一种基于分数阶PID的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分数阶PID的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法。首先建立考虑非线性环节的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型；其次设计一个分数阶PID控制器；然后基于抽水蓄能电站发电和抽水两种工作模式，建立抽水蓄能与电化学储能联合的两区域负荷频率控制模型；最后建立需求响应模型，分析不同程度需求响应控制下的抽/储联合分数阶PID控制效果。本发明专利技术为抽/储联合分数阶PID频率控制方法，考虑了实际电力系统中存在的非线性因素，并通过分数阶PID控制器与抽/储联合负荷频率控制的有效结合，进一步提高了电网频率控制的可靠性和电力系统运行稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于分数阶PID的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法
本专利技术属于储能联合的负荷频率控制
，具体涉及一种基于分数阶PID的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法。
技术介绍
随着分布式发电在电网中的比例越来越高，其发电受风、光等自然资源因素变化影响，存在预测难、控制难、调度难的问题。大规模并网对电网电能质量和暂态稳定性的影响越来越大。同时，能源结构正在逐步转型，需应对可再生能源发电系统固有波动性和随机性对维持电网频率稳定带来的挑战。而常规电源由于爬坡速率低，响应时间长，在应对日益多元与高效的电力系统时体现出许多不足。因此，在未来电网配备合理的储能设备为解决以上问题提供了可行性。其中抽水蓄能应用最为广泛。抽水蓄能电站因具备响应快速、控制灵活和不受风电运行状态约束等特点，作为一种成熟、优质的调频资源辅助常规机组在电网负荷频率控制中发挥着巨大作用。但抽水蓄能电站建设周期长，动态调节响应速度慢，如果将其作为主调频电厂，则需配置足够的备用容量，否则会导致经济效益不够理想。且抽水蓄能电站在夏季启停机组动作过多会导致网间联络线波动较大，对线路的输电能力造成不利影响。因此考虑引入电化学储能这一新的辅助调频手段，凭借其快速响应、精确跟踪特性来改善调频效果，同时保证调频的经济效益。抽水蓄能和电化学储能在参与电网调频方面都取得了一定成就。虽然两者在相应时间、能量/功率密度、额定容量/功率等方面存在着一定差异，但都具有各自不可替代的优点。两者联合的优势在于：1)响应速度快，可减少功率储备裕度；2)控制精准，可在任何功率点稳定输出；3)双向调节能力；4)上调和下调功率趋于平衡，需配置的容量较小。随着储能技术的不断发展，控制策略的选择也越发重要。有效的负荷频率控制在电网和用户的安全、电能质量评估及电力监测中扮演着不可或缺的角色。广大学者对负荷频率控制问题先后提出了多种控制方法：鲁棒分散负荷频率控制、自适应分数阶模糊控制、基于协调的分布式模型预测控制、自抗扰控制等。但目前占据控制领域主导地位的仍然是PID控制。相对于传统的整数阶PID控制，分数阶PID控制器改进了信号的处理方式，引入了分数阶微积分算子以取代单纯的微分或积分，使控制信号处理更为多样。不仅继承了传统PID所有的优点，也弥补了其在控制精度上的不足，极大提高了控制品质。总上所述，目前在电化学储能和抽水蓄能联合参与负荷频率控制方面的研究还较少，在指导储能更加高效地参与系统调频上还存在着大量的工作可做。例如结合水电资源丰富的抽水蓄能电站的电网背景，如何合理地根据电化学储能的运行特点，并考虑需求响应的影响，协调配合抽水蓄能机组实现高效调频；以及比较混合储能参与调频相对于传统机组在控制方法与效果上的区别，均有待开展深入的研究。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于分数阶PID的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法，在面对复杂的非线性系统和负荷扰动时，能够解决机组备用容量不足，响应速度慢，控制方法协调性差等问题，以增强机组的抗干扰性，改善系统二次调频的动态响应，高效实现系统的安全稳定运行。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于分数阶PID的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法，所述控制方法包括以下步骤：步骤10)建立考虑非线性环节的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型；步骤20)建立分数阶PID控制器模型，将其加入步骤10)所建模型中，得到含分数阶PID控制器的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型；步骤30)建立抽水蓄能与电化学储能联合的两区域负荷频率控制模型；步骤40)考虑需求响应的影响，建立计及需求响应的抽/储联合系统负荷频率控制模型。在步骤10)中，建立考虑非线性环节的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型具体包括以下步骤：步骤101)建立机组模型和联络线模型：构建再热式汽轮机的传递函数模型，如式(1)所示：构建水轮机的传递函数模型，如式(2)所示：式中，Tt为主进汽容积和汽室时间常数，Tr为再热器时间常数，Kr为蒸汽在高压气缸段产生的功率占总汽轮机功率的比例，Tw为水启动时间，s为拉普拉斯变换算子；构建汽轮机调速器的传递函数模型，如式(3)所示：构建水轮机调速器的传递函数模型，如式(4)所示：式中，Tg为汽轮机调速器时间常数，R为水轮机的调差系数，Kp，Ki，Kd为数字电液调速系统的比例、积分和微分增益，f为系统频率；构建功率扰动与其引起频率扰动的传递函数关系模型，如式(5)所示：其中，△Pg为发电机组输出功率；D为负荷阻尼系数，表示单位频率变化引起的负荷变化；△Pd为负荷功率变化；H为以标幺值定义的机组惯性常数；步骤102)构建联络线功率偏差的传递函数模型，如式(6)所示：式中，△Ptieij为联络线流动功率微增量；△fi，△fj分别为i区域和j区域的频率偏差；Tij为联络线同步系数，其计算公式如式(7)所示：式中，Xij为电路电抗；为区域i的额定功率；θi，θj为联络线两端电压角；Vi，Vj为联络线两端电压；同步功率系数aij的表达式如式(8)所示：式中，为控制区域j的发电机组的额定功率；步骤103)确定区域控制误差，采用联络线频率偏差控制模式(TBC)，如式(9)所示：ACE＝ΔPtie+β×Δf式(9)式中，ACE为反应区域控制误差；△Ptie为联接区域的联络线交换功率偏差；△f为扰动发生时的系统频率偏差；β为区域频率响应系数，其定义如式(10)所示：βi＝Di+1/Ri式(10)式中，Ri为调差系数；Di为负荷阻尼系数；步骤104)构建考虑调速器死区和发电速度约束的非线性环节：构建具有死区的调速器线性化后的传递函数模型，如式(11)所示：式中，N1和N2是非线性函数经过傅里叶级数展开的第二项和第三项的系数；Tg为调速器时间常数；ω0为正弦输入信号频率；构建考虑发电速度约束的再热式汽轮机组模型，在再热式汽轮机组的出力变化中加入了限位装置，限位器最大变化值设置为0.0017p.u.MW/s。在步骤20)中，建立分数阶PID控制器模型，将其加入步骤10)所建模型中，得到含分数阶PID控制器的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型，具体包括以下步骤：步骤201)构建分数阶PID控制器模型的传递函数模型，如式(12)所示：式中，Kp，Ki，Kd为比例、积分、微分系数；1/sλ为积分算子；sμ为微分算子，λ和μ分别为积分阶次和微分阶次；步骤202)利用Oustaloup近似方法将分数阶微积分算子sα设定在频段[ωb,ωh]内，利用一个分数阶传递函数K(s)来进行描述，如式(13)所示：其中，0<α<1，α为分数阶微分阶次；s＝jw本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分数阶PID的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：/n步骤10)建立考虑非线性环节的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型；/n步骤20)建立分数阶PID控制器模型，将其加入步骤10)所建模型中，得到含分数阶PID控制器的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型；/n步骤30)建立抽水蓄能与电化学储能联合的两区域负荷频率控制模型；/n步骤40)考虑需求响应的影响，建立计及需求响应的抽/储联合系统负荷频率控制模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于分数阶PID的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
步骤10)建立考虑非线性环节的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型；
步骤20)建立分数阶PID控制器模型，将其加入步骤10)所建模型中，得到含分数阶PID控制器的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型；
步骤30)建立抽水蓄能与电化学储能联合的两区域负荷频率控制模型；
步骤40)考虑需求响应的影响，建立计及需求响应的抽/储联合系统负荷频率控制模型。


