电力系统保护与控制 第 49 卷 第 24 期 2021 年 12 月 16 日 Power System Protection and Control Vol.49 No.24 Dec. 16, 2021 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.210273 基于无模型算法和电动汽车辅助调节的新能源 电力系统频率协调控制 米 阳 1，伦雪莹 1，孟凡斌 2，张 霄 2，葛晓琳 1，林顺富 1 (1.上海电力大学电气工程学院，上海 200090；2.国网安阳供电公司，河南 安阳 455000) 摘要：为解决风电并网导致电力系统频率偏差过大的问题，设计了一种基于无模型负荷频率控制和电动汽车辅助 调节的频率协调控制策略，能够在系统受到风电和负荷扰动时对其频率偏差进行快速调节。利用新能源电力系统 的频率偏差设计了无模型自适应滑模负荷频率控制器，对传统机组进行二次频率调节。同时为充分利用电动汽车 的快速响应能力，采用分频技术将区域控制高频偏差信号接入集群电动汽车控制中心作为调频参考指令，使得电 动汽车参与辅助系统调频。最后通过 Matlab/Simulink 软件在不同的工况下进行对比分析，仿真结果验证了所提出 策略的有效性。 关键词：新能源电力系统；滑模算法；无模型自适应控制；电动汽车；负荷频率控制 Frequency coordinated control of a new energy power system based on a model-free algorithm and EV auxiliary regulation MI Yang1, LUN Xueying1, MENG Fanbin2, ZHANG Xiao2, GE Xiaolin1, LIN Shunfu1 (1. College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China; 2. State Grid Anyang Power Supply Company, Anyang 455000, China) Abstract: There can be a problem of excessive frequency deviation caused by wind power integration. Thus a frequency coordination control strategy based on a model-free LFC and EV auxiliary regulation is designed, one which can quickly adjust the frequency deviation when the system is disturbed by wind power and load. Based on the frequency deviation of the new energy power system, a model-free adaptive SM load frequency controller is designed to adjust the secondary frequency of traditional units. At the same time, in order to make full use of the fast response ability of the EVs, frequency division technology is used to connect the high frequency deviation signal of the regional control to the cluster EV control center as the frequency modulation reference command. In this way the EVs can participate in auxiliary system frequency modulation. Finally, Matlab/Simulink software is used for comparative analysis under different working conditions, and the simulation results verify the effectiveness of the proposed strategy. This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51977127), Shanghai Committee of Science and Technology Projects (No. 18020500700), and Shanghai Green Energy Grid Engineering Technology Research Center Projects (No. 13DZ2251900). Key words: new energy power system; sliding mode algorithm; model free adaptive control; electric vehicles; LFC 0 引言 风力发电作为一种清洁能源，以其零排放的优 基金项目：国家自然科学基金项目资助(51977127)；上海市 科委项目资助(18020500700)；上海绿色能源并网工程技术 研究中心项目资助(13DZ2251900) 势成为了最具发展前景的发电方式之一[1-4]。