CN110690715A - 一种多区互联电力系统负荷频率滑模控制器设计方法 - Google Patents

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CN110690715A CN201910451235.5A CN201910451235A CN110690715A CN 110690715 A CN110690715 A CN 110690715A CN 201910451235 A CN201910451235 A CN 201910451235A CN 110690715 A CN110690715 A CN 110690715A
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郭欢
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/24—Arrangements for preventing or reducing oscillations of power in networks

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种多区互联电力系统负荷频率滑模控制器设计方法，包括：先定义滑模面公式
Figure DDA0002075213540000011
基于所述滑模面公式饱和函数代替符号函数，定义控制律得到系统控制器的控制输入量ui(t)；定义第i个区域存在负载干扰的系统状态方程；基于所述状态方程和所述控制输入量，进行闭环系统的控制应用本发明实例，基于滑模辅助反馈对PI切换面和控制律进行改进，在减小抖振的前提下，使系统能够快速收敛稳定地进入滑动模态，极大地提高了系统的稳定性。

Description

一种多区互联电力系统负荷频率滑模控制器设计方法
技术领域
本发明涉及滑模控制器设计技术领域，尤其涉及一种多区互联电力系统负 荷频率滑模控制器设计方法。
背景技术
随着现代经济社会的快速发展和人类需求的不断增加，人类生活对电能的 依赖性越来越强。众所周知电能的特殊性，其存储技术要求非常高，因此电能 的存储非常困难，且成本较高。基于这种现状，如何提高电能的利用率，是提 高电能质量、减少损失，实现电能经济效益最大化的关键。负荷的任意突然变 化都有可能导致系统间联络线交换功率的偏差及系统频率的波动。因此，为保 证电能质量，需要一个负荷频率控制系统，该系统的目的是将系统频率维持在 标称值并且尽可能使控制区域之间的联络线交换功率最小。现有的一些滑模控 制方法虽然对负荷频率能够有效的控制，但在复杂度和快速性上还有待进一步 提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多区互联电力系统负荷频率滑模控制器设计方 法，旨在基于滑模辅助反馈对PI切换面和控制律进行改进，在减小抖振的前提 下，使系统能够快速收敛稳定地进入滑动模态，极大地提高了系统的稳定性。
为了实现上述目的，本发明提供一种多区互联电力系统负荷频率滑模控制 器设计方法，包括步骤：
定义滑模面公式
Figure BDA0002075213520000011
为：
Figure BDA0002075213520000012
其中，Gi和Li为常数矩阵,且Gi的选取条件为保证GiBi是非奇异矩阵,Li为反 馈增益矩阵；xi(t)为系统模型中的向量，Ai是系统参数，σi是常数矩阵，φi(t)是 区域控制偏差与频率的综合矩阵；τ是积分量；
基于所述滑模面公式
Figure BDA0002075213520000013
饱和函数代替符号函数，定义控制律得到系统控 制器的控制输入量ui(t)；
Figure BDA0002075213520000021
其中，
Figure BDA0002075213520000022
是φi(t)的导数，hi为扰动补偿增益，hi为正常数，ε0＞0，D是系 统参数，sat是状态函数；
定义第i个区域存在负载干扰的系统状态方程；
基于所述状态方程和所述控制输入量，进行闭环系统的控制。
一种实现方式中，所述定义第i个区域存在负载干扰的系统状态方程为：
Figure BDA0002075213520000023
其中，且ΔAi，ΔBi，ΔDi均为系统模型参数的不确定项，ΔPdi为未知负载干扰，
Figure BDA0002075213520000024
为系统模型的参数矩阵。
应用本发明实施例提供的多区互联电力系统负荷频率滑模控制器设计方 法，基于滑模辅助反馈对PI切换面和控制律进行改进，在减小抖振的前提下， 使系统能够快速收敛稳定地进入滑动模态，极大地提高了系统的稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例的流程示意图。
图2是本发明实施例的一种效果示意图。
图3是本发明实施例的一种效果示意图。
图4是本发明实施例的一种效果示意图。
图5是本发明实施例的一种效果示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本 说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过 另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于 不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1-2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明 本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施 时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可 为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1本发明提供一种多区互联电力系统负荷频率滑模控制器设计方法， 包括步骤：
定义滑模面公式
Figure BDA0002075213520000031
为：
设计基于辅助反馈改进的积分滑模面公式为：
定义如下式子:
Figure BDA0002075213520000032
本文进行改进的滑模面设计为：
Figure BDA0002075213520000033
其中，Gi和Li为常数矩阵,且Gi的选取条件为保证GiBi是非奇异矩阵,Li为反馈增益矩阵,ACEi(t)为区域控制偏差；Δfi为区域的频率偏差，Ei为频率偏差系数，Ki为系统参数，Pij是区域联络线功率。
因此，当可得到等效控制为：
基于所述滑模面公式
Figure BDA0002075213520000037
饱和函数代替符号函数，定义控制律得到系统控 制器的控制输入量ui(t)；
本文为了对系统进行扰动补偿，采用饱和函数代替符号函数的方法来设计 控制律得到系统控制器的控制输入量为：
其中hi为扰动补偿增益，hi为正常数，ε0＞0。
定义
Figure BDA0002075213520000042
为饱和函数：
Figure BDA0002075213520000043
证明:选取Lyapunov函数为：
结合前式整理可得：
Figure BDA0002075213520000045
由于在正常运行时，电力系统负荷频率的参数扰动和负荷变化都是有 界的，故|ΔPdi|≤hi。因此对于设计的控制系统，有Vi≥0和
Figure BDA0002075213520000046
表明本文提出的 控制律满足滑动模态的到达条件和稳定性要求。
定义第i个区域存在负载干扰的系统状态方程。
具体过程包括：电力系统具有复杂非线性的特点，尤其是对于多区域互联 电力系统。但在负荷频率控制中，正常运行时负荷的变化非常小，可以将模型 线性化处理。本文详细介绍了基于辅助反馈改进的多区互联电力系统负荷频率 滑模控制器的设计方法。系统模型见图2，为了简化计算，主要以两区域电力系 统负荷频率模型作为例子来研究。
系统方程为：
Figure BDA0002075213520000051
Figure BDA0002075213520000052
Figure BDA0002075213520000053
Figure BDA0002075213520000054
Figure BDA0002075213520000055
Δfi为区域的频率偏差；ΔPti为汽轮机输出功率偏差；ΔPgi为调速器输出功率 偏差；
Figure BDA0002075213520000056
ACEi(t)＝ΔPij(t)+EiΔfi(t)为区域控制误差；ΔPdi为未知负载干扰。Tpi为控制时间常数；Tti为汽轮机时间常数；Tgi为调速器时间常数；Kpi为 控制区域增益；Ei为频率偏差系数。
第i个区域存在负载干扰的系统状态方程为：
Figure BDA0002075213520000057
系统模型中的向量定义为：x＝[Δfi,ΔPti,ΔPgi,ΔPei,ΔPij]T，令：
Figure BDA0002075213520000058
则式(6)简化为，
Figure BDA0002075213520000059
其中系统参数为：
Figure BDA0002075213520000061
Figure BDA0002075213520000062
且ΔAi，ΔBi，ΔDi均为系统参数的不确定项。
基于所述状态方程和所述控制输入量，进行闭环系统的控制。
本发明的一种实现方式中，所述定义第i个区域存在负载干扰的系统状态方 程为：
Figure BDA0002075213520000063
其中，ΔPdi为未知负载干扰。
式(10)带入系统状态方程(7)得：
Figure BDA0002075213520000064
令：Ai0＝Ai-BiLi
则：
Figure BDA0002075213520000066
通过选取的Li需要满足Ai0为Hurwitz，即λi(Ai-BiLi)＜0那么就能保证闭环系统的稳定性能。具体的，另i为1得到如图2所示的电力系统负荷频率系统模型 图。
为验证本设计的合理性，对系统进行仿真验证。
系统参数选取为：
Figure BDA0002075213520000071
经仿真验证，图3区域1频率偏差响应，图4区域1滑模切换函数，图5 区域2频率偏差响应。本文采用的控制器的设计方法对存在参数变化和负荷扰 动的多区域电力系统频率能够起到很好的控制作用。在保证闭环系统稳定的前 提下，能使其在短时间内偏差收敛到零点，对于系统的抖振也起到了很好的抑 制作用。通过图3-图5可以证明控制器的有效性和稳定性。
因此，通过仿真图得到区域频率偏差可以在10s内快速收敛到零，减小波 动对整个系统的损失影响，达到控制效果。所设计改进的积分滑模控制律能够 在尽可能较小抖振的情况下，系统满足稳定性定理。
本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在 不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所 属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完 成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (2)

