CN107476931A

CN107476931A - 一种水轮机调速器pid参数优化方法及系统

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Publication number: CN107476931A
Application number: CN201710693859.9A
Authority: CN
Inventors: 陈刚; 史华勃; 汤凡; 常晓青; 丁理杰; 张华�
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Sichuan Electric Power Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Sichuan Electric Power Co Ltd; Nari Technology Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Sichuan Electric Power Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Sichuan Electric Power Co Ltd; Nari Technology Co Ltd
Priority date: 2017-08-14
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2017-12-15
Anticipated expiration: 2037-08-14
Also published as: CN107476931B

Abstract

本发明公开了一种水轮机调速器PID参数优化方法及系统，所述方法包括：获得抑制超低频振荡的调速器PID参数优化综合目标函数J，采用优化算法进行优化，找到最优PID参数，使得综合目标函数最小，该方法以频率阶跃响应偏差绝对值积分和调速系统阻尼在所关注的超低频带积分加权后作为优化目标，得到的调速器参数同时兼顾了调速器调节性能和阻尼水平，以解决由调速器负阻尼引起的超低频振荡问题，并兼顾调速器调节的动态品质。

Description

一种水轮机调速器PID参数优化方法及系统

技术领域

本发明涉及水轮机调节技术领域，具体地，涉及一种水轮机调速器PID参数优化方法及系统。

背景技术

水轮机调速器的基本任务是响应电网频率或负荷的变化，参与系统一次调频，调节发电机组的功率输出，使得系统恢复有功功率平衡，从而使得系统保持频率稳定。目前，在水电站控制中通常采用比例积分微分(PID)调速器与其构成闭环水轮机调节系统，以确保调速系统安全稳定运行。

调速器的控制参数选择是否得当直接决定了调速器调节性能的优劣。不合理的参数选择会导致水电机组性能不佳，限制其频率调节能力的发挥，并存在严重的安全问题。在工程上，都是根据试验人员的经验进行现场试验，通过反复调整来确定调速器PID参数。为了缩小试验次数，提高现场试验效率，许多先进的理论和方法已广泛用于PID水轮机调速器参数优化，这些方法通过计算机仿真在现场试验前获得一组或多组满意的调速器参数，再通过现场试验进行校核，大大提升了调速器参数现场试验的效率。

在水电集群孤网送出系统等水电高占比小同步电网中，由于水轮机引水系统“水锤效应”的负阻尼作用，极易发生振荡频率低于0.1Hz的超低频振荡，严重影响电网安全稳定运行。需要对调速器PID参数进行优化，以提升其在超低频段的阻尼水平，避免超低频振荡的发生。然而，在当前大区电网互联的背景下，现有调速器PID参数优化方法多以PID控制器的动态响应性能为优化目标，以提升调速器的控制品质，并没有以提升水轮机调速系统阻尼性能为优化目标的调速器PID参数优化方法。如何在兼顾调速器控制品质的条件下，提升调速系统在超低频段的阻尼水平，成为电网运行人员面临的巨大难题。

发明内容

本发明提供了一种水轮机调速器PID参数优化方法及系统，该方法以频率阶跃响应偏差绝对值积分(Integral Time Absolute Error，即ITAE)和调速系统阻尼在所关注的超低频带积分加权后作为优化目标，得到的调速器参数同时兼顾了调速器控制品质和阻尼水平，以解决由“水锤效应”和调速器负阻尼引起的超低频振荡问题，并兼顾调速器调节的动态品质。

为实现上述发明目的，本申请一方面提供了一种抑制电力系统超低频振荡的水轮机调速器PID参数优化方法，包括：

1)建立包含水轮机调速系统、水轮机以及发电机的模型：

1-1)根据所建立的模型，分别得到调速系统、水轮机以及发电机的开环传递函数G_调速、G_水轮机和G_发电机；

1-2)得到水轮机输出机械功率ΔP_m和调速器输出频率偏差Δω之间的开环传递函数G_开环，即由调速器和水轮机组织系统的开环传递函数，可表示为下式：

1-3)得到由调速器、水轮机以及发电机组成的闭环系统的传递函数G_闭环：

2)定义抑制超低频振荡的调速器PID参数优化综合目标函数J：

J＝βJ₁+(1-β)J₂ (3)

