CN111146778B - 基于自适应事件触发动态输出反馈控制的多区域电网***设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于自适应事件触发动态输出反馈控制的多区域电网***设计方法，包括以下步骤：1)建立采用负载频率控制方案的多区域电网模型；2)为每一个子***设计动态输出反馈控制律；3)考虑存在网络诱导时延的情况为每一个子***设计自适应事件触发机制；4)利用李雅普诺夫稳定性理论及线性矩阵不等式方法得到保证每个电网子***渐近稳定并具有给定H_∞水平γ的控制器算法。本发明用分散式动态输出反馈控制方法，能够在存在扰动的情况下，保证***性能并且降低了计算复杂度；设计一个新的自适应事件触发机制，根据***输出的局部极值点动态改变阈值，在保证***性能的同时最大程度地减少通信次数。

Description

基于自适应事件触发动态输出反馈控制的多区域电网***设 计方法

技术领域

本发明涉及多区域电力***负载频率控制领域，具体涉及一种基于自适应事件触发机制结合分散式动态输出反馈控制方法，应用于多区域电力***中解决具有网络诱导时延的负载频率控制问题。

背景技术

负载频率控制多年来一直被应用于多区域电力***中，当负载变化时，自动调整发电参考值，以维持电网频率和区域间交换功率保持在预定值。虽然传统的电力***采用集中式的控制方法，但是分散式负载频率控制具有计算复杂度低和对单点故障鲁棒性好的优点。在现代电力***中常使用开放式的通信通道在原动机和本地控制器之间完成信号传输，相较于传统的专用通信通道传输方式，有着低成本和便于检修的优点，同时突破了物理区域的限制。然而，网络带宽受限为传输可靠性带来了挑战，例如网络诱导时延、丢包、数据包时序错乱等问题。因此，近十几年来，基于开放式通信通道的分散式电力***负荷频率控制的分析与设计成为研究热点。此外，由于多区域电力***中有许多负荷和发电单元要争夺有限的通信和计算资源，如何设计合理的通信和控制方案也越来越受到关注。

近年来，事件触发机制因其能够在保证给定***性能的同时减少控制次数而受到广泛关注。在事件触发控制***中，采样信号根据事件触发策略发送，也就是仅当满足给定的触发准则时再传输。因此，事件触发控制***并不要求实时采样信息和实时数据传输，其优点是可以最大限度地减少不必要的计算和通信资源的使用。然而，传统的常阈值事件触发机制虽然达到了预期的控制性能，但由于触发参数不能动态地调整，所以在带宽有限的通信网络上仍然需要传输大量的超采样数据。另一方面，动态输出反馈是一种强大的控制策略，相较于静态输出反馈具有更灵活的特点。在考虑通信和计算效率的前提下，为多区域电力***设计一种基于自适应事件触发动态输出反馈控制方法仍然具有挑战性。

发明内容

为了解决多区域电网***中具有网络诱导时延的负载频率控制问题，本发明提供了一种基于自适应事件触发动态输出反馈控制的多区域电网***设计方法，基于事件触发机制时延***的分析方法，设计一种基于自适应事件触发动态输出反馈控制算法，利用线性矩阵不等式工具箱获得控制器参数，同时可以获得一个具有最小通信次数的事件触发方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于自适应事件触发动态输出反馈控制的多区域电力***设计方法，包括以下步骤：

1)建立采用负载频率控制方案的分散式多区域电力***模型；

定义电网频率变化量为Δf_i、联络线功率变化量为ΔP_tie-i、原动机输出机械转矩变化量为ΔP_mi、原动机阀门位置变化量ΔP_gi，负荷参考值为ΔP_r，负荷变化量为ΔP_di，调节器时间常数为

原动机时间常数为

发电机的转动惯量为M_i，发电机阻尼系数为D_i，速度下降系数为R_i，区域i与区域j之间的联络线同步系数为T_ij，频率偏差系数为β_i，令x_i(t)＝[Δf_i ΔP_tie-i ΔP_mi ΔP_gi]^T，u_i(t)＝ΔP_r，

