CN116131288A - 一种考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法及系统 - Google Patents

一种考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法及系统 Download PDF

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CN116131288A CN202310147998.7A CN202310147998A CN116131288A CN 116131288 A CN116131288 A CN 116131288A CN 202310147998 A CN202310147998 A CN 202310147998A CN 116131288 A CN116131288 A CN 116131288A
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Abstract

本发明公开一种考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法及系统，属于综合能源系统运行控制技术领域。在综合能源系统中加入扰动观测器，对风光波动产生的扰动进行估计，从而设计滑模面及趋近律，使系统状态通过滑模面渐近运动到期望的平衡状态，设计的滑模控制器能够根据扰动观测器得到的扰动估计量，实现在风光波动对系统负荷频率产生影响时的平衡控制。

Description

一种考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法及系统
技术领域
本发明涉及综合能源系统运行控制技术领域，特别是涉及一种考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法及系统。
背景技术
综合能源系统对提高社会能源利用效率、促进可再生能源规模化开发、提高社会基础设施利用率和能源供应安全，以及实现节能减排目标具有重要意义，已成为当今能源系统发展的主要方向。在实际工业过程中，传统的控制方法对处理不确定性和非线性问题上不具备优势，对于综合能源系统的频率控制问题，当系统频率发生波动时，动态变化的系统中的控制效果难以得到保证。滑模控制具有很强的鲁棒性，并具有响应速度快、易于实现等优点，但是普通的滑模控制器在进行控制时，无法在系统频率产生波动时对扰动进行估计，控制效果不能达到要求的性能指标。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法及系统，以在风光波动对系统负荷频率产生影响时进行平衡控制。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法，包括：
在综合能源系统中引入扰动观测器，对风光波动所产生的扰动进行估计，获得扰动估计量；
以所述扰动估计量有界为假定条件，构建滑模面和趋近律；
根据滑模面、趋近律和所述扰动估计量，建立滑模控制器；
利用所述滑模控制器对综合能源系统在受风光波动影响时的负荷频率进行平衡控制。
可选地，所述扰动观测器的构建过程为：
考虑风光波动，对综合能源系统进行数学建模；
根据综合能源系统的数学模型，构建扰动观测器。
可选地，所述考虑风光波动，对综合能源系统进行数学建模，具体包括：
考虑风光波动，建立综合能源系统的向量模型为
Figure BDA0004091328330000021
y＝Cx(t)
其中，y为系统输出，C为第一常数矩阵，u(t)为控制输入，x(t)为综合能源系统的状态变量，
Figure BDA0004091328330000022
为状态变量x(t)的一阶导数，x(t)＝[Δf(t),ΔPm(t),ΔXg(t),ΔE(t)]T，Δf(t)为频率偏差，ΔPm(t)为功率输出，ΔXg(t)为调速器阀位，ΔE(t)为频率偏差积分控制器增量，
Figure BDA0004091328330000023
为频率偏差Δf(t)的一阶导数，
Figure BDA0004091328330000024
为功率输出ΔPm(t)的一阶导数，
Figure BDA0004091328330000025
为调速器阀位ΔXg(t)的一阶导数，
Figure BDA0004091328330000026
为频率偏差积分控制器增量ΔE(t)的一阶导数；
Figure BDA0004091328330000027
Figure BDA0004091328330000028
Figure BDA0004091328330000029
Figure BDA00040913283300000210
ΔPL(t)为系统负荷有功变化量，ΔPg(t)为风力发电机输出功率，ΔPv(t)为光伏发电机输出功率，KE为积分控制增益，A为系统矩阵，B为输入矩阵，F为扰动项系数矩阵；
Figure BDA00040913283300000211
Figure BDA00040913283300000212
Tp、Tg、Tt分别为系统时间常数、调速器时间常数和汽轮机时间常数，Kp为系统增益，R为速度控制系数。
可选地，所述根据综合能源系统的数学模型，构建扰动观测器，具体包括：
聚合数学模型中的参数不确定项，将所述数学模型改写为
