CN111654047A - 一种基于自抗扰的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自抗扰的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法。首先建立考虑非线性环节的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型；其次设计一个线性自抗扰控制器；然后基于抽水蓄能电站发电和抽水两种工作模式，建立抽水蓄能与电化学储能联合的两区域负荷频率控制模型；最后建立需求响应模型，分析不同程度需求响应控制下的抽/储联合自抗扰控制效果。本发明为抽/储联合负荷频率控制方法，考虑了实际电力系统中存在的非线性因素，通过自抗扰控制器与抽/储联合负荷频率控制的有效结合，进一步提高了电网频率控制的可靠性和电力系统运行稳定性。
Description
技术领域
本发明属于储能联合的负荷频率控制技术领域，具体涉及一种基于自抗扰的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法。
背景技术
随着传统煤炭、石油等一次能源的逐渐枯竭，能源问题已成为当前电网关注的焦点。分布式可再生能源因具备零污染、储量多、分布广等特点，在新能源发展中得到了广泛应用。随着可再生能源渗透率的日益升高，其固有间歇性和波动性可能对电能质量、电网安全、稳定运行带来不利影响。水电和火电机组为我国电网主要的电源装机结构，而地域和季节的差异影响了水电机组调频容量，火电机组又受蓄热制约，导致机组响应慢、爬坡率低，难以应对日益复杂与高效的电网系统，已无法满足电网日益增长的调频需求。因此，为确保实现可再生能源利用的灵活性，在未来电网加入合理的储能设备显得尤为重要。
在这一背景下，各类储能技术得到了快速的发展，其中抽水蓄能是当前最为成熟，应用最为广泛的储能方式，因具有启停迅速、运行调节灵活的特点，常作为一种优质的调频资源辅助火电机组参与系统调频。但抽水蓄能电站建设周期长，动态调节响应速度慢，如果将其作为调频主电厂，由于缺乏备用容量，会造成经济效益偏低，因此考虑引入电化学储能这一新的辅助调频手段，作为补充调频电源，凭借快速响应、精确跟踪特性来改善调频效果，同时保证调频的经济效益。
负荷频率控制是保证现代电网维持安全稳定运行的一项重要技术，随着控制理论与各种人工智能及优化算法的发展，负荷频率控制策略层出不穷。如自适应动态模型控制、滑膜控制、鲁棒控制、传统和分数阶PID控制等。在传统的线性负荷频率控制模型中，这些控制方法都展现出较好的效果，使电力系统的动态响应得到一定的改善。但是随着电网规模的日益扩大，区域内电站组成的多样化，以及非线性因素对电网调频的影响，传统方法存在控制方法多样，算法复杂，协调性较差等困难，因此电网实际的含参数不确定性、时变、延迟，并有非线性环节的负荷频率控制有待于进一步的研究。
总上所述，在指导储能更加高效地参与系统调频上还存在着大量的工作可做。例如结合水电资源丰富的抽水蓄能电站的电网背景，如何合理地根据电化学储能的运行特点，并考虑需求响应的影响，协调配合抽水蓄能机组实现高效调频；以及比较多类型储能参与调频相对于传统机组在控制方法与效果上的区别，均有待开展深入的研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于自抗扰的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法，在面对复杂的非线性系统和负荷扰动时，能够解决机组备用容量不足，响应速度慢，控制方法协调性差等问题，以增强机组的抗干扰性，改善系统二次调频的动态响应，高效实现系统的安全稳定运行。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于自抗扰的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
步骤10)建立考虑非线性环节的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型；
