文摘

电源结构发展显著的增加可再生能源的份额(靓)在电力系统。靓带来不可避免的影响电力系统频率、电压调整,电力系统的稳定性。传统的自动发电控制(AGC)循环继电器只在同步发电机组不能满足这些新形势下的要求。介绍ESS-integrated光伏/风力车站拓扑及其控制结构为AGC辅助服务提供现有的靓AGC辅助服务的附加功能,而无需改变他们的翻译战略构想MPPT控制模式。改变操作模式和外部干扰进行ess ESS-integrated光伏/风力发电站固有的非线性和时间变量。因此,一种自适应鲁棒滑模控制(ARSMC)系统。ARSMC综合自适应控制的优点和SMC包含状态反馈项,鲁棒控制项,和自适应补偿项。严格的逻辑和严格证明使用李雅普诺夫稳定性分析表明ARSMC系统参数不确定性和外部扰动不敏感;与此同时,它保证响应速度快,控制精度高。NI-PXI平台上的案例研究验证了该方法的有效性。

1。介绍

电力系统看到越来越多的光伏和风力发电集成。在增加可再生能源(靓)渗透水平,尽管环保和可持续发展等优点,他们也给公用电网带来的问题(1- - - - - -3]。调整电源结构对电力系统带来不可避免的影响减少主要由于传统发电机频率响应和顺向惯性损失(4]。因此提供辅助服务越来越具有挑战性的任务系统操作。

应对这些问题,一些电网公司发布的相关规定和技术标准要求快速频率响应从光伏站和风电场5]。徐et al。6]提出了动态增益调AGC的控制方法与风力发电的影响。魏et al。7)提出了一个最佳的自动生成控制器与储能multiarea互联电力系统PV植物。一般来说,典型的光伏和风力发电最大功率点跟踪模式(8- - - - - -10),和相应的控制算法开发和提炼,现在市场上成熟的技术。它几乎是不切实际的要求主要从这些间歇靓频率响应。和备用容量需求的结果损害靓是太阳能/风能缩短,降低经济效率。

能源存储系统(ess)是一个很有潜力的能力,电力系统的电压和频率控制由于技术的最新发展和直线下降的成本(11- - - - - -14]。研究表明,一个10兆瓦/ 3.66兆瓦的电池储能系统可以取代传统的36兆瓦自动发电控制(AGC)机组在不影响日常的AGC系统的性能变化的系统负载(15]。使用ess添加监管能力和提高AGC的动态性能,特别是在高靓渗透电力系统,是一个可行的解决方案(16- - - - - -18]。

因此,更实际的使用商业光伏/风力发电和添加额外的定制ess提供额外功能,即ESS-integrated光伏/风力发电站。ess可以消除峰值和填充通过光伏/风力发电系统,为这些电台配备快速频率响应,并避免电压波动等电能质量问题在主电网。这些特性是重要的原动力是可再生能源的特点是具有随机性和间歇性的行为。

旁边的快速动态响应,ess料的特点,控制精度高,抗干扰能力强,随着基本要求高效率和低输出电流总谐波失真。许多技术都提出了ess来实现这些控制目标,包括proportional-integral-derivative控制、基于模型的控制、鲁棒控制、模糊控制(19- - - - - -24]。最有可能的是,传统控制技术只担保所需的闭环响应在预期的操作点,和控制之间存在权衡性能响应速度,静态精度、鲁棒性和跟踪性能(25- - - - - -28]。此外,电力电子装置和扰动给ess和高度耦合的非线性多变量结构为传统控制技术带来了巨大的挑战。因此,似乎自然探索其他非线性控制,可以克服不确定性的挑战,实现更好的薪酬和全球稳定在所有操作模式。

