經(jīng)典控制器在區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

董國威，楊平

(上海電力學(xué)院 電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

0 引言

隨著全球大電網(wǎng)的發(fā)展，各區(qū)域電網(wǎng)之間的電力交換越來越多，對互聯(lián)電網(wǎng)中各區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行控制與對單區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行控制是有所不同的，不但要考慮每個(gè)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)部的頻率，還要對區(qū)域之間的聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行控制。經(jīng)典控制器是在日常生活和生產(chǎn)活動(dòng)中技術(shù)最成熟、使用最廣泛的控制器，因此，本文嘗試使用經(jīng)典控制器來對互聯(lián)電網(wǎng)中的區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行控制，包括積分控制器(I)、比例－積分控制器(PI)、積分－微分控制器(ID)、比例－積分－微分控制器(PID)及積分－雙微分控制器(IDD)［1］等，比較各控制器在區(qū)域電網(wǎng)中的控制效果。

1 系統(tǒng)介紹

本文采用經(jīng)典的兩區(qū)域仿真控制模型(如圖1所示)，區(qū)域1和區(qū)域2均為2000 MW，為了模型化不同區(qū)域之間的容量情況，特別設(shè)定一個(gè)參數(shù)a12=－Pr1/Pr2=－1;區(qū)域中汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)速度限制為3%額定轉(zhuǎn)速/min。在每個(gè)區(qū)域中，積分控制器(I)、比例－積分控制器(PI)、積分－微分控制器(ID)、比例－積分－微分控制器(PID)及積分－雙微分控制器(IDD)作為研究對象，各控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 兩區(qū)域控制系統(tǒng)仿真模型

圖2 控制器結(jié)構(gòu)模型

依據(jù)參考文獻(xiàn)［2］提供的數(shù)據(jù)，仿真系統(tǒng)中各參數(shù)為:第i區(qū)域調(diào)速器時(shí)間常數(shù)τgi=0.080s、汽輪機(jī)時(shí)間常數(shù) τti=0.300 s、再熱器時(shí)間常數(shù) τri=10.000 s、再熱器的比例系數(shù) Kti=0.5、電網(wǎng)的時(shí)間常數(shù) τpi=20 s、電網(wǎng)的比例系數(shù) Kpi=120 Hz/p.u.MW，聯(lián)絡(luò)線時(shí)間常數(shù)τ12=0.544 s。

2 系統(tǒng)仿真

在本文研究的兩區(qū)域電網(wǎng)中，設(shè)定區(qū)域調(diào)整參數(shù)R1=R2=4%、頻率偏差系數(shù)B1=B2=0.425，積分控制器(I)、比例－積分控制器(PI)、積分－微分控制器(ID)、比例－積分－微分控制器(PID)及積分－雙微分控制器(IDD)參數(shù)的設(shè)定見表1。其中:Kpi為區(qū)域i中PID，PI控制器的比例控制器系數(shù);KIi為區(qū)域 i中 I，PID，PI，ID，IDD 控制器的積分控制器系數(shù);KDDi為區(qū)域i中PID，ID控制器的微分控制器系數(shù)以及IDD控制器中的雙微分控制器系數(shù)。

在區(qū)域1中，加上1%的單步負(fù)載擾動(dòng)，觀察區(qū)域1的頻率偏差。從圖3中可以看出:I，PI控制器的控制效果差不多，振蕩較為劇烈;ID，IDD控制效果較好一些，振蕩情況大為改善;PID控制效果最好，超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間等性能指標(biāo)都是最小的。

表1 控制器參數(shù)的設(shè)定

圖3 區(qū)域1的頻率偏差

由圖4可以看出:對于聯(lián)絡(luò)線功率偏差的控制，I和PI控制效果較差，振蕩較為劇烈;ID和IDD控制效果略好，振蕩減緩;PID控制效果最好，超調(diào)量與調(diào)整時(shí)間均較小。

