CN109149600B

CN109149600B - 一种基于模型预测控制的频率响应集中控制方法

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Publication number: CN109149600B
Application number: CN201811027604.XA
Authority: CN
Inventors: 王春生; 朱洪波; 佟永吉; 王征; 姜涛; 武志锴; 朱赫炎; 梁鹏; 王春凤; 王鹤霏; 李卫东; 晋萃萃
Original assignee: STATE GRID LIAONING ECONOMIC TECHNIQUE INSTITUTE; Dalian University of Technology; State Grid Corp of China SGCC
Current assignee: STATE GRID LIAONING ECONOMIC TECHNIQUE INSTITUTE; Dalian University of Technology; State Grid Corp of China SGCC
Priority date: 2018-09-04
Filing date: 2018-09-04
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2038-09-04
Also published as: CN109149600A

Abstract

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种基于模型预测控制的频率响应集中控制方法。包括：针对火电机组展开研究，使用解析方法描述互联电网中各区域机组频率响应动态过程、分析机组各模块的工作原理，搭建各机组调速器、汽轮机、发电机、PID控制器四个模块模型，得出各模块频率响应动态模型解析表达式；将现有频率响应控制由分散控制转变为集中控制；为将***频率迅速恢复到额定值；采用模型预测控制依据集中控制输入信号实时计算机组控制信号，调整模型预测控制器输出，调节调速器阀门开度，改变机组出力。本发明在保证***运行安全约束的前提下，提高***拦截频率下降的能力，降低低频减载、解列等事故发生，提高大扰动下***的频率稳定能力。

Description

一种基于模型预测控制的频率响应集中控制方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种基于模型预测控制的频率响应集中控制方法。

背景技术

我国地域辽阔，能源分布与资源消耗分布很不均衡，为解决输电问题，特高压交直流线路迅速发展，并得到普及，这就使得电网单一故障功率缺额大幅增大；与此同时，近年来，新能源上网量日益增加，大大挤占了常规机组的发电空间，使***转动惯量减小，频率响应能力降低，大功率缺失故障下***的频率稳定能力降低。为提高我国电网对大扰动的抵御能力，我们提出一种基于模型预测控制的频率响应集中控制方法。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于模型预测控制的频率响应集中控制方法，目的是通过将电网中现有频率响应控制由分散控制转变为集中控制，使用模型预测控制方法协调***内各机组调节特性，计算各机组实际控制参量，提高***整体频率响应能力，以在大扰动下保证电网频率的安全性与稳定性。

为达到上述发明目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于模型预测控制的频率响应集中控制方法，包括以下步骤：

步骤1：针对火电机组展开研究，使用解析方法描述互联电网中各区域机组频率响应动态过程、分析机组各模块的工作原理，同时搭建各机组调速器、汽轮机、发电机、PID控制器四个模块模型，得出各模块频率响应动态模型解析表达式；

步骤2：将现有频率响应控制由分散控制转变为集中控制；集中控制下，为将***频率迅速恢复到额定值；采用模型预测控制依据集中控制输入信号实时计算机组控制信号，调整模型预测控制器输出，进而调节调速器阀门开度，依据集中控制指令改变机组出力。

所述步骤包括：在互联电网中，电网整体频率响应能力由区域内所有机组与负荷共同提供，是依据本地频差的反馈控制，具有自发性、连续性，属于事后控制方式；因***内各机组出力受到本地频差的限制，不能在大扰动下充分发挥其频率响应能力，首先将现有频率响应控制由分散控制转变为集中控制，以为区域内各机组提供统一动作依据；

首先，使用解析方法描述互联电网中各区域机组频率响应动态过程，对区域i中各模块工作原理进行解析描述，对于单区域火电机组而言，包括调速器、汽轮机、发电机、PID控制器四个模块，其动态过程满足：

调速器：

式(1)中：i表示互联电网中区域；ΔP_l.i为调速器输入；u_i为模型预测控制器输出信号；T_g,i为调速器时间常数；R_g,i为调差系数；ΔX_t,i为调速器输出功率；

汽轮机：

式(2)中：i表示互联电网中区域；T_t,i为汽轮机时间常数；ΔX_t,i为调速器输出功率；ΔP_t,i为汽轮机输出功率；

发电机：

式(3)中：i表示互联电网中区域；Δf_i为区域i的频差；H_i为***惯性时间常数；D_i为***负荷阻尼系数；ΔP_L.i为功率扰动；ΔP_t,i为汽轮机输出功率；

