一种基于交替方向乘子法的频率控制器设计方法及系统技术方案

本申请提供一种基于交替方向乘子法的频率控制器设计方法及系统，根据以下步骤：S10，根据电力系统建立负荷频率控制模型；S20，建立以控制性能和控制器增益矩阵稀疏度为参数的优化模型；S30，利用交替方向乘子法对优化模型中的参数控制性能和参数控制器增益矩阵稀疏度进行处理。基于二次多项式和矩阵稀疏化构建分布式最优负荷频率控制(LFC)策略数学模型，并采用交替方向乘子法(ADMM)求解来设计频率偏差为0、动态性能优秀的负荷频率控制器，以解决优化的控制器参数较多，启发式优化算法就未必能求得最优解的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于交替方向乘子法的频率控制器设计方法及系统
本申请涉及自动控制
，尤其涉及一种基于交替方向乘子法的频率控制器设计方法及装置。
技术介绍
负荷频率控制(LFC)是调整系统的频率达到额定值或维持区域联络线交换功率为计划值。频率稳定是电力系统电能质量的一个重要指标。负荷的任意突然变化都有可能导致系统间联络线交换功率的偏差及系统频率的波动。因此，为保证电能质量，需要一个负荷频率控制(loadfrequencycontrol,LFC)系统，该系统的目的是将系统频率维持在标称值并且尽可能使控制区域之间的未计划的联络线交换功率最小。为了提升负荷频率控制的性能，现有技术中采用了一些先进控制方法设计负荷频率控制器。有的采用鲁棒控制策略抑制负荷变化导致的系统频率偏差，有的采用自适应控制策略提升系统运行点发生变化时的系统控制性能，有的采用最优控制策略抑制系统频率偏差和联络线功率偏差。此外，模型预测控制、自抗扰控制、滑模控制和事件驱动控制也被用于设计负荷频率控制器以改善控制性能。不过，这些方法应用于实际多区域电力系统负荷频率控制器设计时，参数整定比较困难。基于线性矩阵不等式的鲁棒控制策略的控制器参数整定相对容易，但这种方法通常需要对系统模型进行降阶预处理，从而可能导致系统部分动态特性的丢失。也有一些采用启发式优化算法设计负荷频率控制器，包括采用粒子群优化算法整定控制器参数和采用灰狼优化算法确定分数阶控制器的参数。不过从理论上无法保证这些启发式优化算法能够获得控制器参数的最优解，尤其是对于实际多区域电力系统，需要优化的控制器参数较多，启发式优化算法就未必能求得最优解。
技术实现思路
本申请提供了一种基于交替方向乘子法的频率控制器设计方法及系统，基于二次多项式和矩阵稀疏化构建分布式最优负荷频率控制(loadfrequencycontrol,LFC)策略数学模型，并采用交替方向乘子法(alternatingdirectionmethodofmultiplier,ADMM)求解来设计频率偏差为0、动态性能优秀的负荷频率控制器，以解决优化的控制器参数较多，启发式优化算法就未必能求得最优解的问题。一方面，本申请提供了一种基于交替方向乘子法的频率控制器设计方法，其包括：S10，根据电力系统建立负荷频率控制模型；S20，建立以控制性能和控制器增益矩阵稀疏度的参数优化模型；S30，利用交替方向乘子法对优化模型中的参数控制性能和参数控制器增益矩阵稀疏度进行处理。优选的，所述根据电力系统建立负荷频率控制模型的方法包括：互联电力系统中第i个区域的模型：N表示所研究的互联电力系统中包含的区域数目，表示时刻t的负荷扰动，Δfi(t)表示时刻t的频率偏差、表示时刻t的有功输出调整量、表示时刻t的调速器阀门位置调整量，Δδi(t)表示时刻t的转子角偏差，表示调速器的时间常数、表示汽轮机的时间常数和表示电力系统的时间常数，表示电力系统的增益，Ri表示电力系统的速度调节系数；Ksij表示区域i和区域j之间的连接增益，如果这两个区域间没有功率交换则Ksij为0；将(1)-(4)改写成矩阵形式:式中，Xi(t)表示区域i在时刻t的状态向量，Xj(t)表示区域j在时刻t的状态向量，Ui(t)表示控制器在时刻t的输入向量。