步骤20)建立线性自抗扰控制器模型，将其加入步骤10)所建模型中，得到含线性自抗扰控制器的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型；
步骤30)建立抽水蓄能与电化学储能联合的两区域负荷频率控制模型；
步骤40)考虑需求响应的影响，建立计及需求响应的抽/储联合系统负荷频率控制模型。
在步骤10)中，建立考虑非线性环节的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型具体包括以下步骤：
步骤101)建立机组模型和联络线模型：
构建再热式汽轮机的传递函数模型，如式(1)所示：
构建水轮机的传递函数模型，如式(2)所示：
式中，Tt为主进汽容积和汽室时间常数，Tr为再热器时间常数，Kr为蒸汽在高压气缸段产生的功率占总汽轮机功率的比例，Tw为水启动时间，s为拉普拉斯变换算子；
构建汽轮机调速器的传递函数模型，如式(3)所示：
构建水轮机调速器的传递函数模型，如式(4)所示：
式中，Tg为汽轮机调速器时间常数，R为水轮机组的调差系数，Kp，Ki，Kd为数字电液调速系统的比例、积分和微分增益，f为系统频率；
构建系统中功率扰动与其引起频率扰动的传递函数关系模型，如式(5)所示：
其中，
△Pg为发电机组输出功率；D为负荷阻尼系数，表示单位频率变化引起的负荷变化；△Pd为负荷功率变化；H为以标幺值定义的机组惯性常数；
构建联络线功率偏差的传递函数模型，如式(6)所示：
式中，△Ptieij为联络线流动功率微增量；△fi，△fj分别为i区域和j区域的频率偏差；Tij为联络线同步系数，其计算公式如式(7)所示：
式中，Xij为电路电抗；
为区域i的额定功率；θi，θj为联络线两端电压角；Vi，Vj为联络线两端电压；
同步功率系数aij的表达式如式(8)所示：
式中，
为控制区域j的发电机组的额定功率。
步骤102)确定区域控制误差，采用联络线频率偏差控制模式(TBC)，如式(9)所示：
ACE＝ΔPtie+β×Δf 式(9)
式中，ACE为反应区域控制误差；△Ptie为联接区域的联络线交换功率偏差；△f为扰动发生时的系统频率偏差；β为区域频率响应系数，其定义如式(10)所示：
βi＝Di+1/Ri 式(10)
式中，Ri为调差系数；Di为负荷阻尼系数；
步骤103)构建考虑调速器死区和发电速度约束的非线性环节：
构建具有死区的调速器线性化后的传递函数模型，如式(11)所示：
式中，N1和N2是非线性函数经过傅里叶级数展开的第二项和第三项的系数；Tg为调速器时间常数；ω0为正弦输入信号频率；
构建考虑发电速度约束的再热式汽轮机组模型，在再热式汽轮机组的出力变化中加入了限位装置，限位器最大变化值设置为0.0017p.u.MW/s。
在步骤20)中，建立线性自抗扰控制器模型，将其加入步骤10)所建模型中，得到含线性自抗扰控制器的两区域再热式汽轮机负荷频率控制模型，具体包括以下步骤：
步骤201)构建线性扩张状态观测器(LESO)：
将被控二阶对象Gp(s)用微分形式表示为如式(12)所示：
式中，u为被控对象的输入；
为输出的一阶和二阶微分；b为输入增益；w为外部扰动；g为外部扰动和系统自身摄动的总影响；y为输出，式(12)也可以表示为式(13)所示：
其中，
为系统的总扰动，用近似估计的增益值b0来替代b，令x1＝y、
x3＝l，定义l为系统的一个扩张状态，则系统的总扰动量被扩充为状态变量x3，假设l可微，并定义
则式(13)可以用状态空间表示为式(14)所示：
x1、x2、x3为系统状态变量，
y、
l的估计值用线性状态观测器得到式(15)：
其中z1、z2、z3为y、
l的估计值，β1、β2、β3为线性扩张观测器的增益参数，令ω0为线性状态观测器的带宽，将线性扩张观测器的特征方程配置为式(16)的形式：
λ0＝s2+β1s2+β2s+β3＝(s+ω0)3 式(16)
参数化的线性扩张观测器增益系数为：
步骤202)设置扰动补偿环节如式(18)所示：
u0为虚拟控制量，若z3＝l时，通过式(13)，得到
