调频能力。该措施仅仅是对传统发电机组一次和二次调频的改进,没有考虑可再生能源和储能系统协调参与系统频率调节。此外,现有技术提出利用储能系统能力弥补风电机组响应慢的不足,提高了系统频率稳定性,但是并没有考虑系统参数不确定性和负荷随机波动性。
传统发电机组是典型的非线性系统,系统参数存在不确定性,同时含光伏机组的微电网不仅其光伏系统输出的功率存在波动性和间歇性,而且微电网负荷也存在随机性。因此系统频率管理需要通过协调策略来实现光柴储系统间的配合,同时也需通过控制方法抑制其他不确定因素的影响,提高频率控制质量。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于自适应鲁棒控制的多源微电网频率协调方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种基于自适应鲁棒控制的多源微电网频率协调方法,该方法包括以下步骤:
S1:构建包含多组光伏系统、柴油机系统、储能系统及多种类型的负荷的多源微电网系统;
S2:设定光伏系统的调频功率,获取频率偏差阈值;
光伏系统的调频功率ΔPR的表达式为:
光伏调频功率比的表达式为:
式中,ΔPMi、Pi分别为第i个光伏系统实际输出的最大功率和额定输出功率,Pt为所有参与频率调节的光伏系统额定总功率,KPV为光伏系统功频静态特性系数,Δfth为频率偏差阈值。
频率偏差阈值Δfth的表达式为:
其中,频率偏差阈值满足:
S3:根据频率协调方法,使光伏系统、储能系统根据频率偏差阈值协调运行,参与多源微电网系统的频率一次调节;
多源微电网频率调节过程中,以柴油机系统作为主要调频系统,同时优先通过光伏系统主动参与频率一次调节,有效利用光伏调频功率;当光伏系统调频功率输出达到最大值时,储能系统开始动作调节超过频率偏差阈值的频率偏差量。通过以上协调策略实现多源微电网的频率一次调节,实现光伏系统主动参与频率一次调节,有效利用了光伏系统调频能力,有助于减小储能系统的频繁动作和功率配置。
S4:基于柴油机系统构建滑模负荷频率控制器;
401)建立含有不确定参数和源荷随机扰动集合项的柴油机系统的状态模型,柴油机系统的状态模型为:
其中:
d(t)=[ΔPd(t)+ΔPPV(t)+ΔPB(t)-ΔPL(t)]
式中,KP为电力系统增益,TP为电力系统时间常数,Tg为调速器时间常数,Tt为柴油机时间常数,R为柴油机系统的调速系数,Kε为积分控制增益,ΔXd(t)为调速器阀门位置变化量,ΔPd(t)为柴油机系统输出功率变化量,ΔPB(t)为蓄电池储能系统有功功率变化量,ΔPL(t)为多源微电网的负荷变化量,Δf(t)为多源微电网的频率偏差量,ΔE(t)为积分控制变化量。
402)定义M(x,t)=ΔAx(t)+ΔBu(t)+(F+ΔF)d(t)作为系统不确定参数和源荷随机扰动的集合项,将状态方程改写为:
式中,u(t)为自适应律;
403)根据含有不确定性和扰动性集合项的状态模型,设计积分型滑模面和自适应律,求解控制变量。
设计积分型滑模面g(t)满足方程:
g(t)=Cx(t)-∫C(A-BH)x(τ)dτ
式中,C和H分别为具有适当维数的常数矩阵。
积分型滑模面g(t)的存在条件为:
自适应律u(t)的表达式为:
式中,ξ满足||M(x,t)||<ξ。
S5:将滑模负荷频率控制器输出指令作为柴油机系统二次频率调整的补偿量,结合频率协调方法完成频率协调。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明通过设置光伏调频功率使光伏系统保证其功率输出的基础上实现其主动参与频率调节;
(2)本发明通过光柴储多源微电网的频率协调实现不同发电系统的合理协调,在实现频率稳定在合理范围的前提下,可保证最大化利用可再生能源,减小储能系统的频繁动作和功率配置;