Figure BDA0004091328330000031
和y＝Cx(t)；其中，Ψ为第二常数矩阵，g(t)为不确定参数，假设(A,B)是可控的，且
Figure BDA0004091328330000032
Figure BDA0004091328330000033
和
Figure BDA0004091328330000034
均为正数；
根据改写后的数学模型，构建扰动观测器为
Figure BDA0004091328330000035
其中，
Figure BDA0004091328330000036
为扰动估计量，Θ(t)为观测器的内部向量，设Θ(0)＝εΥΨ+x(0)，
Figure BDA0004091328330000037
为观测器的内部向量Θ(t)的一阶导数，
Figure BDA0004091328330000038
Υ为赫尔维茨矩阵，ε为奇异扰动参数，Ψ+＝(ΨTΨ)-1ΨT，Ψ+为聚合矩阵。
可选地，以所述扰动估计量有界为假定条件，构建滑模面和趋近律，具体包括：
以所述扰动估计量有界为假定条件，构建滑模面为
Figure BDA0004091328330000039
其中，C1＝[c1 c2 c3 c4]为第三常数矩阵，C2＝[c5 c6 c7 c8]为第四常数矩阵，且满足多项式c4p3+c3p2+c2p+c1和c8p3+c7p2+c6p+c5是赫尔维茨的，c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8均为常数，p为变量；
根据
Figure BDA00040913283300000310
选择趋近律为
Figure BDA00040913283300000311
其中，k1、k2均为正数，
Figure BDA00040913283300000313
为滑模面σ的一阶导数。
可选地，所述滑模控制器为
Figure BDA00040913283300000312
一种考虑风光波动的综合能源系统频率控制系统，包括：
引入模块，用于在综合能源系统中引入扰动观测器，对风光波动所产生的扰动进行估计，获得扰动估计量；
滑模面构建模块，用于以所述扰动估计量有界为假定条件，构建滑模面和趋近律；
滑模控制器建立模块，用于根据滑模面、趋近律和所述扰动估计量，建立滑模控制器；
平衡控制模块，用于利用所述滑模控制器对综合能源系统在受风光波动影响时的负荷频率进行平衡控制。
一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前述的考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如前述的考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法及系统，在综合能源系统中加入扰动观测器，对风光波动产生的扰动进行估计，从而设计滑模面及趋近律，使系统状态通过滑模面渐近运动到期望的平衡状态，设计的滑模控制器能够根据扰动观测器得到的扰动估计量，实现在风光波动对系统负荷频率产生影响时的平衡控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法的原理图；
图3为本发明实施例提供的考虑风光波动的综合能源系统频率控制仿真图；
图4为本发明实施例提供的考虑风光波动的综合能源系统中系统状态仿真图。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种考虑风光波动的综合能源系统频率优化控制方法，首先考虑风光波动对系统负荷频率产生的影响，对系统进行数学建模，确定系统的状态方程和状态向量，然后加入一种扰动观测器，对风光波动产生的扰动进行估计，从而设计滑模面及趋近律，进一步设计出滑模控制器，最后利用Lyapunov原理分析系统的稳定性，在系统受风光波动影响时，设计的控制器能够保证负荷频率的稳定。对所述控制过程进行仿真，验证得出系统状态向量可以最终收敛平衡，该方法优化了系统频率波动时的控制效果，鲁棒性较强。
本发明实施例提供的一种考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1，在综合能源系统中引入扰动观测器，对风光波动所产生的扰动进行估计，获得扰动估计量。
在一个示例中，扰动观测器的引入过程为：
步骤1：考虑风光波动，对系统进行数学建模：
Figure BDA0004091328330000051
Figure BDA0004091328330000052
Figure BDA0004091328330000061
Figure BDA0004091328330000062
将状态方程表示为向量模型：
Figure BDA0004091328330000063
y＝Cx(t)
其中，x为系统的状态变量，x(t)＝[Δf(t),ΔPm(t),ΔXg(t),ΔE(t)]T，Δf(t)为频率偏差，ΔPm(t)为功率输出，ΔXg(t)为调速器阀位，ΔE(t)为频率偏差积分控制器增量，ΔPL(t)为系统负荷有功变化量，ΔPg(t)为风力发电机输出功率，ΔPv(t)为光伏发电机输出功率，u(t)为控制输入，KE为积分控制增益，y为系统输出；
Figure BDA0004091328330000064
Figure BDA0004091328330000065