滑模控制(SMC) (29日- - - - - -31日)是一种最有效的非线性鲁棒控制策略,因为它提供了不确定性的系统动力学具有不变性的财产一旦系统动力学在滑模控制32,33]。SMC已经应用于ess频率调节(34- - - - - -36),电源管理(37),运行状态(38),和电压控制39]。Morstyn et al。40)提出了一个可替换主体滑模控制电荷状态电池储能系统之间的平衡。开关频率变量或喋喋不休SMC固有的问题,和许多智能控制策略用于改善传统SMC (41,42),避免喋喋不休。Sebaaly et al。43)提出了一个恒定的开关频率操作,允许喋喋不休的补偿。王等人。44]提出SMC-based ess的可控性提高微型智能电网",保证无缝过渡网格之间的连接和坐落操作模式和使用PWM来避免颤振问题。苏et al。45)开发了一个自适应滑模控制和滞环控制策略混合ess消除当前的波动和改善其操作稳定性。

ess在实际ESS-integrated光伏/风力发电站不断面临各种障碍,而这些不确定性和参数变化作出准确的数学模型构建的挑战。更严重的是,检测限制和时间延迟给控制系统带来更多的问题。很难通过传统SMC取得优异的成绩。因此,本文提出了一种自适应鲁棒滑模控制(ARSMC)系统综合自适应控制的优点和SMC,消除各种干扰下的控制误差,并保证AGC需求快速响应,提供质量改进现有AGC辅助服务。

2。提出ESS-Integrated光伏/风力发电站

在本节中,提出ESS-integrated光伏/风力发电站的建设呈现在图1,其中包括光伏(PV)系统,风力发电,ess。ESS-integrated光伏/风力站连接到电网通过断路器(CB)和变压器。


图1
ESS-integrated光伏/风力发电站。

注意,大多数光伏/风力发电站集成实用网络通过有线或架空线路和靓输出功率变化更容易引起电压波动或电压凹陷。这些问题可能执行靓从电网断开。因此,有必要使用ess光滑活跃和无功功率,提高电能质量。

ess可以灵活导入/导出功率从/到网格和补偿功率变化或减少功率波动引起的靓。它还可以解决车站输出电压和频率或从AGC响应电网调度。

3所示。AGC辅助服务控制

ESS-integrated光伏/风力站的控制结构AGC辅助服务控制如图2。所有的发电机在电力系统操作基于日常调度中心的调度安排。同时,AGC监控网络参数,如频率、结线功率流和输出功率的发电机计算区域控制误差(ACE)根据控制方案。


图2
控制结构ESS-integrated光伏/风力站AGC辅助服务。

一旦电压/频率达到边界层,产生一个电压/频率调节功率,并定义如下: 在哪里 是电力需求总量,它包含三个时间尺度。他们是 , ,和 。 是传统电厂的电力需求(例如,频率调节电厂)。 是ESS-integrated光伏/风力发电站的电力需求。

一旦当地的能源管理系统(氨基酸)ESS-integrated光伏/风力站接收调度指令或 ,它分解为 在哪里 是光伏发电的电力需求。 风力发电的电力需求, ess的电力需求。ess有三种操作模式:模式1是本地控制模式,这意味着ess由氨基酸最快最短的通信延迟和最灵活和响应。ESS-integrated光伏/风力站是一个自我控制单元。(a)充电/放电基于SOC和车站运行情况,例如,存储多余的电能减少太阳能/风能缩减。(b)光滑靓输出功率。ess补偿功率变化或减少功率波动引起的光伏/风力发电。(c)电压/频率控制。ess修复ESS-integrated光伏/风力发电站输出电压和频率。模式2是频率/电压调节响应模式。ess发电根据 ,快速应对AGC的主任。模式3是调度曲线遵循模式。ess控制遵循调度曲线或光伏/风力发电减少预测误差进行补偿。

在每个控制周期后,ess反馈他们的地位包括最大可调容量和时间问题。然后问题整合了所有系统参数可调容量ESS-integrated光伏/风力发电站和反馈调度中心: 在哪里 是每一代的额定功率单元。 是一个系数矩阵, 是相应的调整系数。

AGC辅助服务控制与现有的AGC控制策略集成电压/频率调节和电力调度。电网调度中心只需要添加一个指令分配模块ESS-integrated光伏/风力发电站和更新它的系数矩阵 。实现频率的相互合作监管资源在更少的AGC系统服务模块的变化,这是极大的工程意义重大。