圖4 聯(lián)絡(luò)線功率偏差

3 調(diào)速器的控制效果分析

在對控制器的控制效果進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，調(diào)速的調(diào)節(jié)頻率也是十分重要的一個(gè)考慮環(huán)節(jié)。如果調(diào)速器的調(diào)節(jié)過于頻繁，會(huì)導(dǎo)致調(diào)速器加速老化，從而縮短調(diào)速器的使用壽命。因此，在仿真系統(tǒng)中觀察調(diào)速器的控制曲線。

在圖5中分別觀察區(qū)域1和區(qū)域2的調(diào)速器輸入情況。在2個(gè)區(qū)域中，I和PI控制器的振蕩都很大，調(diào)節(jié)過于頻繁。區(qū)域1中，開始時(shí)刻的脈沖幅度ID最小，IDD其次，PID最大;調(diào)整過程中的超調(diào)量IDD最小，ID次之，PID最大;調(diào)整時(shí)間為ID最短，IDD次之，PID最長。在區(qū)域2中，超調(diào)量為PID最小，ID次之，IDD最大;穩(wěn)定時(shí)間為PID最短，ID次之，IDD最長。

圖5 區(qū)域1和區(qū)域2的調(diào)速器輸入

4 結(jié)論

對積分控制器(I)、比例－積分控制器(PI)、積分－微分控制器(ID)、比例－積分－微分控制器(PID)、積分－雙微分控制器(IDD)分別控制的兩區(qū)域電網(wǎng)的自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分別從區(qū)域內(nèi)頻率偏差、區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線功率偏差和各區(qū)域內(nèi)調(diào)速器的輸入信號(hào)進(jìn)行分析:

(1)I，PI控制器對頻率的控制和聯(lián)絡(luò)線功率的控制都有很大程度上的振蕩，這是由于電力系統(tǒng)中存在有較大的慣性環(huán)節(jié)，使得控制的變化總是落后于誤差的變化。在控制器中加入D控制器，能夠預(yù)測誤差變化的趨勢，超前地對誤差進(jìn)行控制，從而避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)，消除控制過程中的振蕩。

(2)在調(diào)節(jié)過程中，由于區(qū)域1為主控區(qū)域，誤差產(chǎn)生在此區(qū)域中，PID相對于ID，IDD控制器，增加了一個(gè)P控制器，對誤差有一個(gè)放大作用，因此，調(diào)速器輸入信號(hào)在開始時(shí)刻的脈沖幅值PID要比ID，IDD要大一些，超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間也要大一些;而在作為跟隨區(qū)域的區(qū)域2中，PID控制器中的P控制器對誤差的放大作用可以加快控制器對被控量的控制，因此，從調(diào)速器的輸入信號(hào)來看，PID的控制效果要優(yōu)于ID，IDD控制器。

(3)在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，如果將圖2中IDD控制器的D3控制器的實(shí)際微分環(huán)節(jié)換為理想微分環(huán)節(jié)，則調(diào)速器的輸入信號(hào)在開始時(shí)刻的脈沖幅值會(huì)增大很多。因?yàn)槔硐胛⒎汁h(huán)節(jié)的輸出是一個(gè)幅值無限大、作用時(shí)間無限小的脈沖，而實(shí)際微分環(huán)節(jié)是以一個(gè)有限的最大幅值開始的、按指數(shù)規(guī)律衰減至0的緩慢脈沖信號(hào)［3－5］。

［1］J Nanda，Lalit Chandra Saikia.Comparison of Performances of Several Types of Classical Controller in Automatic Generation Control for an Interconnected Multi-area Thermal System［C］∥2008 Australasian Universities Power Engineering Conference(AUPEC＇08).Sydney:Australasina Universities，2008.

［2］O I Elgerd.Electric Energy Systems Theory an Introduction［M］.Second Edition.New Delhi:Tata McGraw － Hill，1983.

［3］C Concordia，L K Kirchmayer.Tie-line Power Frequency Control of Electric Power System［J］.AIEE Trans，1953，72(III－A):562－572.

［4］C Concordia，L K Kirchmayer.Tie-line Power Frequency Control of Electric Power System:Part II［J］.AISE Trans，1954，73(III－A):133 －146.

［5］楊平，翁思義，郭平.自動(dòng)控制原理 理論篇［M］.北京:中國電力出版社，2009.