CN104503260B - 调速器参数设定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种调速器参数设定方法和装置。所述调速器参数设定方法包括步骤:A、构建系统的传递模型;B、确定要分析的调速器参数,以所述调速器参数为可调参数;C、列出相应的开环传递函数,并绘制相应系统特征方程的根轨迹;D、判断所述根轨迹中是否存在主极点,当存在主极点时,基于所述可调参数对系统调频性能进行定量分析,否则基于所述可调参数对系统调频性能进行定性分析;E、利用分析结果设定调速器参数。利用本发明的调速器参数设定方法和装置,能够考虑调速器的参数对系统的稳定性和暂态性能造成的影响,由此改善系统的稳定性,提高系统性能。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统分析和控制技术领域,特别是涉及到电力系统装置的参数分析技术。
背景技术
调速器是电力系统中广泛适用的设备。调速器作为调速系统的关键环节,其参数的设置与变化对系统的稳定性和频率调节效应具有重要影响,如果能够准确了解调速器的各个参数对系统的暂态、稳态性能影响,就很容易将调速器设定在最优工作状态,因而对系统的稳定性或暂态性能的改善具有重大意义。
然而迄今为止,对于电力系统调频响应的分析技术仍然是建立在简化调速器模型的基础上的,难以全面、准确地反映出调速器的作用,而对调速器各参数对调频性能影响的分析方法大多数是基于仿真试验,因而只能定性地说明相关参数与系统频响与稳定性的关系,具有明显的局限性。现有技术不能从定量分析的角度,得出适用范围广、理论性强的结论,没有分析调速器的参数对系统的稳定性和暂态性能造成的影响。
发明内容
鉴于此,本发明的目的在于考虑调速器的参数对系统的稳定性和暂态性能造成的影响,将调速器设定在最优的参数选取数值上,由此改善系统的稳定性,提高系统性能。
为了实现此目的,本发明采取的技术方案为如下。
一种调速器参数设定方法,所述方法包括步骤:
A、构建系统的传递模型;
B、确定要分析的调速器参数,以所述调速器参数为可调参数;
C、列出相应的开环传递函数,并绘制相应系统特征方程的根轨迹;
D、判断所述根轨迹中是否存在主极点,当存在主极点时,基于所述可调参数对系统调频性能进行定量分析,否则基于所述可调参数对系统调频性能进行定性分析;
E、利用分析结果设定调速器参数。
其中,所述调速器参数为调差系数、油动机时间常数、负荷比例积分微分控制器参数、电液转换器比例积分微分参数中的任意一项。
特别地,判断所述根轨迹中是否存在主极点的步骤为:
判断一对共轭复数极点到虚轴距离是否是其他极点到虚轴距离的1/5以下,且该共轭复数极点附近不存在闭环零点;
判断虚轴最近的一对共轭复数极点附近,是否不存在闭环零点,并且在其离虚轴距离5倍以内只存在偶极子;
如果以上判断中任意一项结果为是,则确定所述共轭复数极点为主极点。
其中,所述基于所述可调参数对系统调频性能进行定量分析是:
绘制根轨迹平面上的等上升时间线簇、等超调量线簇、等调节时间线簇;
当闭环传递函数极点落在所述线簇的线上时,则确定系统的动态响应的上升时间、超调量、调节时间为所述线簇的线所对应的值,若落在线簇的两线之间时,则系统的动态响应的上升时间、超调量、调节时间的取值为两线所对应的两值之间。
另一方面,所述基于所述可调参数对系统调频性能进行定性分析是:
以最靠近虚轴的根轨迹作为分析基础;
绘制根轨迹平面上的等上升时间线簇、等超调量线簇、等调节时间线簇;
以闭环传递函数极点随等上升时间线簇、等超调量线簇、等调节时间线簇的变化趋势分析系统的调频性能。
如果所述系统特征方程的分子次数小于分母次数,则取可调参数的倒数为新的可调参数,重新列出相应的开环传递函数,并绘制相应系统特征方程的根轨迹。
一种调速器参数设定装置,包括:
模型构建单元,用于构建系统的传递模型;
调速器参数确定单元,用于确定调速器参数作为可调参数;
根轨迹确定单元,用于列出相应的开环传递函数,并绘制相应系统特征方程的根轨迹;
分析单元,用于判断所述根轨迹中是否存在主极点,当存在主极点时,基于所述可调参数对系统调频性能进行定量分析,否则基于所述可调参数对系统调频性能进行定性分析;
设定单元,用于利用分析单元的分析结果设定调速器参数。
其中,所述调速器参数是调差系数、油动机时间常数、负荷比例积分微分控制器参数、电液转换器比例积分微分参数中任意一项。