Tp、Tg、Tt分别为系统时间常数、调速器时间常数和汽轮机时间常数，Kp为系统增益，R为速度控制系数。
步骤2：加入扰动观测器；
聚合参数不确定项，将系统写为：
Figure BDA0004091328330000066
y＝Cx(t)
其中，Ψ为常数矩阵。
为了保证渐近稳定性，假设：
假设1：(A,B)是可控的。
假设2：
Figure BDA0004091328330000071
其中
Figure BDA0004091328330000072
和
Figure BDA0004091328330000073
为正数。
设计扰动观测器为：
Figure BDA0004091328330000074
Figure BDA00040913283300000710
其中，Ψ+＝(ΨTΨ)-1ΨT，
Figure BDA0004091328330000075
为扰动估计，Θ(t)为观测器的内部向量，设Θ(0)＝εΥΨ+x(0)，Υ选择为Hurwitz矩阵。
步骤S2，以所述扰动估计量有界为假定条件，构建滑模面和趋近律。
根据扰动估计量设计滑模面和趋近律；
Figure BDA0004091328330000076
其中，C1＝[c1 c2 c3 c4]，C2＝[c5 c6 c7 c8]为常数矩阵，且满足多项式c4p3+c3p2+c2p+c1和c8p3+c7p2+c6p+c5是Hurwitz的；
由
Figure BDA0004091328330000077
选择趋近律为：
Figure BDA0004091328330000078
其中，k1、k2为正数。
步骤S3，根据滑模面、趋近律和所述扰动估计量，建立滑模控制器。
根据滑模面和趋近律设计系统控制器；
Figure BDA0004091328330000079
步骤S4，利用所述滑模控制器对综合能源系统在受风光波动影响时的负荷频率进行平衡控制。
利用Lyapunov原理对系统的稳定性进行证明，取Lyapunov函数为：
Figure BDA0004091328330000081
由Lyapunov稳定性理论证明了由此控制律组成的系统是渐近稳定的。
如图2所示，在对系统进行数学建模后，引入的扰动观测器对风光波动所产生的扰动进行估计，由估计量设计滑模面和趋近律，进而设计出控制器。
如图3所示，系统频率出现波动后经过一定时间收敛至平衡状态。
如图4所示，图中曲线分别为频率偏差Δf(t)、功率输出ΔPm(t)、调速器阀位ΔXg(t)和频率偏差积分控制器增量ΔE(t)，在所设计的控制器控制下，系统状态收敛至期望的平衡点，且收敛速度较快。图3和图4的横坐标均表示时间，图3和图4的纵坐标均表示偏差量。
本发明针对综合能源系统频率受风光波动影响的情况，可以使系统状态通过滑模面渐近运动到期望的平衡状态，设计的滑模控制器能够根据扰动观测器得到的扰动估计量实现系统的平衡控制，且该方法收敛速度较快，并具有鲁棒性和可靠性。
本发明还提供一种考虑风光波动的综合能源系统频率控制系统，包括：
引入模块，用于在综合能源系统中引入扰动观测器，对风光波动所产生的扰动进行估计，获得扰动估计量；
滑模面构建模块，用于以所述扰动估计量有界为假定条件，构建滑模面和趋近律；
滑模控制器建立模块，用于根据滑模面、趋近律和所述扰动估计量，建立滑模控制器；
平衡控制模块，用于利用所述滑模控制器对综合能源系统在受风光波动影响时的负荷频率进行平衡控制。
本发明实施例提供的考虑风光波动的综合能源系统频率控制系统与上述实施例所述的考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法，其工作原理和有益效果类似，故此处不再详述，具体内容可参见上述方法实施例的介绍。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前述的考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法。
此外，上述的存储器中的计算机程序通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
进一步地，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如前述的考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法，其特征在于，包括：
在综合能源系统中引入扰动观测器，对风光波动所产生的扰动进行估计，获得扰动估计量；
以所述扰动估计量有界为假定条件，构建滑模面和趋近律；
根据滑模面、趋近律和所述扰动估计量，建立滑模控制器；
利用所述滑模控制器对综合能源系统在受风光波动影响时的负荷频率进行平衡控制。
2.根据权利要求1所述的考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法，其特征在于，所述扰动观测器的构建过程为：
考虑风光波动，对综合能源系统进行数学建模；
根据综合能源系统的数学模型，构建扰动观测器。
3.根据权利要求2所述的考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法，其特征在于，所述考虑风光波动，对综合能源系统进行数学建模，具体包括：
考虑风光波动，建立综合能源系统的向量模型为
Figure FDA0004091328320000011
