电力系统频率鲁棒控制

《电力系统频率鲁棒控制》（原书第2版）系统地讲解了电力系统负荷频率鲁棒控制方法，讨论了市场管制条件下的频率控制问题，介绍了风力发电等可再生能源发电系统参与电网频率调节的方法、微电网的频率控制方法以及虚拟同步发电机的频率控制方法。《电力系统频率鲁棒控制》（原书第2版）含有大量的频率控制器设计与实时仿真实例，内容翔实，覆盖面广。《电力系统频率鲁棒控制》（原书第2版）可作为从事电力系统工作的工程技术人员的参考书,也适合作为高等院校电力系统运行与控制、新能源发电技术及其他相关专业的教学辅导书或自学教材。

译者序
原书序
原书前言
第1章电力系统控制综述
1.1发展概述
1.2不稳定性问题
1.3控制系统
1.3.1概述
1.3.2控制运行状态
1.4SCADA系统
1.5功角与电压控制
1.6频率控制
1.6.1频率控制的必要性
1.7动态特性与时间常数
1.8小结
参考文献
第2章频率控制与有功补偿
2.1频率控制回路
2.2一次与二次调节回路
2.3频率响应建模
2.4互联电力系统频率控制
2.5LFC参与系数
2.6频率运行标准
2.7有功备用及其控制性能标准
2.7.1有功备用/调节备用
2.7.2性能控制标准
2.8频率控制综合与分析综述
2.9小结
参考文献
第3章频率响应特征与动态特性
3.1频率响应分析
3.2状态空间动态模型
3.3物理限制
3.3.1发电机组出力速率与死区
3.3.2延时
3.3.3不确定性
3.4综合频率响应模型
3.5下垂特性
3.6小结
参考文献
第4章基于PI的频率鲁棒控制
4.1H∞-SOF控制器设计
4.1.1静止输出反馈控制
4.1.2H∞-SOF
4.2问题描述和控制框架
4.2.1从PI到SOF控制的变换
4.2.2控制框架
4.3ILMI算法
4.3.1算法改进
4.3.2权系数选择
4.4应用实例
4.4.1算例研究
4.4.2仿真结果
4.5一种改进型可控输出向量
4.6含时滞的频率调节
4.7控制策略
4.7.1时滞系统的H∞控制
4.7.2问题描述
4.7.3基于H∞-SOF的LFC设计
4.7.4在三区域系统中的应用
4.8实时仿真实验
4.8.1电力系统仿真器
4.8.2研究系统的配置
4.8.3基于H∞-SOF的PI控制器
4.9实验结果
4.10小结
参考文献
第5章基于多目标控制的频率鲁棒调节
5.1混合H2/H∞的技术背景
5.2控制策略
5.2.1基于多目标PI的LFC设计
5.2.2不确定性建模
5.2.3改进的
5.2.4权向量的选取（μi，Wi）
5.2.5三控制区域系统中的应用
5.3讨论
5.4实时仿真实验
5.4.1研究系统的配置
5.4.2PI控制器
5.5仿真结果
5.6采用优化算法的跟踪鲁棒性能
5.6.1多目标
5.6.2鲁棒性能跟踪
5.7小结
参考文献
第6章μ理论和MPC在频率综合控制中的应用
6.1基于μ理论的序贯频率控制设计
6.1.1模型描述
6.1.2综合流程
6.1.3综合步骤
6.1.4应用例子
6.1.5仿真结果
6.2基于μ理论的离散频率综合控制
6.2.1综合方法论
6.2.2应用实例
6.2.3仿真结果
6.3基于MPC的频率控制设计
6.3.1模型预测控制
6.3.2基于分散MPC的
6.4小结
参考文献
第7章电力市场环境下的频率控制
7.1电力市场环境下的频率调节
7.1.1频率调节的参与者
7.1.2调节框架
7.1.3调节市场
7.2LFC动态和双边合同
7.2.1建模
7.2.2仿真实例
7.3考虑双边合同的基于鲁棒PI的频率控制
7.3.1基于H∞-PI的二次频率控制设计
7.3.2基于H2/H∞-PI的二次频率控制设计
7.4基于主体频率鲁棒控制
7.4.1频率响应分析
7.4.2控制策略
