CN106777944A

CN106777944A - 一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法

Info

Publication number: CN106777944A
Application number: CN201611116641.9A
Authority: CN
Inventors: 陈亦平; 莫维科; 高琴; 侯君; 张勇; 王子强; 楼楠; 郑晓东; 陈巨龙; 黄汉昌; 徐克强; 翁振星
Original assignee: South China University of Technology SCUT; China Southern Power Grid Co Ltd
Current assignee: South China University of Technology SCUT; China Southern Power Grid Co Ltd
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2036-12-07
Also published as: CN106777944B

Abstract

本发明公开了一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法，包括：建立水轮机调速器稳定性分析模型；得出发电机及其外部系统的传递函数，水轮机线性化模型的传递函数和调速器线性化模型的传递函数；求出水轮机调速器稳定性分析模型对应的闭环传递函数以及调速系统的闭环特征方程，然后利用劳斯稳定判据得到使调速系统稳定的暂态下降率取值范围以及缓冲时间常数取值范围；在使调速系统稳定的暂态下降率取值范围以及缓冲时间常数取值范围内进行时域仿真，得出水轮机调速器的最优参数。本发明采用了水轮机调速器稳定性分析模型，并结合劳斯稳定判据和时域仿真最终得到水轮机调速器的最优参数，鲁棒性更强。本发明可广泛应用于电力领域。

Description

一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法

技术领域

本发明涉及电力领域，尤其是一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法。

背景技术

孤岛系统中，水轮机的水锤效应可能会导致调速器不稳定，进而引发低频振荡。而水电机组呈现负阻尼特性是导致低频振荡的主要原因。一般而言，水轮机和调速器在低频段会产生负阻尼，汽轮机本身的相位滞后较小，当调速器的相位滞后也很小时，在低频段会产生正阻尼。这些都和水轮机调速器的参数整定有关。

云南电网与南方电网主网异步联网后，云南电网高水电比例和直流外送负荷高占比的特点，与大型水电厂经直流孤岛送出系统非常相似，外部阻尼的降低和水轮机的水锤效应会在低频段产生较大的相位滞后，造成超低频振荡问题。异步联网的特性实验也证明，如果云南水电机组仍采用同步联网时的参数，将会造成振荡频率为0.05Hz，波动范围在49.9Hz～50.1Hz之间的持续超低频振荡，鲁棒性较弱。

在孤岛系统中，应对水轮机调速器负阻尼特性导致的低频振荡时，一般采取的解决方案是将发电机一次调频死区设置大于直流频率限制器(Frequency LimitController，FLC)死区，但这种方法并不适应于区域电网通过直流来实现的异步互联系统。因此，亟需从源头入手，提出一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法，在相应频段进行相位补偿以避免产生超低频振荡。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种鲁棒性强的水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法，其特征在于：包括以下步骤：

建立水轮机调速器稳定性分析模型；

根据水轮机调速器稳定性分析模型得出发电机及其外部系统的传递函数，水轮机线性化模型的传递函数和调速器线性化模型的传递函数；

根据发电机及其外部系统的传递函数，水轮机线性化模型的传递函数和调速器线性化模型的传递函数求出水轮机调速器稳定性分析模型对应的闭环传递函数以及调速系统的闭环特征方程，然后根据调速系统的闭环特征方程利用劳斯稳定判据得到使调速系统稳定的暂态下降率取值范围以及缓冲时间常数取值范围；

在使调速系统稳定的暂态下降率取值范围以及缓冲时间常数取值范围内进行时域仿真，得出水轮机调速器的最优参数。

进一步，所述发电机及其外部系统的传递函数G_d(s)的表达式为：其中，ΔP(s)为机械功率变化量与电磁功率变化量的差值，Δf(s)为频率变化量，T_M为发电机的惯性时间常数，D为发电机内部阻尼系数，K_f为外部阻尼系数，s为拉普拉斯算子。

