基于模糊PID控制算法的互联电网调频方法

基于模糊pid控制算法的互联电网调频方法
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于模糊pid控制算法的储能参与区域互联电网调频方法。


背景技术：

2.现代电网一直在朝着长距离、特高压和强互联的方向发展，其规模越来越庞大，结构越来越复杂，联系也越来越紧密。这也使其面临更大的风险，随着电力市场改革的推进，越来越多的可再生能源被添加到电网中。当大量的可再生能源接入电力系统后，可再生能源的间歇性和波动性特点将导致不可忽略的频率偏移，引起电力系统频率稳定性问题。传统的调频方式具有其局限性，已经无法满足现代电力系统的调频需求，因此急需研究一定的辅助调频手段用于改善可再生能源并网带来的频率问题。
3.传统电网的调频方法是通过三个不同的控制闭环来实现，即一次调节、二次调节和三次调节，每一种方法可供调节的储备量也是不同的。自动发电控制系统(agc)作为二次调节可以校正一次调节后仍然存在的固有偏差，并在agc单元中对负荷的变化进行分配，将区域发电机同区域负荷进行匹配。agc单元总体上看是一种快速响应的旋转发电机，且与电网同步，其经常不得不在最优功率以下运行，且必要时还应当快速爬坡或者降低功率来补充发电与负荷之间的差值。提升agc系统的性能将有利于提升频率响应的速度和系统安全性。但是与此同时，发电成本也会提高，因为这意味着更多的经济性较差的agc单元将会被投入。通常来说，当电力系统的电力主要是由煤炭、水电、核能等驱动的同步发电机供应的话，保持agc有足够的容量并不是一个困难的问题。然而，可再生能源发电的接入量的迅速增长，也带来了诸多不利的特性，如较高的间歇性，较低的可预测性，快速的功率爬坡等，这些都使得传统的agc控制方法面临着巨大的挑战。
4.为了应对这样的挑战，传统的对策大体可以分为两类：第一种是调整电力来源的结构，例如，提高可以快速响应的发电资源的比例，如汽轮机或者水轮机。但是这种方法会遇到很多客观限制，例如自然资源的缺乏或者地理位置不佳，或是过长的建设工期和过高的投资。另一种是提高现有发电机的频率调节的性能(例如响应速度，调节范围等)，特别是那些以化石燃料为动力的发电机。然而，使用传统的发电机去适应风电和光伏功率的快速波动和高间歇性的特点，会带来很多弊端，包括更低的效率、更严重的污染、额外的燃料和运维成本。因此，两种传统对策都不能有效和完整地解决问题，该问题迫切需要更多其他的创新型方法。