式(3)中，J₁为反映调速器调节性能的ITAE指标函数，J₂为反映调速器阻尼水平的指标函数；β是衡量调速器调节性能和阻尼水平指标的权重系数(0≤β≤1)。

2-1)反映调速器调节性能的ITAE指标函数J₁定义如下：

式(4)中，t表示时间，e(t)为系统频率差值，e(t)＝x(t)-x_∞，x(t)为式(2)给出的调速器、水轮机及发电机组成的闭环调节系统G_闭环在t时刻的阶跃响应值，x_∞为稳态转速偏差，e_n为水轮发电机组综合自调节系数，一般为0-2左右，e_y为水轮机力矩对导叶开度的传递系数，在额定工况时一般有e_y＝1，b_p为永态转差系数，x_c为阶跃输入幅度。

2-2)反映调速器抑制超低频振荡能力的阻尼水平指标函数J₂定义如下：

式(5)中，f_min、f_max分别为参数优化时提升阻尼水平所关注的频带上下限，D(f)为与频率f相关的函数，按照下式计算：

式(6)中，K_D(f)为调速器和水轮机组成的开环系统G_开环在各频率下的阻尼系数，将s＝jω＝j2πf以及调速器、水轮机参数，代入式(1)获得的开环传递函数可计算出调速器和水轮机系统在各频率下的阻尼系数。

3)采用优化算法进行优化，找到最优PID参数，使得综合目标函数最小。

可采用粒子群算法、遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法、禁忌搜索算法等优化算法对调速系统PID参数进行优化。

3-1)读取待优化参数的调速器调节系统模型和除PID之外的所有调速器参数、水轮机以及发电机参数；

3-2)对调速系统PID参数进行初始化，可选择已实测的联网参数或孤网参数，若参数未实测则可设置为厂家推荐的典型参数，确定衡量调速器调节性能和阻尼水平指标的权重系数β；

3-3)以式(3)所示的函数作为待优化的目标函数，利用优化算法对水轮机调速器PID参数进行优化；

3-4)判断目标函数J是否小于某一阈值或达到优化计算次数上限，是则结束调速系统参数优化流程，获得最优水轮机调速器PID参数，否则返回3-3)继续计算。

本申请另一方面还提供了一种水轮机调速器PID参数优化系统，所述系统包括：

建立单元，用于建立包含水轮机调速系统、水轮机以及发电机的模型；

获得单元，用于获得调速器PID参数优化综合目标函数J；

J＝βJ₁+(1-β)J₂

其中，J₁为反映水轮机调速器调节性能的ITAE指标函数，J₂为反映水轮机调速器阻尼水平的指标函数；β是衡量水轮机调速器调节性能和阻尼水平指标的权重系数，0≤β≤1；

优化单元，用于采用优化算法对水轮机调速器PID参数进行优化，获得最优PID参数，使得综合目标函数J最小。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提出一种水轮机调速器PID参数优化方法，定义了综合衡量调速器调节性能和阻尼水平的量化评估指标，并采用优化算法进行调速器PID参数优化的方法，为以超低频振荡抑制为目标的水轮机调速器PID参数优化提供了技术手段。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为包含调速器、水轮机、发电机的水轮机调节系统模型框图；

图2为水轮机调速器PID控制器模型框图；

图3为液压执行机构模型框图；

图4为水轮机模型框图；

图5为发电机模型框图；

图6为调速器PID参数优化流程图；

图7调速器PID参数优化前单位阶跃响应；

图8调速器PID参数优化前阻尼特性；

图9调速器PID参数优化后单位阶跃响应；

图10调速器PID参数优化后阻尼特性。

具体实施方式

本发明提供了一种水轮机调速器PID参数优化方法及系统，该方法以频率阶跃响应偏差绝对值积分和调速系统阻尼在所关注的超低频带积分加权后作为优化目标，得到的调速器参数同时兼顾了调速器调节性能和阻尼水平，以解决由调速器负阻尼引起的超低频振荡问题，并兼顾调速器调节的动态品质。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一：

