CN107168101B - 考虑调频及稳定约束的机组调速系统控制参数整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑调频及稳定约束的机组调速系统控制参数整定方法，其包括以下步骤：S1：对可能孤网运行水电机组调速控制系统稳定性进行分析；S2：考虑机组一次调频性能约束，得到了控制参数的取值范围；S3：在满足小干扰稳定性前提下给出机组调速系统控制参数的取值范围；S4：通过实测建模得到机组原动机及调速系统实测参数，基于控制参数取值范围交集，并将其应用于整定方法的仿真分析验证实例；S5：针对一次调频参数整定域、小干扰稳定性参数稳定域进行综合考虑，并最终得到了既能满足调频性能要求、又能满足小干扰稳定性要求参数取值范围并对机组控制系统模型参数进行整定。在满足双项指标要求前提下，可以获得兼顾两者要求参数数值。

Description

考虑调频及稳定约束的机组调速系统控制参数整定方法

技术领域

本发明涉及电力系统仿真建模技术领域，特别涉及一种考虑调频及稳定约束的水电机组调速系统运行控制参数协调优化整定方法研究。

背景技术

随着大规模、远距离直流输电线路的建设，各大区域电网间的联系愈来愈紧密，电力系统扰动的波及面也越来越广。为了对扰动原因进行分析并提出改进措施，目前主要采用仿真分析等手段进行事故反演，而这又依赖于合理准确的仿真模型。尤其是2015年1月23日、9月19日藏中电网功率振荡导致减负荷事件、锦苏直流闭锁导致华东电网频率速降事件，这些都对发电机组调速系统模型准确度及其参数设置提出了更高要求。

近年来，由于仿真分析、事故反演等工程应用的迫切需求，国内各大科研院所、电力企业等相继开展了发电机组调速系统的实测建模工作，目前主要集中于实测模型研究、模型应用分析等方面，取得了显著的成果。近年来，由于电网互联规模的提升，调速系统模型参数对于电网低频振荡及动态响应的影响受到越来越多关注。可见调速系统控制参数正确整定方法具有重要的理论和实际工程意义，配置正确参数有助于提高系统稳定性、能够保障机组涉网性能。采用实测方法结合参数优化，进行机理分析对于定量分析具有积极作用，可以促进参数配置可控性、可观性。

目前火电机组调速系统模型研究取得了较为显著的成果，机电暂态、中长期等时间尺度模型已应用于生产实际，相对而言水电机组调速系统建模涉及引水管道及水轮机动态过程建模，对于不同类型(立轴混流式机组、轴流转浆式机组、抽蓄机组)的水轮机在原动机方面存在较大差异，近年来取得了一定研究成果，但在机组调速控制系统参数整定尤其是水电机组控制参数优化整定等方面研究较为鲜见，使得电力工业界对其技术储备或重视度不足，藏木电厂“1.23”事件凸显出水电机组调速系统正确合理整定的重要性。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑调频及稳定约束的机组调速系统控制参数整定方法。

本发明采用以下技术方案实现：一种考虑调频及稳定约束的机组调速系统控制参数整定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：对可能孤网运行水电机组调速控制系统稳定性进行分析，确定研究对象；S2：考虑机组一次调频性能约束，得到了控制参数的取值范围；S3：在满足小干扰稳定性前提下给出机组调速系统控制参数的取值范围；S4：通过实测建模得到机组原动机及调速系统实测参数，基于控制参数取值范围交集，并将其应用于整定方法的仿真分析验证实例；S5：针对一次调频参数整定域、小干扰稳定性参数稳定域进行综合考虑，并最终得到了既能满足调频性能要求、又能满足小干扰稳定性要求参数取值范围并对机组控制系统模型参数进行整定。

本发明根据水电机组调速控制系统以及水轮机及引水管道、发电机及负荷传递函数模型，分别建立了整个系统的开环传递函数以及闭环传递函数。针对传递函数未知参数进行实测建模；针对开环传递函数进行了拉普拉斯变换而后开展时域分析并确定了影响其一次调频性能的关键参数；针对闭环传递函数进行了频域分析，根据自动控制理论确定了其小干扰稳定性的关键控制参数及其约束条件；针对一次调频参数整定域、小干扰稳定性参数稳定域进行综合考虑，并最终得到了既能满足调频性能要求、又能满足小干扰稳定性要求参数取值范围并对机组控制系统模型参数进行整定。通过仿真表明此种整定方法，依赖于机组调速控制系统的实测参数，在满足双项指标要求前提下，可以获得兼顾两者要求参数数值。

