CN113595102A - 一种基于储能电源阻尼电力系统低频振荡的控制方法 - Google Patents

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严耀良
倪秋龙
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周靖皓
黄金波
周正阳
孙维真
徐建元
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韩其国
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Abstract

本发明公开了一种基于储能电源阻尼电力系统低频振荡的控制方法,包括以下步骤:构建有功阻尼控制器和模糊控制器;有功阻尼控制器以广域测量系统采集的远端振荡信号为输入,并引入一路时延模糊输入来判断时延的大小;模糊控制器根据时延的大小选择相应的模糊规则,给出与远端振荡信号同相位的控制输出;根据时滞稳定裕度分析数据,对有功阻尼控制器的增益进行调节,调节储能电源的有功输出,抑制发电机功角或系统频率振荡。本发明的控制方法可以根据时延动态调整模糊规则,在补偿反馈信号时延的同时,尽可能地提高系统的阻尼比,使得控制器在不同时滞下的控制效果基本相同,具有很好的时滞鲁棒性,兼顾了时延补偿和阻尼控制。

Description

一种基于储能电源阻尼电力系统低频振荡的控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统振荡阻尼的技术领域,尤其涉及一种基于储能电源阻尼电力系统低频振荡的控制方法。
背景技术
电网规模的扩大在一定程度上会降低其整体的阻尼特性,使得发生低频振荡的风险增大。一旦交流系统出现大幅持续低频振荡,必定伴随着传输功率和电压的同步大幅波动,这将会威胁到整个电力系统的安全稳定运行。因此,研究电力系统的振荡阻尼和控制策略,降低电网低频振荡的风险,是电力系统研究的重点。
近几年,电化学储能技术越来越成熟,正向着大功率、高耐用和低成本的目标迅速发展,同时伴随着一个主要任务是探索研究将储能电源运用到电力系统稳定控制上,具体涉及如何运用合适的控制理论和方法进行振荡阻尼控制器的设计。
发明内容
本发明主要解决原有的控制方法无法兼顾时延补偿和阻尼控制的技术问题;提供一种基于储能电源阻尼电力系统低频振荡的控制方法,可以根据时延动态调整模糊规则,在补偿反馈信号时延的同时,尽可能地提高系统的阻尼比,使得控制器在不同时滞下的控制效果基本相同,不必为了补偿时滞而牺牲一部分控制性能,具有很好的时滞鲁棒性,兼顾了时延补偿和阻尼控制。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:本发明包括以下步骤:
构建阻尼控制器和模糊控制器,所述阻尼控制器包括有功阻尼控制器;
有功阻尼控制器以广域测量系统采集的远端振荡信号为输入,并引入一路时延模糊输入来判断时延的大小;
模糊控制器根据时延的大小选择相应的模糊规则进行模糊推理,并根据输入的发电机转速Δδ和其导数Δω判断远端振荡信号的大小和变化趋势,给出与远端振荡信号同相位的控制输出;
根据时滞稳定裕度分析数据,对有功阻尼控制器的增益大小进行调节;
根据有功阻尼控制器的增益调节储能电源的有功输出,抑制发电机功角或系统频率振荡。
本发明的控制方法可以根据时延动态调整模糊规则,在补偿反馈信号时延的同时,尽可能地提高系统的阻尼比,使得控制器在不同时滞下的控制效果基本相同,不必为了补偿时滞而牺牲一部分控制性能,具有很好的时滞鲁棒性,兼顾了时延补偿和阻尼控制。
作为优选,所述的时延的大小范围分成3档,分别为低时延(S)、中时延(M)和高时延(B),低、中、高时延分别对应不同的模糊规则。
作为优选,模糊控制器输入的模糊子集划分与隶属度函数设计如下:输入量发电机转速Δδ表征系统振荡的情况,其模糊分割数设置为7,分别为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},使用三角形隶属度函数;输入量发电机转速的导数Δω表示振荡变化趋势,由正负表示,模糊分割数设置为2,分别为{N,P},使用梯形隶属度函数;