进一步，所述水轮机线性化模型的传递函数G_ht(s)的表达式为：其中，T_w为水启动时间，s为拉普拉斯算子。

进一步，所述水轮机调速器为加速-缓冲型调速器，所述加速-缓冲型调速器线性化模型的传递函数G_gov(s)的表达式为：

其中，b_p为永态下降率；b_t为暂态下降率；T_d为缓冲时间常数；T_n为测量加速时间常数，T_1v为测量惯性时间常数；T_y为主配压阀和主接力器时间常数，T_G为导叶伺服电动机时间常数，s为拉普拉斯算子。

进一步，所述加速度-缓冲型调速器的暂态下降率b_t、缓冲时间常数T_d、测量加速度时间常数T_n与PID型微机调速器的比例增益K_P、积分增益K_I、微分增益K_D的转换关系为：

进一步，所述根据发电机及其外部系统的传递函数，水轮机线性化模型的传递函数和调速器线性化模型的传递函数求出水轮机调速器稳定性分析模型对应的闭环传递函数以及调速系统的闭环特征方程，然后根据调速系统的闭环特征方程利用劳斯稳定判据得到使调速系统稳定的暂态下降率取值范围以及缓冲时间常数取值范围这一步骤，其包括：

根据发电机及其外部系统的传递函数G_d(s)，水轮机线性化模型的传递函数G_ht(s)和调速器线性化模型的传递函数G_gov(s)求出水轮机调速器稳定性分析模型对应的闭环传递函数G_bh(s)，所述闭环传递函数G_bh(s)的表达式为：

根据闭环传递函数G_bh(s)的表达式得到调速系统的闭环特征方程，所述调速系统的闭环特征方程为：1+G_gov(s)G_ht(s)G_d(s)＝0；

采用劳斯稳定判据对调速系统的闭环特征方程进行求解，得到使调速系统稳定的暂态下降率b_t取值范围以及缓冲时间常数T_d取值范围，所述劳斯稳定判据为：调速系统的特征方程各项系数符号相同且不为零，且由各项系数组成的劳斯排列阵的第一列所有项均为正。

进一步，所述采用劳斯稳定判据对调速系统的闭环特征方程进行求解，得到使调速系统稳定的暂态下降率b_t取值范围以及缓冲时间常数T_d取值范围这一步骤，其包括：

采用简化的调速器线性化模型的传递函数G_gov(s)对调速系统的闭环特征方程进行化简，得到化简后的闭环特征方程；

采用劳斯稳定判据对化简后的闭环特征方程进行求解，得到使调速系统稳定的暂态下降率b_t取值范围以及缓冲时间常数T_d取值范围。

进一步，所述简化的调速器线性化模型的传递函数G_gov(s)的表达式为：或其中，b_p为永态下降率；T_n为测量加速时间常数，T_G为导叶伺服电动机时间常数，s为拉普拉斯算子。

进一步，所述在使调速系统稳定的暂态下降率取值范围以及缓冲时间常数取值范围内进行时域仿真，得出水轮机调速器的最优参数这一步骤，其具体为：

若调速器线性化模型的传递函数G_gov(s)的表达式为则在使调速系统稳定的暂态下降率b_t取值范围以及缓冲时间常数T_d取值范围内进行时域仿真，得出水轮机调速器的最优参数范围，所述水轮机调速器的最优参数范围为：T_d＝4T_w，其中，s为拉普拉斯算子，T_w为水启动时间，T_M为发电机的惯性时间常数；

若调速器线性化模型的传递函数G_gov(s)的表达式为则在使调速系统稳定的暂态下降率b_t取值范围以及缓冲时间常数T_d取值范围内进行时域仿真，得出水轮机调速器的最优参数范围，所述水轮机调速器的最优参数范围为：

T_d＝[5-0.5(T_w-1)]T_w，

其中，b_p为永态下降率，s为拉普拉斯算子，T_w为水启动时间，T_M为发电机的惯性时间常数，T_G为导叶伺服电动机时间常数；

T_n＝(0.3～0.5)T_w，3T_w＜T_d<5T_w，其中，s为拉普拉斯算子，T_w为水启动时间，T_M为发电机的惯性时间常数，T_n为测量加速时间常数。

