柴儲混合電力系統(tǒng)的頻率協(xié)調(diào)控制策略

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(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090; 2.國網(wǎng)山東省電力公司濱州供電公司, 山東 濱州 256600;3.內(nèi)蒙古電力公司培訓(xùn)中心, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

頻率是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)[1]。隨著負(fù)荷類型的不斷增加,尤其是電動汽車的大量應(yīng)用,使得電力系統(tǒng)中負(fù)荷需求功率具有更大的波動性,因此系統(tǒng)頻率控制也變得更為重要。

負(fù)荷頻率控制(Load Frequency Control,LFC)能夠有效抑制系統(tǒng)頻率偏差[2],使系統(tǒng)頻率波動保持在電力工業(yè)允許的范圍內(nèi)。柴油發(fā)電機(jī)是參與負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)的主要電源,其對穩(wěn)態(tài)功率需求具有明顯的優(yōu)勢,而對于瞬時功率波動需求存在劣勢。通過柴油機(jī)調(diào)頻可以優(yōu)化穩(wěn)態(tài)功率波動,而儲能裝置可以對瞬時功率波動進(jìn)行快速響應(yīng)并優(yōu)化系統(tǒng)頻率[3-4]。但是,為了保證柴儲混合電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,需要設(shè)計協(xié)調(diào)控制策略:對不同的頻率管理裝置進(jìn)行協(xié)調(diào)配合,使得各裝置能夠充分發(fā)揮其頻率管理的優(yōu)勢;考慮負(fù)荷需求功率的不確定性和儲能輸出功率的擾動性,設(shè)計魯棒負(fù)荷頻率控制器以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 柴儲混合電力系統(tǒng)LFC模型

本文配置的儲能系統(tǒng)是蓄電池系統(tǒng),針對儲能系統(tǒng)和柴油發(fā)電系統(tǒng)分別建立模型。

1.1 蓄電池系統(tǒng)模型

蓄電池系統(tǒng)由多塊電池單元串并聯(lián)組成,并通過12脈沖級聯(lián)橋電路與變壓器相連。為了分析其動態(tài)性能,蓄電池系統(tǒng)可以等效為一個連接變換器的電路。等效電池的終端電壓Ebt為

(1)

式中:Et——中性線均方根值;

αi——變換器觸發(fā)延遲角,i=1,2;

Xco——換向電抗;

IBES——注入蓄電池的電流。

(2)

式中:Eboc——電池開路電壓;

Eb——電池過電壓;

Rbt——連接電阻;

Rbs——電池內(nèi)部等效電阻。

根據(jù)變換器分析蓄電池系統(tǒng)[5]吸收的有功功率PBES為

α1+cosα2)

(3)

1.2 柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型

柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)是復(fù)雜的非線性動態(tài)系統(tǒng),該系統(tǒng)在穩(wěn)定點(diǎn)運(yùn)行時波動很小,因此可以用線性化模型來表示穩(wěn)定工作點(diǎn)附近的動態(tài)過程[6-7]。柴油發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以滿足

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:D——負(fù)荷阻尼系數(shù);

M——系統(tǒng)慣性常數(shù);

Δf(t)——系統(tǒng)頻率偏差;

ΔPm(t)——柴油發(fā)電機(jī)輸出功率增量;

ΔPD(t)——負(fù)荷需求功率增量;

Tt——發(fā)電機(jī)時間常數(shù);

ΔPv(t)——調(diào)節(jié)閥位置增量;

R——調(diào)速器調(diào)速系數(shù);

Tg——調(diào)速器時間常數(shù);

u(t)——滑模負(fù)荷頻率控制量;

ΔE(t)——頻率偏差積分控制器增量;

KE——積分控制增益。

2 頻率協(xié)調(diào)控制

蓄電池配合柴油發(fā)電機(jī)共同參與系統(tǒng)頻率調(diào)整,能夠充分利用不同頻率調(diào)節(jié)裝置的優(yōu)勢,但需要設(shè)計頻率協(xié)調(diào)控制策略。

滑?？刂扑惴ň哂泻軓?qiáng)的魯棒性[8-9],而負(fù)荷具有波動性和不確定性,因此可以利用滑模算法設(shè)計負(fù)荷頻率控制器,以實(shí)現(xiàn)柴儲混合電力系統(tǒng)的頻率控制。

2.1 柴儲協(xié)調(diào)控制

本文提出一種頻率協(xié)調(diào)控制策略。為了將調(diào)頻信號進(jìn)行精細(xì)化處理,將其分為高低頻,由蓄電池和柴油發(fā)電機(jī)分別承擔(dān)調(diào)頻任務(wù),以提高不同頻率調(diào)節(jié)裝置的利用率,降低蓄電池儲能的容量配置,節(jié)約微電網(wǎng)建設(shè)的投資成本。柴儲混合電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中,TLPF為低通濾波器系數(shù);ΔPref,g為柴油發(fā)電機(jī)二次調(diào)頻控制信號;ΔPref,b為蓄電池系統(tǒng)調(diào)頻控制信號;ΔPB為蓄電池輸出的功率增量。

