一种聚合温控负荷与发电机励磁的联合系统模型及其反推协调控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种聚合温控负荷与发电机励磁的联合系统模型及其反推协调控制方法。首先搭建包含温控负荷(TCLs)的单机无穷大母线系统架构，基于TCLs的双线性聚合模型，推导构建了聚合TCLs与发电机励磁的联合系统数学模型；其次运用反推控制原理，设计了聚合TCLs与发电机励磁的多指标协调控制策略，并从理论及仿真上证明了控制器的稳定性和有效性。相比其它模型及控制方法，本发明专利技术新颖性在于将聚合TCLs与发电机励磁相结合构建协调控制系统，并设计了性能良好的多指标非线性协调控制器，使TCLs在电力系统调控中可以发挥更大的作用。

A Combined System Model of Polymerized Temperature Control Load and Generator Excitation and Its Backstepping Coordination Control Method

The invention provides a combined system model of aggregated temperature control load and generator excitation and a back-stepping coordinated control method thereof. Firstly, a single-machine infinite bus system with temperature-controlled loads (TCLs) is constructed. Based on the bilinear aggregation model of TCLs, the mathematical model of the combined system of aggregated TCLs and generator excitation is deduced and constructed. Secondly, the multi-index coordinated control strategy of aggregated TCLs and generator excitation is designed by using the principle of backstepping control, and the stability and availability of the controller are proved theoretically and simulated. Effectiveness. Compared with other models and control methods, the novel method of the invention is to construct a coordinated control system by combining the aggregated TCLs with generator excitation, and to design a multi-index non-linear coordinated controller with good performance, so that TCLs can play a greater role in the regulation and control of power system.