进一步，所述水轮机调速器的最优参数为阻尼特性最好且恢复速度最快时对应的暂态下降率取值以及缓冲时间常数取值。

本发明的有益效果是：包括建立水轮机调速器稳定性分析模型，获取水轮机调速器稳定性分析模型的闭环传递函数和调速系统的闭环特征方程，利用劳斯稳定判据得到使调速系统稳定的暂态下降率取值范围以及缓冲时间常数取值范围以及时域仿真得出水轮机调速器的最优参数的过程，采用了水轮机调速器稳定性分析模型，并结合劳斯稳定判据和时域仿真最终得到使调速系统稳定的水轮机调速器最优参数，能够有效避免外部阻尼的降低和水轮机的水锤效应造成的超低频振荡，鲁棒性更强。

附图说明

图1为本发明一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法的整体流程图；

图2为本发明的水轮机调速器稳定性分析模型的结构示意图；

图3为本发明的水轮机加速-缓冲型调速器的结构示意图；

图4为本发明的水轮机并联型PID型微机调速器的结构示意图。

具体实施方式

参照图1，一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法，其特征在于：包括以下步骤：

建立水轮机调速器稳定性分析模型；

进一步作为优选的实施方式，所述发电机及其外部系统的传递函数G_d(s)的表达式为：其中，ΔP(s)为机械功率变化量与电磁功率变化量的差值，Δf(s)为频率变化量，T_M为发电机的惯性时间常数，D为发电机内部阻尼系数，K_f为外部阻尼系数，s为拉普拉斯算子。

进一步作为优选的实施方式，所述水轮机线性化模型的传递函数G_ht(s)的表达式为：其中，T_w为水启动时间，s为拉普拉斯算子。

进一步作为优选的实施方式，所述水轮机调速器为加速-缓冲型调速器，所述加速-缓冲型调速器线性化模型的传递函数G_gov(s)的表达式为：

进一步作为优选的实施方式，所述加速度-缓冲型调速器的暂态下降率b_t、缓冲时间常数T_d、测量加速度时间常数T_n与PID型微机调速器的比例增益K_P、积分增益K_I、微分增益K_D的转换关系为：

进一步作为优选的实施方式，所述根据发电机及其外部系统的传递函数，水轮机线性化模型的传递函数和调速器线性化模型的传递函数求出水轮机调速器稳定性分析模型对应的闭环传递函数以及调速系统的闭环特征方程，然后根据调速系统的闭环特征方程利用劳斯稳定判据得到使调速系统稳定的暂态下降率取值范围以及缓冲时间常数取值范围这一步骤，其包括：

进一步作为优选的实施方式，所述采用劳斯稳定判据对调速系统的闭环特征方程进行求解，得到使调速系统稳定的暂态下降率b_t取值范围以及缓冲时间常数T_d取值范围这一步骤，其包括：

进一步作为优选的实施方式，所述简化的调速器线性化模型的传递函数G_gov(s)的表达式为：或其中，b_p为永态下降率；T_n为测量加速时间常数，T_G为导叶伺服电动机时间常数，s为拉普拉斯算子。

进一步作为优选的实施方式，所述在使调速系统稳定的暂态下降率取值范围以及缓冲时间常数取值范围内进行时域仿真，得出水轮机调速器的最优参数这一步骤，其具体为：

T_d＝[5-0.5(T_w-1)]T_w，

进一步作为优选的实施方式，所述水轮机调速器的最优参数为阻尼特性最好且恢复速度最快时对应的暂态下降率取值以及缓冲时间常数取值。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一

针对现有技术无法避免外部阻尼的降低和水轮机的水锤效应造成的超低频振荡的问题，本发明提出了一种全新的水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法。该方法通过调整调速器的参数来在相应频段进行相位补偿，以避免产生超低频振荡。

如图1所示，该水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法包括以下步骤：

步骤1，建立如图2所示的水轮机调速器稳定性分析模型。

步骤2，根据图2所示的水轮机调速器稳定性分析模型得出发电机及其外部系统的传递函数G_d(s)，水轮机线性化模型的传递函数G_ht(s)，调速器线性化模型的传递函数G_gov(s)。