7.4.3PI控制器的整定
7.4.4实时仿真
7.4.5实验结果
7.4.6备注
7.5基于智能/搜索方法的二次频率控制
7.5.1基于XCSR的二次频率控制
7.5.2基于搜索法的二次频率控制
7.5.3基于GA的经济型二次调频
7.6小结
参考文献
第8章紧急状态下的频率控制
8.1频率响应模型
8.1.1建模
8.1.2紧急控制/保护动态分析
8.1.3仿真实例
8.2低频负荷减载（UFLS）
8.2.1为什么减载
8.2.2低频减载的文献简述
8.3UFLS在多区域电力系统中的应用
8.3.1定向负荷减载
8.3.2一种集中式UFLS方案
8.3.3基于频率变化率的定向减载方案
8.3.4仿真实例
8.4取代UFLS或UVLS的
UFVLS
8.5备注
8.6小结
参考文献
第9章可再生能源和频率调节
9.1概述和现存的挑战
9.1.1现状与展望
9.1.2新的技术挑战
9.2最新发展
9.2.1影响分析和一次调频
9.2.2二次调频和所需的储备
9.2.3紧急频率控制
9.2.4基于电力电子器件的RES系统
9.2.5惯性响应
9.3计及RES影响的广义频率响应模型
9.3.1广义频率响应模型
9.3.2频率响应分析
9.4性能标准修订的必要性
9.5仿真研究
9.5.1孤立的小型电力系统
9.5.2用Δf/Δt替换df/dt
9.5.324节点测试系统
9.6可再生能源对频率调节的意义
9.7小结
参考文献
第10章风电与频率控制
10.1风能对频率特性的影响
10.2风能渗透下的频率控制
10.2.1新英格兰测试系统
10.2.2实时仿真分析
10.3风能对频率调控的意义
10.3.1以往的工作和成就
10.3.2风机频率响应
10.4控制系统设计以提高风频率响应
10.4.1P、PD和PI控制器设计
10.4.2H∞控制
10.4.3模型预测控制
10.5小结
参考文献
第11章微网频率控制
11.1微网结构和控制的背景
11.1.1微网结构
11.1.2微网控制
11.2频率响应特性
11.2.1频率响应模型
11.2.2频率响应分析
11.3基于广义下垂的控制综合
11.3.1传统下垂控制
11.3.2广义下垂控制(GDC)
11.3.3基于广义下垂控制的控制设计
11.4基于智能广义积分下垂的控制综合
11.4.1基于粒子群算法的广义下垂控制设计
11.4.2基于自适应模糊推理系统(ANFIS)的广义下垂控制(GDC)设计
11.5小结
参考文献
第12章基于虚拟惯量的频率控制
12.1基本原理和概念
12.2微网中的
12.2.1含VSG的微网结构
12.2.2VSG在微网控制中的作用
12.3现有VSG拓扑结构和应用
12.3.1拓扑
12.3.2拓扑
12.3.3拓扑
12.3.4拓扑
12.3.5VSG应用
12.4基于虚拟惯量的频率控制
12.4.1惯性和有功补偿
12.4.2频率控制结构
12.4.3实验结果
12.5频率控制环节和时间尺度
12.6技术挑战和未来探索需求
12.7小结
参考文献
附录
附录A
附录B
附录C
附录D

原 书 前 言
频率控制是电力系统设计与运行中的一个重要的控制问题，并且随着电力系统规模的扩大、结构的改变、新型分布式可再生能源的浮现及其不确定性、环境的限制以及电力系统的复杂性，频率控制对现如今的意义日益重大。
在过去的二十多年，很多的研究都集中在下垂控制和电压的稳定性等问题上，很少有对电力系统频率控制分析与综合的相关工作开展。在已经有一些单独的章节、很多的会议及专业论文对频率控制的某些方面进行了阐述的基础上，作者决定编写一部综合的、合理的、具有实践指导意义的电力系统频率鲁棒控制类书籍，并于2009年出版了《电力系统鲁棒频率控制》。时隔几年，在积累了大量的笔记以及来自世界各地的读者和出版商有价值的反馈的同时，思及近几年有关领域面临的挑战和取得的发展，作者决心对本书进行修订再版。
