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基于Smith预估器的分数阶负荷频率控制策略在通信时滞及网络威胁下的储能支持热力发电系统中的应用
Smith Predictor Based Fractional LFC Strategy for Storage Supported Thermal Power System Amid Communication Dead Time and Cyber Threats
| 作者 | Deepak Kumar · G. Lloyds Raja · Mohamed Alkhatib · Akash Kumar Deep · Utkal Ranjan Muduli |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2025年3月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 通信死区时间 FPIDI控制器 双区域火电系统 改进IMC方法 性能鲁棒性权衡 |
语言:
中文摘要
将可再生能源(RESs)和储能系统(ESSs)集成到现代电力系统网络中时出现的通信死区时间(CDT),在处理频率和联络线功率偏差时,可能会导致系统不稳定、相位滞后以及校正动作迟缓。为补偿通信死区时间,针对集成了可再生能源、电池储能系统、飞轮储能系统和超级电容器的双区域火力发电系统(TPS),解析设计了一种基于史密斯预估器的分数阶比例 - 积分 - 微分加积分(FPIDI)控制器。该FPIDI控制器采用改进的内模控制(IMC)理论进行设计,该理论基于火力发电系统的频率重定位分数阶模型。这种改进的内模控制方法无需使用会导致相位滞后的内模滤波器。通过最小化区域控制误差的时间加权绝对值积分,合理选择单一调参参数(频率重定位因子($\psi$)),提高了性能 - 鲁棒性的权衡。通过仿真和硬件在环实现对所提出的控制器进行了验证,以证明其实际可行性。
English Abstract
Communication dead time (CDT) amid integration of renewable energy sources (RESs) and energy storage systems (ESSs) into modern power system networks can result in instabilities, phase lags and sluggish corrective action when dealing with frequency and tie-line power deviations. To compensate CDT, a Smith predictor based Fractional Order Proportional-Integral-Derivative with Integrator (FPIDI) controller is analytically designed for a dual-area thermal power system (TPS) with integrated RES, battery ESS, flywheel ESS and Ultra-capacitors. The FPIDI controller is designed using a modified internal model control (IMC) theory that is based on the frequency-relocated fractional-order model of the TPS. This modified IMC method eliminates the need of phase-lag inducing IMC filter. The performance-robustness tradeoff is enhanced by appropriate selection of the single tuning parameter (frequency-relocation factor ( )) by minimizing the integral of time-weighted absolute value of area control errors. The proposed controller is validated both by simulation and hardware-in-loop implementation to show its practical feasibility.
S
SunView 深度解读
从阳光电源储能系统和新能源并网解决方案的业务视角来看,本论文提出的Smith预测器结合分数阶控制策略具有重要的工程应用价值。随着公司储能业务规模的快速扩张,大规模储能系统与火电机组协同参与电网频率调节已成为新型电力系统的重要应用场景,而通信延迟导致的控制滞后问题正是制约系统响应性能的关键瓶颈。
该技术的核心价值在于通过Smith预测器补偿通信死区时间,配合分数阶FPIDI控制器实现更精准的频率调节。对于阳光电源的PowerTitan系列储能系统而言,这种控制策略能够显著提升在复杂通信环境下的一次调频响应速度和稳定性,尤其适用于远距离通信场景下的区域互联电网调频服务。论文采用的改进型内模控制理论消除了传统滤波器引入的相位滞后,这与公司追求高动态响应性能的产品定位高度契合。
从技术成熟度评估,该研究已完成硬件在环验证,具备较好的工程化基础。但实际应用仍面临挑战:一是分数阶控制器的数字化实现对嵌入式控制平台的计算能力提出更高要求;二是单一调谐参数的优化方法在多储能类型协同场景下的适应性需要进一步验证;三是论文未充分考虑网络攻击防护机制与控制算法的深度融合。
对阳光电源而言,该技术可作为下一代储能变流器PCS控制算法的储备方向,特别是在参与跨区域AGC调频服务时,能够为客户提供更具竞争力的性能指标。建议公司技术团队关注分数阶控制在多时间尺度储能协调控制中的应用拓展,并结合自主研发的通信安全模块构建更完整的解决方案。