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【论文推荐】含虚拟惯性控制环节的孤岛微电网时滞相关频率稳定性分析

已有 99 次阅读 2026-4-1 15:21 |个人分类:论文推荐|系统分类:博客资讯

编辑荐语

本期将给大家分享“含虚拟惯性控制环节的孤岛微电网时滞相关频率稳定性分析(Delay-dependent frequency stability analysis of isolated island microgrid with virtual inertial control)”. 如您对本期相关内容有好的理解与建议, 欢迎评论区留言.

本文针对高比例可再生能源并网下孤岛微电网面临的系统惯性衰减与开放式通信网络时滞交织影响的频率稳定难题, 开展了深入的理论与仿真研究. 论文创新性地将虚拟惯性控制(VIC)环节引入负荷频率控制架构, 以补偿新能源渗透导致的惯性不足; 进而采用模型重构技术, 构建了同时刻画惯量支撑与时滞影响的负荷频率控制系统数学模型. 在稳定性分析方面, 研究通过构造蕴含更丰富时滞信息的时滞相关Lyapunov-Krasovskii泛函, 并综合运用广义自由权矩阵积分不等式与二次函数不等式线性化条件等先进工具处理泛函导数, 最终导出了基于线性矩阵不等式的低保守性时滞相关稳定性判据. 理论分析与仿真结果一致表明, 所提方法能更精确地估算系统最大时滞稳定裕度, 并验证了虚拟惯性控制有效提升系统动态性能、增强时滞鲁棒性的重要作用. 本工作为保障高比例新能源孤岛微电网的安全稳定运行提供了兼具理论严谨性与工程洞察力的解决方案.

本文问题导向鲜明, 紧扣新型电力系统稳定性的前沿挑战, 在统一框架下解决了惯性补偿与时滞稳定分析两个关键问题, 所提出的稳定性判据保守性低、实用性强. 对从事电力系统稳定与控制、微电网运行、时滞系统分析的科研人员与工程师具有重要参考价值.

论文介绍

含虚拟惯性控制环节的孤岛微电网时滞相关频率稳定性分析

Delay-dependent frequency stability analysis of isolated island microgrid with virtual inertial control

王炜, 梁津铭, 曾红兵†

机构: 湖南工业大学电气与信息工程学院

引用: 王炜, 梁津铭, 曾红兵. 含虚拟惯性控制环节的孤岛微电网时滞相关频率稳定性分析. 控制理论与应用, 2026, 43(1): 149 – 158

DOI: 10.7641/CTA.2024.30817

全文链接:

http://jcta.alljournals.ac.cn/cta_cn/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=CCTA230817&flag=1

摘要

本文研究孤岛微电网系统的时滞相关频率稳定性问题. 首先引入虚拟惯性控制环节对可再生能源高渗透导致的系统惯性不足进行补偿, 然后利用模型重构技术构建了孤岛微电网时滞相关负荷频率控制系统的数学模型, 在此基础上, 构造包含更多时滞信息且充分融合模型重构技术的Lyapunov-Krasovskii泛函并利用广义自由权矩阵积分不等式和二次函数不等式的线性化条件来处理泛函导数, 从而得到基于线性矩阵不等式的时滞相关稳定性判据. 最后, 通过仿真实验和数据分析表明本文所提方法有着更低的保守性, 并且验证了引入虚拟惯性控制环节能有效地提升孤岛微电网的动态性能.

引言

随着可再生能源在电力系统中的装机容量迅速提升和电网数据交换网络日益复杂, 这给负荷频率控制系统的稳定控制带来了巨大的挑战, 从而引起学者的广泛关注和研究[1]. 而可再生能源在电力系统中将达到一个高渗透水平, 其缺乏转动惯量等特性严重影响着电力系统的动态性能[2–3]. 对于孤岛微电网, 可再生能源的低惯性严重影响电网功率和频率调节能力[4]. 但可以通过控制由储能装置和电力电子装置以及控制装置组成的高效储能系统 (energy storage system, ESS)的系统能量供需为系统提供虚拟惯性[2, 5].

在孤岛微电网中, 常规变频调速分3级运行: 一次频率控制、二次频率控制、惯性控制[6]. 在正常运行情况下, 较小频率偏差由一次频率控制来调整, 但由于发电机下垂特性的影响, 调整频率与标准频率仍有一定偏差, 这偏差可通过调节火力发电输出有功功率来实现频率调节, 即根据系统有功设备情况进行二次频率控制调整, 最终实现无差调节. 惯性控制能在短时间内抑制频率的波动, 避免激烈的频率瞬时变化破坏整个系统. 二次调频控制需要利用开放式网络进行通讯, 这类开放式网络可支持大量数据传输和大范围信息交流, 但随之而来的网络阻塞会引起数据丢包等问题, 从而影响信息交换实时性, 产生较大的时滞, 影响系统稳定性[7–9]. 因此, 有必要针对可再生能源渗透率不断提高导致系统惯性不足以及开放式网络通讯时滞对孤岛微电网频率稳定性的影响进行研究.