作为电力系统频率控制在工业领域参考的最新标准，本书为分布式发电和可再生能源在现代电网中逐步升高的地位带来的技术挑战提供了新的解决方案；解释了频率控制回路在现代电力系统中扮演的角色，包括一次回路、二次回路、三次回路和紧急控制回路。特别基于在含有少量或不含旋转惯量的分布式/可变化单元逐渐构成主要电网的环境下，考虑了低惯量和下垂特性对分布式和可再生能源逐渐渗透的系统频率的影响，指出了大部分基于同步发电机的传统频率控制是无效的，并提及在引人关注的微网领域中频率稳定和控制的课题。
电力系统频率鲁棒控制意味着该控制必须提供一个充分最小化的系统频率和连接线路的功率偏差，并使安全界限覆盖所有的运行状态和可能的系统配置。本书频率鲁棒控制的主要目标是：基于基础的频率调控内容，结合强大的鲁棒控制理论及工具，针对多区域电力系统提出一种新的频率控制综合理论。本书提及的各类控制技术涉及下述所有的说明或者是几种结合：
鲁棒性：保证大范围运行情况下的鲁棒稳定性和鲁棒特性。为了达到该目的，将鲁棒控制技术应用到综合分析的过程中。
分散特性：在新的电力系统环境中，对大规模多区域频率控制综合的数字化或实际地实施的集中化设计是比较困难的。由于分散频率控制的实用性优势，在现实世界电力系统的应用中重点强调了它的设计过程。
结构简单：为了满足实用价值，提出大多数控制策略中的分散频率鲁棒控制设计问题被简化为低阶或比例积分控制问题的综合。这种简化思路被广泛应用在实际频率控制系统中。
不确定性及限制条件的简述：在电力系统模型及控制综合过程中，频率控制综合过程必须足够灵活以满足产生率限制、时延及不确定性等。所提出的方法提倡对系统进行物理的理解来完成频率鲁棒控制综合。
电力系统频率鲁棒控制(原书第2版)原 书 前 言本书对电力系统各种运行状况下频率响应的基本规则进行了全面的阐述。它采用了简单的频率响应模型、控制结构和数学算法来适应现代鲁棒控制原理，结合频率控制问题和概念性说明。大多数成熟的控制策略是通过实时仿真进行验证的。计算机分析与设计的实用方法在这里得到了强调。
本书重点强调了电力系统频率控制设计在实际应用和工程应用中的问题，提供了对频率调控和鲁棒控制技术应用的概念性理解，主要目标是形成一种恰当的关于现实世界电力系统负荷频率鲁棒调控问题的直觉，而不仅仅是对复杂的数学分析方法的描述。
本书可供电力系统规划和操作的工程师和操作员，以及学术研究人员参考使用；也可以作为电气工程方向的本科生、研究生在电力系统动态特性、电力系统分析和电力系统稳定性及其控制等专业课程的补充教材。
本书提出的技术及算法构成了电力系统频率鲁棒调控的系统、快捷、灵活的设计方法论。成熟的控制策略是在面对众所周知的严格条件下能够平衡功率鲁棒/最优化控制理论与实用电力系统频率控制综合。
本修订版本包含12章和4个附录。
第1章对电力系统控制的各个方面进行介绍，强调了稳定性和现有控制方法的基本概念和定义，描述了各类电力系统控制的时间尺度和特性，解释了频率稳定和控制的重要性。
第2章介绍了实际功率和频率控制，包括其涉及的定义和基本概念。首先，全面介绍了包括一次回路、二次回路、三次回路的频率控制和紧急控制设计；然后分别对一次回路和二次回路进行了详细介绍，对二次控制（又称负荷频率控制)的控制机理在单一控制区域进行了第一次描述，并将其应用扩展到多区域频率控制系统中；最后，简要回顾了其他频率控制文献的研究成果。
第3章介绍了含有一次和二次回路的电力系统的频率控制特性和动态特性。首先，全面介绍了一次、二次、三次和紧急控制的频率响应模型；然后介绍了它们的动态和静态特性，重点强调了一些物理限制对电力系统频率控制特性的影响，如产生率、死区、时延以及不确定性等。
