[发明专利]一种独立微网频率控制器设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力系统频率控制技术，特别涉及一种基于干扰观测器和滑模控制的独立微网频率控制器设计方法。

背景技术

孤岛运行是微网的重要运行模式，是解决我国偏远地区用电、大电网灾变时地方用电和战争条件下部队用电等的重要途径。但是在独立运行模式下，微网必须能维持自己的电压和频率。而微网中接入光伏等新能源时，由于光伏发电系统受天气变化的影响其输出功率具有波动性、随机性、间歇性等特点，所以电源出力的波动性以及微网中负荷的不断变化可能会引起独立微网有功不平衡和频率大幅偏移，超出安全运行范围。因此，在包含光伏新能源的独立微网中，为了保持微网的平稳运行必须采取适当的频率控制策略。

近年来，关于通过降低新能源输出功率波动来抑制微网频率偏差的研究已经取得一定成果。文献针对光伏最大功率跟踪控制提出了优化策略，减小由于天气影响而产生的光伏输出功率的波动，从而优化微网的频率，但是没有考虑微网中负荷变化的影响，并且没有直接针对微网频率偏差进行调节。文献通过增加蓄电池储能设备来改善光伏系统的电能质量，使得光伏系统的输出变得更加平滑，但是当光伏系统容量较大时，需要安装大容量的蓄电池，将会导致光伏系统安装成本大幅增加，而且使用蓄电池会带来不可避免的环境问题。此外还有学者专门设计负载电阻来消耗波动的功率，但这并不能有效的抑制功率波动。文献提出了基于最小阶观测器的光柴混合系统的频率优化控制策略。通过设计最小阶观测器预测系统负荷值，利用估计的负荷值来调节光伏系统的功率输出，从而减小了微网的频率偏差。但是文献中所设计的最小阶观测器只适用于确定性线性系统，并且所得到的光伏输出功率小于最大功率跟踪控制得到的光伏输出功率，不利于新能源的充分利用。

发明内容

本发明是针对以光伏发电系统和柴油发电机为电源的独立微网系统受光伏输出功率波动影响大，控制难的问题，提出了一种独立微网频率控制器设计方法，设计了干扰观测器和滑模控制器，通过调节柴油发电机的输出功率，减少由于负荷变化和光伏系统功率波动引起的微网频率偏差。所设计的滑模负荷频率补偿控制器，不仅可以减小微网频率的偏差，同时保证了光伏系统的最大功率输出，提高了可再生能源利用率。

本发明的技术方案为：一种独立微网频率控制器设计方法，具体包括如下步骤：

1）建立独立微网发电系统的数学模型，独立微网包括光伏发电系统和柴油机系统混合供电系统；

2）建立光伏系统数学模型

，

，

，

，

其中和分别是太阳能电池模块的输出电流和输出电压，是光生电流，是光电池反向饱和电流，是电子电量，是波尔兹曼常数，是二极管理想因子，是并联电池数，是串联电池数，是光电池内阻电流，是温度在时的饱和电流，是光伏阵列的温度，是参考温度，是材料跨越能阶所需能量，是短路电流温度系数，是太阳能电池模块的短路电流，是日照强度，是太阳能电池模块内阻；

3）建立包含负荷扰动的柴油机数学模型，其中矩阵,和为标称常数矩阵，是负荷扰动值，其中，，，

其中是频率偏差，是柴油发电机输出功率变化，是调速器阀门位置增量变化, 是积分控制增量变化，是负荷干扰，是调速器时间常数，是柴油发电机的时间常数，是柴油发电机所接电力系统时间常数，是相关增益，是调速器速度调节系数，为积分控制增益；

4）设计干扰观测器其中是系统状态观测向量，是干扰观测值，是4阶单位常值矩阵，和是要设计的观测器增益矩阵；

5）设计切换面，其中矩阵矩阵和矩阵是常数矩阵，矩阵满足并且选择矩阵使得是非奇异矩阵；

6）设计控制器，其中是干扰观测器估计的负荷值，其中和是非负常数，是符号函数。

本发明的有益效果在于：本发明独立微网频率控制器设计方法，按此方法设计的控制器，不仅可以减小系统频率的偏差，同时保证了光伏系统的最大功率输出，提高了可再生能源利用率。

附图说明

图1为本发明独立微网频率控制器设计微网动态模型结构框图；

图2为本发明独立微网频率控制器设计中负荷实际功率和干扰观测器估计负荷值仿真图；

图3为本发明独立微网频率控制器设计中干扰观测器负荷实际值和估计值的误差变化仿真图；

图4为本发明微网系统中的日照强度变化仿真图；

图5为本发明独立微网中柴油发电机单独为负荷供电时微网频率偏差仿真图；

图6为本发明独立微网中柴油发电机单独为负荷供电时柴油机输出功率仿真图；