则多区域电力***的动态模型为

其中，

2)设计动态输出反馈控制器；

基于输出信号y_i(t)为每一个电网区域设计动态输出反馈控制器如下所示

其中x_ci(t)，

u_i(t)分别表示控制器的状态，输入和输出，A_Ki，B_Ki，C_Ki， D_Ki是待设计的控制器参数；

3)考虑网络诱导时延设计自适应事件触发机制；

网络诱导时延定义为τ_l，τ_l∈[τ_m,τ_M)，其中τ_m，τ_M分别为最小和最大时延，电力***中传感器采用自适应事件触发，执行器采用时间触发，控制信号采用零阶保持器，基于自适应事件触发的动态***模型被描述为：

其中k_l表示第l次触发时刻，设计如下自适应事件触发条件：

其中

t^jh代表第j个局部极值点对应的时间，考虑自适应事件触发机制，将动态输出反馈控制率改写为

如果t_kh+h+τ_M≥t_k+1h+τ_k+1，在区间t∈[t_kh+τ_k,t_k+1h+τ_k+1)，定义τ(t)＝t-t_kh， e_pi(t)＝0；如果t_kh+h+τ_M＜t_k+1h+τ_k+1，把区间[t_kh+τ_k,t_kh+h+τ_M)， [t_kh+lh+τ_M,t_kh+lh+h+τ_M)进行如下分隔：

Ω₀＝[t_kh+τ_k,t_k+τ_Mh+h)

Ω_j＝[t_kh+τ_M+jh,t_k+1+τ_Mh+jh+h)

Ω_d＝[t_kh+τ_M+d_Mh,t_k+1+τ_k+1)

定义

结合e_pi(k)和τ(t)的定义，对于t∈[t_kh+τ_k,t_k+1h+τ_k+1)，E＝[I 0]，以下式子成立

考虑动态输出反馈控制器(7)和***模型(5)，则闭环***被表示为：

其中，

ψ_i(t)为第i个子***的初始状态而且

4)设计基于自适应事件触发机制的动态输出反馈控制器；

利用李雅普诺夫稳定性理论及线性矩阵不等式方法得到保证每个电网子***渐近稳定并具有给定H_∞水平γ的控制器算法。

进一步，所述步骤4)的过程如下：

4.1)选取参数h＞0，0＜σ_im＜1，γ＞0，τ_m≥0，τ_M≥τ_m，使以下三个线性矩阵不等式成立的σ_im0作为初始值，设置σ_im＝σ_im0；

其中，

其中，μ＝h+τ_M-τ_m，

Φ_3i＝col{F_pi,Y_iF_pi},Φ_4i＝[C_piX_i C_pi],

4.2)选取一个合适的步进值Δσ_i，若(9)式有解，则令σ_im＝σ_im+Δσ_i，返回 4.1)，否则进入4.3)；

4.3)令σ_im＝σ_im-Δσ_i，即得最大的满足不等式组(9)的阈值σ_im，则动态输出反馈控制器参数表示为：

本发明的技术构思为：首先，给出多区域电力***的数学模型，并使用时延***的分析方法，提出了一个结合网络诱导时延、自适应事件触发机制和动态输出反馈控制的闭环时延***。然后，利用Lyapunov理论分析***的渐近稳定性和鲁棒性，并导出控制器的设计方法。最后，设计一个基于自适应事件触发动态输出反馈控制算法，利用线性矩阵不等式工具箱获得控制器参数，并获得一个具有最小通信次数的事件触发方案。

本发明的有益效果主要表现在：用分散式动态输出反馈控制方法，更加适用于实际电力***，在保证***性能的同时降低了计算复杂度；设计一个新的自适应事件触发机制，根据***输出的局部极值点动态改变触发阈值，在保证***性能的同时最大程度地减少通信次数。

附图说明

图1为三区域电力***示意图；

图2为第i个区域的负载频率控制模型图；

图3为三区域***输出仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一个基于自适应事件触发动态输出反馈控制的多区域电网***设计方法，包括以下步骤：