(3)本发明通过设计自适应滑模负荷频率控制器,降低系统不确定性对频率质量造成的影响,同时将控制器输出量补偿到柴油机系统二次调频环节,使系统频率偏差波动范围更小,并能够减少储能系统的使用,延长其使用寿命;
(4)本发明采用了滑模算法作为处理方法,其设计简单,响应速度快,对外界干扰和参数摄动具有强鲁棒性。
附图说明
图1为多源微电网结构图;
图2为频率协调方法流程图;
图3为多源微电网整体控制框图;
图4为基于RTDS的实验框图;
图5为实施例中采用光伏发电系统主动参与频率调整的微电网频率偏差图;
图6为光伏系统调频功率变化图;
图7为随机负荷波形图;
图8为光照强度曲线图;
图9为实施例中采用多源微电网频率协调的微电网频率偏差图;
图10为储能系统功率变化图;
图11为实施例中采用本发明方法的微电网频率偏差图。
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。
实施例
针对图1所示的含光风储的多源微电网,为了充分利用光伏系统调频能力并提高微电网系统频率质量,本发明提出了基于自适应鲁棒控制的频率协调方法,从多类型发电系统协调运行层面与柴油机系统二次调频层面来提高微电网系统频率质量。一种基于自适应鲁棒控制的多源微电网频率协调方法包括以下步骤:
一、构建包含多组光伏系统、柴油机系统、储能系统及多种类型的负荷的多源微电网系统。
1)光伏发电系统
光伏系统是一种非线性系统,其能够用电流源模型表示。光伏系统的传统I-V特性可以表示为:
式中:I0、V0分别是光伏系统输出的电流和电压;Ig是给定光照强度SN下产生的电流;SN是光伏电池板反向饱和电流;q是电子电量;K是波尔曼兹常数;D是二极管理想因子;Np是并联光伏电池板数量;Ns是串联光伏电池板数量;Irsh是光伏电池板内阻电流;Ior是饱和电流;TN是光伏电池板的温度;Tref是参考温度;Eg是材料跨越能阶所需能量;It是短路电流温度系数;Isc是光伏系统的短路电流。
2)储能系统
储能系统具有响应速度快、能量密度高、功率和容量配置灵活等优点,是电力系统频率管理的一种重要手段。蓄电池是储能系统类型中最为常见的种类之一,参与电力系统的稳定运行和多种控制。为了分析蓄电池储能系统的动态性能,可以将该储能系统用一个连接等效电池的变换器等效。等效电池输出电压为:
式中:Eboc是等效电池开路电压;Ebt是等效电池过电压;Rbt是连接电阻;Rbs是等效电池内电阻。
依据变换器电路分析可得蓄电池储能系统吸收/释放的有功功率如下式所示:
3)柴油机发电系统
通过将具有非线性和时变性的柴油机系统在其稳定运行点附近进行线性化,忽略同步发电机的电压和功角动态特性和机间振荡,使得柴油机系统可以用代表其整体性能的一台发电机等效表示。柴油机系统模型如下列公式所示:
式中:Δf、ΔPd、ΔXd、ΔE分别是微电网频率变化量、柴油机系统输出功率变化量、调速器阀门位置变化量和积分控制变化量;Kp是电力系统增益;TP是电力系统时间常数;Tt是柴油机时间常数;Tg是调速器时间常数;RI是调速系数;Kε是积分控制增益;u是柴油机系统二次调频补偿量。
二、为使光伏系统能够主动参与微电网频率调节,需要确定光伏系统一次调频所需的调频功率。定义φ%为光伏调频功率比,其计算公式为:
式中:ΔPR是光伏系统的调频功率。
由于实际微电网运行过程中,光照强度对光伏系统的输出功率影响较大,因此其调频功率的设定需要根据光照强度的变化进行浮动,则光伏调频功率比可更改为:
多组光伏系统采用最大功率控制,当微电网频率发生变化时,通过对不同容量的光伏系统功率参考值ΔPref增加修正量ΔPf获得最终输出功率值使得光伏系统在自身调频功率范围内主动参与系统频率调节。第i个光伏系统最终输出功率值可由下式表示:
式中:ΔPMi,Pi分别是第i个光伏系统实际输出的最大功率和额定输出功率;Pt分别是所有参与频率调节的光伏系统额定总功率;KPV是光伏系统功频静态特性系数。ΔPfi满足ΔPfi≤ΔPMiφ%,即光伏系统调频的频率阈值Δfth满足
三、光伏调频功率随着光照强度的变化而改变,然而ΔPR是有界限的。当ΔPR达到最大值ΔPRmax时,光伏系统调节系统频率的能力将受到限制,如系统频率偏差继续增大,仍会导致频率质量的恶化,因此储能系统成为微电网频率调节的重要部分,用来调节光伏调频功率无法调节的频率偏差部分,保证系统频率稳定。储能系统功频特性传递函数为:
式中:ΔPE是储能系统功率参考值,TE是储能系统响应时间常数,Δf2是储能系统需要调节的频率偏差量。
本发明提出的频率协调方法以柴油机为主要调频设备进行微电网系统频率一次调节和二次调节。然后根据光伏调频功率设置光伏系统和储能系统协调参与频率调节的频率阈值Δfth。当微电网频率偏差Δf未达到Δfth时,由柴油机系统和光伏系统协调进行频率调节,当光伏调频功率使用率达到最大,或是微电网负荷波动较大时,将会导致频率偏差Δf超过Δfth,此时储能系统开始主动参与系统频率调节,使得系统频率恢复到正常范围内。储能系统释放/吸收的功率所承担的频率调节范围Δf2如下式所示:
Δf2=Δf-Δfth
在上述频率协调策略中,负荷的波动、光照强度的随机性和微电网系统参数的不确定性均会导致频率偏差Δf超过Δfth,为了抑制这些因素的影响,设计自适应滑模负荷频率控制器对柴油机系统二次调频进行补偿,以通过强鲁棒控制优化微电网系统频率质量。基于自适应鲁棒控制的多源微电网频率协调方法如图2所示。
四、滑模算法是一种特殊的非线性控制算法,主要体现为控制的不连续性。滑模算法主要作用于动态过程,并不要求系统有固定的结构,并能够根据预定设计的滑动模态轨迹有目的地不断变化,迫使系统按照既定的滑动模态运动。由于滑动模态的设计与控制对象参数和系统扰动无关,使得该控制算法不仅具有响应速度快的特点,而且对参数变化和扰动具有强鲁棒性。滑模算法设计包含滑模面设计和滑动模态控制律设计两个部分。
本发明设计的滑模负荷频率控制器基于柴油机系统并考虑系统参数不确定性和源荷随机扰动,系统状态方程为:
其中:
d(t)=[ΔPd(t)+ΔPPV(t)+ΔPB(t)-ΔPL(t)]
上式中,ΔPd(t)为柴油机系统输出功率变化量,ΔPPV(t)为光伏系统输出功率变化量,ΔPB(t)为蓄电池储能系统有功功率变化量,ΔPL(t)为多源微电网的负荷变化量。
定义M(x,t)=ΔAx(t)+ΔBu(t)+(F+ΔF)d(t)作为系统不确定参数和源荷随机扰动的集合项,则系统状态方程可改写为:
针对系统状态方程设计积分型滑模面g(t)满足方程:
g(t)=Cx(t)-∫C(A-BH)x(τ)dτ
式中:C和H分别是具有适当维数的常数矩阵,用来保证滑动模态渐进稳定且具有良好的动态品质,其中H满足λ(A-BH)<0,C能够使CB非奇异。通过李雅普诺夫分析,系统在滑模面上状态是稳定的。
设计滑动模态的存在条件为:
式中,a是自适应正常数。
由积分型滑模面方程和滑动模态存在条件解得自适应滑模控制律为:
式中:ξ满足||M(x,t)||<ξ。
五、基于自适应鲁棒控制的多源微电网频率协调方法的整体控制结构图如图3所示。将滑模负荷频率控制器输出指令作为柴油机系统二次频率调整的补偿量,同时根据提出的频率协调策略共同作用提高微电网系统频率质量。
算例分析
为证明本发明方法能够在充分利用光伏系统调频能力的基础上提高多源微电网的频率质量,本实施例基于RTDS平台搭建了多源微电网进行验证分析,如图4所示。多源微电网中柴油发电机容量为70W,光伏发电系统容量分别为20W和15W,储能系统功率和容量分别为20W和0.04kWh,负荷采用可变负荷来验证负荷波动对系统频率质量的影响。多源微电网系统参数及自适应鲁棒控制参数见表1所示。