模糊控制器输出的模糊子集划分与隶属度函数设计如下:输出的模糊子集的模糊分割数设置为7,分别为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},使用三角形隶属度函数;
时延模糊输入的模糊分割数设置为3,分别为{S,M,B},使用梯形结合三角形隶属度函数;
基于模糊控制器输入输出的模糊子集划分与隶属度函数以及时延模糊输入,经过多次反复试验,确定模糊规则。
能够精确地反映输入的变化,从而较为精确地调整输出。
作为优选,所述时滞稳定裕度Tdmax指系统保持小扰动稳定时能承受的最大延时。
对时滞稳定裕度进行数据分析,即分析了通信时滞与系统稳定性的关系。
作为优选,通过如下方式对有功阻尼控制器的增益大小进行调节:将模糊控制器的控制输出经比例因子转换为阻尼控制器增益。
作为优选,所述的阻尼控制器还包括无功阻尼控制器,无功阻尼控制器与模糊控制器相结合,将储能接入点电压及其导数作为无功阻尼控制器的反馈输入信号,模糊控制器输出无功阻尼控制器的增益,调节储能电源的无功输出,抑制电源波动。
在阻尼低频振荡的同时,兼顾储能电源接入点的电压稳定,将储能接入点母线电压及其导数作为无功阻尼控制器的反馈输入信号,调节储能电源无功输出,抑制电压波动,兼顾了无功电压控制,充分发挥了储能电源的功率调节能力,具有很好的工程应用前景。
作为优选,所述的阻尼控制器包含增益、隔直和超前滞后三个环节,所述模糊控制器包括模糊化、模糊推理、解模糊化三个环节。
本发明的有益效果是:
1)本发明的控制方法可以根据时延动态调整模糊规则,在补偿反馈信号时延的同时,尽可能地提高系统的阻尼比,使得控制器在不同时滞下的控制效果基本相同,不必为了补偿时滞而牺牲一部分控制性能,具有很好的时滞鲁棒性,兼顾了时延补偿和阻尼控制;
2)在阻尼低频振荡的同时,兼顾储能电源接入点的电压稳定,将储能接入点母线电压及其导数作为无功阻尼控制器的反馈输入信号,调节储能电源无功输出,抑制电压波动,兼顾了无功电压控制,充分发挥了储能电源的功率调节能力,具有很好的工程应用前景;
3)引入一路时延模糊输入,达到时延补偿的作用。
附图说明
图1是本发明储能电源控制系统的一种结构示意图。
图2是本发明阻尼控制器的一种模型结构示意图,其中,图(a)为有功阻尼控制器,图(b)为无功阻尼控制器。
图3是本发明时滞稳定裕度与阻尼控制器增益的一种变化曲线图。
图4是本发明模糊控制器的一种内部原理示意图,其中,图(a)为模糊控制器的有功模糊控制,图(b)为模糊控制器的无功模糊控制。
图5是本发明一种含储能电源的单机无穷大系统等值电路图。
图6是本发明一种大扰动下发电机功角振荡阻尼效果曲线图。
图7是本发明一种小扰动下发电机有功功率振荡阻尼效果曲线图。
图8是本发明Fuzzy-WSDC控制器时滞补偿效果曲线图。
图9是本发明一种小扰动下储能电源输出有功功率曲线图。
图10是本发明的一种小扰动下的储能电源接入点电压曲线图。
具体实施方式
下面通过实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例:本实施例的一种基于储能电源阻尼电力系统低频振荡的控制方法,如图1所示,储能电源通过电压源型逆变器与电网相连,逆变器的控制系统包含两个部分,即功率外环与电流内环,功率外环根据期望的控制目标生成内环控制所需的功率指令值,电流内环控制根据外环给定的指令值,结合储能电源的运行状态产生实时驱动信号,调控开关管的开通和关断,进而控制储能装置与电网进行有功和无功交换。
控制方法具体包括以下步骤:
构建阻尼控制器和模糊控制器,其中,阻尼控制器包含增益、隔直和超前滞后三个环节;模糊控制器包括模糊化、模糊推理、解模糊化三个环节;阻尼控制器包括有功阻尼控制器和无功阻尼控制器。本实施例的功阻尼控制器和无功阻尼控制器的模型如图2所示。
在使用储能电源阻尼电力系统低频振荡时可以同时输出有功和无功,其阻尼控制器的关键参数为增益KWSDC,其利用Maltab仿真计算可以得出。随着阻尼控制器增益KWSDC的增大,系统转子角振荡模式的阻尼比会不断增大,但同时其他振荡模式阻尼比会逐渐减小,如有功控制下的控制器模式与无功控制下的励磁模式,因此KWSDC取值不能过大,只能在一定范围内适度调节,在保证系统稳定的前提下,尽可能提高转子角模式的阻尼比。