1)如图2所示，发电机及其外部系统的传递函数G_d(s)为：

其中，ΔP(s)为机械功率变化量与电磁功率变化量的差值，Δf(s)为频率变化量，T_M为发电机的惯性时间常数，D为发电机内部阻尼系数，K_f为外部阻尼系数(其包括负荷阻尼、发电机组一次调频作用、直流FLC(即直流频率限制)控制作用)，s为拉普拉斯算子。

在本实施例中，由于异步联网后，云南电网直流外送负荷占比很高，外部阻尼系数K_f极小，可忽略不计。同时，为简化计算，本实施例可忽略数值较小的发电机内部阻尼系数D。故本实施例在计算发电机及其外部系统的传递函数G_d(s)，将不考虑D、K_f。

2)如图2所示，水轮机线性化模型的传递函数G_ht(s)为：

其中，T_w为水启动时间(即水锤效应时间常数)，T_w随发电机工况变化而变化，T_w的取值一般在0.5～4.0s之间。

3)如图3所示，忽略死区和饱和等非线性环节以及忽略辅助阀及伺服电动机环节(该环节的时间常数T_p足够小，通常T_p取0.05s)的影响，加速-缓冲型调速器线性化模型的传递函数G_gov(s)为：

其中，b_p为永态下降率(即调差系数)；b_t为暂态下降率；T_d为缓冲时间常数；T_n为测量加速时间常数，T_1v为测量惯性时间常数；T_p为辅助阀及伺服电动机时间常数；T_y为主配压阀和主接力器时间常数，R_max为主配压阀和主接力器的过速开启系数，R_min为主配压阀和主接力器的过速关闭系数；T_G为导叶伺服电动机时间常数。

参照图4，当b_p取b_p＝0和忽略T_y，T_1v的作用时，并联型和串联型PID结构具有相同的传递函数：

而PID型微机调速器模型与加速-缓冲型调速器模型间存在明确的参数转化关系。其中，PID型微机调速器的比例增益K_P、积分增益K_I、微分增益K_D与加速度-缓冲型调速器的暂态下降率b_t、缓冲时间常数T_d、测量加速度时间常数T_n的转换关系为：

以加速缓冲性型调速器模型的传递函数为例，G_gov(s)可根据需要进行适当的简化，而采用不同化简模型其对应的最优整定参数不同。本实施例采用的简化的传递函数G_gov(s)为：

步骤3，根据发电机及其外部系统的传递函数G_d(s)，水轮机线性化模型的传递函数G_ht(s)和调速器线性化模型的传递函数G_gov(s)求出水轮机调速器稳定性分析模型对应的闭环传递函数G_bh(s)，根据闭环传递函数G_bh(s)的表达式得到调速系统的闭环特征方程，然后利用劳斯稳定判据调速系统的闭环特征方程进行求解，得到使调速系统稳定的暂态下降率b_t取值范围以及缓冲时间常数T_d取值范围。

此过程可进一步细分为：

1)求出水轮机调速器稳定性分析模型对应的闭环传递函数G_bh(s)：

2)令G_bh(s)分母中的多项式为零，得到调速系统的闭环特征方程：

1+G_gov(s)G_ht(s)G_d(s)＝0 (8)

在本实施例中，将简化的传递函数代入上式(8)得到的对应闭环特征方程为：

0.5b_tT_dT_MT_ws³+(b_tT_dT_M-T_wT_d)s²+(T_d-T_w)s+1＝0 (9)

其中，T_M和T_w均为已知量，因此为了对该闭环特征方程进行求解，还需要确定的参数为暂态下降率b_t取值范围以及缓冲时间常数T_d取值范围。

3)利用劳斯稳定判据(即调速系统的特征方程各项系数符号相同且不为零，且由各项系数组成的劳斯排列阵的第一列所有项均为正)对化简后的闭环特征方程式(9)进行求解，得到使调速系统稳定的b_t、T_d取值范围，如下式(10)和式(11)所示：

(b_tT_dT_M-T_wT_d)(T_d-T_w)＞0.5b_tT_dT_MT_w (10)