表1多源微电网系统参数及自适应鲁棒控制参数
(1)算例1光伏发电系统主动参与频率调整
多源微电网中光伏发电系统在光伏调频功率范围内主动参与频率调整,而不只是直接提供最大输出功率,有利于充分发挥光伏系统的频率调节能力。设置随机负荷阶跃波动输出序列为{0.77,0.76,0.76,0.88,0.8},光伏系统1所受到的随机光照强度序列为{590,750,600,615,725},光伏系统2所受到的随机光照强度序列为{660,780,650,670,755},在此参数输入情况下,分别对光柴微电网中光伏系统主动参与频率管理与光伏系统直接最大功率输出两种情况进行实验。微电网系统频率偏差图和不同光伏系统调频功率使用情况分别如图5、图6所示。由图5可以看出在0s和15s时,光伏系统主动参与频率调节可以使微电网系统频率偏差减小,而在30s和45s时,光伏系统主动参与频率调节与直接进行最大功率输出所产生的频率偏差基本一致。通过图6可以看出不同光伏系统的调频功率是不同的且有限的,在0s和15s时,光伏系统调频功率充足,可以根据频率偏差主动参与频率调节,而在30s和45s时,系统频率偏差已经越过设定频率阈值,光伏系统的调频功率已达到最大,无法再通过调频功率主动参与频率调节。通过以上分析能够体现光伏系统在其调频功率范围内可以主动参与频率调节并有效降低频率偏差,但是光伏系统调频功率受光照强度影响,且是有限的,一旦频率偏差越过频率阈值,微电网系统仍会处于不稳定状态。
(2)算例2多源微电网频率协调方法
为解决因系统频率偏差过大且光伏系统调频功率达到最大值而无法继续主动参与频率管理的问题,在多源微电网中增加储能系统,并根据频率协调策略进行多种类型发电系统协调运行,实现频率质量的有效提高。本验证采用随机负荷波形图如图7所示,不同光伏系统的光照强度变化曲线如图8所示。微电网系统频率波形图和储能系统功率变化图分别如图9、图10所示。通过图9可以看出在不含自适应鲁棒控制的频率协调策略与无协调策略的两种工作情况中,微电网系统的频率均能有效的维持在±0.1范围内,未出现超过±0.2范围的情况。通过储能系统的投入运行,保证了微电网频率可以稳定运行在合理的范围内。同时图9还可以看出在含有光柴储系统频率协调策略的情况中,光伏系统调频功率主动参与频率调节,相较于无协调策略的频率偏差幅值更小。图10是储能系统释放和吸收功率的变化图,通过统计发现无协调策略情况下,储能系统释放和吸收功率超过0.02p.u.的次数达31次,而在频率协调策略协调运行情况下该次数仅有23次,而且能够减小释放和吸收功率的幅值。由此可以得出频率协调策略的使用不仅能够减少储能系统充放电频率,延长储能系统使用寿命,同时在微电网储能系统容量/功率的配置过程中,减少储能系统的配置,降低微电网系统成本。
(3)算例3基于自适应鲁棒控制的频率协调方法
微电网系统中存在多种多样的不确定和随机性。系统参数会随环境条件、时间推移等因素发生不确定变化,如光伏系统输出功率随光照强度发生随机波动且具有间歇性,系统负荷随时间推移随机变化,这些是协调策略无法弥补的。通过设计自适应鲁棒控制对系统不确定性因素进行控制,配合协调策略共同作用于微电网系统,使系统频率质量更加有效的提高,系统可以稳定运行。该种情况下同样使用算例2中的随机负荷波动和随机光照强度。图11是使用基于自适应鲁棒控制的频率协调策略,无鲁棒控制的频率协调策略和不使用协调策略三种情况下的频率偏差波形图。从图11中可以清晰的看到无协调策略情况下系统频率偏差多次出现超过系统稳定运行的频率偏差范围±0.2,而使用无鲁棒控制的频率协调策略后,频率偏差可以保证在±0.1范围内,使系统能够稳定运行。