【技术实现步骤摘要】
一种聚合温控负荷与发电机励磁的联合系统模型及其反推协调控制方法
本专利技术属于电力系统辅助服务和需求侧响应领域，涉及温控负荷的应用与调控策略，尤其是一种聚合温控负荷与发电机励磁的联合系统模型及其反推协调控制方法。
技术介绍
随着电力负荷的持续攀升和大量间歇式电源集中接入电力系统，利用需求侧既有资源补充传统发电调度开展电力调频、调峰等服务，受到广泛关注。以商业楼宇的中央空调/冷藏库、居民用户的空调/热水器和部分工业大用户为代表的柔性负荷具有快速响应调度指令的能力，在分钟级时间内用电量的波动对用户体验影响很小，是短时间尺度上优质和宝贵的需求侧可调度资源。在我国华北等地区，柔性负荷的调度响应潜力可达1.4％-13.3％，在美国这一数据更是达到4％-20％，其中空调、冰箱、热水器等温控负荷(thermostaticallycontrolledloads，TCLs)以其响应快速、能量存储、可控性高等优点，充分利用其参与系统调控具有非常重要的现实意义。当前，TCLs辅助系统运行的研究热点主要集中在建模及调控策略上。对于模型的建立，有文献提出了历史自回归平滑模型、Fokker-Planck扩散模型、马尔科夫离散状态模型、状态队列模型等，这些研究大都基于概率统计过程，很难运用到实际的控制算法中；在调控策略上，有直接开关控制、温度设定值间接控制、占空比控制等，现有研究多以利用TCLs参与电力市场竞价或进行独立的有功和频率调节，未能充分发挥TCLs的作用。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术旨在克服现有研究的不足，做出如下两点创新：一是将TCLs和发电机励磁相结合，推导构建了二者的联合数学模型；二是将反推控制应用于聚合TCLs的功率调控中，提出了聚合温控负荷与发电机励磁的协调控制策略，实现电力系统功角、频率和电压的多指标调控。为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：首先，搭建TCLs与发电机励磁协调控制系统架构，其中电网部分采用单机无穷大系统模式，TCLs采用双线性聚合模型，从变压器高压侧接入电网，TCLs由N个可关断的热容串联热阻模块并联表示。分析电网线路上的功角相量关系，基于发电机的三阶模型在dq0旋转坐标系下推导出TCLs的母线电压：建立发电机励磁系统模型为：结合TCLs的双线性聚合模型：构造出聚合TCLs与发电机励磁的联合系统数学模型为：其次，根据反推控制原理，设计聚合TCLs与发电机励磁的多目标非线性协调控制策略。给定功角参考值为δref，依次推导出角速度虚拟控制量ωref和TCLs输出功率虚拟控制量Pr，ref后，可得到TCLs实际控制量即TCLs功率控制器：式中，给定TCLs所在母线电压参考值Ut，ref，推导出励磁电压虚拟控制量Ef，ref，可进一步推导得到励磁电压输入实际控制量VF，即发电机励磁电压控制器：最后，通过算法仿真验证分析，检验控制器的性能及TCLs参与电力系统调控对系统暂态稳定性的影响。设计了短路扰动和调功扰动并分别做了三组对比仿真实验，比较了TCLs调度潜力在50％(即在扰动中Pr可上下总波动不超过0.5，下同)、30％和0％下系统各控制参量的调控效果。附图说明图1为TCLs与发电机励磁联合系统架构图；图2为系统线路向量图；图3为有限差分离散化TCLs动态过程；图4为短路扰动下各控制参量响应曲线；图5为调功扰动下各控制参量响应曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明：1.联合系统模型当需要考虑快速励磁的动态过程或是转子动态过程时，普遍采用发电机的三阶模型：其中，式中，δ为发电机功角，ω为发电机转子角速度，E′q为发电机暂态电压，Ef为发电机励磁电压，D为机组固有阻尼系数，Ut为TCLs母线电压，Pm为原动机机械功率，Pe为发电机电磁功率，Pl为无穷大母线功率，Pr为TCLs输出功率，ω0为角速度系数，T′d0为发电机直轴暂态开路时间常数，Tj为发电机转子惯性时间常数，xd、x′d分别为发电机d轴同步电抗和暂态电抗，xT为变压器电抗。1.1TCLs母线电压Ut微分表达式如图1所示搭建的系统架构图，式(3)中E′q与Ut的关系尚未确定，故需借助Us推导E′q与Ut的关系，有如下关系：式中，Us为无穷大母线电压，xΣL为线路总电抗，Il为无穷大母线电流，Ie为发电机出口电流，Ir为TCLs输出电流。由式(5)-(8)可得：据图2所示系统向量图可得：将式(10)-(12)代入式(9)，整理可得：此处根据电力系统的实际情况可确定E′q的表达式为：可定义关于Ut的函数关系式ξ(Ut)为：以ξ(Ut)分别对Ut、δ、ω、E′q、Pr求偏导数，可得Ut的微分方程为：式中，1.2励磁模型励磁模型可表示为：式中，KE、TE为励磁机参数；VF为励磁机输入，ωf视为外部扰动；其中SE为励磁系统饱和函数，可写为：其中饱和系数a＞0，b＞0。1.3TCLs聚合模型1)单个TCL热动态模型：对制冷特性的温控负荷i，其室内、室外温度分别为Ti、T∞，i(℃)，假设该TCL可等值为一个热容Ci(kWh/℃)串联一个热阻Ri(℃/kW)，引入二元变量si(t)表示负荷的“开/关”状态，当i为“开”状态时取其功率为Pi，则可使用一个独立的一阶常微分方程来模拟它的热动态过程，如式(19)所示。其中，式中，Tmax，i、Tmin，i为温度限制的上下限，它们与温度设定值Tset，i的关系可表示为：式中，Δi＝Tmax，i-Tmin，i，称为温度死区。则集中式TCLs功率为：式中，ηr，i是负荷i的效率系数，N为温控负荷数量。2)TCLs的双线性聚合模型：式(19)表示的集中式温控负荷模型既有连续状态变量(温度)，又有离散的开/关状态变量，很难直接用于控制设计；且若把每个TCL均表示为一个独立的微分方程，将该模型应用于电网级负荷动态响应时会面临维数灾困境。为解决上述问题，使用连续性近似将多个温控负荷模型聚合为在其边界处耦合的一组偏微分方程，控制TCLs温度在各自温度死区内变化。首先推导出这些偏微分方程在Tset不变下的自由响应模型，然后拓展到Tset变化时的强制动态响应模型，最后将Δ平均分为n个温度区间，使用有限差分方法进行离散化，构造出聚合温控负荷的标准双线性状态空间模型，如式(24)所示。式中，M(t)＝[m1(t)，m2(t)，...，m2n(t)]T为2n×1阶状态变量矩阵，代表有限差分离散化后每个温度区间内的TCLs数量，如图3所示；为控制输入，表示Tset变化的导数；Pr(t)为聚合TCLs的总输出功率；为1×2n阶输出矩阵；A为2n×2n阶状态矩阵，描述为：式中，分别表示“开/关”状态下TCLs温度升降的平均速率。B为一个2n×2n阶输入矩阵，描述为：正是通过控制的值去改变Tset，达到类似直接开闭TCLs的作用，从而实现对聚合功率Pr的调控。1.4TCLs与发电机励磁联合系统数学模型联立式(1)、(2)、(16)、(17)、(18)和(24)，可构建TCLs与发电机励磁联合的状态方程为：其中，VF和为控制量。2.多指标非线性协调控制律设计2.1控制问题描述本专利技术设计协调控制器的主要目的在于保证系统功率平衡、维持电压与频率稳定，即本研究是一个多目标控制问题：目标一是系统功角稳定，δ是同步发电机是否越限失本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚合温控负荷与发电机励磁的联合系统模型及其反推协调控制方法，包括基于含TCLs的单机无穷大母线系统构建的聚合TCLs与发电机励磁联合系统数学模型和基于反推控制原理设计的TCLs功率控制器、发电机励磁电压控制器。

【技术特征摘要】
1.一种聚合温控负荷与发电机励磁的联合系统模型及其反推协调控制方法，包括基于含TCLs的单机无穷大母线系统构建的聚合TCLs与发电机励磁联合系统数学模型和基于反推控制原理设计的TCLs功率控制器、发电机励磁电压控制器。2.如权利要求1所述的聚合温控负荷与发电机励磁的联合系统模型及其反推协调控制方法，其特征在于：搭建的TCLs与发电机励磁协调控制系统架构，其中电网部分采用单机无穷大系统，TCLs采用双线性聚合模型，从变压器高压侧接入电网，TCLs由N个可关断的热容串联热阻模块并联表示，所述联合系统数学模型为：其中，式中，δ为发电机功角，ω为发电机转子角速度，E′q为发电机暂态电压，Ef为发电机励磁电压，D为机组固有阻尼系数，Ut为TCLs母线电压，Pm为原动机机械功率，Pr为聚合TCLs的总输出功率；ω0为角速度系数，T′d0为发电机直轴暂态开路时间常数，Tj为发电机转子惯性时间常数，xd、x′d分别为发电机d轴同步电抗和暂态电抗，xT为变压器电抗，x∑L为线路总电抗，阻抗系数η＝x...

【专利技术属性】
技术研发人员：余洋，卢健斌，谢仁杰，贾雨龙，米增强，范辉，张然，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，国网河北省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13