实现被控对象向双积分器串联结构的转换；
步骤203)构建线性反馈控制律：
系统状态误差计算控制信号u0，采用如式(19)所示的的比例-高阶微分控制率得到：
u0＝kp(r-z1)-kdz2
式(19)
在闭环稳定情况下，将式(19)带入扰动补偿后的双积分器串联对象式(18)中，得到控制系统的闭环方程如式(20)所示：
设控制器带宽为ωc，用ωc来表示闭环方程式(20)得到式(21)：
λ0＝s2+kds+kp＝(s+ωc)2 式(21)
控制器参数可以表示为式(22)：
在步骤30)中，建立抽水蓄能与电化学储能联合的两区域负荷频率控制模型，具体建模过程包括以下步骤：
步骤301)构建两阶段的抽水蓄能电站模型如式(23)所示：
式中，ΔPpd表示抽水蓄能电站工作在抽水工况时停止抽水向电网支援的功率大小；Gd(s)是抽水蓄能电站工作在发电工况时水轮机组调速器的传递函数模型；Gt(s)为水轮机组的传递函数模型；
步骤302)构建电化学储能模型：
电化学储能电源传递函数模型的传递函数表达式如式(24)-(29)所示：
其中，control(s)为控制信号，电池内部以电流作为响应变量；Tb为一阶惯性环节时间常数；Rseries为电池内阻；k为并联的单元的个数；n为串联电池单体的个数；m为并联的子系统个数；Ct为过电压电容；Rt为过电压电阻；Rc为对接储能单元与能量转换系统的连接阻抗；Voc为开路电压，开路电压Voc为荷电状态(SOC)的函数；Cp为电池额定容量；C0为电池初始容量；△Vc(s)为连接阻抗电压增量；△Vb(s)为储能电池前端电压值；△Vserious(s)为电池内阻电压增量；△Vt(s)为暂态电压增量；△Pb(s)为实际输出功率偏差。
在步骤40)中，考虑需求响应(DR)的影响，在抽/储联合系统的负荷频率控制模型中増加一条包含线性自抗扰控制器模型的闭环控制回路作为需求响应控制回路，形成计及需求响应的抽/储联合系统负荷频率控制模型，并引入一个需求系数a来决定需求响应所占比例，0<a<1，若a＝1，即系统所需的所有控制均由(DR)提供，若a＝0.2，意味着20％的控制将由(DR)提供，80％来自抽/储联合系统控制。
本发明提供的控制方法与现有技术相比具备如下优点：首先本发明考虑了对负荷频率控制有突出影响的几个非线性因素，克服了传统线性模型的不足。此次基于传统控制方法多样，算法复杂，协调性差等问题，本发明提出采用线性自抗扰控制，并将控制器带宽作为控制性能的调试参数，简化了计算，也易于整定和维护，获得了更好的精度、控制效果和鲁棒稳定性。然后本发明将抽水蓄能和电化学储能这两种储能技术的优点结合起来，取长补短，应用到电力系统调频需求中，进一步提高了电网频率控制的可靠性和电力系统运行的稳定性。最后考虑到需求响应的影响，得到了不用程度需求响应控制下的抽/储联合自抗扰控制效果。
附图说明
图1是本发明所述的考虑发电速度约束的再热式汽轮机机组模型示意图；
图2是本发明所述的计及需求响应的抽/储联合系统负荷频率控制模型示意图；
图3是本发明所述的线性自抗扰控制器结构示意图；
图4是本发明所述的电化学储能电源传递函数模型示意图；
图5是本发明具体实施例两区域再热式汽轮机机组负荷频率偏差示意图；
图6是本发明具体实施例发电工况下的频率和功率偏差示意图，其中6(a)为发电工况扰动区频率偏差示意图，6(b)为发电工况联络线交换功率偏差示意图；
图7是本发明具体实施例抽水工况下的频率和功率偏差示意图，其中7(a)为抽水工况扰动区频率偏差示意图，7(b)为抽水工况联络线交换功率偏差示意图；
图8是本发明具体实施例不同需求响应系数下的扰动区频率偏差示意图。
具体实施方式
为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种基于自抗扰的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
步骤10)建立考虑非线性环节的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型；
