CN107800146A

CN107800146A - 兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法

Info

Publication number: CN107800146A
Application number: CN201711133411.8A
Authority: CN
Inventors: 史华勃; 陈刚; 丁理杰; 张华�; 唐伦; 周波; 刘畅
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Sichuan Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Sichuan Electric Power Co Ltd
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2018-03-13
Anticipated expiration: 2037-11-16
Also published as: CN107800146B

Abstract

本发明公开了兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法，该方法建立包含被优化机组和等值无穷大电源的单机无穷大系统，在一次调频试验要求的频率阶跃信号激励下，以机组开度/功率响应曲线上升时间、稳定时间以及反调功率为一次调频的性能指标，以调速器和水轮机系统在超低频段的阻尼转矩系数作为超低频振荡阻尼性能指标，建立综合优化指标函数，得到的调速器参数同时兼顾一次调频性能和阻尼水平，为通过优化调速器参数抑制超低频振荡提供了技术手段。

Description

兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法

技术领域

本发明涉及同步发电机调速系统调节技术领域，具体涉及兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法。

背景技术

调速器的基本任务根据电网频率或负荷的变化，自动调节原动机的机械功率输出，改变发电机输出功率，使得系统恢复有功功率平衡，即参与系统的一次调频。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调速器性能不佳，限制其一次调频能力的发挥，并存在严重的安全问题。

许多先进的理论和方法已广泛用于调速器PID参数优化，这些方法大多通过建立调速系统、原动机以及发电机的单机闭环传递函数，以频率阶跃响应或负荷扰动后该闭环系统动态响应性能为优化目标，采用适当的优化算法得到调速器PID参数。由于在参数优化时仅建立了单机系统，没有考虑电网的影响，采用这种方法得到的调速器参数仅适合于发电机单机带小负荷或孤网运行的工况，不能满足系统对一次调频的要求。在工程上，通常通过现场试验反复调整PID参数，使得调速器响应满足一次调频考核指标的要求，在当前电网互联的背景下，同步互联系统转动惯量较大，频率稳定风险不高，通常得到相对较大的PID参数，以便在系统存在不平衡功率冲击或扰动时，调速器迅速动作，使功率恢复平衡，使得系统频率恢复稳定。

受水轮机引水系统“水锤效应”的影响，调速器过快调节会在超低频段产生明显的负阻尼作用，在水电集群孤网送出系统等水电高占比小同步电网中极易因负阻尼引发低于0.1Hz的超低频振荡。研究表明，减小调速器PID控制器参数有助于提升调速系统阻尼水平，但是会明显降低调速系统的一次调频性能。对于由同步联网转为异步联网的水电高占比电网，为防止超低频振荡发生，需要对调速系统控制方式和参数进行改造和优化，在一次调频性能和超低频振荡抑制两个矛盾的目标中平衡，难以兼顾。然而，当前并没有技术方法可兼顾调速器的一次调频性能和阻尼水平，给水电高占比电网的运行人员带来极大的困难。

基于此，研究开发了兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法。

发明内容

本发明提供兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法，本方法通过建立包含被优化机组和等值无穷大电源的单机无穷大系统，在一次调频试验要求的频率阶跃信号激励下，以机组开度/功率相应曲线上升时间、稳定时间以及反调功率为一次调频的性能目标，以调速器和水轮机系统在超低频段的阻尼转矩系数作为超低频振荡阻尼性能指标，建立综合优化指标参数，得到的调速器参数同时兼顾一次调频性能和阻尼水平，为通过优化调速器参数抑制超低频振荡提供了技术手段。

本发明通过下述技术方案实现：

兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法，包括以下操作步骤：

1)建立包含水轮机调速系统、原动机、发电机的单机模型，将所建立的单机模型并入无穷大系统，形成单机无穷大系统；

2)定义调速器一次调频性能的指标函数J₁(K)；

J₁(K)＝∑k₃T_0.9+k₄T_s+k₅P_fp (1)

式(1)中，J₁(K)表示在PID参数向量K＝[K_p,K_i,K_d]取值下一次调频指标函数，T_0.9表示自频差超出一次调频死区开始至被优化机组有功功率达到90％目标值的上升时间，T_s表示自频差超出一次调频死区开始至被优化机组有功功率达到稳定所经历的时间，P_fp表示反调功率，k3表示上升时间权重系数，k4表示稳定时间权重系数，k5表示反调功率权重系数；

