CN108280245B - 一种水轮机调速系统的阻尼特性分析方法 - Google Patents

一种水轮机调速系统的阻尼特性分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种水轮机调速系统的阻尼特性分析方法，涉及水轮机发电系统，为分析电力系统中异步区域的水轮机调速器参数设置对超低频振荡的影响。水轮机调速系统的阻尼特性分析方法，包括：建立水轮机调速系统的简化模型，根据水轮机调速系统的简化模型建立水轮机调速系统的传递函数；根据水轮机调速系统的传递函数，得到在超低频段下水轮机的阻尼转矩；确定水轮机的阻尼转矩在相角‑转速坐标系中的位置；判断水轮机的阻尼转矩处在相角‑转速坐标系中的位置，从而确定水轮机的阻尼转矩对超低频段的振荡起抑制或放大作用。

Description

一种水轮机调速系统的阻尼特性分析方法
技术领域
本发明涉及水轮机发电系统，尤其涉及一种水轮机调速系统的阻尼特性分析方法。
背景技术
随着南方电网与云南电网的正式异步运行，云南电网成为大规模的直流送端电网，其中，云南电网区域中水电机组容量占比超过云南电网全网总装机容量的70％。
但是，当南方电网主网与云南电网进行解网实验时，云南电网出现了短暂的电力系统超低频振荡现象，超低频振荡的周期为20s至30s，振幅为0.1Hz。经事后分析，振荡现象的产生与区域内大型水电机组调速器参数设置不当有关。但是，在现有技术中未发现对超低频振荡现象的有效分析方法，因此，在异步联网的情况下，如何分析区域内大型水电机组调速器的参数对超低频振荡的影响成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水轮机调速器的阻尼特性分析方法，用于分析电力系统中异步区域的水轮机调速器参数设置对超低频振荡的影响。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种水轮机调速系统的阻尼特性分析方法，包括：
建立水轮机调速系统的简化模型，根据水轮机调速系统的简化模型建立水轮机调速系统的传递函数；根据水轮机调速系统的传递函数，得到在超低频段下水轮机的阻尼转矩；确定水轮机的阻尼转矩在相角-转速坐标系中的位置；其中，相角-转速坐标系的横坐标为相角变化量，纵坐标为转速变化量；
判断水轮机的阻尼转矩处在相角-转速坐标系中的位置，若水轮机的阻尼转矩落在相角-转速坐标系中的第一象限、第二象限或纵坐标的正半轴，则水轮机的阻尼转矩对超低频段的振荡起放大作用；若水轮机的阻尼转矩落在相角-转速坐标系中的第三象限、第四象限或纵坐标的负半轴，则水轮机的阻尼转矩对超低频段的振荡起抑制作用。
与现有技术相比，本发明提供的水轮机调速系统的阻尼特性分析方法中，通过建立水轮机调速系统的简化模型，根据水轮机调速系统的简化模型建立水轮机调速系统的传递函数，这样就能利用水轮机调速系统的传递函数，得到在超低频段下水轮机的阻尼转矩，并在相角-转速坐标系中确定水轮机的阻尼转矩的位置，根据水轮机的阻尼转矩在相角-转速坐标系中的位置，就可以判断水轮机的阻尼转矩对超低频段的振荡的影响。由于水电机组调速器的参数与水轮机的阻尼转矩有关，因此，利用阻尼转矩就可以分析水电机组调速器的参数对超低频振荡的影响。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的水轮机调速器的阻尼特性分析方法的框图；
图2为本发明实施例提供的水轮机调速系统的原理图；
图3为本发明实施例提供的水轮机调速器的原理图；
图4为本发明实施例提供的执行机构控制原理图；
