基于模糊PID的多區(qū)域頻率控制策略研究

張　燕，李春蘭，石　砦

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)， 烏魯木齊　830052)

電力系統(tǒng)的頻率控制是保障電網(wǎng)安全、可靠、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵措施。隨著經(jīng)濟生產(chǎn)對電能需求的不斷提高，互聯(lián)電網(wǎng)的規(guī)模也越來越大，并且各個區(qū)域的連接趨于復(fù)雜。在此過程中，傳統(tǒng)的PI頻率控制方法逐漸顯現(xiàn)出不足之處，如精確度低、響應(yīng)時間長、魯棒性差等缺點。為此，對互聯(lián)電網(wǎng)中頻率控制的研究受到越來越高的重視[1]，已有諸多改進方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2]、粒子群算法[3-4]、遺傳算法[5]和預(yù)測控制[6]等。上述方法雖然在一定程度上提高了系統(tǒng)性能，但它們的控制方法復(fù)雜，受限制條件較多，實現(xiàn)相對困難，同時，在解除管制后電網(wǎng)系統(tǒng)模型發(fā)生變化，各區(qū)域間的耦合關(guān)聯(lián)度加強，使系統(tǒng)的實際結(jié)構(gòu)變得更加繁瑣[7]。文章綜合傳統(tǒng)PID控制和模糊控制兩者的優(yōu)點，提出基于模糊PID多區(qū)域頻率控制的方法，是一種新型的區(qū)域頻率控制策略，該方法具有很好的應(yīng)用前景，能改善電網(wǎng)中多區(qū)域頻率調(diào)節(jié)性能。

1　電力系統(tǒng)的調(diào)頻原理

1.1　電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)

在電力系統(tǒng)中，通常采用自動負荷頻率控制技術(shù)維持系統(tǒng)中有功功率的平衡，使頻率穩(wěn)定在額定值附近[8]，頻率調(diào)節(jié)主要有以下兩種方式。

1) 當(dāng)系統(tǒng)頻率偏離穩(wěn)定值時，調(diào)速器根據(jù)自整定調(diào)差率來改變機組出力，使頻率恢復(fù)到允許范圍內(nèi)，實現(xiàn)有差調(diào)節(jié)，這一過程稱為一次調(diào)頻[9]，圖1為一次調(diào)頻仿真模型。

2) 自動發(fā)電控制(Automatic Generating Control,AGC)根據(jù)選定的控制策略，計算出維持系統(tǒng)穩(wěn)定所需輸出功率的變化量，通過調(diào)整機組出力，使頻率恢復(fù)到允許范圍內(nèi)，這一過程為二次調(diào)頻(屬于無差調(diào)節(jié))[10]。在圖1模型前端加入二次調(diào)頻環(huán)節(jié)，可以將手動調(diào)節(jié)變?yōu)樽詣痈櫿{(diào)節(jié)，仿真模型如圖2所示。

1.2　控制區(qū)的頻率控制模式

互聯(lián)電網(wǎng)是指由多個控制區(qū)域電網(wǎng)構(gòu)成的互聯(lián)系統(tǒng)，圖3所示為控制區(qū)之間功率傳遞示意圖，各控制區(qū)域可能采用不同的頻率控制策略，控制區(qū)的頻率控制模式主要有3種[11]：

1) 定頻率控制(Flat Frequency Control,FFC)。該模式能維持系統(tǒng)頻率為額定值，但不會控制聯(lián)絡(luò)線功率，適合孤立電力系統(tǒng)。

2) 定交換功率控制(Flat Tie-line Control,FTC)。采用該模式能保持聯(lián)絡(luò)線交換功率的恒定，系統(tǒng)不僅能響應(yīng)本區(qū)域的負荷變化，還能響應(yīng)其他區(qū)域的負荷變化。

3) 聯(lián)絡(luò)線功率及頻率偏差控制(Tie-line load frequency Bias Control,TBC)。該模式需要同時檢測系統(tǒng)的頻率偏差和聯(lián)絡(luò)線交換功率偏差，體現(xiàn)功率就地平衡的調(diào)頻原則。

2　基于模糊控制的頻率調(diào)節(jié)

2.1　模糊PID控制器

模糊控制適用于非線性、數(shù)學(xué)模型不確定的控制對象，對被控對象的時滯非線性和時變性具有一定的適應(yīng)能力，同時具有較強的魯棒性。但模糊控制器本身消除穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，難以達到高精度控制。而PID控制正好可以彌補其不足。