步骤20)建立线性自抗扰控制器模型，将其加入步骤10)所建模型中，得到含线性自抗扰控制器的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型；
步骤30)建立抽水蓄能与电化学储能联合的两区域负荷频率控制模型；
步骤40)考虑需求响应的影响，建立计及需求响应的抽/储联合系统负荷频率控制模型。
在步骤10)中，将考虑非线性的机组模型传递函数按电网实际运行方式相结合，并用联络线传递函数连接得到考虑非线性环节的两区域再热汽轮机组负荷频率控制系统模型，具体包括以下步骤：
步骤101)建立机组模型和联络线模型：
构建再热式汽轮机的传递函数模型，如式(1)所示：
构建水轮机的传递函数模型，如式(2)所示：
式中，Tt为主进汽容积和汽室时间常数，Tr为再热器时间常数，Kr为蒸汽在高压气缸段产生的功率占总汽轮机功率的比例，Tw为水启动时间，s为拉普拉斯变换算子；
构建汽轮机调速器的传递函数模型，如式(3)所示：
构建水轮机调速器的传递函数模型，如式(4)所示：
式中，Tg为汽轮机调速器时间常数，R为水轮机组的调差系数，Kp，Ki，Kd为数字电液调速系统的比例、积分和微分增益，f为系统频率；
构建系统中功率扰动与其引起频率扰动的传递函数关系模型，如式(5)所示：
其中，
ΔPg为发电机组输出功率；D为负荷阻尼系数，表示单位频率变化引起的负荷变化；ΔPd为负荷功率变化；H为以标幺值定义的机组惯性常数；
构建联络线功率偏差的传递函数模型，如式(6)所示：
式中，ΔPtieij为联络线流动功率微增量；Δfi，Δfj分别为i区域和j区域的频率偏差；Tij为联络线同步系数，其计算公式如式(7)所示：
式中，Xij为电路电抗；
为区域i的额定功率；θi，θj为联络线两端电压角；Vi，Vj为联络线两端电压；
同步功率系数aij的表达式如式(8)所示：
式中，
为控制区域j的发电机组的额定功率。
步骤102)确定区域控制误差，采用联络线频率偏差控制模式(Tie-Line andFrequency Bias Control，TBC)，如式(9)所示：
ACE＝ΔPtie+β×Δf
式(9)
式中，ACE为反应区域控制误差；△Ptie为联接区域的联络线交换功率偏差；Δf为扰动发生时的系统频率偏差；β为区域频率响应系数，其定义如式(10)所示：
βi＝Di+1/Ri 式(10)
式中，Ri为调差系数；Di为负荷阻尼系数；
步骤103)构建考虑调速器死区和发电速度约束的非线性环节：
构建具有死区的调速器线性化后的传递函数模型，如式(11)所示：
式中，N1和N2是非线性函数经过傅里叶级数展开的第二项和第三项的系数；Tg为调速器时间常数；ω0为正弦输入信号频率；
构建考虑发电速度约束的再热式汽轮机组模型示意图如图1所示，在再热式汽轮机组的出力变化中加入了限位装置，限位器最大变化值设置为0.0017p.u.MW/s。
在步骤20)中，建立线性自抗扰控制器模型，将其加入步骤10)建立的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型中，得到含线性自抗扰控制器的两区域再热式汽轮机负荷频率控制模型示意图，如附图2(不含虚线部分)所示，具体包括以下步骤：
步骤201)构建线性扩张状态观测器(LESO)：
将被控二阶对象Gp(s)用微分形式表示为如式(12)所示：
式中，u为被控对象的输入；
为输出的一阶和二阶微分；b为输入增益；w为外部扰动；g为外部扰动和系统自身摄动的总影响；y为输出，式(12)也可以表示为式(13)所示：
其中，
为系统的总扰动，用近似估计的增益值b0来替代b，令x1＝y、
x3＝l，定义l为系统的一个扩张状态，则系统的总扰动量被扩充为状态变量x3，假设l可微，并定义
则式(13)可以用状态空间表示为式(14)所示：
x1、x2、x3为系统状态变量，
y、
l的估计值用线性状态观测器得到式(15)：
其中z1、z2、z3为y、
l的估计值，β1、β2、β3为线性扩张观测器的增益参数，令ω0为线性状态观测器的带宽，将线性扩张观测器的特征方程配置为式(16)的形式：
λ0＝s3+β1s2+β2s+β3＝(s+ω0)3 式(16)