附图说明

图1为本发明的调速控制系统模型。

图2为本发明执行机构模型。

图3为本发明一实施例引水管道及原动机简化模型。

图4为本发明一实施例的发电机及负荷模型。

图5为一实施例的调速控制系统传递函数框图。

图6为图5进一步简化所得的传递函数模型。

图7为本发明控制参数整定方案流程图。

图8为PID控制参数整定流程图。

图9为本发明一实施例中某水电厂孤立网运行时地理接线图。

图10为本发明一实施例的+0.2Hz频差阶跃P_CV拟合效果图。

图11为导叶开度给定+5％阶跃仿真、实测对比图。

图12为导叶开度给定-5％阶跃仿真、实测对比。

图13为设置不同PI控制参数时的机组一次调频响应对比(0.20Hz阶跃扰动)。

图14设置不同PI控制参数时的机组一次调频响应对比(0.15Hz阶跃扰动)。

图15为设置不同PI控制参数时的机组一次调频响应对比(0.10Hz阶跃扰动)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。

本发明提供一种考虑调频及稳定约束的机组调速系统控制参数整定方法，其特包括以下步骤：S1：对可能孤网运行水电机组调速控制系统稳定性进行分析，确定研究对象；S2：考虑机组一次调频性能约束，得到了控制参数的取值范围； S3：在满足小干扰稳定性前提下给出机组调速系统控制参数的取值范围；S4：通过实测建模得到机组原动机及调速系统实测参数，基于控制参数取值范围交集，并将其应用于整定方法的仿真分析验证实例；S5：针对一次调频参数整定域、小干扰稳定性参数稳定域进行综合考虑，并最终得到了既能满足调频性能要求、又能满足小干扰稳定性要求参数取值范围并对机组控制系统模型参数进行整定。

发电机组调速系统结构主要包括控制系统(如图1所示)、执行机构、引水管道及原动机模型(如图3所示)，其中执行机构采用如下所示模型进行描述，根据其传递函数可得

其中，P_CV表示导叶给定、K_P1表示伺服卡放大倍数、T表示全开/全关时间 (这里近似认为全开时间＝全关时间)、P_GV表示导叶反馈。可将上式变为

如图2所示模型。其中τ表示惯性时间，τ＝T/K_P1。

1机组动态稳定关键控制参数取值域分析

从图1～3所示模型，可得机组调速系统的开环传递函数，如下式所示，扰动为频差△f。

根据小干扰稳定性分析理论，

所示为从频差到原动机之间的整个前向通道开环传递函数。在原动机输出P_M后还需经过发电机等环节，然后得到转速反馈至控制系统作为输入，形成完整闭环传递函数。从上式可见，在不考虑发电机等环节时，传递函数已较复杂，若将发电机等传递函数模型考虑进去，则对闭环传递函数而言会增加其复杂度：一方面发电机参数目前主要通过设计值获取；另一方面增加发电机等传递函数模型会增加传递函数分子、分母阶数，在高阶情况下，其稳定域难以求解甚至无解。

综上所述，考虑分析模型的实用性兼顾机理分析的有效性，采用简化发电机及负荷模型，如图4所示。

为了对可能孤网运行水电机组调速控制系统稳定性进行分析，将图1～4所示传递函数模型拼接得到如下图5中所示系统开环传递函数框图。

由于执行机构模型采用图2所示的传递函数描述，在实际应用中该传递函数的滤波时间τ＝T/K_P1，因伺服卡比例增益值K_P1较大，所以一般τ较小(0.5s左右)。为了简化分析，进一步将图5模型简化为图6所示的开环传递函数G_K(s)模型，如式(4)所示。

G_K(s)＝G₁(s)G₂(s)G₃(s) (4)

