CN102820650A - 基于干扰估计的电力***负荷频率控制器设计方法 - Google Patents

基于干扰估计的电力***负荷频率控制器设计方法 Download PDF

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吴晓
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University of Shanghai for Science and Technology
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Abstract

本发明涉及一种基于干扰估计的电力***负荷频率控制器设计方法，设计干扰观测器来估计电力***中负荷扰动值，将估计的负荷值应用到滑模频率控制器的设计中，根据负荷的变化对电力***的输出功率进行实时的调节。将干扰观测器的方法应用到电力***的负荷频率控制研究中，来消除滑模控制器的抖振问题，设计干扰观测器来估计电力***中负荷扰动值，根据负荷的变化对电力***的输出功率进行实时的调节，抑制由于负荷扰动和***不确定引起的电力***频率偏差，减小传统滑模控制的保守性，具有更好的偏差抑制效果。

Description

基于干扰估计的电力***负荷频率控制器设计方法
技术领域
本发明涉及一种电力***频率控制器设计技术，特别涉及一种基于干扰估计的电力***负荷频率控制器设计方法。
背景技术
频率是电力***安全运行的有效参数之一。频率稳定问题是电力***稳定的关键问题，它反映了电力***中有功功率供需平衡的基本状态。负荷频率控制（LFC）的目的就是根据电力***中负荷值的变化，将***频率调整达到额定值（如50HZ）并且维持区域联络线交换功率为计划值。
在理想线性化状态下，传统的比例积分控制器能有效地将电力***频率偏差控制到零。但是实际的电力***是一个包含大量不确定项的强非线性***，传统的比例积分控制方法很难将频率偏差控制在可以接受的范围内(                                               
Figure 490252DEST_PATH_IMAGE002
HZ)，并且动态性能不佳。近年来，各种现代控制理论的研究发展迅速。其中滑模控制理论具有鲁棒性特点得到到广泛的关注和应用。滑模控制自身结构是“不固定”的，是典型的非线性控制，当***状态轨线到达滑动模态后，对***参数不确定和外部干扰呈现不变性的优点，而且滑模控制还具有响应速度快，算法简单，易于工程实现等优点。但是传统的滑模控制设计存在的缺点是需要已知不确定参数的界和存在抖动问题。
在常规的滑模控制器设计过程中，需要首先对干扰不确定项的界进行估计，然后利用估计的边界值来构造确定的滑模控制器，显然这样设计出来的控制器具有较大的保守性，且动态性能较差。
发明内容
本发明是针对滑模控制器设计具有较大的保守性，且动态性能较差的问题，提出了一种基于干扰估计的电力***负荷频率控制器设计方法，将干扰观测器的方法应用到电力***的负荷频率控制研究中，来消除滑模控制器的抖振问题，设计干扰观测器来估计电力***中负荷扰动值，将负荷的估计值应用到滑模频率控制器的设计中，根据负荷的变化对电力***的输出功率进行实时的调节，有效抑制了电力***的频率偏差。
本发明的技术方案为：一种基于干扰估计的电力***负荷频率控制器设计方法，具体包括如下步骤：
1）建立电力***状态方程表达式
Figure 2012103030832100002DEST_PATH_IMAGE004
，其中是状态向量，
Figure 2012103030832100002DEST_PATH_IMAGE008
是控制输入，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
是具有合适维数的常数矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为电力***负荷扰动变量；
2）基于电力***状态模型，设计对应的干扰观测器
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE020
是负荷扰动的估计值，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
是***状态的估计值，是状态估计误差，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 2012103030832100002DEST_PATH_IMAGE030
是观测器增益矩阵；
3）根据设计的干扰观测器，设计滑模负荷频率控制器：首先，通过极点配置方式选取常数矩阵
Figure 2012103030832100002DEST_PATH_IMAGE032
，设计切换函数
Figure 2012103030832100002DEST_PATH_IMAGE034
；然后设计滑动模态控制律
Figure 2012103030832100002DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure 2012103030832100002DEST_PATH_IMAGE038
是等效控制将***保持在滑模面上,
Figure 2012103030832100002DEST_PATH_IMAGE040
是切换控制迫使***状态在滑模面上滑动，使到达条件得到满足，在切换面上形成滑动模态区，其中和
Figure 2012103030832100002DEST_PATH_IMAGE046
是非负常数，sgn是符号函数；最后得基于干扰估计的电力***负荷频率控制器：
Figure 2012103030832100002DEST_PATH_IMAGE048
，其中
Figure 527257DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 25235DEST_PATH_IMAGE020
为负荷扰动的估计值。
所述步骤1）中的
Figure 482367DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 433006DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 253194DEST_PATH_IMAGE014
是常数矩阵分别为：
Figure 605678DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure 735177DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 173112DEST_PATH_IMAGE056
，其中
Figure 531412DEST_PATH_IMAGE058
为调速器时间常数（
Figure 692397DEST_PATH_IMAGE060
）；为汽轮机时间常数（
Figure 668760DEST_PATH_IMAGE060
）；
Figure 893068DEST_PATH_IMAGE064
为电力***模型时间常数（
Figure 141516DEST_PATH_IMAGE060
）；
Figure 425867DEST_PATH_IMAGE066