参数化的线性扩张观测器增益系数为：
步骤202)设置扰动补偿环节如式(18)所示：
u0为虚拟控制量，若z3＝l时，通过式(13)，得到
实现被控对象向双积分器串联结构的转换；
步骤203)构建线性反馈控制律：
系统状态误差计算控制信号u0，采用如式(19)所示的的比例-高阶微分控制率得到：
u0＝kp(r-z1)-kdz2
式(19)
在闭环稳定情况下，将式(19)带入扰动补偿后的双积分器串联对象式(18)中，得到控制系统的闭环方程如式(20)所示：
设控制器带宽为ωc，用ωc来表示闭环方程式(20)得到式(21)：
λ0＝s2+kds+kβ＝(s+ωc)2 式(21)
控制器参数可以表示为式(22)：
在步骤30)中，对考察的抽水蓄能和电化学储能分别进行建模，再将所建模型加入步骤20)建立的含线性自抗扰控制器的两区域再热式汽轮机负荷频率控制模型中，得到抽水蓄能与电化学储能联合的两区域负荷频率控制模型，如附图2(包含虚线部分)所示，具体建模过程包括以下步骤：
步骤301)构建两阶段的抽水蓄能电站模型如式(23)所示：
式中，ΔPpd表示抽水蓄能电站工作在抽水工况时停止抽水向电网支援的功率大小；Gd(s)是抽水蓄能电站工作在发电工况时水轮机组调速器的传递函数模型；Gt(s)为水轮机组的传递函数模型；
步骤302)构建电化学储能模型：
电化学储能电源传递函数模型的传递函数表达式如式(24)-(29)所示：
其中，control(s)为控制信号，电池内部以电流作为响应变量；Tb为一阶惯性环节时间常数；Rseries为电池内阻；k为并联的单元的个数；n为串联电池单体的个数；m为并联的子系统个数；Ct为过电压电容；Rt为过电压电阻；Rc为对接储能单元与能量转换系统的连接阻抗；Voc为开路电压，开路电压Voc为荷电状态(state of charge，SOC)的函数；Cp为电池额定容量；C0为电池初始容量；ΔVc(s)为连接阻抗电压增量；ΔVb(s)为储能电池前端电压值；ΔVserious(s)为电池内阻电压增量；ΔVt(s)为暂态电压增量；ΔPb(s)为实际输出功率偏差。
在步骤40)中，考虑需求响应(DR)的影响，在抽/储联合系统的负荷频率控制模型中增加一条包含线性自抗扰控制器模型的闭环控制回路作为需求响应控制回路，形成计及需求响应的抽/储联合系统负荷频率控制模型，并引入一个需求系数a来决定需求响应所占比例，0＜a＜1，若a＝1，即系统所需的所有控制均由(DR)提供，若a＝0.2，意味着20％的控制将由(DR)提供，80％来自抽/储联合系统控制。
实施例
本实施例针对抽水蓄能与电化学储能联合参与电网的负荷频率控制，首先建立了考虑调速器死区和发电速度限制的非线性条件下的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型；其次设计了一个线性自抗扰控制器，通过仿真对比分数阶PID和传统PID控制器，证明本发明所提自抗扰控制方法的可行性以及优良的控制性能；然后在抽水蓄能电站发电和抽水两种工况下加入电化学储能进行联合仿真控制，证明抽/储联合系统控制具有更强的抗扰性；最后考虑需求响应的影响，得到不同程度需求响应控制下的抽/储联合系统的自抗扰控制效果。
将步骤20)中建立的线性自抗扰控制器(Linear Auto Disturbance RejectionControl，LADRC)模型加入步骤10)含非线性环节的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型中，与分数阶PID和传统PID控制器进行仿真对比。两区域再热汽轮机组负荷频率控制参数如表1所示，i，j两个区域参数取值相同。联络线参数设置为：Tij＝0.545，aij＝-1，B＝0.425。控制器参数如表2所示，在1s时给区域i施加0.01p.u.MW的扰动信号，仿真时域为60s，图5为两区域再热式汽轮机组负荷频率偏差示意图。
表1再热式汽机组区域负荷频率控制基本参数
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