已有实践证明,采用远端信号,即使是很小的时滞(如35ms)也可能让不考虑时滞因素的阻尼控制器失效。为了分析通信时滞与系统稳定性的关系,需要求解系统的时滞稳定裕度,即在系统保持小扰动稳定的前提下,所能承受的最大延时被称为系统的时滞稳定裕度Tdmax。图3为仿真获得的时滞稳定裕度Tdmax随阻尼控制器增益KWSDC的变化图。
通过以上分析可以得出,阻尼控制器KWSDC的值越大,闭环系统的阻尼特性就越强,但同时对于时滞的容忍度就越低,反之亦然。因此,在设计阻尼控制器时,KWSDC的取值必须要综合考虑。
因此在抑制发电机功角或系统频率振荡时,
有功阻尼控制器以广域测量系统采集的远端振荡信号为输入,并引入一路时延模糊输入来判断时延的大小,时延的大小范围分成3档,分别为低时延(S)、中时延(M)和高时延(B),低、中、高时延分别对应不同的模糊规则。
模糊控制器输入的模糊子集划分与隶属度函数设计如下:输入量发电机转速Δδ表征系统振荡的情况,其模糊分割数设置为7,分别为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},使用三角形隶属度函数;输入量发电机转速的导数Δω表示振荡变化趋势,由正负表示,模糊分割数设置为2,分别为{N,P},使用梯形隶属度函数;
模糊控制器输出的模糊子集划分与隶属度函数设计如下:输出的模糊子集的模糊分割数设置为7,分别为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},使用三角形隶属度函数;
时延模糊输入的模糊分割数设置为3,分别为{S,M,B},使用梯形结合三角形隶属度函数;
基于模糊控制器输入输出的模糊子集划分与隶属度函数以及时延模糊输入,经过多次反复试验,确定模糊规则,模糊规则如表1所示。
表1模糊规则
Figure BDA0003131700660000051
模糊控制器根据时延的大小选择相应的模糊规则进行模糊推理,并根据输入的发电机转速Δδ和其导数Δω判断远端振荡信号的大小和变化趋势,通过Δδ和其导数Δω的变化,就可以有效地掌握Δδ在一个周波内的位置,同时可以预测Δδ的短期变化趋势,然后给出与远端振荡信号同相位的控制输出,兼顾了时延补偿与阻尼控制。
由于重心法具有更平缓的输出推理控制,因此选用重心法解模糊化。
根据时滞稳定裕度分析数据,对有功阻尼控制器的增益大小进行调节,即将模糊控制器的控制输出经比例因子转换为阻尼控制器增益KWSDC(P)。针对低、中、高三档延时区间,依据图3可分别确定比例因子ku的大小。
根据有功阻尼控制器的增益调节储能电源的有功输出,抑制发电机功角或系统频率振荡。模糊控制器的有功模糊控制如图4(a)所示。
无功阻尼控制器与模糊控制器相结合,将储能接入点电压ΔU及其导数
Figure BDA0003131700660000052
作为无功阻尼控制器的反馈输入信号,模糊控制器输出无功阻尼控制器的增益KWSDC(Q),调节储能电源的无功输出,抑制电源波动。模糊控制器的有功模糊控制如图4(a)所示。
基于Matlab/Simulink搭建的如图5所示的单机无穷大系统,进行仿真验证:
仿真算例(大扰动):0.5s时在线路2上设置三相短路故障,0.6s时切除故障,增益kWSDC的初始值取35,反馈信号的延时Td设置为150ms。将仅包含有功与无功控制回路的阻尼控制器WSDC与引入模糊控制后的阻尼控制器Fuzzy-WSDC分别进行储能阻尼控制,得到系统发电机功角变化曲线如图6。
依据图3数据,当KWSDC取35时,系统的时滞稳定裕度为114ms,小于反馈信号的延时设置值150ms,因此只使用WSDC会出现控制输出与振荡信号存在相位差,发生控制错位,进而引起发电机功角发散振荡,系统无法稳定,相比较不加任何控制,使用WSDC反倒加剧了系统低频振荡的幅值。而Fuzzy-WSDC根据时延大小切换使用不同的模糊规则,通过平移输出来补偿信号延时,使得控制器的输出与振荡信号同相位,同时可以根据反馈信号及其导数的大小预知功角的短期变化趋势,从而动态地调整KWSDC,给出最合理的控制输出。