通过使用基于自适应鲁棒控制的频率协调策略,可以看出频率偏差进一步减小,未出现达到±0.1幅值的频率偏差,则可以避免储能系统的使用,仅仅通过光伏系统主动参与调频与柴油机系统配合即可实现频率稳定,降低了因系统不确定性而导致的储能系统频繁参与频率调节,有利于保护储能系统,并降低储能系统的功率配置。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,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工作人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于自适应鲁棒控制的多源微电网频率协调方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
1)构建包含多组光伏系统、柴油机系统、储能系统及多种类型的负荷的多源微电网系统;
2)设定光伏系统的调频功率,获取频率偏差阈值;光伏系统的调频功率ΔPR的表达式为:
式中,ΔPMi、Pi分别为第i个光伏系统实际输出的最大功率和额定输出功率,Pt为所有参与频率调节的光伏系统额定总功率,KpV为光伏系统功频静态特性系数,Δfth为频率偏差阈值;
频率偏差阈值Δfth的表达式为:
其中,频率偏差阈值满足:
式中,ΔPR为光伏系统的调频功率;
光伏调频功率比的表达式为:
3)根据频率协调方法,使光伏系统、储能系统根据频率偏差阈值协调运行,参与多源微电网系统的频率一次调节;
以柴油机系统作为主要调频系统,同时优先通过光伏系统主动参与频率一次调节;当光伏系统调频功率输出达到最大值时,储能系统开始动作调节超过频率偏差阈值的频率偏差量,实现多源微电网系统的频率一次调节;
4)基于柴油机系统构建滑模负荷频率控制器;具体包括以下步骤:
401)建立含有不确定参数和源荷随机扰动集合项的柴油机系统的状态模型,柴油机系统的状态模型为:
其中:
d(t)=[ΔPd(t)+ΔPPV(t)+ΔPB(t)-ΔPL(t)]
式中,Kp为电力系统增益,Tp为电力系统时间常数,Tg为调速器时间常数,Tt为柴油机时间常数,R为柴油机系统的调速系数,Kε为积分控制增益,ΔXd(t)为调速器阀门位置变化量,ΔPd(t)为柴油机系统输出功率变化量,ΔPB(t)为蓄电池储能系统有功功率变化量,ΔPL(t)为多源微电网的负荷变化量,Δf(t)为多源微电网的频率偏差量,ΔPPV(t)为光伏系统的实际输出功率变化量,ΔE(t)为积分控制变化量;
402)定义M(x,t)=ΔAx(t)+ΔBu(t)+(F+ΔF)d(t)作为系统不确定参数和源荷随机扰动的集合项,将状态方程改写为:
式中,u(t)为自适应律;
403)根据含有不确定性和扰动性集合项的状态模型,设计积分型滑模面和自适应律,求解控制变量;
5)将滑模负荷频率控制器输出指令作为柴油机系统二次频率调整的补偿量,结合频率协调方法完成频率协调。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应鲁棒控制的多源微电网频率协调方法,其特征在于,设计积分型滑模面g(t)满足方程:
g(t)=Cx(t)-∫C(A-BH)x(τ)dτ
式中,C和H分别为具有适当维数的常数矩阵。
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CN107526009A (zh) * | 2017-09-13 | 2017-12-29 | 国电南瑞科技股份有限公司 | 一种根据频率和电流变化时序的孤岛检测防误闭锁方法 |
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