通过采用本发明的调速器参数设定方法和装置,充分考虑了复杂的调速器模型对电力系统频率影响的作用,通过构建含有复杂调速器系统的物理模型,列出相应的系统开环传递函数,借用分析方法绘制根轨迹图,并利用高阶系统的主极点法,为分析调速器中的主要参数对系统调频性能的影响作用提供了方法。由此克服了现有技术中将调速器模型简单简化而带来的不准确性,而且其所确定的参数选择方法对调速性能的影响结果更加直观。
附图说明
图1是本发明实施方式中调速器参数设定方法的流程图。
图2是本发明实施方式所应用的单区域电网的传递模型示意图。
图3是本发明实施方式所应用的多区域互联电网的传递模型示意图。
图4是本发明实施方式调速器参数设定方法的根轨迹示意图。
图5是本发明一实施方式调速器的传递模型示意图。
图6是本发明一实施方式调速器参数设定方法的根轨迹示意图。
图7是本发明一实施方式调速器参数设定方法的实施效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明作详细说明。
以下公开详细的示范实施例。然而,此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。
然而,应该理解,本发明不局限于公开的具体示范实施例,而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中,相同的附图标记表示相同的元件。
同时应该理解,如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解,当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时,它可以直接连接或耦接到其他部件或单元,或者也可以存在中间部件或单元。此外,用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如,“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。
为了实现本发明的目的,本发明所采用的调速器参数设定方法如图1所示,具体而言包括以下步骤:
A、构建系统的传递模型;
B、确定要分析的调速器参数,以所述调速器参数为可调参数;
C、列出相应的开环传递函数,并绘制相应系统特征方程的根轨迹;
D、判断所述根轨迹中是否存在主极点,当存在主极点时,基于所述可调参数对系统调频性能进行定量分析,否则基于所述可调参数对系统调频性能进行定性分析;
E、利用分析结果设定调速器参数。
通过以上实施方式,能够将调速器参数对于系统的调频性能的影响考虑进来,由此提高了系统的稳定性。
系统的传递模型是根据系统的结构所定,例如图2所示的单区域电网的传递模型,又或者例如图3所示的多区域互联电网的传递模型。
在本发明的实施方式中,图2中所示的单区域电网的传递模型的传递函数的一般形式是:
其中Ggov(s)、Gtur(s)、Ggen(s)分别是调速器、汽轮机、发电机的传递函数,R为调差系数。
在步骤B中,确定调速器的参数,此参数的选择是根据实际设定需求选取的,例如在一些实施例中,可以是调差系数、油动机时间常数、负荷比例积分微分控制器参数、电液转换器比例积分微分参数中任意一项。
但是本发明并不局限于此,所述可调参数甚至可以扩展到汽轮机蒸汽容积时间常数、发电机的惯性时间常数等参数,这些参数均可以按照本发明的方法进行分析和设定,而没有离开本发明的保护范围。
在步骤C中,根据确定需要分析和设定的调速器参数,以该参数为可调参数绘制根轨迹。进行该步骤时,应先将系统特征方程与可调参数c的关系表示为Δ(s)=q(s)+cp(s)=0的形式。且满足关系:设q(s)最高次项为sn,p(s)最高次项为sm,则n≥m。若不满足n≥m的条件,则可以令t=1/c,并以t为新的可调参数即可。
绘制根轨迹的方式可以是控制领域常用的手段,例如在一个实施方式中,通过调用MATLAB的功能来实现根轨迹的绘制:
num=[a1a2…am];
den=[b1b2…bn];
rlocus(num,den,k1:K2);
其中a1a2…am是p(s)各项的系数;b1b2…bn是q(s)各项的参数。
而k1:K2表示可调参数的取值区间为[k1,K2],若此项不填则默认取值区间为[0,∞]。