其中

根据自动控制理论，具有单位反馈的开环传递函数，其对应的闭环传递函数模型如下式(6)所示。

其中G_K1(s)表示开环传递函数(式(4)所示)的分子部分。根据式(6)所示的闭环传递函数以及自动控制理论，为了满足系统稳定，G_B(s)分母的多项式必须满足

其中

从式(8)可见，a₃、a₀均大于0；为了满足系统稳定充要条件，还需保证a₂>0、 a₁a₂－a₀a₃>0。从式(8)可看出，水轮机组调速系统能否稳定除了与控制系统 PI参数有关，还和各个环节(例如引水管道及原动机、机组及负荷惯性时间常数等)实测参数有关。

为了满足式(8)中有关系数并简化问题的分析流程，本发明将机组调速实测建模过程中的模型辨识结果作为已知条件代入式(8)传递函数分母中分别计算a₂以及a₁a₂－a₀a₃数值。

2机组一次调频关键控制参数取值域分析

2.1一次调频性能指标转换

根据机组调速系统传递函数模型(图1～图3)，同时考虑现有一次调频响应幅度、速度性能要求：采用开度作为反馈的机组，至接力器到达目标值90％的上升时间T_0.9不超过12s，机组在时域内响应幅度与控制系统的参数K_P、K_I、B_P有关，采用公式表示如下：

一般情况，为了迅速响应电网功率需求，机组一次调频参数不会设置微分系数K_D。

为了能在时域内对其进行分析并判断其性能是否能满足技术导则性能要求，这里采用阶跃频差进行扰动，并将式(9)变换如下：

从上式可看出，当输入为阶跃量△f时，导叶开度给定P_CV的变化量取决于式(11)～(12)所示的传递函数。

KK_P (11)

由于式(11)对应的传递函数所产生的响应是阶跃，可忽略其时间；所以 P_CV变化趋势主要根据式(12)确定。

为满足导则T_0.9要求，分析导叶开度指令P_CV上升时间的相关因素，需要在时域上对P_CV变化趋势进行分析。本发明将式(12)进行拉普拉斯反变换，如下所示：

从式(13)可看出，时域环境中在△f阶跃作用下调速控制系统导叶开度指令输出P_CV变化幅度A可为：

△fKK_P+△fK(1/B_P-K_P) (14)

即幅度有A＝△fK/B_P，所以90％整体幅度等于：0.9△fK/B_P，根据导则要求，从时域角度看，第2项式(12)对应的时域函数在T_0.9时需达到：

0.9△fK/B_P-△fKK_P (15)

根据上文时域函数可得：

进一步地可得：

因此，可得

将上式变换即可得：

进一步变换可得到：

2.2一次调频关键控制参数

由于调速控制系统死区、不等率一般由电力调度机构下发定值，本次分析所针对的孤网机组不等率为4％，因此在不等率B_P一定的前提下，根据上文可得控制参数K_P、K_I必须满足：

考虑极端情况，当K_I很小时，K_P≥25；或者当K_P很小时，K_I≥4.798都可以满足上式的关系。在死区、不等率固定的情况下，一次调频关键控制参数即为比例控制参数K_P、积分控制参数K_I。

3 PI控制参数整定实现技术方案及其流程

3.1 PI控制参数整定实现技术方案

目前机组孤网控制参数切换机理主要基于频率扰动大小进行判断，一般情况下采用这种切换机制是合适的，但在特定情况下(例如2015年9月19日因直流线路闭锁导致华东电网频率发生短时大幅波动)，此时频率虽然发生较大幅度波动，但实际上机组并未进入孤网运行，若采用上述参数切换机制，则机组调速系统就会进入孤网模式运行。如果机组调速系统调频、孤网控制参数分开设置，一般孤网控制参数比例、积分系数较小，进入孤网模式运行后，机组调频性能将难以满足相关标准要求。而频率跌落过程正需要机组提供出力支撑，因此采用此种切换机制可能会导致电网需要机组提供支撑时机组却无力提供出力的局面。在水电机组容量占比较多的区域，功率缺额将会进一步造成频率的跌落从而产生更为严重的后果，显然不利于电网的安全、稳定运行。

由于控制设备以及采样精度存在一定程度不确定性，因此本发明选择以下方案作为水电机组调速系统运行优化控制策略：采用一套控制参数，既要实现一次调频性能、又要实现机组并网以及小干扰稳定性。考虑到小干扰稳定性与一次调频时间尺度不一样，若先满足小干扰稳定性则容易出现取保守值而导致无法满足一次调频性能的情况出现；因此本发明分析思路为先满足一次调频性能的最低要求，其次再满足小干扰稳定性的要求。

