基于分数阶滑模的互联电力系统负荷频率控制器设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于分数阶滑模的互联电力系统负荷频率控制器设计方法，由以下步骤实现：S1、建立互联电力系统的状态空间模型；S2、根据互联电力系统的输出信号建立分数阶滑模面和扩展状态观测器；S3、结合状态空间模型和分数阶滑模面的滑模趋近律对分数阶滑模面求导得到滑模控制律；S4、获取扩展状态观测器的扰动估计值，将滑模控制律中的扰动值替换为扰动估计值；S5、获取自动发电控制系统根据区域误差信号输出的积分偏差信号和快速响应频率变化的下垂控制信号，与完成替换的滑模控制律进行求和，得到总控制信号输出到火电机组，调整火电机组的出力。与现有技术相比，本发明专利技术具有有效抑制系统频率抖振、提高互联电力系统的稳定性等优点。稳定性等优点。稳定性等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于分数阶滑模的互联电力系统负荷频率控制器设计方法


[0001]本专利技术涉及电力控制
，尤其是涉及一种基于分数阶滑模的互联电力系统负荷频率控制器设计方法。

技术介绍

[0002]现阶段电力系统处于一个可再生能源渗透率不断提升，传统调频机组比例逐渐下降的情况。含高渗透率可再生能源的电力系统将面临严重的频率问题，低惯量将导致系统频率变化率增加，频率最低点下移；另外，不同区域间的电力系统互联提升了系统的复杂性，任意区域的小负荷波动都会导致整个系统频率的振荡。为了保持系统频率的稳定，需要设计一种鲁棒性高，响应速度快的控制器。滑模控制器是理想的方案，然而在互联电网负荷频率控制器的设计中，对于开关增益引发的抖振问题并没有很好的解决方法。
[0003]早期，互联电网中采用的滑模控制器多数是线性滑模面，其存在动态响应慢，输出的控制信号存在剧烈抖振的问题；近些年来，学者提出了积分型滑模面，在一定程度上改善了系统频率的抖振问题，也进一步简化了控制器的设计难度。但是系统频率是评价电力系统电能质量的一个重要指标，滑模控制器引发的抖振问题仍然有待解决。
[0004]互联电网主要由非再热火电机组负责调频，在控制器设计时采用线性化模型，为了使系统满足非线性的特性，引入了发电机发电速率约束和调速器死区。针对该系统，目前的滑模控制器采用了线性滑模面和积分滑模面，后者大大简化了控制器的设计。然而，基于积分滑模面的的控制器仍然面临如何削减系统频率抖动的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于分数阶滑模的互联电力系统负荷频率控制器设计方法，有效改善小扰动负荷波动下系统频率和联络线功率的抖振问题。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种基于分数阶滑模的互联电力系统负荷频率控制器设计方法，所述设计方法通过以下步骤实现：
[0008]S1、在功率平衡点的范围内建立互联电力系统的状态空间模型；
[0009]S2、根据所述互联电力系统的输出信号建立分数阶滑模面和扩展状态观测器；
[0010]S3、结合所述状态空间模型和分数阶滑模面的滑模趋近律对所述分数阶滑模面求导得到滑模控制律；
[0011]S4、获取扩展状态观测器的扰动估计值，将所述滑模控制律中的扰动值替换为所述扰动估计值；
[0012]S5、获取自动发电控制系统根据区域误差信号输出的积分偏差信号和快速响应频率变化的下垂控制信号，与完成替换的滑模控制律进行求和，得到总控制信号输出到火电机组，调整所述火电机组的出力。
[0013]所述互联电力系统的输出信号包括频率偏差、联络线功率偏差、调速器阀门位置偏差、发电机输出功率偏差、区域控制误差信号积分偏差、超导磁储能的中间变量和输出功率偏差。
[0014]所述火电机组具体为非再热型火电机组。
[0015]所述状态空间模型的具体公式如下所示：
[0016][0017]其中，x(t)∈R
n
×1为互联电力系统的状态变量，y(t)∈R1×
m
为互联电力系统的输出，A∈R
n
×
n
为互联电力系统的参数矩阵，B∈R
n
×
k
为互联电力系统的输入矩阵，H∈R
n
×
p
为互联电力系统的扰动矩阵，u(t)为互联电力系统的输入变量，d(t)为互联电力系统的负荷变动值，Λ为单位对角矩阵，n为系统状态变量个数，k为系统输入量个数，m为系统输出个数，p为系统扰动个数。
[0018]进一步地，所述状态空间模型加入扰动值后变动如下：
[0019][0020][0021]其中，g(x,t)为互联电力系统的外部扰动和不确定性集合，即互联电力系统的扰动变量。
[0022]所述扩展状态观测器的具体公式如下所示：
[0023][0024][0025]其中，分别为互联电力系统的状态变量和扰动变量的实际值和估计值的偏差，I为单位矩阵，L1和L2为扩展状态观测器的设计参数，所述实际值和估计值的偏差在既定时间内收敛到0。