为电力***增益； 
Figure 776077DEST_PATH_IMAGE068
为调速器速度调节，
Figure 804075DEST_PATH_IMAGE070
为积分控制增益。
本发明的有益效果在于：本发明给出了基于干扰估计的电力***负荷频率控制器设计方法，抑制由于负荷扰动和***不确定引起的电力***频率偏差，该方法减小传统滑模控制的保守性，具有更好的偏差抑制效果。
附图说明
图1为线性化的电力***动态数学模型框图；
图2为本发明干扰观测器的结构框图；
图3为本发明干扰观测器估计的负荷值和负荷的实际值曲线；
图4为电力***在传统滑模控制作用下和本发明设计的滑模控制器作用下的频率偏差曲线图；
图5为电力***在传统滑模控制作用下和本发明设计的滑模控制器作用下的发电机输出功率曲线图。
具体实施方式
本文设计干扰观测器来估计电力***中负荷扰动值，将负荷的估计值应用到滑模频率控制器的设计中，根据负荷的变化对电力***的输出功率进行实时的调节。为达到此目的，进行如下设计。
1、考虑电力***负荷频率控制模型：
电力***是复杂的非线性动态***。由于电力***在正常运行时负荷变化很小，所以使用线性化的模型来表示运行点附近的***动态是足够的。如图1所示线性化的电力***动态模型框图。
***的状态方程模型为
Figure 671144DEST_PATH_IMAGE072
Figure 798500DEST_PATH_IMAGE074
Figure 698323DEST_PATH_IMAGE076
式中：
Figure 451384DEST_PATH_IMAGE078
—增量频率偏移（
Figure 753052DEST_PATH_IMAGE080
）；
Figure 51310DEST_PATH_IMAGE082
—发电机输出功率的增量变化（
Figure 438429DEST_PATH_IMAGE084
）；
Figure 496646DEST_PATH_IMAGE086
—调速器阀门位置增量变化（
Figure 387241DEST_PATH_IMAGE084
）；
Figure 121979DEST_PATH_IMAGE016
—负荷干扰（
Figure 730815DEST_PATH_IMAGE084
）；
Figure 91258DEST_PATH_IMAGE058
—调速器时间常数（
Figure 101939DEST_PATH_IMAGE060
）；—汽轮机时间常数（
Figure 103710DEST_PATH_IMAGE060
）；
Figure 500800DEST_PATH_IMAGE064
—电力***模型时间常数（
Figure 365988DEST_PATH_IMAGE060
）；
Figure 442529DEST_PATH_IMAGE066
—电力***增益； 
Figure 25957DEST_PATH_IMAGE068
—调速器速度调节。
为了加强频率偏差的调节作用，令
Figure 462623DEST_PATH_IMAGE088
，
 式中：
Figure 447897DEST_PATH_IMAGE090
—积分控制增量变化； 
Figure 695338DEST_PATH_IMAGE070
—积分控制增益；
该电力***向量动态模型可写为：
Figure 507885DEST_PATH_IMAGE094
其中
Figure 347665DEST_PATH_IMAGE096
，
Figure 245400DEST_PATH_IMAGE054
，。
2、本发明的基于干扰观测器的滑模负荷频率控制器的设计原理：
滑模变结构控制是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处在于***的“结构”并不固定，而是根据***当前的状态有目的的不断变化调整，迫使***按照预定“滑动模态”或“滑模”的状态轨迹运动。这种滑动模态是可以设计的，且与***的参数及扰动无关。其设计的基本步骤包含两个相对独立的部分：
a)设计切换函数
Figure 734467DEST_PATH_IMAGE034
，其中
Figure 386028DEST_PATH_IMAGE032
是具有适当维数的常数矩阵，用来保证滑动模态渐进稳定且具有良好的动态品质；
b)设计滑动模态控制律，是等效控制将***保持在滑模面上,
Figure 998516DEST_PATH_IMAGE040
是切换控制迫使***状态在滑模面上滑动，使到达条件得到满足，从而在切换面上形成滑动模态区。
有a)，b)设计滑模控制器满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE098A
，其中
Figure 166640DEST_PATH_IMAGE100
，
Figure 303223DEST_PATH_IMAGE102
为干扰估计的上界值。
显然，这样设计出的控制器保守性大，动态性能差。本文将干扰观测器的思想应用到滑模控制器的设计中，用负荷扰动的观测值
Figure 706523DEST_PATH_IMAGE020
代替负荷扰动的边界值
Figure 152416DEST_PATH_IMAGE102
，设计如下控制器：
Figure 906746DEST_PATH_IMAGE104
，其中
Figure 581441DEST_PATH_IMAGE106
， 
Figure 790312DEST_PATH_IMAGE020
为干扰的观测值。
3、本发明的基于干扰观测器的不确定电力***的负荷频率控制器的设计方法：
本发明提出的利用干扰观测器估计的负荷值构造滑模负荷频率控制器的设计方法，在建立了不确定的电力模型之后，按照下列步骤进行：
1) 建立电力***向量动态模型为：
Figure 220156DEST_PATH_IMAGE094
，其中
Figure 133885DEST_PATH_IMAGE006
是状态向量，是控制输入，，
Figure 840176DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 506781DEST_PATH_IMAGE014
是具有合适维数的常数矩阵，
Figure 274011DEST_PATH_IMAGE016
为电力***负荷扰动变量。
2) 设计观测器满足如下状态方程：
Figure 771988DEST_PATH_IMAGE108
 ，其中
Figure 215739DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 431957DEST_PATH_IMAGE110
。，
Figure 791580DEST_PATH_IMAGE030
是需要设计的观测器增益。
3)设计基于干扰观测器的观测补偿设计的滑模控制器
Figure 734128DEST_PATH_IMAGE112
，其中
Figure 857549DEST_PATH_IMAGE114
。
4、算例分析：
利用存在阶跃负荷扰动的电力***验证本发明的有效性。
线性化的电力***动态数学模型框图如图1所示，其中参数值变化范围和***参数矩阵满足如下定义：
Figure 215849DEST_PATH_IMAGE116
，，
Figure 648470DEST_PATH_IMAGE122
。
如图2所示干扰观测器的结构框图，干扰观测器的系数矩阵满足：
 