步骤4，根据时域仿真在使调速系统稳定的b_t、T_d取值范围内进行扫描，确定出轮机调速器的最优参数。

本发明在使调速系统稳定的b_t、T_d取值范围内，通过大量的时域仿真，最终确定出阻尼特性好且恢复速度快的最优参数，最终完成对水轮机组的参数整定过程。

本实施例中采用的简化的传递函数G_gov(s)为公式(6)，其对应的最优参数整定方案为：

同理，可采用本实施例的方法确定采用其他调速器模型所对应的最优参数整定方案：

a.若采用的调速器简化模型为：则通过采用本实施例的方法对水轮机调速系统的特征值进行分析和大量的时域仿真，可得出其所对应的最优参数整定方案为：

b.若采用的调速器简化模型为：通过采用本实施例的方法对水轮机调速系统的特征值进行分析和大量的时域仿真，可得出其所对应的最优参数整定方案

为：

本发明提出了一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法，该方法采用了水轮机调速器稳定性分析模型，并结合劳斯稳定判据和时域仿真最终得到使调速系统稳定的水轮机调速器最优参数，能够有效避免外部阻尼的降低和水轮机的水锤效应造成的超低频振荡，鲁棒性更强，对于合理设置大规模水电经直流送出系统的调频策略，优化异步联网系统安全防线的设计有着重要的意义。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法，其特征在于：包括以下步骤：

建立水轮机调速器稳定性分析模型；

2.根据权利要求1所述的一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法，其特征在于：所述发电机及其外部系统的传递函数G_d(s)的表达式为：其中，ΔP(s)为机械功率变化量与电磁功率变化量的差值，Δf(s)为频率变化量，T_M为发电机的惯性时间常数，D为发电机内部阻尼系数，K_f为外部阻尼系数，s为拉普拉斯算子。

3.根据权利要求1所述的一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法，其特征在于：所述水轮机线性化模型的传递函数G_ht(s)的表达式为：其中，T_w为水启动时间，s为拉普拉斯算子。

4.根据权利要求1所述的一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法，其特征在于：所述水轮机调速器为加速-缓冲型调速器，所述加速-缓冲型调速器线性化模型的传递函数G_gov(s)的表达式为：

5.根据权利要求4所述的一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法，其特征在于：所述加速度-缓冲型调速器的暂态下降率b_t、缓冲时间常数T_d、测量加速度时间常数T_n与PID型微机调速器的比例增益K_P、积分增益K_I、微分增益K_D的转换关系为：

\{\begin{matrix} K_{P} = \frac{T_{d} + T_{n}}{b_{t} T_{d}} \approx \frac{1}{b_{t}} \\ K_{I} = \frac{1}{b_{t} T_{d}} \\ K_{D} = \frac{T_{n}}{b_{t}} \end{matrix} .

6.根据权利要求1所述的一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法，其特征在于：所述根据发电机及其外部系统的传递函数，水轮机线性化模型的传递函数和调速器线性化模型的传递函数求出水轮机调速器稳定性分析模型对应的闭环传递函数以及调速系统的闭环特征方程，然后根据调速系统的闭环特征方程利用劳斯稳定判据得到使调速系统稳定的暂态下降率取值范围以及缓冲时间常数取值范围这一步骤，其包括：

7.根据权利要求6所述的一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法，其特征在于：所述采用劳斯稳定判据对调速系统的闭环特征方程进行求解，得到使调速系统稳定的暂态下降率b_t取值范围以及缓冲时间常数T_d取值范围这一步骤，其包括：

8.根据权利要求7所述的一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法，其特征在于：所述简化的调速器线性化模型的传递函数G_gov(s)的表达式为：或其中，b_p为永态下降率；T_n为测量加速时间常数，T_G为导叶伺服电动机时间常数，s为拉普拉斯算子。

9.根据权利要求1所述的一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法，其特征在于：所述在使调速系统稳定的暂态下降率取值范围以及缓冲时间常数取值范围内进行时域仿真，得出水轮机调速器的最优参数这一步骤，其具体为：

T_d＝[5-0.5(T_w-1)]T_w，

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种水电机组经直流送出系统的调速器参数整定方法，其特征在于：所述水轮机调速器的最优参数为阻尼特性最好且恢复速度最快时对应的暂态下降率取值以及缓冲时间常数取值。