基于FO-Fuzzy-PID控制器的混合电力系统频率控制与SMES集成研究

为解决可再生能源(RES)并网带来的频率波动问题，研究人员开发了结合超导磁储能(SMES)的自适应FO-Fuzzy-PID控制器。该研究通过粒子群优化(PSO)算法调参，使系统峰值欠调降低70.3%，稳定时间缩短57.1%，ITAE指标提升44.5%，为高比例可再生能源电网提供了动态稳定解决方案。

　　

随着全球能源结构转型加速，风电、光伏等可再生能源(RES)大规模并网给电力系统带来严峻挑战。这些"看天吃饭"的能源具有强随机性，其功率波动会导致电网频率偏差，严重时可能引发连锁故障。传统化石能源机组通过调节机械功率能快速平抑频率波动，但可再生能源的电力电子接口缺乏惯性支撑，使得负荷频率控制(LFC)成为智能电网领域的"卡脖子"难题。

为破解这一困局，研究人员创新性地将超导磁储能(SMES)技术与先进控制算法相结合。SMES凭借其毫秒级响应速度和近乎无限的充放电循环寿命，被誉为电网的"超级电容"；而分数阶模糊PID(FO-Fuzzy-PID)控制器则融合了模糊逻辑的适应性和分数阶微积分的精细调节能力。这项发表在《Results in Engineering》的研究，通过构建包含风电、光热发电和柴油机的两区域互联系统模型，验证了所提控制策略的优越性。

研究采用三大关键技术：首先建立包含SMES动态模型(式1)的混合系统传递函数；其次设计具有五自由度(参数K_P、K_I、K_D、λ、μ)的FO-Fuzzy-PID控制器，其模糊规则库(表1)采用三角形隶属函数(图6b)；最后运用PSO算法在线优化控制参数，目标函数采用时间加权绝对误差积分(ITAE)(式22)。

在结果部分，"2.4两区域系统建模"中构建的107节点30机组模型(图3)显示：当区域1出现0.01pu负荷突变时，"3.3 FO-Fuzzy-PID控制器"使频率偏差峰值从0.089Hz降至0.026Hz(表6)。"4.1情景1"的案例3表明，多级负荷扰动下该控制器稳定时间仅4秒，较传统PID提升76.5%。"4.2情景2"更揭示，在风光出力同时波动时(图9a-c)，系统通过SMES快速充放电维持联络线功率偏差在±0.0025pu内(图9f)，ITAE指标达0.0061(表7)，验证了控制器的多扰动适应能力。

这项研究的突破性在于：其一，通过SMES与FO-Fuzzy-PID的协同控制，解决了RES并网导致的"双高"系统(高比例可再生能源、高电力电子化)频率稳定难题；其二，创新的参数在线优化机制(图7)使控制器具备"自我进化"能力，可适应不同运行场景。正如"5.结论"指出，该方案为构建新型电力系统提供了可工程化实施的技术路径，其44.5%的ITAE提升意味着每年可避免数百万美元的频率越限罚款。未来研究可探索该算法在多端直流电网中的应用，或结合数字孪生技术实现预防性控制，这些延伸方向将进一步提升能源互联网的韧性和经济性。