CN110957745B - 一种基于滑模控制的提高电网频率稳定性的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于滑模控制的提高电网频率稳定性的方法，可以更加快速的控制电网频率；包括以下步骤：步骤1：搭建单区域离网发电机组数学模型，构建系统状态方程；步骤2：设计系统的滑模面函数，并且运用李雅普诺夫判据判断其收敛：步骤3：设计系统的控制率u,并用李雅普诺夫判断其收敛性。相比传统的PID控制方法，本发明采用滑模控制方法进行频率控制，滑模控制策略主要创新在于滑模面函数采用比例‑积分(PI)函数，控制速率快，系统抗干扰能力强。

Description

一种基于滑模控制的提高电网频率稳定性的方法
技术领域
本发明涉及电力系统自动化技术领域，尤其涉及一种基于滑模控制的提高电网频率稳定性的方法。
背景技术
随着电力网络复杂程度的增大，电力系统稳定成为大电网安全的关键，一旦电力系统稳定遭到破坏，将造成巨大的经济损失和灾难性后果。随着区域系统规模的逐渐扩大，突发的区域扰动对电网频率稳定性造成极其不利后果。
近几年来，全球化范围的电力工业改革步伐日益加快，竞争机制下的电力市场已逐步建立，电网的开放和行业化运营使得电力系统运行越来越接近系统的极限，经济性和安全稳定性的互相制约也进一步加强，使得系统安全稳定问题越来越突出，也越来越复杂，力求稳定性下的经济性将成为电网发展的大趋势。这些都对系统频率稳定控制提出了新的挑战。
稳定电网频率的方法大多采用PID控制方法，目前大量非线性负荷投入使用，传统的PID控制不能更好的控制电网频率。
发明内容
本发明的目的是解决现有方法存在的上述问题，提供一种基于滑模控制的提高电网频率稳定性的方法，可以更加快速的控制电网频率。
本发明的技术解决方案是：
一种基于滑模控制的提高电网频率稳定性的方法，包括以下步骤：
步骤1：搭建单区域离网发电机组数学模型，构建系统状态方程：
其中为单区域系统各种状态矩阵，x为电力系统状态变量矩阵，u为待设计控制器的输出矩阵，ΔPd为外部干扰，A、B、C为系统参数；
步骤2：设计系统的滑模面函数，并且运用李雅普诺夫判据判断其收敛：
具体步骤：
步骤2.1：构造李雅普诺夫函数，判断滑模面收敛，以保证有良好的控制效果；
步骤2.2：设计常数矩阵G的参数，保证矩阵GB为可逆矩阵；
步骤2.3：设计常数矩阵K的参数，保证矩阵(A-BK)的特征值小于0。
步骤3：设计系统的控制率u,并用李雅普诺夫判断其收敛性。
进一步，步骤2.1中运用李雅普诺夫证明滑模面函数收敛，对s求导过程；
当时，求解公式3得到
ueq＝-Kx(t)-B-1GCΔPd 公式4
将公式4代入至公式1，并对积分，求得状态函数为：
x＝x0e-(A-BK)t 公式5。
进一步，步骤3包括：
步骤3.1设计趋近律
u＝Kx(t)-d-GBλsgn(s(t)) 公式6
设计||CΔPd||≤d且λ＞0。
步骤3.2构造李雅普诺夫函数
步骤3.3将公式6、公式2代入公式7得到故设计的趋近律u可以保证稳定。
进一步，步骤1所述系统参数A、B、C取值分别为：
本发明具有以下有益效果：相比传统的PID控制方法，本发明采用滑模控制方法进行频率控制，滑模控制策略主要创新在于滑模面函数采用比例-积分(PI)函数，控制速率快，系统抗干扰能力强。
附图说明
图1是本发明的系统控制框图。
具体实施方式
本发明的一种基于滑模控制的提高电网频率稳定性的方法，包括以下步骤：