| T<sub>gi</sub> | 0.08s | T<sub>ri</sub> | 10s |
| T<sub>ti</sub> | 0.3s | T<sub>pi</sub> | 20s |
| K<sub>ri</sub> | 0.5 | K<sub>pi</sub> | 120 |
| R<sub>i</sub> | 2.4 |
表2控制器基本参数
从图5中可看出，是否考虑非线性对频率扰动的影响较大，其频率受扰动变化幅值显著增大，调节时间也有所延长。其原因是汽轮机转速约束在非线性因素中制约了机组的快速输出，导致功率不足，无法及时补偿，导致频率恢复较慢。其次对比三种不同的控制器，明显LADRC的控制效果最好，频率振荡幅值最小，调节时间最短。与传统PID控制器相比，振荡幅值约减小为0.016Hz，调节时间缩短近20秒，验证了本发明中提出的LADRC控制方法的正确性和有效性。
将步骤30)中建立的抽水蓄能电站模型和电化学储能模型加入步骤20)建立的含线性自抗扰控制器的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型中，模型中水轮机组的参数如表3所示。锂离子电化学储能系统功率为1MW，容量为1MWh，电化学储能单元功率为200KW，容量为200KWh，电池单体为50Ah的磷酸铁锂，其额定电流为50A，额定电压为3.2V，其他基本参数见表4所示。在1s时区域i发生0.015p.u.MW的扰动，仿真时域设置为60s，图6所示为发电工况下的频率和功率偏差示意图。
表3再热式水轮机组基本参数
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
| T<sub>wi</sub> | 1s | T<sub>pi</sub> | 20s |
| K<sub>pi</sub> | 120 | R<sub>i</sub> | 2.4 |
| K<sub>p</sub> | 1 | K<sub>d</sub> | 4 |
| K<sub>i</sub> | 5 |
表4电化学储能模型基本参数
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
| T<sub>b</sub> | 0.05s | R<sub>c</sub> | 0.0167W |
| C<sub>0</sub> | 750Ah | h | 85％ |
| C<sub>p</sub> | 1500Ah | R<sub>t</sub> | 0.001W |
| R<sub>series</sub> | 0.013W | C<sub>t</sub> | 1W |
| n | 240 | m | 6 |
| k | 5 |
工作在发电模式下的水轮机组几乎不受发电速度约束的限制，能够迅速提高输出功率，弥补因干扰引起的功率的不足。在加入了电化学储能之后，图6(a)直观的表现出其频率振荡幅值减小将近3倍，恢复时间缩短了近10s，调节更加平滑，振荡次数也大幅度减小。图6(b)中的联络线交换功率偏差将近减小一半，同时消除了加入抽水蓄能电站之后出现的少量超调，振荡次数减少，恢复平缓。可见在联合电化学储能后的系统负荷频率控制效果更佳，同时也进一步验证了线性自抗扰控制方法的可行性。
设置抽水工况下抽水蓄能电站的抽水功率为0.05p.u.MW，即△Ppd＝0.05，η＝1。参数及扰动设置与发电工况一致。图7为抽水工况下频率和功率偏差示意图。抽水蓄能电站在抽水工况下在收到电网发出的信号后停止抽水，快速切除部分负荷，将抽水所消耗的功率支援电网，以维持电网频率稳定。从图7(a)可知，在加入电化学储能后，电网发生扰动后的较短时间内能够获得一定的功率支援，频率波动范围缩短且更快速平稳的恢复到稳定状态，也未出现超调现象。对于图7(b)联络线交换功率，抽/储联合使振荡次数和最大幅值明显减少。