2.根据权利要求1所述的一种基于分数阶PID的抽水蓄能与电化学储能联合参与电网负荷频率控制方法，其特征在于，在步骤10)中，建立考虑非线性环节的两区域再热式汽轮机组负荷频率控制模型具体包括以下步骤：
步骤101)建立机组模型和联络线模型：
构建再热式汽轮机的传递函数模型，如式(1)所示：



构建水轮机的传递函数模型，如式(2)所示：



式中，Tt为主进汽容积和汽室时间常数，Tr为再热器时间常数，Kr为蒸汽在高压气缸段产生的功率占总汽轮机功率的比例，Tw为水启动时间，s为拉普拉斯变换算子；
构建汽轮机调速器的传递函数模型，如式(3)所示：



构建水轮机调速器的传递函数模型，如式(4)所示：



式中，Tg为汽轮机调速器时间常数，R为水轮机的调差系数，Kp，Ki，Kd为数字电液调速系统的比例、积分和微分增益，f为系统频率；
构建功率扰动与其引起频率扰动的传递函数关系模型，如式(5)所示：



其中，△Pg为发电机组输出功率；D为负荷阻尼系数，表示单位频率变化引起的负荷变化；△Pd为负荷功率变化；H为以标幺值定义的机组惯性常数；
步骤102)构建联络线功率偏差的传递函数模型，如式(6)所示：



式中，△Ptieij为联络线流动功率微增量；△fi，△fj分别为i区域和j区域的频率偏差；Tij为联络线同步系数，其计算公式如式(7)所示：



式中，Xij为电路电抗；为区域i的额定功率；θi，θj为联络线两端电压角；Vi，Vj为联络线两端电压；
同步功率系数aij的表达式如式(8)所示：



式中，为控制区域j的发电机组的额定功率；
步骤103)确定区域控制误差，采用联络线频率偏差控制模式(TBC)，如式(9)所示：
ACE＝ΔPtie+β×Δf式(9)
式中，ACE为反应区域控制误差；△Ptie为联接区域的联络线交换功率偏差；△f为扰动发生时的系统频率偏差；β为区域频率响应系数，其定义如式(10)所示：
βi＝Di+1/Ri式(10)
式中，Ri为调差系数；Di为负荷阻尼系数；
步骤104)构建考虑调速器死区和发电速度约束的非线性环节：
构建具有死区的调速器线性化后的传递函数模型，如式(11)所示：



式中，N1和N2是非线性函数经过傅里叶级数展开的第二项和第三项的系数；Tg为调速器时间常数；ω0为正弦输入信号频率；
构建考虑发电速度约束的再热式汽轮机组模型，在再热式汽轮机组的出力变化中加入了限位装置，限位器最大变化值设置为0.0017p.u.MW/s。


3...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘可真，和婧，刘通，苟家萁，王骞，陈雪鸥，阮俊枭，陈镭丹，吴世浙，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53