然而， 风电的输出功率受天气的影响具有波动性和不确定 性[5-6]，其渗透率的不断增大给传统电力系统的安全 稳定运行带来了前所未有的挑战[7]。因此，如何减小 风能波动对电力系统稳定的影响成为研究的热点。 频率是电力系统安全稳定的重要指标之一[8-10]， 负荷频率控制是减小系统频率偏差并保持系统稳定 - 14 - 电力系统保护与控制 的有效技术。滑模算法以其对干扰的不敏感性、响 应速度快以及较好的鲁棒性等优点，常常被用来设 计负荷频率控制器。文献[11]设计多域电力系统滑 模负荷频率控制器，但是没有考虑新能源并网带来 的影响。文献[12]对含风电的单域电力系统设计了 滑模负荷频率控制， 但是由于实际应用中扰动较大， 仅通过传统滑模控制难以达到较好的效果，且没有 考虑电动汽车的调频作用。虽然滑模负荷频率控制 具有较好的鲁棒性，但传统滑模算法设计控制器 需要基于精确的系统数学模型，对复杂电力系统难 以实现。 为降低控制器对系统数学模型的依赖，无模型 控制技术得到了发展和应用。文献[13]阐述了已有 无模型算法的理论、方法及其主要特点，并对框架 体系及其应用进行了回顾和展望。文献[14]提出了无 模 型 自 适 应 控 制 (Mode-Free Adaptive Control, MFAC)，在难以建立受控系统精确数学模型的条件 下，实现对生产过程和设备的优化控制。因此将无 模型自适应算法与滑模变结构算法相结合[15]，仅利 用系统输入和输出数据得到等效的超局部模型来进 行负荷频率控制，既可以保证控制精度又提高了鲁 棒性和抗干扰能力，同时还可以降低复杂工况下传 统控制器对系统模型的依赖，以及对新能源电力系 统频率波动的有效调节。 电动汽车(Electric Vehicles, EVs)的大规模并网 也会导致电力系统频率波动[16-18]，因此需要研究作 为可控负荷和分布式电源的双重特性使其参与电网 辅助调频[19]。在含电动汽车的集成智能电网中，将 EVs 集群并分层控制能够有效地把电动汽车参与负 荷频率控制从理论变为现实 [20] 。文献[21]建立了 EVs 充放电静态频率特性模型，实现了 EVs 在分布 式电源和负荷之间的快速有效转换用于参与电力系 统调频。文献[22]建立了两区域互联电力系统，利 用电动汽车快速响应的特点，提出了两种电动汽车 自动发电控制的控制策略。此外在含有电动汽车和 混合储能的电力系统控制方面，文献[23]设计了一 种新型非线性鲁棒分数阶控制，以提升 EVs 的需求 侧响应速度和性能。但上述研究均未考虑到风电对 电力系统产生的影响。 基于以上分析，本文首先建立 EVs 与风力发电 的等效数学模型，提出电动汽车辅助优化电力系统 协调控制策略，利用分频技术对系统区域控制偏差 (Area Control Error, ACE)信号进行处理和分解，接 入集群电动汽车控制中心(Cluster Electric Vehicles Control Center, CEVCC)进行辅助调频。考虑外界干 扰以及未建模动态的影响，建立含 EVs 与风力发电 的新能源电力系统模型，设计无模型自适应滑模负 荷频率控制器(Model-free Adaptive Sliding Mode Load Frequency Controller, MFASMLFC)，对系统频 率偏差和联络线功率偏差进行有效调节。最终通过 Matlab/Simulink 对所提出策略的控制效果在不同工 况下进行仿真验证。 1 新能源电力系统模型 1.1 电动汽车的等效模型 首先建立其等效的数学模型，考虑电动汽车 电池充放电静态特性，得到电动汽车的等效传递 函数 [21]： K PEVi  EVi FHi (1) TEVi 当电动汽车作为可控负载接入电网时，其充电 等效模型如式(2)所示(其中一阶惯性环节表示控制 和通信的延迟效应)。 K ci Pci  FHi (2) 1  sTci 对应地，当电动汽车作为分布式电源接入电网 时，其放电等效模型如式(3)所示。 K di Pdi  FHi (3) 1  sTdi 式中：Pci 和 Pdi 分别为 EVs 充、放电功率变化量； FHi 为 ACEi 高频信号分量； K ci 为充电负荷阻尼系 数； Tci 为充电时间常数； K di 为放电的频率响应系 数； Tdi 为放电时间常数； i  1, 2 。 1.2 风电机组等效模型 鼠笼 型 感应 风 力 发电 机 的 功率 数 学 模型 表 示为 [23] 1 (4) P  ρπR 2V3C p   ,   2 式中： ρ 为空气密度；R 为风轮桨叶半径； V 为风 速； C p ( ,  ) 为风能利用系数；  为叶尖速比。