第4章提出一种分散式控制方法，采用成熟的迭代线性矩阵不等式（ILMI）算法设计基于比例积分（PI）的负荷频率鲁棒控制方法，应用了H∞的静态输出反馈控制。本章集中讨论了多区域电力系统中带有通信时延的基于PI的负荷频率鲁棒控制问题。在含有不同负荷频率控制设计的多区域电力系统中应用了所提出的方法，并测试了闭环控制系统。
第5章将基于比例积分的带有通信时延的频率控制转化为静态输出反馈鲁棒控制的最优化问题。采用H2/H∞控制理论，通过ILMI算法得到了假设设计目标的次最优解；通过实验室仿真，将提出的方法应用到电力系统的一个控制区域；最后，成功地应用遗传优化算法（GA）跟踪混合H2/H∞控制器获得的鲁棒性能指标，调节了鲁棒PI控制环。
第6章介绍了结构奇异值理论（μ）在分散式负荷频率鲁棒控制设计中的应用。在控制综合过程中恰当地考虑了系统的不确定性和实际应用条件的限制，依据结构奇异值对系统的鲁棒性能进行表述以对其控制性能进行系统地估量；介绍了一个基于模型预测控制的分散式频率鲁棒控制器的设计，其中的模型预测控制器中采用了前馈控制策略以抑制负荷变化带来的影响；该控制器被应用到三控制区域电力系统中，并将应用效果与ILMI-PI鲁棒控制器进行对比。
第7章介绍了重组电力系统中频率控制问题的处理。首先，简单介绍了频率调控市场；然后，仿真电力系统重构对频率调控带来的影响，引入一个动态模型使得传统频率响应模型能够适应电力系统变化的运行环境；提出一个适应于宽松的电力环境的基于主体的负荷频率控制器，并已完成相应的实验室实时测试；之后进一步提出了采用实用价值导向的学习分类系统和二分搜索法的两种频率控制综合法；最后，对经济频率控制的设计框架进行了说明。
第8章介绍了一个广义频率响应模型，适合有重大干扰和紧急状况的电力系统的分析。首先，恰当地考虑了紧急控制/保护的作用，回顾了低频减载的策略，强调了分散区域减载设计；其次，在三控制区域电力系统环境下仿真比较有针对性的减载与更为传统的共同分担减载；最后，强调了利用系统的电压和频率数据［尤其在电力系统中有大量可再生能源(RES)接入的情况下］生成有效的减载机制的必要性。
第9章就集成RES的电力系统中的关键问题进行了全面概述，这在今天具有重要的意义。首先，对本书提及的近几年研究成果中的一些最重要的问题进行简要回顾；其次，描述了RES对频率控制问题的意义，引入一个新的频率响应模型；然后，分析了RES影响下电力系统的频率响应及相关问题，强调了频率特性标准修订的需要；最后，对RES对频率控制的贡献建立一个总体框架。
第10章介绍了基于风能和频率调控的一些重大问题。首先，回顾了相关领域的最新研究成果；其次，强调了由于大规模风电接入导致电力系统功率波动对频率响应带来的影响，并引入先进控制综合方法论以解决该问题；随后介绍了一些频率响应模型以讨论风机对电力系统频率控制的作用；最后，突出强调了H∞控制和模型预测控制等鲁棒控制技术通过惯性环节、一次回路和二次回路实现风机对频率调控的潜力。
第11章回顾了微网主要的控制概念，作为未来智能电网的重要元素，它们在提高电网有效性、稳定性以及改善一些环境问题方面扮演着重要的角色。首先，将微网的控制环节分为局部环节、二次环节、整体环节和中心/紧急控制环节；其次，采用根轨迹法分析了微网的频率响应模型，讨论了各分布式发电机对频率调控的影响；最后，介绍了微网中对频率（电压）的广义下垂控制和几种智能/鲁棒控制方法论。
第12章利用近几年研究成果对虚拟同步发电机（VSG）概念上的一些重大问题进行了完善。首先，介绍了VSG最为关键的设计框架及拓扑；其次，对集成VSG的微网或电网的一些关键问题进行综述，它们的应用领域在今天有很大的利益；本章集中介绍了VSG在电网频率控制中的潜在价值；最后，强调了对更加灵活有效的VSG及其他相关领域进行进一步的研究必要性。