本发明提供一种抑制电力系统超低频振荡的水轮机调速器PID参数优化方法，包括：

1)、建立包含水轮机调速系统、水轮机以及发电机的模型，如图1所示。以某实际水电站水轮机发电机为例进行说明。

1-1)、水轮机调速器PID控制器模型框图如图2所示，其中，s为拉格朗日算子，K_p1、K_i1、K_d1分别为调速器的PID参数，T_d1为微分环节时间常数，b_p为永态转差系数，Δω为转速偏差，Y_ref、Y_PID分别为开度给定值和PID控制器输出开度值。水轮机调速器PID控制器传递函数如下：

液压执行机构模型框图如图3所示，图中，K_p、K_i、K_d分别为液压执行机构PID环节参数，T_o和T_c分别为油动机开启和关闭时间常数，T_f为油动机反馈时间。液压执行机构传递函数如下：

从而，可得到调速系统的传递函数，如下所示：

1-2)、水轮机模型框图如图4所示，图中，e_y为水轮机力矩对导叶开度的传递系数，e_qy为水轮机流量对导叶开度的传递系数，e_h为水轮机力矩对水头传递系数，e_qh为水轮机流量对水头的传递系数，T_W为水启动时间常数，即水锤效应时间常数。水轮机传递函数如下所示：

其中，额定工况时，一般有e_y＝1，e_qy＝1，e_h＝1.5，e_qh＝0.5。

1-3)、发电机模型框图如图5所示，图中，T_j为发电机惯性时间常数，e_n为水轮发电机组综合自调节系数，一般为0-2左右。发电机的传递函数框图如下：

1-4)、方程(1)-(5)完整的描述了水轮机调节系统各个环节的动态特性，系统整体模型框图如图1所示。在此基础上，可以得到水轮机输出机械功率ΔP_m和调速器输出频率偏差Δω之间的开环传递函数G_开环：

G_开环＝G_调速G_水轮机＝G_PIDG_液压G_水轮机 (6)

由调速器、水轮机以及发电机组成的闭环系统的传递函数G_闭环：

2)、获取除水轮机调速器PID参数以外的各环节参数：

以某电厂实际水轮机调速器为例，调速器微分环节时间常数T_d1为0.266，永态转差系数b_p为0.04；液压执行机构PID环节参数K_p、K_i、K_d分别为32、0.1、0，油动机开启和关闭时间常数T_o和T_c均为9.39，油动机反馈时间T_f为0.01；水轮机各系数参数如下：e_y＝1，e_qy＝1，e_h＝1.5，e_qh＝0.5，T_W＝1.8；发电机惯性时间常数T_j为9，综合自调节系数e_n为1。

2-1)确定初始搜索PID参数为K_p＝4，K_i＝1，K_d＝0；确定指标权重β＝0.5；确定最大优化计算次数上限为300次。

2-2)利用智能算法进行PID参数寻优，本实例选择粒子群优化算法，由于参数辨识方法属于现有技术，本发明在此不再赘述。

每次迭代均需要计算权利要求书式(4)、式(5)所示的指标函数，进而得到权利要求书式(3)所示的综合目标函数J，以第一次计算为例，各指标的计算如下。

2-2-1)对图1所示的闭环系统施加单位阶跃激励，在设定的初始参下，其阶跃响应如图7所示，得到ITAE指标J₁＝444.1203。

2-2-2)将s＝j2πf带入G_开环，计算调速器在各频率下的阻尼系数K_D(f)，如图8所示。给定计算阻尼系数时关注的超低频振荡频带上下限f_min＝0.01、f_max＝0.1，计算得到阻尼水平指标J₂＝2.0487。