在步骤D中,利用高阶系统的主极点判别法,判别该高阶系统是否具有主极点,若有,则找出该主极点所在的根轨迹。
在本发明一个实施方式中,判断主极点是否存在的步骤是:
判断一对共轭复数极点到虚轴距离是否是其他极点到虚轴距离的1/5以下,且该共轭极点附近不存在闭环零点;
判断虚轴最近的一对共轭复数极点附近,是否不存在闭环零点,并且在其离虚轴距离5倍以内只存在偶极子;
如果以上判断中任意一项为是,则确定所述共轭复数极点为主极点。
接下来,依据主极点的判别结果,绘制在s平面上的等上升时间tr、等超调量Mp、等调节时间ts线簇。
二阶系统的等上升时间tr、等超调量Mp、等调节时间ts线簇如图4所示,其中等上升时间tr线簇为类椭圆线簇,等超调量Mp(图中用δ%表示)线簇为过原点的斜线簇,等调节时间ts线簇为与横坐标垂直的线簇。这些线簇的每一条线都对应着相应参数的一个取值,对于二阶系统来说,当闭环传递函数极点落在所述线簇的线上时,则确定系统的动态响应的上升时间tr、超调量Mp、调节时间ts为所述线线簇的线所对应的值,若落在两线之间则上升时间tr、超调量Mp、调节时间ts的取值为两线所对应的两值之间。
当不存在主极点时,利用最靠近虚轴的根轨迹作为分析基础,方法与以上相同。图中等上升时间tr线簇、等超调量Mp线簇、等调节时间ts线簇中的线的增大方法仍然代表上升时间tr、超调量Mp和调节时间ts的增大方向,只是各线代表的具体数值不再适用,因此是基于所述可调参数对系统调频性能进行定性分析,而并非定量分析。
绘制等上升时间tr线簇、等超调量Mp线簇、等调节时间ts线簇也属于本领域技术人员常用的技术,例如在本发明实施方式中以上线簇可以借助Matlab绘制。线簇的两条线间隔越小则估计值越精确。对于具有主极点的高阶系统来说,其动态性能可由该主极点所对应的二阶系统的动态性能来代替,该代替满足工程需求。
接下来,利用分析结果设定调速器参数,以满足系统的稳定性、频率响应等要求。
为了实现以上调速器参数设定方法,本发明还公开了一种调速器参数设定装置,包括:
模型构建单元,用于构建系统的传递模型;
调速器参数确定单元,确定调速器参数作为可调参数;
根轨迹确定单元,用于列出相应的开环传递函数,并绘制相应系统特征方程的根轨迹;
分析单元,用于判断所述根轨迹中是否存在主极点,当存在主极点时,基于所述可调参数对系统调频性能进行定量分析,否则基于所述可调参数对系统调频性能进行定性分析;
设定单元,用于利用分析单元的分析结果设定调速器参数。
其中,所述调速器参数可以是调差系数、油动机时间常数、负荷比例积分微分控制器参数、电液转换器比例积分微分参数中任意一项。
以下通过一个具体示例来说明本发明的调速器参数设定方法及装置的技术效果。
一个调速器的传递模型如图5所示,以该传递模型建立以有功功率阶跃突变为输入信号,以系统频率变化为响应的系统开环传递函数。
取调速器的调差系数的倒数1/R=K1作为可调变量。
下表是所述系统中的各种参数的典型取值:
调差系数 | 0.05 |
一次调频容量 | 0.6 |
油动机时间常数 | 0.8s |
汽轮机蒸汽时间常数 | 0.2s |
再热器时间常数 | 10s |
负荷PID控制器参数 | 1,10,0 |
电液转换器PID参数 | 1,10,0 |
油动机行程反馈时间常数 | 0.02s |
发电机惯性时间常数 | 5s |
由此列出的开环传递函数是:
因此,按照以下方式调用MATLAB方法绘制根轨迹:
num=[264 1434.4 580.8 44];
den=[80 812 1092.4 45664 11186 884.4 22];
rlocus(num,den,0:300);
绘制出的根轨迹如图6所示,利用上述主极点判别方法明显可见加箭头的两条根轨迹上的极点为该高阶系统的主极点,该高阶系统可用主极点所代表的二阶系统近似代替。
实际应用中,K1的一般取值为16到25,此时根轨迹近似与虚轴平行,由典型二阶系统暂态性能图可知,K1的改变几乎不影响上升时间tr和调节时间ts,K1的增大只会提高系统的超调量Mp,同时由K1*df=dp可知在功率变化量dp一定时,K1越大系统频率变化量df越小,且df成比例地减小即减小量大于超调量,因而总的来看df的极小值仍然会随着K1的增大而减小。当K1值过大时,根轨迹为进入了正半平面此时系统失稳,可求得根轨迹与虚轴相交时K1取值为176。
另外,当调速器具有负荷调节比例积分微分PID环节时,若比例环节P的值取得过大在一定程度上就等价于K1值取大从而会导致失稳。