[0026]进一步地，所述互联电力系统的状态变量和扰动变量的实际值和估计值的计算公式如下所示：
[0027][0028][0029]其中，x,g为互联电力系统的状态变量和扰动变量的实际值，为扩展状态观测器的状态估计值和扰动估计值，u为滑模控制律。
[0030]所述分数阶滑模面为积分型滑模面，基于分数阶微分算子，分数阶滑模面的公式具体如下：
[0031]δ(t)＝
t0
D
tα
Cx(t)
‑
t0
D
tα
‑1[C(A
‑
BL)x(t)][0032]其中，参数矩阵C满足CB非奇异，为基于RL定义的分数阶微分算子，t0为系统的初始时间，t为系统的当前时间。
[0033]进一步地，所述分数阶微分算子的计算公式具体如下：
[0034][0035][0036]其中，过程参数α∈(0,1)，过程参数σ＝1
‑
α，Γ(α)为伽马函数，f(t)为待处理信号函数。
[0037]进一步地，所述分数阶滑模面通过求导，得到分数阶滑模等效控制律，具体公式如下：
[0038][0039]u
eq
＝
‑
Lx(t)
‑
(CB)
‑1Cg(x,t)
[0040]其中，u
eq
为分数阶滑模等效控制律，L为分数阶滑模面的设计参数。
[0041]所述分数阶滑模等效控制律代入状态空间模型后，状态空间模型更新如下：
[0042][0043]为了使系统状态稳定，设计参数L使其满足：
[0044]eig(A
‑
BL)＜0
[0045]进一步地，所述分数阶滑模等效控制律根据滑模趋近律，计算得到滑模控制律的鲁棒项，具体如下所示：
[0046][0047][0048]其中，为滑模趋近律，u
r
为滑模控制律的鲁棒项；
[0049]所述滑模控制律的鲁棒项结合扩展状态观测器的扰动估计值、分数阶滑模面和分数阶滑模等效控制律，得到滑模控制律的公式如下所示：
[0050][0051]其中，u为滑模控制律。
[0052]所述互联电力系统的发电单元的调速器接受分数阶的滑模控制律、区域误差控制信号以及下垂控制信号后，可以快速响应系统频率的变化，通过改变发电单元的有功输出可以实现互联电力系统的功率平衡。
[0053]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0054]本专利技术根据互联电力系统的输出信号建立分数阶滑模面和扩展状态观测器，在分数阶滑模面中设置分数阶微分算子，抑制系统频率抖振；然后结合互联电力系统的状态空间模型和滑模趋近律对滑模面求导求出滑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分数阶滑模的互联电力系统负荷频率控制器设计方法，其特征在于，所述设计方法通过以下步骤实现：S1、在功率平衡点的范围内建立互联电力系统的状态空间模型；S2、根据所述互联电力系统的输出信号建立分数阶滑模面和扩展状态观测器；S3、结合所述状态空间模型和分数阶滑模面的滑模趋近律对所述分数阶滑模面求导得到滑模控制律；S4、获取扩展状态观测器的扰动估计值，将所述滑模控制律中的扰动值替换为所述扰动估计值；S5、获取自动发电控制系统根据区域误差信号输出的积分偏差信号和快速响应频率变化的下垂控制信号，与完成替换的滑模控制律进行求和，得到总控制信号输出到火电机组，调整所述火电机组的出力。2.根据权利要求1所述的一种基于分数阶滑模的互联电力系统负荷频率控制器设计方法，其特征在于，所述互联电力系统的输出信号包括频率偏差、联络线功率偏差、调速器阀门位置偏差、发电机输出功率偏差、区域控制误差信号积分偏差、超导磁储能的中间变量和输出功率偏差。3.根据权利要求1所述的一种基于分数阶滑模的互联电力系统负荷频率控制器设计方法，其特征在于，所述状态空间模型的具体公式如下所示：其中，x(t)∈R
n
×1为互联电力系统的状态变量，y(t)∈R1×
m
为互联电力系统的输出，A∈R
n
×
n
为互联电力系统的参数矩阵，B∈R
n
×
k
为互联电力系统的输入矩阵，H∈R
n
×
p
为互联电力系统的扰动矩阵，u(t)为互联电力系统的输入变量，d(t)为互联电力系统的负荷变动值，Λ为单位对角矩阵，n为系统状态变量个数，k为系统输入量个数，m为系统输出个数，p为系统扰动个数。4.根据权利要求3所述的一种基于分数阶滑模的互联电力系统负荷频率控制器设计方法，其特征在于，所述状态空间模型加入扰动值后变动如下：征在于，所述状态空间模型加入扰动值后变动如下：其中，g(x,t)为互联电力系统的外部扰动和不确定性集合，即互联电力系统的扰动变量。5.根据权利要求4所述的一种基于分数阶滑模的互联电力系统负荷频率控制器设计方法，其特征在于，所述扩展...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帆，邵心怡，李东东，林顺富，赵耀，申彦博，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：