基于上文分析，调速系统PI控制参数整定实现方案如下图7中所示：

(1)确定可能孤网运行机组及其所在孤立网的拓扑结构；

(2)原动机及调速系统实测建模，获得模型实测参数；

(3)频域/时域模型转换；

(4)时域模型性能分析并求出PI参数域1；

(5)代入模型实测参数，开展频域模型稳定分析，并求出PI参数域2；

(6)根据(4)、(5)所得PI参数域取交集，然后输出整定PI控制参数约束域，使得其既满足调频性能、又满足小干扰稳定性。

3.2 PID控制参数整定流程

根据上文提出的控制参数整定方案，提出了控制参数整定流程，如图8所示。

4实例

在本发明一具体实施例中，首先，进行各个环节模型参数辨识(控制系统、执行机构、引水管道及原动机、发电机及负荷)，由于执行机构、引水管道及原动机、发电机及负荷模型参数为机组及其所在孤网固有特性的展示，一般不去调整或者调整空间不大，可以调整的参数为控制系统PI控制参数。现结合上文的参数整定思路，开展PI控制参数优化。

如图9所示为某水电厂孤立网运行时地理接线图。电厂通过2回220kV线路与大电网相连接，有2台额定出力为50MW的水轮发电机组，机组开机情况如表1，通过调节#1机组出力实现潮流平衡；机组为立轴混流式机组，采用某型号调速系统(控制框图详见图1中所示)。

表1网内机组出力情况

本发明模拟220kV连接线N-2故障情况下孤网内机组调频、稳定性能仿真，内有4个变电站，这里分别采用S1、S2、S3、S4表示，如表2所示。

表2网内主要负荷情况

5机组调速控制系统实测建模

5.1控制参数实测建模

通过在频差处施加+0.2Hz阶跃扰动(含死区+0.05Hz)，分别记录频差、导叶开度给定P_CV数值，依次进行比例、积分、比例+积分+B_P测试，通过实测数据辨识可得K_P、K_I、B_P分别为K_P＝4.5p.u.、K_I＝6.4p.u.、B_P＝4％。与控制系统设置值对比可见两者基本一致，因此人机交换界面设置数值即为控制参数实际作用数值，拟合效果见图10所示。本发明将会根据上文提出的兼顾小扰动稳定性及调频性能的参数优化策略对PI控制参数数值进行优化。导叶开度给+5％、-5％定阶跃实测、仿真数据对比参见表3。

表3导叶开度给+5％、-5％定阶跃实测、仿真数据对比

5.2执行机构实测建模

执行机构模型辨识如下：通过在主接力器入口处施加导叶开度给定±100％阶跃扰动，分别得到全开、全关时间T_O＝T_C＝9.6s，在此基础上辨识得执行机构伺服卡PID控制参数为：K_P1＝20.0p.u.。所以执行机构惯性时间常数τ＝0.48s。执行机构拟合效果见图11～12所示。

5.3引水管道及原动机实测建模

某水电厂1号发电机组引水管道及水轮机采用图3所示模型描述，在开环方式下，通过实测数据辨识得到水轮机等效模型的参数：K₁＝2.0，T_W＝1.36s。

5.4发电机及负荷模型辨识

根据实测数据，经过辨识可得发电机及负荷简化模型参数e_n＝3.0p.u.， T_a＝2.6p.u.。

5.5动态稳定分析以及调频性能分析

5.5.1小干扰稳定性分析

根据5.2辨识所得发电机组原动机及其调速系统的实测参数，代入式(8) 中进行计算，分别可得a₀、a₁、a₂、a₃，见式(22)所示。

通过式(22)结合式(8)，即可得式(23)，PI控制参数必须满足式(23) 方可以满足小干扰稳定性。通过结合式(21)、(23)即可得到PI控制参数性能以及稳定约束域。选取稳定约束域内的几组PI控制参数进行分析，如表4所示。

表4基于本文算法所得控制参数组合的稳定性分析

为了进一步从侧面证明本发明方法的有效性，采用小干扰稳定性分析软件，依据表4中控制参数设定以及原动机及其调速系统各环节实测参数，根据表2～3 所示的机组、负荷出力搭建图12所示的网络并进行小干扰稳定性分析，结果如表5所示。由于特征根的实部在s副半轴，且具备较大的阻尼比，因此表4中 PI控制参数组合可以满足小干扰稳定性。