本文將傳統(tǒng)PID控制與模糊控制相結(jié)合，采用分散控制策略，為每個互聯(lián)電網(wǎng)區(qū)域系統(tǒng)設(shè)計一個二維模糊PID控制器，根據(jù)輸入信號的大小以及變化趨勢等特征，通過模糊推理做出相應(yīng)的決策，在線整定PID參數(shù)，以期獲得滿意的控制效果。

模糊PID控制器主要包括參數(shù)修正PID控制器和模糊控制器兩部分，前者實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，后者包含模糊化、建立模糊控制規(guī)則、模糊推理、解模糊化四個過程?？刂破鞯妮斎霝閰^(qū)域控制偏差A(yù)CEi及偏差率ΔACEi，輸出為PID調(diào)節(jié)參數(shù)的變化量即ΔKp、ΔKi、ΔKd。當(dāng)系統(tǒng)負荷出現(xiàn)擾動或系統(tǒng)參數(shù)偏移導(dǎo)致輸入量偏離設(shè)定值時，控制器將根據(jù)模糊控制規(guī)則，運用模糊推理，對PID參數(shù)Kp、Ki、Kd進行在線修正，根據(jù)調(diào)節(jié)參數(shù)的不同要求，達到調(diào)整輸出控制量ΔPref的目的[13]。模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2　模糊PID控制器設(shè)計

模糊控制器的設(shè)計主要為模糊化、建立模糊推理規(guī)則和反模糊化。

模糊化通過量化因子將實測信號用模糊集表示。將輸入變量ACEi、ΔACEi和輸出量ΔKp、ΔKi、ΔKd均表示為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}7個模糊子集，根據(jù)精度要求，將各輸入和輸出變量的論域均量化為13個等級，即{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。結(jié)合互聯(lián)電網(wǎng)AGC的特性，各輸入變量采用高斯型隸屬函數(shù)，輸出變量采用三角形隸屬函數(shù)。

模糊規(guī)則表的設(shè)計是系統(tǒng)取得良好控制性能的關(guān)鍵。模糊規(guī)則一般是相關(guān)領(lǐng)域的專家給出的語言規(guī)則，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，一般形式為“if…then”條件語句。采用Mamdani模型，描述關(guān)于ΔKp的第i條模糊規(guī)則：

IfeisAi,ecisBi, Then ΔKpisCi;

其中Ai、Bi、Ci(i=1,2，…，l)均為模糊集合，l為模糊規(guī)則數(shù)，l=7×4=49。可以得到如下模糊規(guī)則：

規(guī)則1：ifeis NB,ecis NB,Then ΔKpis PB;

規(guī)則2：ifeis NM,ecis NB,Then ΔKpis PB;得到ΔKp49條模糊規(guī)則，如表1所示。同理，ΔKi、ΔKd的模糊控制規(guī)則，如表2及表3所示。

表1　ΔKp模糊規(guī)則

表2　ΔKi模糊規(guī)則

表3　ΔKd模糊規(guī)則

模糊PID控制器模塊的實現(xiàn)：

設(shè)k為采樣時間，通過模糊理論推導(dǎo)PID參數(shù)的整定算法用公式表示如下：

(1)

式(1)中，Kp0、Ki0、Kd0傳統(tǒng)PID控制器的初始參數(shù)。

應(yīng)用Mamdani模糊合成推理法進行模糊推理，并采用重心平均法進行解模糊[14]。由輸入?yún)^(qū)域控制偏差A(yù)CEi和偏差變化率ΔACEi，參照上述模糊規(guī)則表獲得PID控制器調(diào)節(jié)參數(shù)的修正值ΔKp、ΔKi、ΔKd然后帶入式(1)中，對PID 控制器調(diào)節(jié)參數(shù)進行在線實時修正。

3　互聯(lián)電力系統(tǒng)多區(qū)域控制仿真

按照2.2節(jié)所述步驟，利用MATLAB工具箱中的模糊編輯器對隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則進行編輯。將模糊控制器的輸出信號ΔKp，ΔKi，ΔKd作為新的參數(shù)傳遞給經(jīng)典PID控制器，再將其封裝成子系統(tǒng)，作為AGC算法接入互聯(lián)電力系統(tǒng)多區(qū)域模型中[15]，如圖5所示。

假設(shè)控制區(qū)域A中有一臺無再熱火力機組和一臺再熱火力機組，裝機容量為800 MW，負荷為700 MW(備用容量為100 MW)，在2 s時負荷增加80 MW容量?？刂茀^(qū)域B含有兩臺水電機組，與區(qū)域A形成多區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)，區(qū)域B可對區(qū)域A進行有功功率支援，形成水-火互補發(fā)電[16]?？刂茀^(qū)A、B在不同的頻率控制模式下，分別采用PI調(diào)節(jié)和模糊PID調(diào)節(jié)方式對發(fā)電系統(tǒng)的頻率進行仿真對比，取TR=25%，C=8，M1=M2=10，D1=D2=1，其他參數(shù)如表4所示。