2-2-3)从而，得到综合指标J＝0.5*J₁+(1-0.5)*J₂＝223.0845。

2-3)经过粒子群优化算法寻优搜索，得到一组优化的PID参数：K_p＝2.6397，K_i＝0.5155，K_d＝0。目标函数J＝17.1162。所得优化PID参数的单位阶跃响应和阻尼系数分别如图9和图10所示，可以看到经过优化的PID参数动态响应更好，且提供的负阻尼也更少，优化前在0.07Hz提供负阻尼-0.2149，优化后在0.07Hz提供正阻尼0.0516。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种水轮机调速器PID参数优化方法，其特征在于，所述方法包括：

获得水轮机调速器PID参数优化综合目标函数J；

J＝βJ₁+(1-β)J₂

采用优化算法对水轮机调速器PID参数进行优化，获得最优PID参数，使得综合目标函数J最小。

2.根据权利要求1所述的水轮机调速器PID参数优化方法，其特征在于，反映水轮机调速器调节性能的ITAE指标函数J₁为：

<mrow> <msub> <mi>J</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mo>&Integral;</mo> <mn>0</mn> <mi>&infin;</mi> </msubsup> <mi>t</mi> <mo>|</mo> <mi>e</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow>

其中，t表示时间，e(t)为水轮机调速系统频率差值，e(t)＝x(t)-x_∞，x(t)为调速器、水轮机及发电机组成的闭环调节系统G_闭环在t时刻的阶跃响应值，x_∞为稳态转速偏差，e_n为水轮发电机组综合自调节系数，e_y为水轮机力矩对导叶开度的传递系数，b_p为永态转差系数，x_c为阶跃输入幅度。

3.根据权利要求1所述的水轮机调速器PID参数优化方法，其特征在于，反映水轮机调速器阻尼水平指标函数J₂为：

<mrow> <msub> <mi>J</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mo>&Integral;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>min</mi> </msub> <msub> <mi>f</mi> <mi>max</mi> </msub> </msubsup> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>f</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，D(f)为与频率f相关的函数，f_min、f_max分别为参数优化时提升阻尼水平所关注的频带上、下限。

4.根据权利要求3所述的水轮机调速器PID参数优化方法，其特征在于，D(f)的计算方式为：

其中，K_D(f)为调速器和水轮机组成的开环系统G_开环在频率f的阻尼系数。

5.根据权利要求1所述的水轮机调速器PID参数优化方法，其特征在于，所述方法还包括：建立包含水轮机调速系统、水轮机以及发电机的模型，具体包括：

建立包含水轮机调速系统、水轮机以及发电机的模型；

根据建立的模型，分别得到水轮机调速系统、水轮机以及发电机的开环传递函数G_调速、G_水轮机和G_发电机；

获得水轮机输出机械功率ΔP_m和调速器输出频率偏差Δω之间的开环传递函数G_开环：

获得由调速器、水轮机以及发电机组成的闭环系统的传递函数G_闭环：

6.根据权利要求1所述的水轮机调速器PID参数优化方法，其特征在于，优化算法包括：粒子群算法、遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法、禁忌搜索算法。

7.根据权利要求1所述的水轮机调速器PID参数优化方法，其特征在于，采用优化算法对水轮机调速器PID参数进行优化，获得最优PID参数，使得综合目标函数J最小，具体包括：

读取待优化参数的水轮机调速器系统模型和除PID之外的调速器参数、水轮机以及发电机参数；

对水轮机调速系统PID参数进行初始化；

将综合目标函数作为待优化的目标函数，利用优化算法对水轮机调速器PID参数进行优化；

判断目标函数J是否小于某一阈值或达到优化计算次数上限，若是，则结束调速系统参数优化流程，获得最优水轮机调速器PID参数，若否，则继续利用优化算法对水轮机调速器PID参数进行优化和判断。

8.根据权利要求1所述的水轮机调速器PID参数优化方法，其特征在于，基于联网参数或孤网参数或默认典型参数，确定衡量水轮机调速器调节性能和阻尼水平指标的权重系数β。

9.一种水轮机调速器PID参数优化系统，其特征在于，所述系统包括：

获得单元，用于获得调速器PID参数优化综合目标函数J；

J＝βJ₁+(1-β)J₂