1.一种多区互联电力系统负荷频率滑模控制器设计方法，其特征在于，包括步骤：
定义滑模面公式
Figure FDA0002075213510000011
为：
Figure FDA0002075213510000012
其中，Gi和Li为常数矩阵,且Gi的选取条件为保证GiBi是非奇异矩阵,Li为反馈增益矩阵；xi(t)为系统模型中的向量，Ai是系统参数，σi是常数矩阵，φi(t)是区域控制偏差与频率的综合矩阵；τ是积分量；
基于所述滑模面公式
Figure FDA0002075213510000013
饱和函数代替符号函数，定义控制律得到系统控制器的控制输入量ui(t)；
其中，
Figure FDA0002075213510000015
是φi(t)的导数，hi为扰动补偿增益，hi为正常数，ε0＞0，D是系统参数，sat是状态函数；
定义第i个区域存在负载干扰的系统状态方程；
基于所述状态方程和所述控制输入量，进行闭环系统的控制。
2.根据权利要求1所述的一种多区互联电力系统负荷频率滑模控制器设计方法，其特征在于，所述定义第i个区域存在负载干扰的系统状态方程为：
Figure FDA0002075213510000016
其中，且ΔAi，ΔBi，ΔDi均为系统模型参数的不确定项，ΔPdi为未知负载干扰，
Figure FDA0002075213510000017
为系统模型的参数矩阵。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114362132A (zh) * 2021-04-21 2022-04-15 上海电力大学 基于分数阶滑模的互联电力系统负荷频率控制器设计方法
CN114362132B (zh) * 2021-04-21 2024-03-26 上海电力大学 基于分数阶滑模的互联电力系统负荷频率控制器设计方法

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