4所示。ess建模和ARSMC系统

在本节中,光伏电站ESS的模型和提出ARSMC系统。

4.1。ess建模

一个单一的ESS的优化目标可以概括如下。

图3显示了电路拓扑的ESS ESS-integrated光伏/风力发电站。ESS由电动电池和双向DC-to-AC转换器与inductor-capacitor (LC)过滤器连接到交流公共汽车一起靓。


图3
电路拓扑的ESS ESS-integrated光伏/风力发电站。

在这个图中, 是交流母线电压(每阶段)和 是交流电流(ess的每阶段),和转换器总是对称。 和 分别是滤波电感和电容值。 代表了变换器的等效串联电阻(ESR),电感器和电源线。 代表的ESR滤波电容器。

美国的开关n -th腿(n= 1,2,3)可以表示为时间变量年代n和定义为年代n= 1,如果 在和 了,而年代n= 0,如果 在和 是关闭的。

这种切换策略,加上一个小死时间发生器能够避免内部短裤两个交换机之间的每个桥的腿,和开关将互补状态。假设调制和固有频率相比,开关频率相对较高。因此,图的等效动力学模型3得到如图4,在那里年代拉普拉斯算子;功率增益定义为 ,在哪里 是一个三角载波信号的振幅。


图4
ESS的等效动力学模型ESS-integrated光伏/风力发电站。

因此,ESS的动力学方程可以表示为在正半周期

下的动力学方程和ess d问可以表示为0同步旋转坐标系统 在哪里 和 交流电压和电流在d问0同步旋转坐标系,分别。 和 控制信号在d问0同步旋转坐标系统。l是等效电感,C是电容值转换器。r代表了变换器的等效串联电阻,电感,电源线。定义 和 的参考 和 。方程(5)是重新安排 在哪里 和 。方程(6重新安排如下: 在哪里 , , , , ,和 。 。

根据上述讨论,ess是非线性、时变系统,还有的不确定性ESS-integrated光伏/风力发电站,这是引起的参数变化和外部扰动。因此,方程(7)应修改如下: 在哪里 ,和 代表了系统参数变化和 代表外部干扰或不确定性。定义

因此,方程(8)是重新安排

绑定的不确定性是假定符合下列不等式: 在哪里 代表未知的正的常数。

4.2。ARSMC系统

拟议的ess控制系统分为两个主要部分,如图5。第一部分是主要的控制产生的参考信号我裁判基于 和ess的操作模式。第二部分是ARSMC系统生成控制信号U控制。在本部分中,状态反馈项给出了简洁的滑动面,而充分利用极点配置和状态反馈。鲁棒控制项形式ess的结构模型。调整控制律的自适应补偿项,基于不确定性或干扰。随着干扰未知变量,不能指定或确定一个固定值,引入一种自适应策略是一个更实际的解决方案。


图5
控制系统的ESS ESS-integrated光伏/风力发电站。

ARSMC系统的控制目标是使ess的输出功率等于 。具体地说,它必须执行 跟踪其参考 , 或执行我遵循它的参考我裁判。

首先,定义一个滑动面方程(12),通过整个州获得滑动轨迹,同时消除静态控制错误: 在哪里 和 是控制系数矩阵。

第二,设计控制方案如下: 在哪里 在哪里U1是状态反馈项,U2是鲁棒控制项,U3是自适应补偿项。 是一个小正的常数, ,被 符号功能和abs(·)绝对值函数。 估计的价值吗问;定义参数偏差 和自适应法

证明。滑动面和参数组合自适应法是基于名义非线性系统之间的差异和不确定的非线性系统,并满足全球李雅普诺夫稳定性条件。利用李雅普诺夫稳定性分析推导出滑模存在的条件和设置的李雅普诺夫函数 的微分方程(16), 的微分方程(12)(9和替换13)和(15)(17)简化方程(17), 因此, 当 这保证了滑模系统渐近稳定的行为在滑动面(12)。
一旦系统轨迹到达滑动面,它的收益率 : 从方程推导出等效控制(19), 代入方程(20.)方程(8): 这可能意味着设计状态反馈系数K保证滑模鲁棒性(21)以及动力学特性,如上升时间和最大超调。