圖1 柴儲混合電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)示意

2.2 滑模負(fù)荷頻率控制器設(shè)計

滑模負(fù)荷頻率控制器設(shè)計包括切換面設(shè)計和控制器設(shè)計兩個步驟,以保證系統(tǒng)在有限時間內(nèi)達(dá)到切換面并穩(wěn)定在滑模面。根據(jù)柴儲混合電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu),將式(4)、式(6)和式(7)分別修改為

(10)

由式(5)、式(7)～式(10)整理可得電力系統(tǒng)LFC狀態(tài)方程為

(11)

定義d(t)=F(ΔPD(t)-ΔPB(t)),則式(11)可以表示為

(x,t)

(12)

為了滿足滑模負(fù)荷頻率控制器設(shè)計的需要,給出如下假設(shè)條件:

假設(shè)1 存在已知的正函數(shù)β(x,t),使得‖d(x,t)≤β(x,t)‖,‖*‖ 表示歐幾里得范數(shù);

假設(shè)2 矩陣(A,B)可控。

在實(shí)際電力系統(tǒng)中,負(fù)荷和儲能輸出功率波動都會在一定范圍內(nèi),所以d(x,t)是一個有界函數(shù),假設(shè)1在實(shí)際系統(tǒng)中是滿足的。

針對式(12)設(shè)計切換面s(t),滿足

s(t)=Cx

(13)

式中:C——切換增益矩陣。

ueq(t)=-(CB)-1(CAx(t)+Cd(x,t))

(14)

式中:CB——非奇異矩陣。

若式(12)中的負(fù)荷需求功率擾動和蓄電池輸出功率波動滿足假設(shè)條件,則可利用趨近率設(shè)計變結(jié)構(gòu)控制器,即

(15)

式中:n,m——正常數(shù);

sgn——符號函數(shù)。

設(shè)計的滑模負(fù)荷頻率控制器需滿足

(16)

3 仿真分析

為了驗(yàn)證所提出的頻率協(xié)調(diào)控制的有效性,通過搭建MATLAB/Simulink仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。柴儲混合電力系統(tǒng)模型參數(shù)取值如表1所示。

表1 柴儲混合電力系統(tǒng)模型參數(shù)

3.1 算例1

算例1中未應(yīng)用所提出的頻率協(xié)調(diào)控制。在柴儲混合電力系統(tǒng)中加入隨機(jī)負(fù)荷擾動,其隨機(jī)負(fù)荷擾動波形如圖2所示,系統(tǒng)輸出頻率偏差值如圖3所示。

圖2 柴儲混合電力系統(tǒng)負(fù)荷需求功率擾動波形

由圖3可以看出,柴儲混合電力系統(tǒng)在沒有負(fù)荷頻率協(xié)調(diào)控制和滑模負(fù)荷頻率控制器的情況下,系統(tǒng)頻率偏差值會出現(xiàn)超過±0.2 Hz的情況,系統(tǒng)頻率無法正常穩(wěn)定運(yùn)行,因此需要對柴儲混合電力系統(tǒng)設(shè)計協(xié)調(diào)控制策略。

圖3 算例1的柴儲混合電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率偏差值

3.2 算例2

在算例1的基礎(chǔ)上,算例2將提出的負(fù)荷頻率協(xié)調(diào)控制和滑模負(fù)荷頻率控制器應(yīng)用于柴儲混合電力系統(tǒng)中,對系統(tǒng)頻率進(jìn)行優(yōu)化控制。算例2的系統(tǒng)負(fù)荷頻率偏差值如圖4所示。

圖4 算例2的柴儲混合電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率偏差值

由圖4可以看出,系統(tǒng)的頻率偏差值維持在±0.2 Hz之內(nèi),能夠使柴儲混合電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,由此證明所提出的負(fù)荷頻率協(xié)調(diào)控制策略能夠保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 論

(1) 針對柴儲混合電力系統(tǒng),提出了柴油發(fā)電機(jī)和儲能系統(tǒng)間的負(fù)荷頻率協(xié)調(diào)控制,通過將調(diào)頻信號精細(xì)化處理為高低頻分量,由柴油發(fā)電機(jī)和儲能系統(tǒng)分別承擔(dān)低頻分量和高頻分量,以實(shí)現(xiàn)不同發(fā)電裝置對頻率管理的協(xié)調(diào)控制,提高了發(fā)電裝置的利用率。

(2) 考慮到負(fù)荷擾動和儲能系統(tǒng)擾動,設(shè)計了滑模負(fù)荷頻率控制器,提高了系統(tǒng)的魯棒性。

通過兩個算例的對比,表明所提出的負(fù)荷頻率協(xié)調(diào)控制和滑模負(fù)荷頻率控制器能夠有效地提高系統(tǒng)頻率質(zhì)量和系統(tǒng)魯棒性。