图5为调速器的积分系数kI对水轮机阻尼特性影响的示意图；
图6为水轮机调速器超低频段阻尼特性分析示意图；
图7为阻尼转矩落在第一象限的示意图；
图8为阻尼转矩落在第二象限的示意图；
图9为阻尼转矩落在第三象限的示意图；
图10为阻尼转矩落在第四象限的示意图。
具体实施方式
为了进一步说明本发明实施例提供的水轮机调速系统的阻尼特性分析方法，下面结合说明书附图进行详细描述。
本实施例提供了一种水轮机调速系统的阻尼特性分析方法，请参阅图1，具体步骤如下：
S1、建立水轮机调速系统的简化模型，根据建立的水轮机调速系统的简化模型建立水轮机调速系统的传递函数；
S2、根据建立的水轮机调速系统的传递函数，得到在超低频段下水轮机的阻尼转矩；
S3、确定水轮机的阻尼转矩在相角-转速坐标系中的位置；其中，相角-转速坐标系的横坐标为相角变化量，纵坐标为转速变化量；
S4、判断水轮机的阻尼转矩在相角-转速坐标系中所处象限，若水轮机的阻尼转矩落在相角-转速坐标系中的第一象限(如图5所示)、第二象限(如图6所示)或纵坐标的正半轴，则水轮机的阻尼转矩为负，水轮机的阻尼转矩对超低频段的振荡起放大作用；若水轮机的阻尼转矩落在相角-转速坐标系中的第三象限(如图7所示)、第四象限(如图8所示)或纵坐标的负半轴，则水轮机的阻尼转矩为正，水轮机的阻尼转矩对超低频段的振荡起抑制作用。
通过本实施例中提供的水轮机调速系统的阻尼特性分析方法可知，在建立水轮机调速系统的简化模型的基础上，根据水轮机调速系统的简化模型建立水轮机调速系统的传递函数，这样就能利用水轮机调速系统的传递函数，得到在超低频段下水轮机的阻尼转矩，并在相角-转速坐标系中确定水轮机的阻尼转矩的位置，根据水轮机的阻尼转矩在相角-转速坐标系中的位置，就可以判断水轮机的阻尼转矩对超低频段的振荡的影响。由于水电机组调速器的参数与水轮机的阻尼转矩有关，因此，利用阻尼转矩就可以分析水电机组调速器的参数对超低频振荡的影响。
请参阅图2，本实施例提供的水轮机调速系统的阻尼特性分析方法中，水轮机调速系统包括调速器10以及与调速器10依次相连的执行机构11和水轮机12，水轮机12与发电机13相连，以使得水轮机12能够驱动发电机13发电，为发电机13提供动能。
具体的，一般将采集到的发电机13的实际转速作为反馈值，根据反馈值与调速器10的转速参考值的差值，得到转速变化量，转速变化量经过调速器10的处理后，调速器10输出执行机构11的阀门开度参考值，执行机构11对阀门开度参考值进行处理，执行机构11输出最终的实际阀门开度到水轮机12，水轮机12根据实际开度值确定输出到发电机13的机械转矩(对应动能)，从而驱动发电机13转动发电；最后重新采集发电机13的实际转速，将采集到的发电机13的实际转速值作为反馈值反馈到调速器的输入，形成了对发电机转速的闭环控制。
进一步，请参阅图3，水轮机调节系统中的调速器10的原理包括：将发电机13的实际转速w与调速器10的转速参考值wref的差值经过死区环节处理后，将经死区处理后的差值与调速器的永态转差系数bp的和作为调速器的输入值，调速器的输入值分别与调速器的比例环节(比例环节中比例系数kp)、调速器的积分环节(积分环节中积分系数kI)和调速器的微分环节(微分环节中微分系数kD，微分时间常数T1v)相乘，然后将相乘得到的三个乘积相加，得到调速器的输出值，调速器的输出值经过限幅上限为PIDmax、限幅下限为PIDmin的限幅环节，最后输出最终阀门开度参考值yPID。