步骤1：建立单区域离网发电机组数学模型，其控制框图如图1所示；图中：KB-频率偏差系数；R-调速系数；KE-积分增益；KP-电力系统增益；u-待求控制律；TG-发电机时间常数；TT-调速器时间常数；TP-电力系统时间常数；ΔXg-调压阀位置改变量；ΔPg-功率输出改变量；ΔPd-负荷扰动量；ΔE-积分增益改变量；Δf-频率改变量；各参数取值如下表：
Tp Kp TT TG R KE KB
20 120 0.3 0.08 2.4 10 0.41
建立微网系统数学表达式:
其中:为单区域系统各种状态矩阵，x为电力系统状态变量矩阵，u为待设计控制器的输出矩阵，ΔPd为外部干扰，A、B、C为系统参数；所述系统参数A、B、C取值：
步骤2：设计微网系统的滑模面函数，并且运用李雅普诺夫判据判断其收敛，本实施例的滑模面函数为：
步骤2.1运用李雅普诺夫证明滑模面函数收敛，对s求导，判断滑模面收敛，以保证有良好的控制效果；
当时，求解公式3得到
ueq＝-Kx(t)-B-1GCΔPd 公式4
将公式4代入至公式1，并对积分，求得状态函数为：
x＝x0e-(A-BK)t 公式5
步骤2.2：根据步骤2的滑模面函数，设计常数矩阵G的参数，保证矩阵GB为可逆矩阵。步骤2.3：根据公式5设计常数矩阵K的参数，保证矩阵(A-BK)的特征值小于0。
步骤3：设计系统的控制率u,并用李雅普诺夫判断其收敛性；
步骤3.1设计趋近律。
u＝Kx(t)-d-GBλsgn(s(t)) 公式6
设计||CΔPd||≤d且λ＞0。
步骤3.2构造李雅普诺夫函数
步骤3.3将公式6、公式2代入公式7得到故设计的趋近律u可以保证稳定。实例：
B＝[0 0 13.021 0]T，
C＝[-6 0 0 0]T
K＝[1.4988 1.9918 0.6374 0.7199]T，
并且在2.5s时刻内注入ΔPd＝0.02pu的负荷扰动；运用滑模控制与PID控制频率稳定性见表1。
方法 PID控制 滑模控制
频率偏差稳定至0的时间 15-20s 5-10s
因此当负荷扰动出现后，运用滑模控制使频率回到正常范围得速度更加快速。
以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于滑模控制的提高电网频率稳定性的方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：搭建单区域离网发电机组数学模型，构建系统状态方程：
其中为单区域系统各种状态矩阵，x为电力系统状态变量矩阵，u为待设计控制器的输出矩阵，ΔPd为外部干扰，A、B、C为系统参数；所述系统参数A、B、C取值分别为：
式中：KB-频率偏差系数；R-调速系数；KE-积分增益；KP-电力系统增益；u-待求控制律；TG-发电机时间常数；TT-调速器时间常数；TP-电力系统时间常数；
步骤2：设计系统的滑模面函数，并且运用李雅普诺夫判据判断其收敛：
具体步骤：
步骤2.1：构造李雅普诺夫函数，判断滑模面收敛，以保证有良好的控制效果；
所述李雅普诺夫函数；
当时，求解公式(3)得到
ueq＝-Kx(t)-B-1GCΔPd (4)
将公式(4)代入至公式(1)，并对积分，求得状态函数为：
x＝x0e-(A-BK)t
(5)；
通过判断滑模面是否收敛；
步骤2.2：设计常数矩阵G的参数，保证矩阵GB为可逆矩阵；
步骤2.3：设计常数矩阵K的参数，保证矩阵(A-BK)的特征值小于0；
步骤3：设计系统的控制率u,并用李雅普诺夫判断其收敛性；
步骤3.1设计趋近律
u＝Kx(t)-d-GBλsgn(s(t)) (6)
设计||CΔPd||≤d且λ＞0；
步骤3.2将公式(6)、公式(2)代入公式(7)得到使设计的趋近律u保证稳定。
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