CN115986718A - 一种基于采样控制的电力系统负荷频率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于采样控制的电力系统负荷频率控制方法,步骤包括:首先建立电力系统负荷频率控制模型,然后构造Lyapunov泛函建立保证电力系统负荷频率控制稳定的充分条件,最后基于系统的稳定性条件,得到求解控制器的方法。本发明以此获得求解控制器的方法,得到的控制器可以容许更大的采样周期变化范围,具有更好的鲁棒性,可以减轻网络传输压力降低数据采样次数,减少数据传输量,降低运营成本。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统控制技术领域,更具体地,涉及一种基于采样控制的电力系统负荷频率控制方法。
背景技术
现代电力系统趋于向规模化和复杂化的方向发展,电网规模不断扩大,运行更加复杂。由于电网规模庞大、运行特性复杂、现有控制措施局限等,互联电网在发生故障时可能波及更广的范围并造成极大的危害,使得社会发展受到极大的制约。
在现代电力系统中,负荷频率控制(LFC)将依托开放通信网络,进行信息交互,实现电力系统的频率稳定控制。如CN202010923829.4电力系统负荷频率控制方法及装置公开方法包括:根据电力系统负荷频率参数以及反馈误差信号,构建离散时间域闭环控制状态方程;根据所述离散时间域闭环控制状态方程,基于最优控制理论,获取实时控制信号;根据所述实时控制信号调节所述电力系统负荷频率参数。该发明提供的负荷频率控制系统优化控制方法实现了在网络通信时延存在的情况下实时自动跟踪电力系统负荷频率参数的变化并调节,使电力系统频率保持规定值,保证系统的稳定性。
尽管开放通信网络的使用为电力系统LFC带来了诸多好处,但其也不可避免的给LFC系统带来了其它问题,如:通信网络中的网络诱导时滞、带宽限制等约束,都可能使LFC系统性能降低,无法达到预期的控制目标。为了实现大系统的安全稳定运行,降低大规模停电风险,有必要从全局范围的角度对电力系统运行进行监测、分析和控制。由于基于广域测量系统获得的电力系统的状态信息需要周期性的进行发送,因此,面向开放通信网络在环电力系统,基于采样控制的电力系统LFC的稳定性分析和控制器设计方法的研究具有非常重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有技术中复合频率控制的数据采样次数多,数据量大、网络创术压力高等的不足,提供一种基于采样控制的电力系统负荷频率控制方法。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现:
一种基于采样控制的电力系统负荷频率控制方法,步骤包括:
S1.建立单区域电力系统负荷频率控制的结构模型,为
其中,x(t)∈Rn为系统状态,y(t)为输出信号;u(t)∈Rm为控制输入,y(tk)表示采样tk时刻的输出值;A、B、C分别为系统矩阵、输入矩阵和输出矩阵,K为控制增益,tk+1-tk=hk∈[h1,h2]为采样周期;h1和h2为采样周期的最小值和最大值;
S2.基于S1中的结构模型,构建Lyapunov泛函V(xt);
S3.对S2中Lyapunov泛函V(xt)求导,并根据Lyapunov稳定性理论,得到电力系统稳定性判据;
S4.基于S3的电力系统稳定性判据,得到镇定控制器设计条件:
则系统渐近稳定;
其中,
这里,M、D、Tg、Tch与R分别表示发电机组转动惯量、发电机组阻尼系数、调速器时间常数、水轮机时间常数与调速器的速度跌落系数。
进一步地,Lyapunov泛函V(xt)具体表示为
r(n)=[r(n),r(n-1),…r(n-l)]
其中,P、Q1、Q2、Q3、R1和R2是待定矩阵并且满足:P、R1与R2是正定对称矩阵,Q3是对称矩阵。
其中,
er=[0n×(r-1)n In 0n×(7-r)n](r=1,2,…,7),Π1=Ae1+BKCe2,
进一步地,步骤S3中电力系统稳定性判据为:
进一步地,电力系统稳定性判据的计算过程为:
T3.整理后得到:
进一步地,所述控制器求解步骤为:
这里,diag{…}表示对角矩阵。
Y2.同时对Ψ1(hk)左乘和右乘diag{Λ1,Λ2},而对Ψ2(hk)左乘和右乘diag{Λ1,Λ3};
Y3.引入新的变量:
进一步地,所述控制器增益为:K=VL-1CT(CCT)-1。
进一步地,控制器稳定条件存在的非线性项LZ1 -1L和LZ2 -1L采用锥补线性化迭代算法计算。
进一步地,锥补线性化迭代算法包括:
Z2.将稳定条件替换为:
因此,通过引入新的变量P,Hi,Ri,i=1,2,式(4)可转换为
Z4.上述非凸问题可以转化为以下基于线性矩阵不等式的非线性最小化问题:
Subject to(3)以及
Z5.计算得到控制器增益K以及获得最大采样周期hmax。
与现有技术相比,有益效果是:
本发明通过建立电力系统负荷频率控制模型,然后通过构造Lyapunov泛函建立保证电力系统负荷频率控制稳定的充分条件,最后基于系统的稳定性条件,得到求解控制器的方法,得到的控制器可以容许更大的采样周期变化范围,以减轻网络传输压力降低数据采样次数,减少数据传输量,降低运营成本,具有一定的前瞻性、经济性。