仿真算例(小扰动):在0.5s时给发电机的励磁机电压参考值增加一个ΔUref=+0.05pu的阶跃增量,持续0.5s,增益KWSDC的初始值取10,反馈信号延时设置为200ms,仿真后得到分别采用两种阻尼控制器时的发电机输出有功功率的变化曲线,见图7。从图中可以看到,在Fuzzy-WSDC控制器作用下发电机功率振荡幅值在第二个周波时迅速衰减,4秒内振荡基本平息,而WSDC控制器则需要16秒左右。图8为Fuzzy-WSDC时滞补偿效果示意曲线,功控制回路的输入信号为发电机功角增量Δδ,Δδ(t)为发电机功角实际振荡曲线,Δδ(t-0.2)为延时200ms后传入控制器的信号,u(t)为Fuzzy-WSDC控制器输出曲线,从图中可以看到,Fuzzy-WSDC控制器的输出信号u(t)从第二个周波开始就基本与Δδ(t)保持同相位,说明了Fuzzy-WSDC具有时滞补偿效果。图9为两种控制方式下的储能电源输出有功功率曲线。图10为两种控制器作用下储能电源接入点的母线电压变化,可以看出,在发电机发生功率振荡时,储能接入点的电压也会发生振荡,由于储能在提供有功支持外,还具备灵活的无功调节作用,并且两种控制器的无功阻尼控制回路均以储能接入点的母线电压为输入信号,因此在两种控制器作用下,电压均能地恢复稳定。Fuzzy-WSDC以储能接入点电压ΔU及其导数
Figure BDA0003131700660000061
为输入,可以根据二者的变化预测电压的短期变化趋势,进而通过改变无功控制回路增益KWSDC(Q)来灵活控制储能的无功输出,因此Fuzzy-WSDC下电压控制效果更好。

Claims (7)

1.一种基于储能电源阻尼电力系统低频振荡的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
构建阻尼控制器和模糊控制器,所述阻尼控制器包括有功阻尼控制器;
有功阻尼控制器以广域测量系统采集的远端振荡信号为输入,并引入一路时延模糊输入来判断时延的大小;
模糊控制器根据时延的大小选择相应的模糊规则进行模糊推理,并根据输入的发电机转速Δδ和其导数Δω判断远端振荡信号的大小和变化趋势,给出与远端振荡信号同相位的控制输出;
根据时滞稳定裕度分析数据,对有功阻尼控制器的增益大小进行调节;
根据有功阻尼控制器的增益调节储能电源的有功输出,抑制发电机功角或系统频率振荡。
2.根据权利要求1所述的一种基于储能电源阻尼电力系统低频振荡的控制方法,其特征在于,所述时延的大小范围分成3档,分别为低时延(S)、中时延(M)和高时延(B),低、中、高时延分别对应不同的模糊规则。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于储能电源阻尼电力系统低频振荡的控制方法,其特征在于,
模糊控制器输入的模糊子集划分与隶属度函数设计如下:输入量发电机转速Δδ表征系统振荡的情况,其模糊分割数设置为7,分别为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},使用三角形隶属度函数;输入量发电机转速的导数Δω表示振荡变化趋势,由正负表示,模糊分割数设置为2,分别为{N,P},使用梯形隶属度函数;
模糊控制器输出的模糊子集划分与隶属度函数设计如下:输出的模糊子集的模糊分割数设置为7,分别为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},使用三角形隶属度函数;
时延模糊输入的模糊分割数设置为3,分别为{S,M,B},使用梯形结合三角形隶属度函数;
基于模糊控制器输入输出的模糊子集划分与隶属度函数以及时延模糊输入,经过多次反复试验,确定模糊规则。
4.根据权利要求1所述的一种基于储能电源阻尼电力系统低频振荡的控制方法,其特征在于,所述时滞稳定裕度Tdmax指系统保持小扰动稳定时能承受的最大延时。
5.根据权利要求1所述的一种基于储能电源阻尼电力系统低频振荡的控制方法,其特征在于,通过如下方式对有功阻尼控制器的增益大小进行调节:将模糊控制器的控制输出经比例因子转换为阻尼控制器增益。
6.根据权利要求1所述的一种基于储能电源阻尼电力系统低频振荡的控制方法,其特征在于,所述阻尼控制器还包括无功阻尼控制器,无功阻尼控制器与模糊控制器相结合,将储能接入点电压及其导数作为无功阻尼控制器的反馈输入信号,模糊控制器输出无功阻尼控制器的增益,调节储能电源的无功输出,抑制电源波动。
7.根据权利要求1所述的一种基于储能电源阻尼电力系统低频振荡的控制方法,其特征在于,所述阻尼控制器包含增益、隔直和超前滞后三个环节,所述模糊控制器包括模糊化、模糊推理、解模糊化三个环节。
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