技术实现要素：

5.发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种基于模糊pid控制算法的储能参与区域互联电网调频方法，提高了电网调频速率，降低了电网最大频率偏差，节约运维成本。
6.技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种基于模糊pid控
制算法的互联电网调频方法，包括如下步骤：
7.s1：分析发电机、原动机、调速器、互联系统间联络线的特性，获取区域互联电网各环节等效传递函数；
8.s2：分析电池储能的特性，获取其等效传递函数；
9.s3：根据所述模型和相关环境变量进行仿真模型搭建；
10.s4：对所述模型设计模糊pid控制算法，给已搭建好的模型设计模糊pid控制器，设计隶属度函数，给定模糊子集和模糊控制规则，通过微分变换调节到合理范围，从而实现储能对电网调频的优化。
11.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的有益效果：
12.本发明采取了模糊自适应pid控制算法，搭建了电池储能配合模糊pid控制的仿真模型，分别在并网和离网运行的情景下与传统pid控制模型对比，得出模糊pid自适应控制方法调节速度快，适用范围广的结论，证明了该发明在保证电网运行的稳定性、安全性与经济性都有较大优势。
附图说明
13.图1为本发明的流程图；
14.图2为单区域电网等效电路图；
15.图3为两区域互联电网等效电路图；
16.图4为将电池储能放入单区域电网模型得到的等效电路图；
17.图5为模糊pid模块仿真图；
18.图6为基于模糊pid控制模块的等效电路图；
19.图7是本发明的仿真系统模型的示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
21.本发明公开了一种基于模糊pid控制算法的互联电网调频方法，如图1所示，包括如下步骤：
22.步骤s1：分析发电机、原动机、调速器、互联系统间联络线的特性，获取区域互联电网各环节等效传递函数。
23.当复杂的具有非线性的动态特征的电力网络在正常运行时，因为在网络中的负荷变化量比较小，所以可以通过线性化的方法对运行点附近的系统动态进行建模。因此，本技术采用合理的假设对电力系统中每个部分的数学模型进行简化，并通过传递函数来表示简化后的线性模型，简化的数学模型描述如下：
24.(1)发电机-负荷模型
25.电力系统中各类设备的频率特性存在着明显的差异性，其受到频率的影响程度也会随着频率特性的不同而有所不同，有一些电力设备根本不受频率变动的影响，有的用电设备却受到频率变化的影响比较大。电力系统中总的负荷频率特性可以用式(1)表达：
26.27.其中，δf为频率变化量；d为负荷的频率响应系数；m为机组转动惯量；s为积分常数；δpm为原动机输出功率变化量；δp
l
为发电机输入功率变化量。
28.(2)原动机模型
29.对于再热式汽轮机，其传递函数如式(2)所示：
[0030][0031]
其中，δpv为原动机输入功率变化量；kr为再热系数；τr为再热时间常数；τ
t
为原动机的时间常数。
[0032]
(3)调速器模型
[0033]
调速器的传递函数如式(3)所示：
[0034][0035]
其中，δpg为调速器输出功率变化量；δpc为调速器输入功率变量变化量；τg为机组调速器的惯性时间常数；r为调速器的调差系数。
[0036]
(4)联络线模型
[0037]
联络线的传递函数如式(4)所示：
[0038][0039]
其中，b为频率偏差系数；ki为控制器的积分增益；δp
t
为电网输入功率变化量。
[0040]
图2为单区域电网等效电路图，联立两个单区域等效电路图，得到图3为两区域互联电网等效电路图。其中，τg1为0.08s，τg2为0.09s，kr1为0.5，kr2为0.4，τr1为10s，τr2为11s，τ
t
1为0.4s，τ
t
2为0.5s，b1为0.4250mw/hz，b2为0.4260mw/hz。
[0041]
步骤s2：分析电池储能的特性，获取其等效传递函数。
[0042]
基于电池储能的特性将电池储能近似等效成一阶线性环节乘以电池增益。其传递函数表达式为式(5)：
[0043][0044]
式中，δpb为发电机输出功率变化量；kb为电池增益参数；tb为电池储能时间常数；其中kb为10，tb为390。将电池储能放入单区域电网模型得到如图4所示等效电路图。
[0045]
步骤s3：根据所述模型和相关环境变量进行仿真模型搭建。
[0046]
图5为模糊pid模块仿真图，模糊pid控制模块放置于等效电路图中调速器模块左侧，得到如图6所示等效电路图；
[0047]
其中，模糊pid模块采用的为“两输入三输出”的模式，输入端口为外部误差e与误微分ec，然后通过微分变换调节到合理的范围,最后输出动态规划后的k
p
、ki、kd。该模糊控制保持k
p
恒定，调节ki与kd的值，采用的是高斯函数法，其模糊子集为[负大(negative big，nb)、负中(negative medium，nm)、负小(negative small，ns)、零(zero)、正小(positive small，ps)、正中(positive medium，pm)、正大(positive big，pb)]。
[0048]
另外，模糊pid电池储能区域互联电网调频仿真模型是几乎对称的，应该从左到右，从上到下依次搭建，形成完整的区域电网仿真模型。得到图7为模糊pid电池储能区域互联电网调频仿真系统模型图。
[0049]
步骤s4：对所述模型设计模糊pid控制算法，给已搭建好的模型设计模糊pid控制器，设计隶属度函数，给定模糊子集和模糊控制规则，通过微分变换调节到合理范围，从而实现储能对电网调频的优化。
[0050]
其中，隶属度函数采用的高斯函数，ki与kd模糊控制规则表如表1、表2所示。
[0051]
表1 ki模糊控制规则表
[0052][0053]
表2 kd模糊控制规则表
[0054][0055]
我们通过上述模糊控制规则表，得到输入的向量误差e及微分误差ec转换的的新输出量，并将其作为k
i0
、k
d0
的校正比例。其计算公式为：
[0056]ki
＝k
i0
δkiꢀꢀꢀ
(3)
[0057]
kd＝k
d0
δkdꢀꢀꢀ
(4)
[0058]
模糊pid自适应控制器就由固定值k
p0
和重新计算出的ki、kd组成，最后按照误差值
计算并输出。
[0059]
建立如图7所示的仿真系统模型，仿真模型搭建完成之后，运行仿真模型，即可得到应用了本发明技术的微电网调频的波形。
[0060]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。