柴储混合电力系统的频率协调控制策略

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(1.上海电力学院, 上海 200090; 2.国网山东省电力公司滨州供电公司, 山东 滨州 256600;3.内蒙古电力公司培训中心, 内蒙古 呼和浩特 010010)

频率是电力系统稳定运行的重要指标[1]。随着负荷类型的不断增加,尤其是电动汽车的大量应用,使得电力系统中负荷需求功率具有更大的波动性,因此系统频率控制也变得更为重要。

负荷频率控制(Load Frequency Control,LFC)能够有效抑制系统频率偏差[2],使系统频率波动保持在电力工业允许的范围内。柴油发电机是参与负荷频率调节的主要电源,其对稳态功率需求具有明显的优势,而对于瞬时功率波动需求存在劣势。通过柴油机调频可以优化稳态功率波动,而储能装置可以对瞬时功率波动进行快速响应并优化系统频率[3-4]。但是,为了保证柴储混合电力系统的稳定运行,需要设计协调控制策略:对不同的频率管理装置进行协调配合,使得各装置能够充分发挥其频率管理的优势;考虑负荷需求功率的不确定性和储能输出功率的扰动性,设计鲁棒负荷频率控制器以提高系统的稳定性。

1 柴储混合电力系统LFC模型

本文配置的储能系统是蓄电池系统,针对储能系统和柴油发电系统分别建立模型。

1.1 蓄电池系统模型

蓄电池系统由多块电池单元串并联组成,并通过12脉冲级联桥电路与变压器相连。为了分析其动态性能,蓄电池系统可以等效为一个连接变换器的电路。等效电池的终端电压Ebt为

(1)

式中:Et——中性线均方根值;

αi——变换器触发延迟角,i=1,2;

Xco——换向电抗;

IBES——注入蓄电池的电流。

(2)

式中:Eboc——电池开路电压;

Eb——电池过电压;

Rbt——连接电阻;

Rbs——电池内部等效电阻。

根据变换器分析蓄电池系统[5]吸收的有功功率PBES为

α1+cosα2)

(3)

1.2 柴油发电机系统模型

柴油机发电系统是复杂的非线性动态系统,该系统在稳定点运行时波动很小,因此可以用线性化模型来表示稳定工作点附近的动态过程[6-7]。柴油发电系统的数学模型可以满足

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:D——负荷阻尼系数;

M——系统惯性常数;

Δf(t)——系统频率偏差;

ΔPm(t)——柴油发电机输出功率增量;

ΔPD(t)——负荷需求功率增量;

Tt——发电机时间常数;

ΔPv(t)——调节阀位置增量;

R——调速器调速系数;

Tg——调速器时间常数;

u(t)——滑模负荷频率控制量;

ΔE(t)——频率偏差积分控制器增量;

KE——积分控制增益。

2 频率协调控制

蓄电池配合柴油发电机共同参与系统频率调整,能够充分利用不同频率调节装置的优势,但需要设计频率协调控制策略。

滑模控制算法具有很强的鲁棒性[8-9],而负荷具有波动性和不确定性,因此可以利用滑模算法设计负荷频率控制器,以实现柴储混合电力系统的频率控制。

2.1 柴储协调控制

本文提出一种频率协调控制策略。为了将调频信号进行精细化处理,将其分为高低频,由蓄电池和柴油发电机分别承担调频任务,以提高不同频率调节装置的利用率,降低蓄电池储能的容量配置,节约微电网建设的投资成本。柴储混合电力系统协调控制结构如图1所示。

图1中,TLPF为低通滤波器系数;ΔPref,g为柴油发电机二次调频控制信号;ΔPref,b为蓄电池系统调频控制信号;ΔPB为蓄电池输出的功率增量。

图1 柴储混合电力系统负荷频率协调控制结构示意

2.2 滑模负荷频率控制器设计

滑模负荷频率控制器设计包括切换面设计和控制器设计两个步骤,以保证系统在有限时间内达到切换面并稳定在滑模面。根据柴储混合电力系统负荷频率协调控制结构,将式(4)、式(6)和式(7)分别修改为

(10)

由式(5)、式(7)～式(10)整理可得电力系统LFC状态方程为

(11)

定义d(t)=F(ΔPD(t)-ΔPB(t)),则式(11)可以表示为

(x,t)

(12)

为了满足滑模负荷频率控制器设计的需要,给出如下假设条件:

假设1 存在已知的正函数β(x,t),使得‖d(x,t)≤β(x,t)‖,‖*‖ 表示欧几里得范数;

假设2 矩阵(A,B)可控。

在实际电力系统中,负荷和储能输出功率波动都会在一定范围内,所以d(x,t)是一个有界函数,假设1在实际系统中是满足的。

针对式(12)设计切换面s(t),满足

s(t)=Cx

(13)

式中:C——切换增益矩阵。

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

(14)

式中:CB——非奇异矩阵。

若式(12)中的负荷需求功率扰动和蓄电池输出功率波动满足假设条件,则可利用趋近率设计变结构控制器,即

(15)

式中:n,m——正常数;

sgn——符号函数。

设计的滑模负荷频率控制器需满足

(16)

3 仿真分析

为了验证所提出的频率协调控制的有效性,通过搭建MATLAB/Simulink仿真模型进行验证。柴储混合电力系统模型参数取值如表1所示。

表1 柴储混合电力系统模型参数

3.1 算例1

算例1中未应用所提出的频率协调控制。在柴储混合电力系统中加入随机负荷扰动,其随机负荷扰动波形如图2所示,系统输出频率偏差值如图3所示。

图2 柴储混合电力系统负荷需求功率扰动波形

由图3可以看出,柴储混合电力系统在没有负荷频率协调控制和滑模负荷频率控制器的情况下,系统频率偏差值会出现超过±0.2 Hz的情况,系统频率无法正常稳定运行,因此需要对柴储混合电力系统设计协调控制策略。

图3 算例1的柴储混合电力系统负荷频率偏差值

3.2 算例2

在算例1的基础上,算例2将提出的负荷频率协调控制和滑模负荷频率控制器应用于柴储混合电力系统中,对系统频率进行优化控制。算例2的系统负荷频率偏差值如图4所示。

图4 算例2的柴储混合电力系统负荷频率偏差值

由图4可以看出,系统的频率偏差值维持在±0.2 Hz之内,能够使柴储混合电力系统稳定运行,由此证明所提出的负荷频率协调控制策略能够保证系统频率稳定运行。

4 结 论

(1) 针对柴储混合电力系统,提出了柴油发电机和储能系统间的负荷频率协调控制,通过将调频信号精细化处理为高低频分量,由柴油发电机和储能系统分别承担低频分量和高频分量,以实现不同发电装置对频率管理的协调控制,提高了发电装置的利用率。

(2) 考虑到负荷扰动和储能系统扰动,设计了滑模负荷频率控制器,提高了系统的鲁棒性。

通过两个算例的对比,表明所提出的负荷频率协调控制和滑模负荷频率控制器能够有效地提高系统频率质量和系统鲁棒性。