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高渗透率光伏混合发电系统的频率控制方法研究.docx
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高渗透率光伏混合发电系统的频率控制方法研究.docx
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摘要
近年来我国光伏发电量占比增长迅速,针对高渗透率光伏并网混合火力发电系统中传统方法不能兼
顾 频 率 控 制 速 度 与 精 度 的 问 题 , 提 出 了 一 种 基 于 变 论 域 模 糊 PID( proportional , integral ,
differential)的电力系统频率控制方法。首先建立光伏并网火电系统模型;然后基于增量法和鲸
鱼捕食算法建立伸缩因子函数,设计变论域模糊 PID 控制器;最后利用 MATLAB/Simulink 进行
仿真试验,与传统 PID、模糊逻辑、模糊 PID 进行了对比分析。结果表明,所提出方法优于传统
方法,系统频率的最大频率偏差和稳定时间均明显减小。
Abstract
In recent years,the proportion of photovoltaic power generation in China has
increased rapidly.Aiming at the problem that the traditional method in high-
penetration photovoltaic grid-connected hybrid thermal power generation system
cannot take into account the speed and accuracy of frequency control,a power
system frequency control method based on variable universe fuzzy
proportional,integral,differential(PID) is proposed. Firstly,the photovoltaic grid-
connected thermal power system model is established.Secondly,the scaling factor
function is established based on the incremental method and the whale-predator
algorithm,and the variable-domain fuzzy PID controller is
designed.Finally,MATLAB/Simulink is used for simulation experiments,and compared
with traditional PID,fuzzy logic,and fuzzy PID.The results show that the method in
this paper is better than the traditional methods,and the maximum frequency
deviation and stabilization time of the system frequency are significantly reduced.
译
关键词
高渗透率; 光伏并网; 频率控制; 变论域模糊 PID
Keywords
high permeability; photovoltaic grid connection; frequency control; variable universe
fuzzy PID
译
随着全球能源危机和环境问题的日益严峻,寻找新型的可再生能源来代替传统的不可再生能源,已
成为全人类迫在眉睫的首要任务
[ 1]
。推广使用光伏发电系统,不仅能满足国计民生的需求,也能
缓解环境压力
[ 2]
。在科技进步和国家政策的推动下,我国太阳能发电规模迅速扩大,未来光伏发
电作为电力系统的主力电源之一已成为必然
[ 3]
。随着光伏发电渗透率的提高,电网调频能力不断
下降
[ 4]
,为提升电网频率控制的快速性和稳定性,迫切需要研究高渗透率光伏并网时电网的调频
策略与方法
[ 5]
。
提升高渗透率光伏并网时电网频率控制的快速性与稳定性主要有以下 4 种方法
[ 6]
:
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87488985/bg2.jpg)
1)光伏减载预留出参与一次调频的功率。文献[7]利用模糊控制将平均日照、日照变化和频率偏
差作为输入,计算光伏减载量,从而减小发电系统的频率偏差;文献[8]提出利用惯性响应和有
功功率储存设备吸收光伏减载量,提高光伏发电设备对电力系统频率稳定性的影响。
2)附加储能系统参与系统调频。文献[9]提出优化储能系统,将化学电池与超级电容电池相结合,
兼顾控制的快速性与整体的经济性。
3)调节电力系统中功率平衡,从而保持系统频率稳定。文献[10]将光伏系统视为一个发电负荷,
优化火电机组控制系统参数进而提升火电机组调频能力;文献[11]提出构造函数预 测负荷曲线,
通过储能系统的补偿作用减小系统频率偏差。
4) 改进频率控 制算法。文 献[12] 利 用粒子群 算 法优化火 电机组控制 系统参数, 抑制反向 调 频、
死 区 振 荡 , 增 强 频 率 的 稳 定 性 ; 文 献 [ 13 ] 设 计 出 根 据 频 率 偏 移 幅 度 自 适 应 调 节 的 模 糊 PID
(proportional,integral,differential) 复合结构的控制器,通过控制参数提高系统频 率调节
的动态响应,减小稳态误差。
本文针对高渗透率光伏并网火电系统的频率控制稳定时间较长、频率偏差较大等问题,在模糊 PID
控制的基础上,提出了变论域模糊 PID 控制法。首先建立高渗透率的光伏并网混合电力系统模型;
然后分析频率偏差、频率偏差变化率和论域变化的关系,基于增量法和鲸鱼捕食算法建立伸缩因子
函数,设计变论域模糊控制器,该伸缩因子函数可使控制器在频率偏差较大时进行粗略控制,在频
率偏差较小时进行精细控制;最后利用 Simlink 进行仿真并与传统 PID、模糊逻辑、模糊 PID 进
行对比分析,验证了本文方法的稳定性和快速性。
1 并网混合电力系统模型
频率是衡量电能质量的 3 大指标之一。当负载增加时,发电系统频率会降低。为了抑制频率的下降,
需要使用适当的控制器来调整发电机有功输出,使系统频率保持在 50 Hz,因此控制发电机调整有
功输出的速度将直接影响电力系统的频率偏差和稳定快慢。目前利用智能算法控制负载频率控制器
(load frequency control,LFC)进行实时跟踪控制,是调整发电机有功输出响应速度最有效的
方法之一。图 1 为光伏并网火力发电系统模型,包括光伏陈列、调速器、再热汽轮机、发电机等部
分,图中:∆P
c
为调速器的时间常数;∆P
r
为再热蒸汽机热功率增量变化;∆P
m
为发电机机械功率
变化量;∆P
d
为负荷功率变化量;∆P
g
为蒸汽阀门的功率变化量。
图 1 光伏并网火力发电系统模型
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87488985/bg3.jpg)
Fig.1 Model of photovoltaic grid-connected thermal power generation
system
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
建立光伏发电各系统模型并将其转化为代数方程形式,各部分联立得到光伏并网系统模型。太阳能
经光伏阵列、DC-DC(direct current to direct current)变换器、DC-AC(direct current to
alternating cu-rrent)逆变器后得到交流电,再转化为功率并入系统。
火电系统区域建模参数:管理时间常数 R 为 2.4 Hz/MW,调速器时间常数 T
g
为 0.08 s,再热器
时间常数 T
r
为 10 s,汽轮机时间常数 T
t
为 0.3 s,电力系统时间常数 T
p
为 20 s,电力系统增益 K
p
为 120 Hz/MW, 再 热 系 数 c 为 0.5。 模 型中 光伏发电 容 量 为 4.5 MW,火 电厂 装机容量 为 5.5
MW,系统电网总容量为 10 MW,光伏发电占比量达 45%。本文针对启动额定功率分别为 2、5、
7.5 MW 的电弧炉模拟突然增大负载,将会导致严重的频率偏差。
火电系统 50%(2.25 MW)负载下光伏接入系统前后的频率变化如图 2 所示。由图 2 可知,相同
负载下光伏并网有利于提升系统频率控制的稳定性和快速性,但在没有控制算法控制时的频率稳定
时间长达 25 s,频率偏差较大,因此需要研究控制算法优化 LFC 的频率控制效果。
图 2 光伏并网前后频率响应(2.25 MW)
Fig.2 Frequency response of PV before and after grid connection(2.25 MW)
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
2 变论域模糊 PID 控制
图 3 为变论域模糊 PID 控制框图,其中模糊 PID 控制是控制过程的主体部分,它是在传统 PID 控
制的基础上,通过控制规则对 PID 控制器的比例系数 K
p
、
积分系数 K
i
、
微分系数 K
d
进行不间断调
整优化,从而提高控制的快速性和稳定性。
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