1)建立采用负载频率控制方案的分散式多区域电力***模型；

定义电网频率变化量为Δf_i、联络线功率变化量为ΔP_tie-i、原动机输出机械转矩变化量为ΔP_mi、原动机阀门位置变化量ΔP_gi，负荷参考值为ΔP_r，负荷变化量为ΔP_di，调节器时间常数为T_Gi，原动机时间常数为T_ti，发电机的转动惯量为M_i，发电机阻尼系数为D_i，速度下降系数为R_i，区域i与区域j之间的联络线同步系数为T_ij，频率偏差系数为β_i，令x_i(t)＝[Δf_i ΔP_tie-i ΔP_mi ΔP_gi]^T，u_i(t)＝ΔP_r，

则多区域电力***的动态模型为

其中，

2)设计动态输出反馈控制器；

基于输出信号y_i(t)为每一个电力区域设计动态输出反馈控制器如下所示

其中x_ci(t)，

u_i(t)分别表示控制器的状态，输入和输出，A_Ki，B_Ki，C_Ki， D_Ki是待设计的控制器参数；

3)考虑网络诱导时延设计自适应事件触发机制；

网络诱导时延定义为τ_l，τ_l∈[τ_m,τ_M)，其中τ_m，τ_M分别为最小和最大时延，电力***中传感器采用自适应事件触发，执行器采用时间触发，控制信号采用零阶保持器，基于自适应事件触发的动态***模型被描述为：

其中k_l表示第l次触发时刻，设计如下自适应事件触发条件

其中

t^jh代表第j个局部极值点对应的时间，考虑自适应事件触发机制，将动态输出反馈控制率改写为

如果t_kh+h+τ_M≥t_k+1h+τ_k+1，在区间t∈[t_kh+τ_k,t_k+1h+τ_k+1)，定义τ(t)＝t-t_kh， e_pi(t)＝0；如果t_kh+h+τ_M＜t_k+1h+τ_k+1，把区间[t_kh+τ_k,t_kh+h+τ_M)， [t_kh+lh+τ_M,t_kh+lh+h+τ_M)进行如下分隔：

Ω₀＝[t_kh+τ_k,t_k+τ_Mh+h)

Ω_j＝[t_kh+τ_M+jh,t_k+1+τ_Mh+jh+h)

Ω_d＝[t_kh+τ_M+d_Mh,t_k+1+τ_k+1)

定义

综合e_pi(t)和τ(t)的定义，对于t∈[t_kh+τ_k,t_k+1h+τ_k+1)，E＝[I 0]，以下式子成立：

考虑动态输出反馈控制器(7)和***模型(5)，则闭环***被表示为：

其中，

ψ_i(t)为第i个子***的初始状态而且

4)设计基于自适应事件触发机制的动态输出反馈控制器；

利用李雅普诺夫稳定性理论及线性矩阵不等式方法得到保证每个电网子***渐近稳定并具有给定H_∞水平γ的控制器算法。

进一步，所述步骤4)的过程如下：

4.1)选取参数h＞0，0＜σ_im＜1，γ＞0，τ_m≥0，τ_M≥τ_m，使以下三个线性矩阵不等式成立的σ_im0作为初始值，设置σ_im＝σ_im0；

其中，

其中，μ＝h+τ_M-τ_m，

Φ_3i＝col{F_pi,Y_iF_pi},Φ_4i＝[C_piX_i C_pi],

4.2)选取一个步进值Δσ_i，若(9)式有解，则令σ_im＝σ_im+Δσ_i，返回4.1)，否则进入4.3)；

4.3)令σ_im＝σ_im-Δσ_i，即得最大的满足不等式组(9)的阈值σ_im，则动态输出反馈控制器参数表示为：

结合图3，三区域电网参数选取如下所示：

区域1：T_t1＝0.31s，T_g1＝0.05s，M₁＝0.2308p.u.·s，D₁＝0.016p.u./Hz， R₁＝3Hz/p.u.，

区域2：T_t2＝0.35s，T_g2＝0.06s，M₂＝0.2408p.u.·s，D₂＝0.018p.u./Hz， R₂＝2.87Hz/p.u.，

区域3：T_t3＝0.30s，T_g3＝0.08s，M₃＝0.2372p.u.·s，D₃＝0.013p.u./Hz， R₃＝2.92Hz/p.u.，

T₁₂＝0.52p.u./Hz，T₂₃＝0.47p.u./Hz，T₃₁＝0.55p.u./Hz

选取h＝0.01s，τ_m＝0.005，τ_M＝0.04，σ_im＝0.8，α＝0.1，仿真实验具有一定初始频率偏差，利用基于自适应事件触发动态输出反馈控制算法使得***输出变化量归零。