区域i与区域j之间联络线功率满足：

式(4)中：Δf_i、Δf_j为区域i,j的频差；T_i,j为联络线功率同步系数；ΔP_tie,i为联络线功率；

PID控制器输出满足：

式(5)中：k_p,i为PID控制器比例系数；B_i为频率偏差系数；H_i为***惯性时间常数；ΔP_t,i为汽轮机输出功率；ΔP_tie,i为联络线功率；ΔP_L.i为功率扰动；k_i,i为控制器积分系数；D_i为***负荷阻尼系数；Δf_i、Δf_j为区域i,j的频差；T_i,j为联络线功率同步系数；ΔP_sp,i为PID控制器增量；

无论使用集中控制还是分散控制，上述模块均保持不变；其变化内容主要表现在调速器输入上，对于原有分散控制有:

式(6)中：P_sp,i为PID控制器输出；R_i为调差系数；Δf_i为区域i的频差；ΔP_l.i为调速器输入；

对于本发明提出的集中控制有：

其中，i表示互联电网中区域，ΔP_l.i为调速器输入，R_i为调差系数，Δf_i为本地频差，P_sp,i为PID控制器输出，C_{sin gnal,i}为集中控制输入信号。

所述步骤包括：因大扰动下，机组应时刻根据***功率缺额调整具体出力，原有频率响应控制依据本地频差实时调整调速器阀门开度；在集中控制下，为将***频率迅速恢复到额定值，采用模型预测控制依据集中控制输入信号实时计算控制信号，调整控制器输出，指导调速器阀门开度，改变机组出力；含模型预测控制的频率响应集中控制满足：

u_i＝f_i(C_signal,i) (8)；

式(8)中：u_i为模型预测控制器输出信号,C_{sin gnal,i}为集中控制输入信号；u_i为模型预测控制器输出信号；

式(9)中：u_i为模型预测控制器输出信号,ΔP_l.i为调速器输入，P_sp,i为PID控制器输出。

本发明具有以下优点及有益效果：

本发明实现了频率响应由分散控制到集中控制的转变，能够为区域内各机组提供统一动作依据，可在频率响应调节手段日益丰富的背景下，为多种调频手段的协调优化奠定理论基础。

使用模型预测控制能够克服现有频率响应控制的迟滞性、自发性、在线分析困难等问题，并对频率响应模型进行解析描述，时刻监视***的运行状态，在保证***运行安全约束的前提下，提高***拦截频率下降的能力，降低低频减载、解列等事故的发生，提高大扰动下***的频率稳定能力。

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

附图说明

图1是本发明单机组两区域***进行建模仿真模型框图；

图2是本发明扰动同步区i频率效果满足条件图；

图3是本发明非扰动同步区i频率效果满足条件图。

具体实施方式

本发明是一种基于模型预测控制的频率响应集中控制方法，包括：

1.针对火电机组展开研究，使用解析方法描述互联电网中各区域机组频率响应动态过程、分析机组各模块的工作原理，同时搭建各机组调速器、汽轮机、发电机、PID控制器四个模块模型，得出各模块频率响应动态模型解析表达式。

2.将现有频率响应控制由分散控制转变为集中控制。集中控制下，为将***频率迅速恢复到额定值，本发明采用模型预测控制依据集中控制输入信号实时计算机组控制信号，调整模型预测控制器输出，进而调节调速器阀门开度，依据集中控制指令改变机组出力。

实施例1：

在互联电网中，电网整体频率响应能力由区域内所有机组与负荷共同提供，是依据本地频差的反馈控制，具有自发性、连续性，属于事后控制方式。因***内各机组出力受到本地频差的限制，不能在大扰动下充分发挥其频率响应能力，本发明首先将现有频率响应控制由分散控制转变为集中控制，以为区域内各机组提供统一动作依据。

首先，需使用解析方法描述互联电网中各区域机组频率响应动态过程，对区域i中各模块工作原理进行解析描述，对于单区域火电机组而言，主要包括调速器、汽轮机、发电机、PID控制器四个模块，其动态过程满足：

调速器：

式(1)中：i表示互联电网中区域；ΔP_l.i为调速器输入；u_i为模型预测控制器输出信号；T_g,i为调速器时间常数；R_g,i为调差系数；ΔX_t,i为调速器输出功率。

汽轮机：

发电机：

区域i与区域j之间联络线功率满足：

PID控制器输出满足：

式(5)中：k_p，i为PID控制器比例系数；B_i频率偏差系数；H_i为***惯性时间常数；ΔP_t,i为汽轮机输出功率；ΔP_tie,i为联络线功率；ΔP_L.i为功率扰动；k_i,i为控制器积分系数；D_i为***负荷阻尼系数；Δf_i、Δf_j为区域i,j的频差；T_i,j为联络线功率同步系数；ΔP_sp,i为PID控制器增量；