一方面, 研究人员针对如何提高系统惯性提出了很多方法, 其中提高系统惯性最简单的方法就是增加互联交流发电机数量[10], 这并不利于微电网的经济运作. 文献[11]提出了虚拟同步发电机技术, 其用于向系统提供额外的虚拟惯性, 这种技术模仿了同步发电机的行为, 并以传统电力系统中交流发电机相似的方式作用于微电网. 文献[12]提出了一种通过频率导数控制为微电网提供虚拟惯性支撑的方法, 该技术提高了可再生能源渗透下的频率响应和系统惯性. 在文献[13]中, 作者采用了微分控制ESS提供虚拟惯性支撑. 文献[14]通过引入虚拟阻尼和虚拟惯性解决了ESS的微分控制存在沉降时间大的缺点.

另一方面, 针对开放式通讯网络中存在的时滞问题, 学者们提出了多种方法用于求解最大时滞稳定裕度 (maximum delay stability margin, MDSM). Lyapunov-Krasovskii泛函(LKF)方法是目前研究时滞系统稳定性分析的主流方法之一[15–16]. 在此基础上, 有两种途径可以推导出保守性低的稳定性判据: 一是选择一个合适的LKF, 二是在界定LKF导数时尽可能降低保守性. LKF有很多种类型, 如: 增广LKF、基于多重积分的LKF和时滞乘积型LKF等. 为了降低稳定性判据的保守性, 文献[17]提出了一种用于界定LKF导数中二次型积分项的广义自由矩阵积分不等式, 它包含现有的一些不等式积分(如: Jensen不等式、Bessel-Legendre不等式、Wirtinger积分不等式)作为特例, 易于处理时变时滞系统且计算结果具有最小的保守性. 针对稳定性条件中包含时变时滞平方项无法直接求解的问题, 文献[18]提出了二次函数不等式的线性化条件. 文献[19]利用自由权矩阵法导出稳定性判据, 分析了时变时滞对单区域负荷频率控制和多区域负荷频率控制系统的影响, 但是使用的稳定判据存在较大保守性使其无法准确估计系统的MDSM. 文献[20–21]研究了具有时变时滞的微电网负荷频率控制系统稳定性问题. 文献[22]提出了一种模型重构技术, 将原负荷频率控制模型等价地转化为时滞无关部分和时滞相关部分, 大大减少了决策变量的数量. 值得注意的是, 同时考虑孤岛微电网系统惯性不足和开放式网络通讯时滞对系统稳定运行造成不良影响的相关研究鲜有报道.

根据上述分析, 本文研究在孤岛微电网系统惯性不足和通讯时滞影响下系统频率的稳定性问题. 首先, 基于单区域负荷频率控制系统引入虚拟惯性控制(virtual inertia control, VIC)环节来调节系统惯性, 提出一种新的负荷频率控制系统模型. 然后, 针对该模型构造时滞状态相关的增广型LKF, 并应用广义自由矩阵积分不等式和二次函数不等式的线性化条件处理LKF的导数, 得到基于线性矩阵不等式的时滞相关稳定判据. 最后, 根据所得稳定性判据利用LMI工具箱求解出不同场景下的系统MDSM, 并通过在不同场景下进行仿真验真, 分析VIC环节能有效地改善孤岛微电网系统的动态性能, 并且可以提高系统MDSM, 计算结果也更加逼近系统MDSM的实际值.

结束语

本文研究孤岛微电网的时滞相关频率稳定性问题. 针对可再生能源高渗透导致系统惯性不足的问题, 本文引入了VIC环节并应用模型重构技术将时滞相关状态变量和时滞无关状态变量分离得到新的系统模型. 在考虑更多时滞信息基础上构造时滞相关LKF, 应用广义自由权积分不等式和二次函数不等式的线性化条件, 得到基于LMI的时滞相关稳定性判据. 最后, 通过仿真验证了本文引入的VIC环节能有效地提升系统动态性能, 并由计算结果和仿真分析了控制器增益、VIC参数与MDSM之间的关系, 结果表明本文方法的有效性和优越性.

作者简介

王炜副教授, 硕士生导师, 目前研究方向为电力系统分析与优化、网络化控制系统;

梁津铭硕士研究生, 目前研究方向为电力系统稳定性分析与控制、时滞系统;

曾红兵教授, 博士生导师, 目前研究方向为时滞系统、网络控制系统、采样控制系统.

期刊介绍

《控制理论与应用》(Control Theory & Applications)是经国家科学技术部批准, 教育部主管, 由华南理工大学和中国科学院数学与系统科学研究院联合主办的全国性一级学术刊物, 1984年创刊, 月刊, 国内外公开发行. 《控制理论与应用》是中国科学引文数据库首批统计源期刊之一，中文核心期刊，入选中国精品科技期刊顶尖学术论文F5000项目，中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录以及中国科协百篇优秀科技论文遴选计划，2021年入选广东省高质量科技期刊建设项目，2022-2024年连续获得基金委资助（科技活动专项）。

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