计及电动汽车并网的负荷频率控制系统时滞相关稳定性分析

【摘要】：频率是衡量电网供电质量的重要指标之一,电力系统能平稳运行的必要条件之一就是电网的频率能够维持在某一固定值或在其周围有很小范围的波动。负荷频率控制(Load Frequency Control,LFC)是实现这一目标最常用的方法,而LFC系统的稳定与否也直接决定了电力系统能否平稳运行。常规的LFC系统都是先检测电网中频率的变化,后根据变化量调整发电机组的输出功率,以达到控制负荷频率的效果。然而随着不断扩大的电网规模以及广域测量系统(Wide Area Measurement System,WAMS)的广泛运用,时滞的影响在LFC系统中是一个不可避免的重要问题。通常时滞的存在会导致系统的不稳定,因此LFC系统的时滞相关稳定性分析和控制器设计成为了热点话题。此外,为减少碳排放,新能源电动汽车(Electric Vehicles,EV)得到了大力发展,保有量不断提升。随着汽车到电网(Vehicle to Grid,V2G)概念的提出,EV在电网中具有很大的应用价值,其中EV辅助调频就是其中较有潜力的应用之一。但EV并网使得时滞LFC系统分析的难度有所增加,所需考虑的因素更多。因此本文主要针对计及EV并网的LFC系统进行了时滞相关稳定性分析,并设计了控制器,主要研究内容如下:(1)EV并网的单区域LFC系统的时滞相关稳定性分析。本章针对EV并网的单区域时滞LFC系统,基于矩阵重构技术、广义自由权矩阵不等式和一种新的有限区间二次函数上界判定方法,提出了一个改进型时滞相关稳定性判据,降低保守性的同时并没有带来较大的计算复杂度,并通过数值实例对比体现所提方法的优越性,同时进行了一些时域仿真验证。此外考虑了EV电池状态(State of Charge,SOC)对EV增益的影响,给出了一个参数不确定的系统状态空间模型,并基于广义自由权矩阵不等式对其进行了稳定性分析,最后通过仿真实例验证了方法的有效性。(2)EV并网的多区域互联LFC系统的时滞相关稳定性分析。本章针对EV并网的多区域互联时滞LFC系统,考虑了各区域LFC系统间的功率交换问题,建立了系统模型。基于Bessel-Legendre不等式和矩阵重构技术,提出了两个改进型时滞相关稳定性判据,降低保守型的同时,减少了高维系统矩阵带来的计算复杂度。最后给出了几个数值实例及仿真,包括所提方法的优越性、区域间时滞的相互影响以及EV增益对时滞稳定裕度的影响。(3)时滞相关H_∞控制器的设计。本章针对单区域EV并网的时滞LFC系统,建立了含风能扰动的系统状态空间模型。基于Jessen不等式和逆凸组合不等式,建立了时滞相关H_∞控制器的设计条件,将控制器求解过程中存在的非凸问题转化为基于线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)的非线性最小化问题,并采用改进型锥补迭代算法,获得了在给定时滞下具有最优H_∞性能的控制器。最后通过数值实例体现了所设计控制器的较好的H_∞性能,以及不同时滞情况下所设计控制器的H_∞控制性能指标。