无论使用集中控制还是分散控制，上述模块均保持不变。其变化内容主要表现在调速器输入上，对于原有分散控制有:

对于本发明提出的集中控制有：

其中，i表示互联电网中区域，ΔP_l.i为调速器输入，R_i为调差系数，Δf_i为本地频差，P_sp,i为PID控制器输出，C_singnal,i为集中控制输入信号。

实施例2：

因大扰动下，机组应时刻根据***功率缺额调整具体出力，原有频率响应控制依据本地频差实时调整调速器阀门开度。在集中控制下，为将***频率迅速恢复到额定值，本发明采用模型预测控制依据集中控制输入信号实时计算控制信号，调整控制器输出，指导调速器阀门开度，改变机组出力。含模型预测控制的频率响应集中控制满足：

u_i＝f_i(C_signal,i) (8)；

式(8)中：u_i为模型预测控制器输出信号,C_{sin gnal,i}为集中控制输入信号；u_i为模型预测控制器输出信号。

本发明完成步骤1与步骤2相关工作后，可使用本发明所提方法得到单机组两区域控制***，具体如图(1)示。

为验证所提方法有效性，使用单机组两区域***进行建模仿真，***模型框图如图1所示，其中区域i为扰动发生同步区，区域j为非扰动发生同步区。为简化计算，使用集中参数进行仿真分析。

如图2和图3所示，图2是本发明扰动同步区i频率效果满足条件图；图3是本发明非扰动同步区i频率效果满足条件图。从图2与图3仿真结果共同可看出，在保证***仿真参数与外部扰动不变的情况下，对于扰动同步区如图2所示与非扰动同步区如图3所示而言，其频率均得到很大程度改善，不仅暂态频率最低点得到提升，且***频率恢复到稳定的时间变短，频率振荡减小，稳定性增加。这就说明，本发明提出的基于模型预测控制的频率响应集中控制方法能够充分发挥***频率响应能力，使扰动同步区与扰动同步区频率均得到有效改善，成功拦截***频率下降，有效避免了扰动同步区低频减载事故的发生，提高了大扰动下***频率稳定能力。

Claims

1.一种基于模型预测控制的频率响应集中控制方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤2：将现有频率响应控制由分散控制转变为集中控制；集中控制下，为将***频率迅速恢复到额定值；采用模型预测控制依据集中控制输入信号实时计算机组控制信号，调整模型预测控制器输出，进而调节调速器阀门开度，依据集中控制指令改变机组出力；

所述步骤包括：

在互联电网中，电网整体频率响应能力由区域内所有机组与负荷共同提供，是依据本地频差的反馈控制，具有自发性、连续性，属于事后控制方式；因***内各机组出力受到本地频差的限制，不能在大扰动下充分发挥其频率响应能力，首先将现有频率响应控制由分散控制转变为集中控制，以为区域内各机组提供统一动作依据；

调速器：

汽轮机：

发电机：

区域i与区域j之间联络线功率满足：

PID控制器输出满足：

对于本发明提出的集中控制有：

其中，i表示互联电网中区域，ΔP_l.i为调速器输入，R_i为调差系数，Δf_i为本地频差，P_sp,i为PID控制器输出，C_singnal,i为集中控制输入信号；

所述步骤包括：

因大扰动下，机组应时刻根据***功率缺额调整具体出力，原有频率响应控制依据本地频差实时调整调速器阀门开度；在集中控制下，为将***频率迅速恢复到额定值，采用模型预测控制依据集中控制输入信号实时计算控制信号，调整控制器输出，指导调速器阀门开度，改变机组出力；含模型预测控制的频率响应集中控制满足：

u_i＝f_i(C_signal,i) (8)；

式(8)中：u_i为模型预测控制器输出信号,C_singnal,i为集中控制输入信号；u_i为模型预测控制器输出信号；

式(9)中：u_i为模型预测控制器输出信号,ΔP_l.i为调速器输入，P_sp,i为PID控制器输出；

完成步骤1与步骤2后，使用所述方法得到单机组两区域控制***；

为验证所提方法有效性，使用单机组两区域***进行建模仿真，***模型中区域i为扰动发生同步区，区域j为非扰动发生同步区；为简化计算，使用集中参数进行仿真分析；

在保证***仿真参数与外部扰动不变的情况下，对于扰动同步区与非扰动同步区如而言，其频率均得到很大程度改善，不仅暂态频率最低点得到提升，且***频率恢复到稳定的时间变短，频率振荡减小，稳定性增加。