y＝Cx(t)
其中，y为系统输出，C为第一常数矩阵，u(t)为控制输入，x(t)为综合能源系统的状态变量，
Figure FDA0004091328320000012
为状态变量x(t)的一阶导数，x(t)＝[Δf(t),ΔPm(t),ΔXg(t),ΔE(t)]T，Δf(t)为频率偏差，ΔPm(t)为功率输出，ΔXg(t)为调速器阀位，ΔE(t)为频率偏差积分控制器增量，
Figure FDA0004091328320000013
为频率偏差Δf(t)的一阶导数，
Figure FDA0004091328320000014
为功率输出ΔPm(t)的一阶导数，
Figure FDA0004091328320000015
为调速器阀位ΔXg(t)的一阶导数，
Figure FDA0004091328320000018
为频率偏差积分控制器增量ΔE(t)的一阶导数；
Figure FDA0004091328320000016
Figure FDA0004091328320000017
Figure FDA0004091328320000021
Figure FDA0004091328320000022
ΔPL(t)为系统负荷有功变化量，ΔPg(t)为风力发电机输出功率，ΔPv(t)为光伏发电机输出功率，KE为积分控制增益，A为系统矩阵，B为输入矩阵，F为扰动项系数矩阵；
Figure FDA0004091328320000023
Tp、Tg、Tt分别为系统时间常数、调速器时间常数和汽轮机时间常数，Kp为系统增益，R为速度控制系数。
4.根据权利要求3所述的考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法，其特征在于，所述根据综合能源系统的数学模型，构建扰动观测器，具体包括：
聚合数学模型中的参数不确定项，将所述数学模型改写为
Figure FDA00040913283200000211
和y＝Cx(t)；其中，Ψ为第二常数矩阵，g(t)为不确定参数，假设(A,B)是可控的，且
Figure FDA0004091328320000024
Figure FDA0004091328320000025
和
Figure FDA0004091328320000026
均为正数；
根据改写后的数学模型，构建扰动观测器为
Figure FDA0004091328320000027
其中，
Figure FDA0004091328320000028
为扰动估计量，Θ(t)为观测器的内部向量，设Θ(0)＝εΥΨ+x(0)，
Figure FDA0004091328320000029
为观测器的内部向量Θ(t)的一阶导数，
Figure FDA00040913283200000210
Υ为赫尔维茨矩阵，ε为奇异扰动参数，Ψ+＝(ΨTΨ)-1ΨT，Ψ+为聚合矩阵。
5.根据权利要求4所述的考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法，其特征在于，以所述扰动估计量有界为假定条件，构建滑模面和趋近律，具体包括：
以所述扰动估计量有界为假定条件，构建滑模面为
Figure FDA0004091328320000031
其中，C1＝[c1c2 c3 c4]为第三常数矩阵，C2＝[c5 c6 c7 c8]为第四常数矩阵，且满足多项式c4p3+c3p2+c2p+c1和c8p3+c7p2+c6p+c5是赫尔维茨的，c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8均为常数，p为变量；
根据
Figure FDA0004091328320000032
选择趋近律为
Figure FDA0004091328320000033
其中，k1、k2均为正数，
Figure FDA0004091328320000034
为滑模面σ的一阶导数。
6.根据权利要求5所述的考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法，其特征在于，所述滑模控制器为
Figure FDA0004091328320000035
7.一种考虑风光波动的综合能源系统频率控制系统，其特征在于，包括：
引入模块，用于在综合能源系统中引入扰动观测器，对风光波动所产生的扰动进行估计，获得扰动估计量；
滑模面构建模块，用于以所述扰动估计量有界为假定条件，构建滑模面和趋近律；
滑模控制器建立模块，用于根据滑模面、趋近律和所述扰动估计量，建立滑模控制器；
平衡控制模块，用于利用所述滑模控制器对综合能源系统在受风光波动影响时的负荷频率进行平衡控制。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6中任一项所述的考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的考虑风光波动的综合能源系统频率控制方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116961026A (zh) * 2023-07-26 2023-10-27 长沙理工大学 基于负荷扰动观测的直流输电系统频率控制器及控制方法

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