表5采用小干扰稳定性分析软件所得特征根及阻尼比

5.5.2调频性能分析

构建图9所示的孤立电网仿真平台，通过表4中所得PI控制参数组合，进行±0.10Hz、±0.15Hz、±0.20Hz频差阶跃扰动，并观察调速系统开度给定P_CV的响应特性，如图13～15所示，导则规定的响应特性分析如表6中所示。

表6基于本文算法所得控制参数组合的一次调频响应性能分析

可以看出，随着积分系数增大，机组一次调频能力逐渐提高。所选PI控制参数也能满足一次调频性能要求。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种考虑调频及稳定约束的机组调速系统控制参数整定方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对可能孤网运行水电机组调速系统稳定性进行分析，确定研究对象；

S2：考虑机组一次调频性能约束，得到了控制参数的取值范围；

S3：在满足小干扰稳定性前提下给出机组调速系统控制参数的取值范围；

S4：通过实测建模得到机组原动机及机组调速系统实测参数，基于控制参数取值范围交集，并将其应用于整定方法的仿真分析验证实例；

S5：针对一次调频参数整定域、小干扰稳定性参数稳定域进行综合考虑，并最终得到了既能满足调频性能要求、又能满足小干扰稳定性要求参数取值范围并对机组调速系统控制参数进行整定；

S1中水电机组调速系统稳定性进行分析包括以下步骤，机组调速系统的开环传递函数G_K(s)模型，如式(4)所示：

G_K(s)＝G₁(s)G₂(s)G₃(s) (4)

其中

根据自动控制理论，具有单位反馈的开环传递函数，其对应的闭环传递函数模型如下式(6)所示：

其中G_K1(s)表示开环传递函数的分子部分，根据式(6)所示的闭环传递函数以及自动控制理论，为了满足系统稳定，G_B(s)分母的多项式必须满足

其中

从式(8)分析，a₃、a₀均大于0；为了满足系统稳定充要条件，还需保证a₂>0、a₁a₂－a₀a₃>0；

S2包括以下具体步骤：

S21：根据机组调速系统开环传递函数模型，同时考虑现有一次调频响应幅度、速度性能要求：采用开度作为反馈的机组，机组在时域内响应幅度与控制系统的参数K_P、K_I、B_P有关，采用公式表示如下：

S22：采用阶跃频差进行扰动，并将式(9)变换如下：

S23：当输入为阶跃量△f时，导叶开度给定P_CV的变化量取决于式(11)～(12)所示的传递函数：

KK_P (11)

由于式(11)对应的传递函数所产生的响应是阶跃，忽略其时间；所以P_CV变化趋势主要根据式(12)确定；

S24：将式(10)进行拉普拉斯反变换，如下所示：

从式(13)分析，时域环境中在△f阶跃作用下机组调速系统导叶开度指令输出P_CV变化幅度A为：

ΔfKK_P+ΔfK(1/B_P-K_P) (14)

即幅度有A＝ΔfK/B_P，所以90％整体幅度等于：0.9ΔfK/B_P，根据导则要求，从时域角度看，公式(11)对应的时域函数在T_0.9时需达到：

0.9ΔfK/B_P-ΔfKK_P (15)

根据时域函数可得：

进一步地可得：

因此

将上式变换即得：

S25：由于机组调速系统死区、不等率一般由电力调度机构下发定值，本次分析所针对的孤网机组不等率为4％，因此在不等率B_P一定的前提下，控制参数K_P、K_I必须满足：

在死区、不等率固定的情况下，一次调频关键控制参数即为比例控制参数K_P、积分控制参数K_I。

2.根据权利要求1所述的考虑调频及稳定约束的机组调速系统控制参数整定方法，其特征在于：所述水电机组调速系统结构主要包括控制系统、执行机构、引水管道及原动机模型，其中执行机构的传递函数为：

其中，P_CV表示导叶开度给定、K_P1表示伺服卡放大倍数、T表示全开/全关时间、P_GV表示导叶反馈；公式(1)变换为：

其中τ表示惯性时间，τ＝T/K_P1。

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