在步骤40)建立的计及需求响应的抽/储联合系统负荷频率控制模型中，分别取a＝0、0.12、0.45、0.88。即需求响应控制分别占0％、12％、45％和88％。在1s时给区域i加入0.01p.u.MW的扰动信号，仿真时域设置为25s，图8为不同程度需求响应系数下的扰动区频率偏差示意图。从图8中可看出，随着a取值升高，频率震荡幅值也随之增大，调节时间却有所减小。但观察a＝0.12，a＝0.45，a＝0.88，需求响应占比过多，振荡次数将会增多，恢复速度也有所减慢。由此得出：并不是说需求响应考虑得越多越好，而是有一定合适的范围，当需求响应加入过多，即需求响应控制回路在频率调节中占有较高份额时，系统对其敏感性会将低，反而控制效果不佳。选取适当的需求响应系数，不仅能促进可再生能源适应和减少电力负荷峰谷差异，而且对频率偏差的影响也能减小，实现电网的快速稳定。
本发明提出的一种基于自抗扰的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法，在面对复杂的非线性系统和负荷扰动时，解决了机组备用容量不足，响应速度慢，控制方法协调性差等问题，使用该方法能够增强机组的抗干扰性，改善系统二次调频的动态响应，高效实现系统的安全稳定运行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于自抗扰的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
步骤10)建立考虑非线性环节的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型；
步骤20)建立线性自抗扰控制器模型，将其加入步骤10)所建模型中，得到含线性自抗扰控制器的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型；
步骤30)建立抽水蓄能与电化学储能联合的两区域负荷频率控制模型；
步骤40)考虑需求响应的影响，建立计及需求响应的抽/储联合系统负荷频率控制模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法，其特征在于，在步骤10)中，建立考虑非线性环节的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型具体包括以下步骤：
步骤101)建立机组模型和联络线模型：
构建再热式汽轮机的传递函数模型，如式(1)所示：
构建水轮机的传递函数模型，如式(2)所示：
式中，Tt为主进汽容积和汽室时间常数，Tr为再热器时间常数，Kr为蒸汽在高压气缸段产生的功率占总汽轮机功率的比例，Tw为水启动时间，s为拉普拉斯变换算子；
构建汽轮机调速器的传递函数模型，如式(3)所示：
构建水轮机调速器的传递函数模型，如式(4)所示：
式中，Tg为汽轮机调速器时间常数，R为水轮机的调差系数，Kp，Ki，Kd为数字电液调速系统的比例、积分和微分增益，f为系统频率；
构建功率扰动与其引起频率扰动的传递函数关系模型，如式(5)所示：
其中，
△Pg为发电机组输出功率；D为负荷阻尼系数，表示单位频率变化引起的负荷变化；△Pd为负荷功率变化；H为以标幺值定义的机组惯性常数；
构建联络线功率偏差的传递函数模型，如式(6)所示：
式中，△Ptieij为联络线流动功率微增量；△fi，△fj分别为i区域和j区域的频率偏差；Tij为联络线同步系数，其计算公式如式(7)所示：
式中，Xij为电路电抗；P* i为区域i的额定功率；θi，θj为联络线两端电压角；Vi，Vj为联络线两端电压；
同步功率系数aij的表达式如式(8)所示：
式中，
为控制区域j的发电机组的额定功率。
步骤102)确定区域控制误差，采用联络线频率偏差控制模式(TBC)，如式(9)所示：
ACE＝ΔPtie+β×Δf 式(9)
式中，ACE为反应区域控制误差；△Ptie为联接区域的联络线交换功率偏差；△f为扰动发生时的系统频率偏差；β为区域频率响应系数，其定义如式(10)所示：
βi＝Di+1/Ri 式(10)
式中，Ri为调差系数；Di为负荷阻尼系数；
步骤103)构建考虑调速器死区和发电速度约束的非线性环节：
构建具有死区的调速器线性化后的传递函数模型，如式(11)所示：