Claims (2)

1.一种基于自适应事件触发动态输出反馈控制的多区域电网***设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤；

1)建立采用负载频率控制方案的多区域电网模型；

定义电网频率变化量为Δf_i、联络线功率变化量为ΔP_tie-i、原动机输出机械转矩变化量为ΔP_mi、原动机阀门位置变化量ΔP_gi，负荷参考值为ΔP_r，负荷变化量为ΔP_di，调节器时间常数为

原动机时间常数为

发电机的转动惯量为M_i，发电机阻尼系数为D_i，速度下降系数为R_i，区域i与区域j之间的联络线同步系数为T_ij，频率偏差系数为β_i，令x_i(t)＝[Δf_iΔP_tie-i ΔP_mi ΔP_gi]^T，u_i(t)＝ΔP_r，

则多区域电网的动态模型为

其中，

2)设计动态输出反馈控制器；

基于输出信号y_i(t)为每一个电网区域设计动态输出反馈控制器如下所示

其中x_ci(t)，

u_i(t)分别表示控制器的状态，输入和输出，A_Ki，B_Ki，C_Ki，D_Ki是待设计的控制器参数；

3)考虑网络诱导时延设计自适应事件触发机制；

网络诱导时延定义为τ_l，τ_l∈[τ_m,τ_M)，其中τ_m，τ_M分别为最小和最大时延，电力***中传感器采用自适应事件触发，执行器采用时间触发，控制信号采用零阶保持器，基于自适应事件触发的动态***模型被描述为

其中t_k表示第k次触发时刻，设计如下自适应事件触发条件：

σ_i(t^j)＝min{σ_im,λσ_i(t^j-1)}

其中

其中t^jh代表第j个局部极值点对应的时间，考虑自适应事件触发机制，将动态输出反馈控制器改写为

如果t_kh+h+τ_M≥t_k+1h+τ_k+1，在区间t∈[t_kh+τ_k,t_k+1h+τ_k+1)，定义τ(t)＝t-t_kh，e_pi(t)＝0；如果t_kh+h+τ_M＜t_k+1h+τ_k+1，把区间[t_kh+τ_k,t_kh+h+τ_M)，[t_kh+lh+τ_M,t_kh+lh+h+τ_M)进行如下分隔

Ω₀＝[t_kh+τ_k,t_k+τ_Mh+h)

Ω_j＝[t_kh+τ_M+jh,t_k+1+τ_Mh+jh+h)

Ω_d＝[t_kh+τ_M+d_Mh,t_k+1+τ_k+1)

定义

结合e_pi(t)和τ(t)的定义，对于t∈[t_kh+τ_k,t_k+1h+τ_k+1)，E＝[I 0]，以下式子成立

考虑动态输出反馈控制器和动态***模型，则闭环***被表示为：

其中，

ψ_i(t)为第i个子***的初始状态而且

4)设计基于自适应事件触发机制的动态输出反馈控制器；

利用李雅普诺夫稳定性理论及线性矩阵不等式方法得到保证每个电网子***渐近稳定并具有给定H_∞水平γ的控制器算法。

2.如权利要求1所述的基于自适应事件触发动态输出反馈控制的多区域电网***设计方法，其特征在于，所述步骤4)的过程如下：

4.1)选取合适的参数h＞0，0＜σ_im＜1，γ＞0，γ≥0，τ_M≥τ_m，使以下三个线性矩阵不等式成立的σ_im0作为初始值，设置σ_im＝σ_im0；

其中，

其中，

4.2)选取一个步进值Δσ_i，若式(9)有解，则令σ_im＝σ_im+Δσ_i，返回4.1)，否则进入4.3)；

4.3)令σ_im＝σ_im-Δσ_i，即得最大的满足不等式组(9)的阈值σ_im，则动态输出反馈控制器参数表示为：

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