附图说明
图1为本发明实施例1的方法流程示意图图;
图2为单区负荷频率控制的结构模型;
图3为单区域电力系统装备控制器K在采样周期h=0.1s时的频率偏差响应图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步解释和阐明,但具体实施例并不对本发明有任何形式的限定。
实施例
如图1所示,本实施例提供一种基于采样控制的电力系统负荷频率控制方法,包括以下步骤:
S1.建立单区域电力系统负荷频率控制的结构模型;
由图2所示的单区负荷频率控制的结构模型,得到单区域负荷频率控制的状态空间模型为:
具体地,ACE=βΔf, ΔPm和ΔPv分别为发电机机械输出和阀门的位置;ACE、Δf和β分别为区域控制误差、频率偏差与频率偏差因子;M、D、Tg、Tch与R分别表示发电机组转动惯量、发电机组阻尼系数、调速器时间常数、水轮机时间常数与调速器的速度跌落系数。
PI控制器为:
基于此,采用的控制器为:
假设虚拟变量和输出变量分别如下:
闭环系统改写为下列形式:
S2.基于S1中的结构模型,构建Lyapunov泛函V(xt);
所述的Lyapunov泛函V(xt)为:
其中,P、Q1、Q2、Q3、R1和R2是待定矩阵并且满足:P、R1与R2是正定对称矩阵,Q3是对称矩阵。
S3.根据Lyapunov稳定性理论,得到电力系统稳定性判据;
S31.定义以下符号:
S34.将0=2ξT(t)Y1[(t-tk)e6-e4]ξ(t)和0=2ξT(t)Y2[(tk+1-t)e7-e5]ξ(t)
S35.对步骤S32-S34进行整理后得到
其中,
其中,M、N、Y1和Y2是合适维数的矩阵。
综上,得到系统的稳定性判据。
S4.基于S3的电力系统稳定性判据,得到稳定控制器;
其中,diag{…}表示对角矩阵。
S42.对Ψ1(hk)左乘和右乘diag{Λ1,Λ2},而对Ψ2(hk)左乘和右乘diag{Λ1,Λ3}。
S43.更改变量:
则系统渐近稳定。
其中,
此外,控制器增益为:K=VL-1CT(CCT)-1。
实施例2
本实施例提供在上述的稳定条件中存在非线性项:LZ1 -1L和LZ2 -1L,采用锥补线性化迭代算法计算,步骤包括:
S2.将稳定条件替换为:
通过引入新的变量P,Hi,Ri,i=1,2,将其可转换为
S4.将非凸问题可以转化为以下基于线性矩阵不等式的非线性最小化问题:
S5.设计控制器增益K以及获得最大采样周期hmax。
S51.选择足够小的初始值h1和h2且满足h2≥h1≥0,使式(3)和式(6)存在一组可行解集。设置hmax=h2。
S52.求解一组可行集(P0,L0,U10,U20,H10,H20,Z10,Z20,R10,R20,V)满足式(3)和式(4)。
S53.求解以下线性矩阵不等式问题:
S54.如果在第三步中得到的控制器增益K使线性矩阵不等式(1)成立,则设置hmax=h2,增大h2到一定程度并返回第二步。
如果式(1)在给定的迭代时间内保持不变,则退出。否则,设置k=k+1执行第三步。
实施例3
本实施例为了验证实施例1和实施例2所述方法的效果,本实施例给出了的仿真实验。假设电力系统参数如表1所示:
表1
D | M | R | Tg | Tch |
0.0830pu/Hz | 0.1667pu.s | 2.40Hz/pu | 0.08s | 0.30s |
S1.给定采样周期h1=h2=h=0.1s,利用给出的锥补线性化迭代算法,求得控制器K=[-0.0470 -0.0722]。
S2.为了验证上述求得的控制器增益K的效果,通过在MATLAB中搭建Simulink仿真模型进行验证,当系统遭受0.06pu的阶跃负荷变化时,系统的频率偏差响应如图3所示。从图3中可以看出,系统在该负荷条件变化下经过约25s后频率偏差回到稳定状态。这说明我们提出的设计方法可以保证电力系统频率的稳定性。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于采样控制的电力系统负荷频率控制方法,其特征在于,步骤包括:
S1.建立单区域电力系统负荷频率控制的结构模型,为
其中,x(t)∈Rn为系统状态,y(t)为输出信号;u(t)∈Rm为控制输入,y(tk)表示采样tk时刻的输出值;A、B、C分别为系统矩阵、输入矩阵和输出矩阵,K为控制增益,tk+1-tk=hk∈[h1,h2]为采样周期;h1和h2为采样周期的最小值和最大值;
S2.基于S1中的结构模型,构建Lyapunov泛函V(xt);
S3.对S2中Lyapunov泛函V(xt)求导,并根据Lyapunov稳定性理论,得到电力系统稳定性判据;
S4.基于S3的电力系统稳定性判据,得到镇定控制器设计条件:
则系统渐近稳定;
其中,
8.根据权利要求1所述基于采样控制的电力系统负荷频率控制方法,其特征在于,所述控制器增益为:K=VL-1CT(CCT)-1。
9.根据权利要求1所述基于采样控制的电力系统负荷频率控制方法,其特征在于,控制器稳定条件存在的非线性项LZ1 -1L和LZ2 -1L采用锥补线性化迭代算法计算。
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