3)定义调速器抑制超低频振荡能力阻尼水平指标函数J₂(K)

式(2)中，D(f)为调速器和原动机组成的开环系统G_开环的阻尼系数代数和；

4)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(K)，

J(K)＝k₁J₁(K)+k₂J₂(K) (3)

式(3)中，k₁、k₂分别是衡量调速器一次调频性能和阻尼水平指标的权重系数，

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

这里优化算法为粒子群算法、遗传算法中的任意一种。

优选地，设置水轮机调速器PID控制器参数K^*，K^*＝argminJ(K) (4)，

使得综合目标函数J(K)最小。

优选地，定义调速器阻尼系数代数和D(f)，

式(5)中，f_min、f_max分别为调速器阻尼系数所在频带的下限、上限，D_G(f)为调速器和原动机组成的系统中在各频率下的阻尼系数。

优选地，所述步骤式(5)中f_min、f_max选取方法为：

f_max取0.1Hz，f_min的确定方法为：式(2)中取值0—0.2Hz获得阻尼曲线，采用曲线拟合方式获得阻尼曲线的解析表达式，当D_G(f)＝0时，阻尼曲线的解析表达式与横轴交点处的频率即为f_min。

优选地，设置一次调频上升时间和稳定时间，当一次调频响应时间超过T_0.9max＝35s，T_smax＝50s，采用罚函数定义J₁(K)，

式(6)中，Δ为惩罚量。

优选地，建立包含水轮机调速系统、原动机的开环传递函数G_调速，G_水轮机；

获得原动机输出机械功率ΔP_m和调速器输入频率偏差Δω之间的开环传递函数G_开环，

优选地，根据式(7)计算得到的开环传递函数中的微分算子s用jw替换，计算转矩T，在Δδ-Δω坐标系中将该转矩分解，位于Δω轴的分量即为调速器的阻尼参数D。

优选地，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；

1.1)读取待优化参数的调速器调节系统模型和除PID之外的调速器参数、原动机以及发电机参数；

1.2)对调速系统PID参数进行初始化，确定衡量调速器一次调频性能和阻尼水平指标的权重系数k₁、k₂、k₃、k₄、k₅；

1.3)计算调速器和原动机开环系统传递函数，并计算获得各自的阻尼系数。

1.4)建立含调速器、原动机、发电机的发电机以及等值无穷大系统的仿真模型，发电机向单机无穷大系统输出60％～90％额定功率，施加大于等于0.1Hz频率阶跃扰动，启动仿真求取调速器输出开度/发电机输出功率响应；

1.5)将式(3)所述目标函数作为最优化目标函数，利用优化算法对调速器PID参数进行优化；

1.6)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。

优选地，读取获得的调速器PID参数，该PID参数表示在一种工况下的优化参数，校核该PID参数在其他工况下的一次调频响应是否满足要求。

在步骤1)基础上，建立的含调速器、原动机、发电机及无穷大系统仿真模型基础上，设定发电机输出30％额定功率、60％额定功率、100％额定功率3种工况；

带入参数优化流程中求得PID参数，施加不小于0.1Hz的频率阶跃信号，启动仿真，求取步骤4-1)设定的3种工况下的调速器开度/发电机功率响应；

根据给出的最大上升时间和稳定时间判断一次调频响应是否满足要求，如果满足要求则结束多工况一次调频响应校核流程。若在某种工况下计算出的PID参数不满足其他工况一次调频要求，可修改阻尼指标与一次调频指标权重值，直到得出一组PID参数既满足超低频振荡抑制又能兼顾一次调频性能要求。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提出一种兼顾一次调频性能和超低频振荡抑制的调速器PID参数优化方法，定义了综合衡量调速器一次调频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，为以考虑一次调频性能和超低频振荡抑制为目标的调速器PID参数优化提供了技术手段。

