存在GDB 和GRC 的负荷频率控制系统的分析与设计

2020-10-09常帅兵齐山成

河南工学院学报 2020年4期

常帅兵，赵斌，齐山成

（河南工学院电气工程与自动化学院，河南新乡 453003）

0 引言

在实际电力系统中，调速器侧隙（governor dead band，GDB）和发电速率约束(generation rate constraint，GRC)是普遍存在的，GDB 和GRC 对负荷频率控制(load frequency control，LFC)系统的性能影响很大，它们是在大负荷扰动下引起系统不稳定的重要原因。文献[1-3]分别从频域方面和时域方面分析了GDB 对LFC 系统的影响；文献[4]考虑两区域LFC 系统，采用Lyapunov 方法优化系统的积分增益和系统的联络线交换系数；文献[5-7]针对LFC系统，采用了多目标进化算法、微分进化算法和粒子群算法；文献[8]考虑存在GRC 的LFC 系统，提出了一个扩张积分控制策略；针对多区域的LFC 系统，文献[9]提出了一种多变量模型预测控制方法；文献[10,11]针对存在非线性的LFC 系统，在PID 型负荷频率控制器的基础上，提出了一种抗饱和补偿策略。上述文献考虑了LFC 系统存在GDB 或GRC的情况，设计了多种控制策略用于解决非线性问题，并采用了各种算法优化和整定参数。不过，这些控制器结构相对复杂，计算量大，工业应用困难。

考虑到线性自抗扰控制（ linear active disturbance rejection control，LADRC）[12]具有结构简单、易于调节的特点，所以，本文将其应用到存在GDB 和GRC 的LFC 系统中。首先，将GDB 转化为传递函数形式，进而降低参数整定的难度；然后，提出了一种误差补偿策略，在保持控制器主动抗扰特性的同时，进一步提高控制效果，从而很好地消除GDB 和GRC 对系统的影响，而且所提出的补偿策略设计简单，便于应用。

1 LFC 系统模型

存在非线性特性的LFC 系统模型如图1 所示，其中，负荷扰动用dP表示，调速器速度调节常数用R表示，发电机增益用KP表示，发电机时间常数用PT表示，汽轮机时间常数用TT表示，调速器时间常数用TG表示，调速器气门位置变化用表示，频率偏差用△f（t)表示，汽轮机输出变化用表示。

另外，调速器侧隙（GDB)的传递函数可以表示为[13]：因此，在本文的LFC 系统模型中，GDB 以图2中所显示的形式表示。

图1 存在非线性特性的LFC 系统

图2 存在GDB 和GRC 的LFC 系统

2 线性自抗扰控制

对于LADRC 来说，只需要知道对象的相对阶和增益，而被控对象和扰动的完全模型并不需要知道，假设被控系统有如下模型：

其中，系统外部扰动和未知动态的组合以f(y,u,d)表示，称为广义扰动。令

假设f(y,u,d)可微分且(y,u,d)=h(t)那么系统模型(2)可以表达成

其中

根据现代控制理论原理，线性扩张状态观测器（linear extended state observer，LESO）表示为：

当A-LC渐近稳定时趋近于和广义扰动f(y,u,d)，这意味着可以采用这个扰动估计进行控制，进而达到更快抑制扰动的目的。

在 LADRC 框架中，其核心思想是通过一个LESO 来估计f(y,u,d)。若取如下控制律：

则被控系统模型(2)变成

最后，该系统采用如下状态反馈控制律控制：

其中

可以看到，一个LADRC 需要设计两组参数：LESO 的观测器增益L和r重积分系统的状态反馈增益K。为了调节方便，可将这两组增益的整定转化为两个参数的整定：即控制器带宽cw以及观测器带宽ow。这样就大大简化了LADRC 的参数整定，使得LADRC 的实际应用成为可能。

总之，LADRC 利用LESO 对被控系统的内扰和外扰进行估计，然后采用状态反馈进行控制，不需要知道被控对象精确模型，且只需整定2 个参数，是替代传统PID 控制的潜在技术，很容易为控制工程师所理解。

3 仿真分析

本文考虑一个如图3 所示的两区域LFC 系统模型，基于LADRC 所具有的特性，将其应用到LFC系统中；接着，提出了一种误差补偿策略，在保持控制器主动抗扰特性的前提下，再次提高它的控制性能，进而消除这些非线性对系统的影响。该补偿策略的核心思想是将汽轮机的实际输出与理论输出的误差作为外部扰动，然后通过LESO 进行估计，消除GDB 和GRC 的影响，从而快速恢复和改善系统的控制性能。另外，所提出的补偿策略有一个静态补偿系数，用k表示，可手动调节。