表4　互聯(lián)系統(tǒng)的仿真模型參數(shù)

互聯(lián)電網(wǎng)中的各控制區(qū)域可能采用不同的頻率控制策略，因此各區(qū)域之間將產(chǎn)生多種策略的配合。按圖3的功率傳遞示意圖，兩區(qū)域?qū)a(chǎn)生6種控制模式(FFC-FFC、FFC-FTC、FFC-TBC、FTC-FTC、TBC-FTC、TBC-TBC)。具體控制模式需要根據(jù)區(qū)域具體控制要求選擇。通過仿真實驗對比得出，只有在TBC-FTC、FTC-FTC及FFC-FTC三種控制模式下系統(tǒng)頻率能恢復(fù)到穩(wěn)定值附近，達到較為滿意的效果。以下對這三種控制模式進行具體的分析研究。

1) TBC-FTC控制方式

系統(tǒng)A采用TBC模式，系統(tǒng)B采用FTC模式。系統(tǒng)的區(qū)域控制偏差分別為：

(2)

該模式下得到區(qū)域A在PI調(diào)頻和模糊PID調(diào)頻的頻率變化曲線如圖6所示。

2) FTC-FTC控制方式

系統(tǒng)A、B均采用FTC模式，其系統(tǒng)的區(qū)域控制偏差分別為：

(3)

該模式下得到，區(qū)域A的頻率變化曲線如圖7所示。

3) FFC-FTC控制方式

此時系統(tǒng)A、B均采用FTC模式，其系統(tǒng)的區(qū)域控制偏差分別為：

(4)

該模式下得到，區(qū)域A的頻率變化曲線如圖8所示。

同時在模糊PID調(diào)頻方式下，通過對聯(lián)絡(luò)線功率變化進行仿真分析，得到在三種控制模式下，控制區(qū)域間交換功率Pt的變化曲線，如圖9所示。

負荷擾動均發(fā)生在具有火電機組的區(qū)域A中，具有水電機組的區(qū)域B無任何負荷擾動，它能輔助火電區(qū)域進行頻率調(diào)節(jié)。三種控制模式下頻率偏移量和恢復(fù)時間的仿真結(jié)果如表5所示。

控制模式PI調(diào)頻最大偏移/Hz模糊PID調(diào)頻最大偏移/HzPI調(diào)頻恢復(fù)時間/s模糊PID調(diào)頻恢復(fù)時間/sTBC?FTC-0．1856-0．058430．418．20FTC?FTC-0．2384-0．180643．435．20FFC?FTC-0．1837-0．050421．47．53

上述仿真圖和仿真數(shù)據(jù)表明，三種控制模式下，模糊PID調(diào)頻方式都優(yōu)于傳統(tǒng)的PI調(diào)頻。通過對比，圖8中FFC-FTC控制方式下頻率偏移量最小，恢復(fù)時間最短，各項指標優(yōu)于TBC-FTC和FTC-FTC控制模式。由圖9可知，聯(lián)絡(luò)線交換功率Pt代表從區(qū)域B流入?yún)^(qū)域A的功率，當(dāng)Pt<0時，表示區(qū)域B流入?yún)^(qū)域A的功率增加，等效于減少區(qū)域A的負荷并增加區(qū)域B的負荷，反之亦然。在三種控制模式下，區(qū)域B都能對區(qū)域A進行有功功率支援，使其頻率恢復(fù)至穩(wěn)定值附近，交換功率Pt也逐漸歸零。

4　結(jié)論

文章介紹了電力系統(tǒng)中的一次調(diào)頻和二次調(diào)頻，以及控制區(qū)的頻率控制模式。為提高多區(qū)域的頻率調(diào)節(jié)的性能，分析了多種控制策略方案并進行仿真研究。在傳統(tǒng)PI調(diào)頻基礎(chǔ)上，提出了將模糊控制器與經(jīng)典PID控制相結(jié)合的思想，運用模糊數(shù)學(xué)理論在線調(diào)節(jié)PID參數(shù)，加入到多區(qū)域系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)中，達到提高系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)性能的效果。仿真結(jié)果證明本文提出的模糊PID控制器在互聯(lián)區(qū)域系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)方面具有更高的控制精度和穩(wěn)定性，以及更強的魯棒性。文章的仿真模型省略了對頻率調(diào)節(jié)的評價以及各機組本身的調(diào)節(jié)死區(qū)，這些都是今后互聯(lián)電網(wǎng)系統(tǒng)需要認真研究的重要方向。

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