附图说明

图1为包含调速器、原动机的开环调节系统模型框图；

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为原动机模型框图；

图5为发电机数学模型；

图6为调速器、原动机、发电机以及无穷大系统组成的仿真系统模型框图；

图7-1为一次调频频率阶跃扰动时的机组有功功率调节过程示意图；

图7-2为一次调频频率阶跃扰动时的机组开度调节过程示意图

图8为调速器PID参数优化流程图；

图9调速器PID参数优化前0.1Hz阶跃响应示意图；

图10调速器PID参数优化前阻尼特性图；

图11调速器PID参数优化后0.1Hz阶跃响应图；

图12调速器PID参数优化后阻尼特性图；

图13调速器PID参数优化后输出30％额定功率一次调频功率响应示意图；

图14调速器PID参数优化后输出60％额定功率一次调频功率响应示意图；

图15调速器PID参数优化后输出100％额定功率一次调频功率响应示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

本发明提供一种兼顾一次调频性能和超低频振荡抑制的调速器PID参数优化方法，包括以下操作步骤：

1)、建立包含调速系统、原动机的模型，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)、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_p、K_i、K_d分别为调速器的PID参数，T_d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_PID为PID控制器输出开度值。附加调节方式为开度模式，功率/开度偏差信号接入点为积分项前情况下，如图7-1，图7-2所示，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_p1、K_i1、K_d1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，T₂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，T_W为水锤时间常数，水轮机传递函数如下所示：

1-3)、发电机数学模型为考虑E_q”、E_d”、E_q’变化的5阶模型，如图5所示。

1-4)、方程(1)-(4)完整的描述了水轮机调节系统各个环节的动态特性，调速器水轮机开环模型框图如图1所示。在此基础上，可以得到原动机输出机械功率ΔP_m和调速器输入频率偏差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 (5)

1-5)、根据调速器控制框图，采用仿真软件建立调速器控制系统模型，并建立水轮机和发电机模型并接入无穷大系统，如图6所示。设定发电机向大系统送出的功率为该发电机的77％额定功率。

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，调速器转速偏差放大倍数K_w＝1.46，微分环节时间常数T_d1为0.13，永态转差系数b_p为0.04；液压执行机构PID环节参数K_p1、K_i1、K_d1分别为10、0、0，油动机开启和关闭时间常数To和T_c均为14.37，油动机反馈时间T₂为0.08；水轮机水锤效应时间常数T_W＝1.1；发电机惯性时间常数T_j为9.05，发电机其余参数x_d＝1.037，x_d'＝0.32，x_d”＝0.248，x_q＝0.705，x_q'＝0.705，x_q”＝0.221，T_d0'＝9.2，T_d0”＝0.23，T_q0'＝0.435，T_q0”＝0.435。

2-1)该电厂调速器实际PID参数K_p、K_i、K_d分别为9、8、0，确定初始搜索PID参数为K_p＝9，K_i＝8，K_d＝0；确定指标权重k₁＝1、k₂＝6、K₃＝0，K₄＝1，K₅＝0；确定最大优化计算次数上限为100次。

3)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(1)、式(2)所示的指标函数，进而得到综合目标函数J，以第一次计算为例，各指标的计算如下。

3-1)对图6所示的单机无穷大系统施加0.1Hz的频率阶跃激励，在设定的初始参数下，其一次调频功率响应如图9所示，得到衡量一次调频性能的指标J1＝11.0653。

3-2)将s＝jω带入G_开环，计算调速器在各频率下的阻尼系数D_G(f)。给定计算阻尼系数时关注的超低频振荡频带上限f_max＝0.1Hz，经计算频率下限f_min＝0.0621Hz，计算得到阻尼水平指标J₂＝25.5313，阻尼特性曲线如图10所示。

3-3)从而，得到综合指标J＝J₁+6*J₂＝164.2531。

3-4)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＝9.9406，K_i＝1.6039，K_d＝0。目标函数J＝J₁+6*J₂＝42.1672+4.1569*6＝67.1086。所得优化PID参数的一次调频响应和阻尼系数分别如图11和图12所示，可以看到经过优化的PID参数阻尼特性更好，且提供的负阻尼也更少，优化前在0.07Hz提供负阻尼-3.062，优化后在0.07Hz提供正阻尼1.945。

4)多工况一次调频响应校核

读取步骤3)求得的调速器PID参数，在步骤1-4)建立的含调速器、原动机、发电机及无穷大系统仿真模型基础上，设定发电机输出30％额定功率、60％额定功率、100％额定功率3种工况。同样以0.1Hz频率阶跃作为激励信号，校核步骤3)得到的调速器PID参数的一次调频响应曲线上升时间及达到稳定的时间均满足步骤2-1-2)给出的上限值。一次调频功率响应曲线分别如图13、图14、图15所示。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法，其特征在于：包括以下操作步骤：