式中，N1和N2是非线性函数经过傅里叶级数展开的第二项和第三项的系数；Tg为调速器时间常数；ω0为正弦输入信号频率；
构建考虑发电速度约束的再热式汽轮机组模型，在再热式汽轮机组的出力变化中加入了限位装置，限位器最大变化值设置为0.0017p.u.MW/s。
3.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法，其特征在于，在步骤20)中，建立线性自抗扰控制器模型，将其加入步骤10)所建模型中，得到含线性自抗扰控制器的两区域再热式汽轮机负荷频率控制模型，具体包括以下步骤：
步骤201)构建线性扩张状态观测器(LESO)：
将被控二阶对象Gp(s)用微分形式表示为如式(12)所示：
式中，u为被控对象的输入；
为输出的一阶和二阶微分；b为输入增益；w为外部扰动；g为外部扰动和系统自身摄动的总影响；y为输出，式(12)也可以表示为式(13)所示：
其中，
为系统的总扰动，用近似估计的增益值b0来替代b，令x1＝y、
x3＝l，定义l为系统的一个扩张状态，则系统的总扰动量被扩充为状态变量x3，假设l可微，并定义
则式(13)可以用状态空间表示为式(14)所示：
x1、x2、x3为系统状态变量，
y、
l的估计值用线性状态观测器得到式(15)：
其中z1、z2、z3为y、
l的估计值，β1、β2、β3为线性扩张观测器的增益参数，令ω0为线性状态观测器的带宽，将线性扩张观测器的特征方程配置为式(16)的形式：
λ0＝s3+β1s2+β2s+β3＝(s+ω0)3 式(16)
参数化的线性扩张观测器增益系数为：
步骤202)设置扰动补偿环节如式(18)所示：
u0为虚拟控制量，若z3＝l时，通过式(13)，得到
实现被控对象向双积分器串联结构的转换；
步骤203)构建线性反馈控制律：
系统状态误差计算控制信号u0，采用如式(19)所示的的比例-高阶微分控制率得到：
u0＝kp(r-z1)-kdz2 式(19)
在闭环稳定情况下，将式(19)带入扰动补偿后的双积分器串联对象式(18)中，得到控制系统的闭环方程如式(20)所示：
设控制器带宽为ωc，用ωc来表示闭环方程式(20)得到式(21)：
λ0＝s2+kds+kp＝(s+ωc)2 式(21)
控制器参数可以表示为式(22)：
4.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法，其特征在于，在步骤30)中，建立抽水蓄能与电化学储能联合的两区域负荷频率控制模型，具体建模过程包括以下步骤：
步骤301)构建两阶段的抽水蓄能电站模型如式(23)所示：
式中，△Ppd表示抽水蓄能电站工作在抽水工况时停止抽水向电网支援的功率大小；Gd(s)是抽水蓄能电站工作在发电工况时水轮机组调速器的传递函数模型；Gt(s)为水轮机组的传递函数模型；
步骤302)构建电化学储能模型：
电化学储能电源传递函数模型的传递函数表达式如式(24)-(29)所示：
其中，control(s)为控制信号，电池内部以电流作为响应变量；Tb为一阶惯性环节时间常数；Rseries为电池内阻；k为并联的单元的个数；n为串联电池单体的个数；m为并联的子系统个数；Ct为过电压电容；Rt为过电压电阻；Rc为对接储能单元与能量转换系统的连接阻抗；Voc为开路电压，开路电压Voc为荷电状态(SOC)的函数；Cp为电池额定容量；C0为电池初始容量；△Vc(s)为连接阻抗电压增量；△Vb(s)为储能电池前端电压值；△Vserious(s)为电池内阻电压增量；△Vt(s)为暂态电压增量；△Pb(s)为实际输出功率偏差。
5.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法，其特征在于，在步骤40)中，考虑需求响应(DR)的影响，在抽/储联合系统的负荷频率控制模型中増加一条包含线性自抗扰控制器模型的闭环控制回路作为需求响应控制回路，形成计及需求响应的抽/储联合系统负荷频率控制模型，并引入一个需求系数a来决定需求响应所占比例，0<a<1。
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