优选的，所述建立以控制性能和控制器增益矩阵稀疏度的参数优化模型的方法包括：n个区域的互联电力系统的负荷频率控制表述为：U＝-KX(6)式中：X＝[X1,X2,…,Xn]；U＝[U1,U2,…,Un]；D＝[ΔPd1,ΔPd2,…,ΔPdn]；K表示控制器增益矩阵；根据上述矩阵，所提出的负荷频率控制器设计方法可表述为：minJ(K)+γg(K)(7)式中，J(×)表示频率偏差指标，采用系统的H2范数P为Gramian可观矩阵；g(×)表示控制器结构的稀疏化指标，采用L1范数表示，表示为Kij表示矩阵K的第i行第j列元素，Wij表示非负权重且当Kij≠0时Wij＝1/|Kij|、当Kij＝0且0<ε<1时Wij＝1/|ε|；γ为标量且为正数；subjectto(A-B2K)TP+P(A-B2K)＝-(Q-KTRK)(8)通过动态系统稳定性理论分析能够得到系统稳定条件为式(8)所描述的等式约束。优选的，利用交替方向乘子法对优化模型中的参数控制性能和参数控制器增益矩阵稀疏度进行处理的方法包括：根据公式式中，K表示控制性能J(K)的变量，通讯复杂度g(G)中的变量；根据公式式中:Λ表示拉格朗日乘子；ρ表示正的标量。根据交替方向乘子法对K优化系统的频率偏差指标J(×)和G优化控制器结构指标g(×)交替求解，包括：初始化K0,G0,Λ0；根据求Kk+1；根据求Gk+1；根据Λk+1＝Λk+ρ(Kk+1-Gk+1)，求Λk+1；判断||Kk+1-Gk+1||≤ε和||Kk+1-Kk||≤ε，若否，则重新求Kk+1；若是，则得到K。另一方面，本申请提供了一种基于交替方向乘子法的频率控制器设计系统，其包括：电力模型模块，根据电力系统建立负荷频率控制模型；参数模型模块，建立以控制性能和控制器增益矩阵稀疏度的参数优化模型；优化参数模块，利用交替方向乘子法对优化模型中的参数控制性能和参数控制器增益矩阵稀疏度进行处理。优选的，所述电力模型模块包括：互联电力系统中第i个区域的模型：N表示所研究的互联电力系统中包含的区域数目，表示时刻t的负荷扰动，Δfi(t)表示时刻t的频率偏差、表示时刻t的有功输出调整量、表示时刻t的调速器阀门位置调整量，Δδi(t)表示时刻t的转子角偏差，表示调速器的时间常数、表示汽轮机的时间常数和表示电力系统的时间常数，表示电力系统的增益，Ri表示电力系统的速度调节系数；Ksij表示区域i和区域j之间的连接增益，如果这两个区域间没有功率交换则Ksij为0；将(1)-(4)改写成矩阵形式:式中，Xi(t)表示区域i在时刻t的状态向量，Xj(t)表示区域j在时刻t的状态向量，Ui(t)表示控制器在时刻t的输入向量。优选的，所述参数模型模块包括：n个区域的互联电力系统的负荷频率控制表述为：U＝-KX(6)式中：X＝[X1,X2,…,Xn]；U＝[U1,U2,…,Un]；D＝[ΔPd1,ΔPd2,…,ΔPdn]；K表示控制器增益矩阵；根据上述矩阵，所提出的负荷频率控制器设计方法可表述为：minJ(K)+γg(K)(7)式中，J(×)表示频率偏差指标，采用系统的H2范数P为Grami本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于交替方向乘子法的频率控制器设计方法，其包括：/nS10，根据电力系统建立负荷频率控制模型；/nS20，建立以控制性能和控制器增益矩阵稀疏度为参数的优化模型；/nS30，利用交替方向乘子法对优化模型中的参数控制性能和参数控制器增益矩阵稀疏度进行处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于交替方向乘子法的频率控制器设计方法，其包括：
S10，根据电力系统建立负荷频率控制模型；
S20，建立以控制性能和控制器增益矩阵稀疏度为参数的优化模型；
S30，利用交替方向乘子法对优化模型中的参数控制性能和参数控制器增益矩阵稀疏度进行处理。