建立包含水轮机调速系统、原动机、发电机的单机模型，将所建立的单机模型并入无穷大系统，形成单机无穷大系统；

定义调速器一次调频性能的指标函数J₁(K)；

J₁(K)＝∑k₃T_0.9+k₄T_s+k₅P_fp (1)

其中，J₁(K)表示在PID参数向量K＝[K_p,K_i,K_d]取值下一次调频指标函数，T_0.9表示自频差超出一次调频死区开始至被优化机组有功功率达到90％目标值的上升时间，T_s表示自频差超出一次调频死区开始至被优化机组有功功率达到稳定所经历的时间，P_fp表示反调功率，k3表示上升时间权重系数，k4表示稳定时间权重系数，k5表示反调功率权重系数；

定义调速器抑制超低频振荡能力阻尼水平指标函数J₂(K)

式中，D(f)为调速器和原动机组成的开环系统G_开环的阻尼系数代数和；

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(K)

J(K)＝k₁J₁(K)+k₂J₂(K) (3)

式中，k₁、k₂分别是衡量调速器一次调频性能和阻尼水平指标的权重系数，

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

2.根据权利要求1所述的兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法，其特征在于：

设置水轮机调速器PID控制器参数K^*，K^*＝arg min J(K) (4)。

3.根据权利要求1所述的兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法，其特征在于：定义调速器阻尼系数代数和D(f)，

<mrow> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mi>&Sigma;</mi> <msub> <mi>f</mi> <mi>min</mi> </msub> <msub> <mi>f</mi> <mi>max</mi> </msub> </munderover> <msub> <mi>D</mi> <mi>G</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，f_min、f_max分别为调速器阻尼系数所在频带的下限、上限，D_G(f)为调速器和原动机组成的系统中在各频率下的阻尼系数。

4.根据权利要求3所述的兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法，其特征在于：所述步骤式(5)中f_min、f_max选取方法为：

5.根据权利要求1所述的兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法，其特征在于：设置一次调频上升时间和稳定时间上限，当一次调频响应时间超过T_0.9max＝35s，T_smax＝50s，采用罚函数定义J₁(K)，

<mrow> <msub> <mi>J</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>K</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&Sigma;k</mi> <mn>3</mn> </msub> <msub> <mi>T</mi> <mn>0.9</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>4</mn> </msub> <msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>5</mn> </msub> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mi>&Delta;</mi> <mo>,</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>0.9</mn> </msub> <mo>></mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mn>0.9</mn> <mi>max</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>&Sigma;k</mi> <mn>3</mn> </msub> <msub> <mi>T</mi> <mn>0.9</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>4</mn> </msub> <msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mn>5</mn> </msub> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mi>&Delta;</mi> <mo>,</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>></mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>max</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，Δ为惩罚量。

6.根据权利要求1所述的兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法，其特征在于：建立包含水轮机调速系统、原动机的开环传递函数G_调速，G_水轮机；

获得原动机输出机械功率ΔP_m和调速器输入频率偏差Δω之间的开环传递函数G_开环

7.根据权利要求6所述的兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法，其特征在于：根据式(7)计算得到的开环传递函数中的微分算子s用jω替换，计算转矩T，在Δδ-Δω坐标系中将该转矩分解，位于Δω轴的分量即为调速器的阻尼参数D。

8.根据权利要求1所述的兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法，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；

读取待优化参数的调速器调节系统模型和除PID之外的调速器参数、原动机以及发电机参数；

对调速系统PID参数进行初始化，确定衡量调速器一次调频性能和阻尼水平指标的权重系数k₁、k₂、k₃、k₄、k₅。

9.根据权利要求1所述的兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法，其特征在于：发电机向单机无穷大系统输出60％～90％额定功率，施加大于等于0.1Hz频率阶跃扰动，启动仿真求取调速器输出开度/发电机输出功率响应；

将式(3)所述目标函数作为最优化目标函数，利用优化算法对调速器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，是则结束调速系统参数优化流程，获得最优调速器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。

10.根据权利要求1所述的兼顾一次调频和超低频振荡抑制的调速器参数优化方法，其特征在于：读取获得的调速器PID参数，该PID参数表示在一种工况下的优化参数，校核该PID参数在其他工况下的一次调频响应是否满足要求。