5。案例研究

基于图的MATLAB环境下的仿真平台1开发验证AGC辅助服务的性能ESS-integrated光伏/风力发电站;此外,案例研究进行NI-PXI (PCI扩展仪器PXI)平台来验证提出ARSMC系统如图6。


图6
NI-PXI平台。

给出了开发模型的关键参数表1。ESS-integrated光伏/风力站在图1连接到电网通过一个380 V / 10 kV变压器。12 MW同步机在10 kV电网作为传统监管电源响应AGC。根据滑动面(12),控制系数矩阵是为了保证鲁棒性的滑模显示为方程(21),以及动态性能和稳定性;集 。

表1
ess和热泵的关键参数。

同步机提供10兆瓦电网有功功率。ess ESS-integrated光伏/风力站提供100千瓦电网有功功率。从AGC调度指令集 500千瓦消除频率偏移。图7给这10 kV电力系统的频率同步机工作作为AGC调节电源响应,这意味着


图7
10 kV电力系统频率。

然后在同一个场景中,同步机和ESS-integrated光伏/风力发电站提供AGC辅助服务,这意味着

为了验证一个极端条件下,光伏和风力发电只翻译运作MPPT模式和ess应对AGC。AGC辅助服务控制可以改善现有的AGC控制性能与快速响应和稳态。

图8提出了输出功率的ESS, 10千瓦一开始,然后上升到40千瓦AGC响应需求。在交流侧电压和电流波形图所示9和10。ess的输出电流没有任何侵入钉在整个过渡时期,没有电压扰动沿操作。


图8
输出功率的ESS(输出功率从10千瓦增加到40千瓦)。

图9
ESS的电压波形(输出功率从10千瓦增加到40千瓦)。

图10
电流波形的ESS(输出功率从10千瓦增加到40千瓦)。

图11提出一个ESS的输出功率,这是40千瓦一开始,然后从40 kW - 10 kW AGC响应指令。它在交流侧电压和电流波形图所示12和13。ess的输出电流没有任何侵入钉在整个过渡时期,没有电压扰动沿操作。


图11
ESS的输出功率(输出功率从40 kW - 10 kW)。

图12
ESS的电压波形(输出功率从40 kW - 10 kW)。

图13
ESS的电流波形(输出功率从40 kW - 10 kW)。

数据14和15显示ESS的实验波形输出功率时参考设置为10千瓦。图14ESS的电压波形的交流方面,和图吗15是当前阶段的波形。


图14
试验电压波形的ESS(输出功率设置为10千瓦)。

图15
实验电流波形的ESS(输出功率设置为10千瓦)。

数据16和17显示ESS的实验波形输出功率时引用是设定在40千瓦。图14ESS的电压波形的交流方面,和图吗15是当前阶段的波形。


图16
试验电压波形的ESS(输出功率设置为40千瓦)。

图17
实验电流波形的ESS(输出功率设置为40千瓦)。

这些结果表明平滑和稳定运行的ESS-integrated光伏/风力发电站和表明,ess提供光伏和风力发电额外AGC辅助服务功能在不改变自己内心的翻译战略构想MPPT控制模式。

6。结论

AGC辅助服务控制提出了结合现有的AGC控制策略。电网调度中心只需要添加指令分配模块ESS-integrated光伏/风力发电站。它使用ess添加监管能力和提高AGC动态性能不改变翻译的靓构思MPPT控制策略模式。ess本质上是非线性和时间变量的数学模型建立了考虑系统参数变化和扰动或不确定性。ARSMC-based ESS控制系统提出了解决这些挑战和提高其稳定性和动态性能。严谨的数学证明过程验证ARSMC策略。案例研究NI-PXI平台上显示ess的快速动态响应性能和鲁棒性,保证稳定运行的ESS-integrated光伏/风力发电站,以及电压和频率调节能力。

ess提供额外的AGC辅助服务功能在不改变RES内在的控制策略。平安归来的ARSMC-based ess适用于现有的扩展函数和一个ESS-integrated光伏/风力发电站。ess独立于使用第三方商业靓单位,这意味着他们不需要特定的定制的平安归来。

数据可用性

使用的数据来支持这个研究的发现包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由自营Micro-Renewable能源网络的关键技术研究青海农业和牧区,2018 - zj - 748。