2.根据权利要求1所述的一种基于交替方向乘子法的频率控制器设计方法，其特征在于，所述根据电力系统建立负荷频率控制模型的方法包括：
互联电力系统中第i个区域的模型：












其中，N表示所研究的互联电力系统中包含的区域数目，表示时刻t的负荷扰动，Δfi(t)表示时刻t的频率偏差、表示时刻t的有功输出调整量、表示时刻t的调速器阀门位置调整量，Δδi(t)表示时刻t的转子角偏差，表示调速器的时间常数、表示汽轮机的时间常数和表示电力系统的时间常数，表示电力系统的增益，Ri表示电力系统的速度调节系数；Ksij表示区域i和区域j之间的连接增益，如果这两个区域间没有功率交换则Ksij为0；
将(1)-(4)改写成矩阵形式:












式中，Xi(t)表示区域i在时刻t的状态向量，Xj(t)表示区域j在时刻t的状态向量，Ui(t)表示控制器在时刻t的输入向量。


3.根据权利要求2所述的一种基于交替方向乘子法的频率控制器设计方法，其特征在于，所述建立以控制性能和控制器增益矩阵稀疏度的参数优化模型的方法包括：
n个区域的互联电力系统的负荷频率控制表述为：



U＝-KX(6)
式中：X＝[X1,X2,…,Xn]；U＝[U1,U2,…,Un]；D＝[ΔPd1,ΔPd2,…,ΔPdn]；



K表示控制器增益矩阵；
根据上述矩阵，所提出的负荷频率控制器设计方法可表述为：
minJ(K)+γg(K)(7)
式中，J(×)表示频率偏差指标，采用系统的H2范数P为Gramian可观矩阵；g(×)表示控制器结构的稀疏化指标，采用L1范数表示，表示为Kij表示矩阵K的第i行第j列元素，Wij表示非负权重且当Kij≠0时Wij＝1/|Kij|、当Kij＝0且0<ε<1时Wij＝1/|ε|；γ为标量且为正数；
subjectto(A-B2K)TP+P(A-B2K)
＝-(Q-KTRK)(8)
通过动态系统稳定性理论分析能够得到系统稳定条件为式(8)所描述的等式约束。


4.根据权利要求3所述的一种基于交替方向乘子法的频率控制器设计方法，其特征在于，利用交替方向乘子法对优化模型中的参数控制性能和参数控制器增益矩阵稀疏度进行处理的方法包括：
根据公式



式中，K表示控制性能J(K)的变量，通讯复杂度g(G)中的变量；
根据公式
式中:Λ表示拉格朗日乘子；ρ表示正的标量；
根据交替方向乘子法对K优化系统的频率偏差指标J(×)和G优化控制器结构指标g(×)交替求解，包括：
初始化K0,G0,Λ0；根据求Kk+1；根据求Gk+1；根据Λk+1＝Λk+ρ(Kk+1-Gk+1)，求Λk+1；判断||Kk+1-Gk+1||≤ε和||Kk+1-Kk||≤ε，若否，则重新求Kk+1；若是，则得到K。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玲芳，陈义宣，孙鹏，周俊东，王云辉，伞晨峻，许岩，司大军，游广增，陈姝敏，高杉雪，何烨，
申请(专利权)人：云南电网有限责任公司，
类型：发明
国别省市：云南;53