Figure 810461DEST_PATH_IMAGE124
，
Figure 137537DEST_PATH_IMAGE126
，
Figure 110304DEST_PATH_IMAGE128
，
Figure 460513DEST_PATH_IMAGE130
。
滑模面出***矩阵通过极点配置的方法求出
Figure 222933DEST_PATH_IMAGE132
，滑模控制器系数选取
Figure 591466DEST_PATH_IMAGE134
，
Figure 46718DEST_PATH_IMAGE136
。
设定负荷产生3%的阶跃变化，如图3所示本发明设计的干扰观测器估计的负荷值和负荷扰动的实际值，显示当负荷产生3%的阶跃变化时，观测器能较快速准确的观测到其变化值。如图4所示电力***在传统滑模控制作用下和本发明设计的滑模控制器作用下的频率偏差曲线图，显示当负荷产生变化时，两种控制方法下的频率都产生了波动，不同的是，利用干扰观测器补偿设计的控制器能较好的抑制频率波动，使偏差维持在一个更小的范围之内。同样，如图5所示电力***在传统滑模控制作用下和本发明设计的滑模控制器作用下的发电机输出功率曲线图，显示了在负荷变化过程中，利用干扰观测器补偿设计的控制器较常规设计方法的控制器所产生的发电机功率增量的偏差较小。
本发明设计的基于干扰估计的电力***负荷频率控制器，能够有效的的解决不确定电力***性的频率偏差控制问题，通过matlab平台将两种方法所设计的控制器进行数值仿真对比，仿真结果验证了本发明算法的优越性。

Claims (2)

1.一种基于干扰估计的电力***负荷频率控制器设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）建立电力***状态方程表达式                                               
Figure 2012103030832100001DEST_PATH_IMAGE002
，其中是状态向量，
Figure 788555DEST_PATH_IMAGE006
是控制输入，
Figure 892646DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 672384DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 5276DEST_PATH_IMAGE012
是常数矩阵，
Figure 819648DEST_PATH_IMAGE014
为电力***负荷扰动变量；
2）基于电力***状态模型，设计对应的干扰观测器
Figure 327597DEST_PATH_IMAGE016
，其中
Figure 719264DEST_PATH_IMAGE018
是负荷扰动的估计值，
Figure 918164DEST_PATH_IMAGE020
是***状态的估计值，
Figure 524726DEST_PATH_IMAGE022
是状态估计误差，
Figure 518089DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 960834DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 697846DEST_PATH_IMAGE028
是观测器增益矩阵；
3）根据设计的干扰观测器，设计滑模负荷频率控制器：首先，通过极点配置方式选取常数矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，设计切换函数
Figure DEST_PATH_IMAGE032
；然后设计滑动模态控制律
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
是等效控制将***保持在滑模面上,
Figure DEST_PATH_IMAGE038
是切换控制迫使***状态在滑模面上滑动，使到达条件得到满足，在切换面上形成滑动模态区，其中和
Figure DEST_PATH_IMAGE044
是非负常数，sgn是符号函数；最后得基于干扰估计的电力***负荷频率控制器：
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure 93668DEST_PATH_IMAGE018
为负荷扰动的估计值。
2.根据权利要求1所述基于干扰估计的电力***负荷频率控制器设计方法，其特征在于，所述步骤1）中的
Figure 461195DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 702821DEST_PATH_IMAGE010
，是常数矩阵分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE056
为调速器时间常数（
Figure DEST_PATH_IMAGE058
）；
Figure DEST_PATH_IMAGE060
为汽轮机时间常数（）；
Figure DEST_PATH_IMAGE062
为电力***模型时间常数（
Figure 330483DEST_PATH_IMAGE058
）；
Figure DEST_PATH_IMAGE064
为电力***增益； 
Figure DEST_PATH_IMAGE066
为调速器速度调节，
Figure DEST_PATH_IMAGE068
为积分控制增益。
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