图7是本发明的该实施方式调速器参数设定方法的实施效果示意图。从图7中可以看出,当K1的取值在17至25之间时,此时K1的取值几乎不影响系统的上升时间tr和调节时间ts,系统的频率变化量小;当K1的取值为180时,根轨迹为进入了正半平面此时系统失稳,出现振荡。
以上示例仅以调速器的调差系数为例说明,但本领域技术人员可以理解本发明的调速器参数设定方法和装置可以应用到其他参数,例如油动机的时间常数、汽轮机的蒸汽容量、发电机的惯性时间常数等,都可以被选做可调参数,进行优化选取、设定。
需要说明的是,上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案,不能将其理解为对本发明保护范围的限制,在未脱离本发明构思前提下,对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种调速器参数设定方法,所述方法包括步骤:
A、构建系统的传递模型;
B、确定要分析的调速器参数,以所述调速器参数为可调参数;
C、列出相应的开环传递函数,并绘制相应系统特征方程的根轨迹;
D、判断所述根轨迹中是否存在主极点,当存在主极点时,基于所述可调参数对系统调频性能进行定量分析,否则基于所述可调参数对系统调频性能进行定性分析;
E、利用分析结果设定调速器参数;
所述调速器参数为调差系数、油动机时间常数、负荷比例积分微分控制器参数、电液转换器比例积分微分参数中的任意一项;
所述基于所述可调参数对系统调频性能进行定量分析是:
绘制根轨迹平面上的等上升时间线簇、等超调量线簇、等调节时间线簇;
当闭环传递函数极点落在所述线簇的线上时,则确定系统的动态响应的上升时间、超调量、调节时间为所述线簇的线所对应的值,若落在线簇的两线之间时,则系统的动态响应的上升时间、超调量、调节时间的取值为两线所对应的两值之间;
所述基于所述可调参数对系统调频性能进行定性分析是:
以最靠近虚轴的根轨迹作为分析基础;
绘制根轨迹平面上的等上升时间线簇、等超调量线簇、等调节时间线簇;
以闭环传递函数极点随等上升时间线簇、等超调量线簇、等调节时间线簇的变化趋势分析系统的调频性能。
2.权利要求1中所述的调速器参数设定方法,其特征在于,判断所述根轨迹中是否存在主极点的步骤为:
判断一对共轭复数极点到虚轴距离是否是其他极点到虚轴距离的1/5以下,且该共轭复数极点附近不存在闭环零点;
判断虚轴最近的一对共轭复数极点附近,是否不存在闭环零点,并且在其离虚轴距离5倍以内只存在偶极子;
如果以上判断中任意一项结果为是,则确定所述共轭复数极点为主极点。
3.权利要求1中所述的调速器参数设定方法,其特征在于,步骤C中,如果所述系统特征方程的分子次数小于分母次数,则取可调参数的倒数为新的可调参数,重新列出相应的开环传递函数,并绘制相应系统特征方程的根轨迹。
4.一种调速器参数设定装置,包括:
模型构建单元,用于构建系统的传递模型;
调速器参数确定单元,用于确定调速器参数作为可调参数;
根轨迹确定单元,用于列出相应的开环传递函数,并绘制相应系统特征方程的根轨迹;
分析单元,用于判断所述根轨迹中是否存在主极点,当存在主极点时,基于所述可调参数对系统调频性能进行定量分析,否则基于所述可调参数对系统调频性能进行定性分析;
设定单元,用于利用分析单元的分析结果设定调速器参数;
其中,基于所述可调参数对系统调频性能进行定量分析是:
绘制根轨迹平面上的等上升时间线簇、等超调量线簇、等调节时间线簇;
当闭环传递函数极点落在所述线簇的线上时,则确定系统的动态响应的上升时间、超调量、调节时间为所述线簇的线所对应的值,若落在线簇的两线之间时,则系统的动态响应的上升时间、超调量、调节时间的取值为两线所对应的两值之间;
基于所述可调参数对系统调频性能进行定性分析是:
以最靠近虚轴的根轨迹作为分析基础;
绘制根轨迹平面上的等上升时间线簇、等超调量线簇、等调节时间线簇;
以闭环传递函数极点随等上升时间线簇、等超调量线簇、等调节时间线簇的变化趋势分析系统的调频性能。
5.权利要求4中所述的调速器参数设定装置,其特征在于,所述调速器参数是调差系数、油动机时间常数、负荷比例积分微分控制器参数、电液转换器比例积分微分参数中任意一项。
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