请参见图4，水轮机调节系统中的执行机构控制的原理包括：副环反馈环节为将实际的开度值乘以一阶环节，一阶环节的时间常数为油动机行程T2，将得到的最终阀门开度参考值yPID与副环反馈环节得到的开度值做差得到执行机构的输入，接着将得到的执行机构的输入先乘以执行机构的副环比例系数ksP，再经过限幅上限为PIDsmax、限幅下限为PIDsmin的限幅环节；接着根据实际情况判断执行机构处于开启阶段还是关闭阶段，当执行机构处于开启阶段，则经限幅后的值乘以开启时间常数Topen，当执行机构处于关闭阶段，则经限幅后的值乘以关闭时间常数Tclose，最后，将乘以时间常数的值经过积分环节得到实际开度值y。
从图3和图4可知，水轮机调节系统中的调速器10、执行机构11都是比较复杂的装置，即使建立他们的等效模型后也会包含大量的参数，不便于对水轮机调节系统进行分析，因此，本实施例提供的水轮机调速系统的阻尼特性分析方法，首先建立水轮机调节系统的简化模型，以方便后续步骤对水轮机调速系统的分析，该水轮机调速系统的简化模型包括调速器模型、执行机构模型和理想水轮机模型，且该简化模型可以从以下两个方面实现水轮机调速系统的简化。
第一方面：当不考虑调速器积分系数的影响(即只考虑调速器比例系数的影响)时，调速器模型等效为比例环节模型，比例环节模型的传递函数Gk(s)：
Gk(s)＝kp，
其中，kp为调速器的比例系数；
执行机构模型的传递函数Gz(s)：
Figure GDA0003082099730000051
其中，Tz为执行机构的时间常数，s为拉普拉斯算子，s＝2πf；
理想水轮机模型的传递函数Gw(s)：
Figure GDA0003082099730000052
其中，Tw为水锤效应的时间常数，s为拉普拉斯算子，s＝2πf。
在此基础上，就可以根据比例环节模型、执行机构模型和理想水轮机模型，得到水轮机调速系统的简化模型的传递函数GM(s)：
Figure GDA0003082099730000053
其中，kp为调速器的比例系数，Tz为执行机构的时间常数，Tw为水锤效应的时间常数，s为拉普拉斯算子，s＝2πf。
具体实施时，根据水轮机调速系统的简化模型的传递函数，得到在超低频段下水轮机的阻尼转矩的方法为：
根据发电机的实测转速值与水轮机调速系统简化模型中的转速参考值的差值，得到转速变化量Δw；
根据转速变化量Δw和水轮机调速系统的简化模型的传递函数GM(s)，得到水轮机的阻尼转矩的幅值α和水轮机的阻尼转矩的相角∠β：
Figure GDA0003082099730000061
水轮机的阻尼转矩ΔTM为：
ΔTM＝-Δw·α∠β，
而由于
Figure GDA0003082099730000062
因此，可以通过水轮机调速系统的简化模型的传递函数GM(s)分析不同频段下水轮机的阻尼转矩，以确定水轮机调速器参数设置对超低频振荡的影响。
进一步，当超低频段为0.01Hz至0.1Hz(对应周期为20s至30s的超低频振荡)，可将超低频段内的数值带入到阻尼转矩的公式中，得到在超低频段下水轮机的阻尼转矩相角和水轮机的阻尼幅值，并根据在相角-转速坐标系中的位置来分析水轮机调速器参数设置对超低频振荡的影响。示例性的，从图4可知，水轮机在超低频段一般对超低频振荡起抑制作用。
第二方面：当考虑调速器积分系数和调速器比例系数的影响时，调速器模型等效为比例积分环节模型，比例环节模型的传递函数Gk(s)：
Figure GDA0003082099730000063
其中，kp为调速器的比例系数，kI为调速器的积分系数，s为拉普拉斯算子，s＝2πf；
执行机构模型的传递函数Gz(s)：
Figure GDA0003082099730000064
其中，Tz为执行机构的时间常数，s为拉普拉斯算子，s＝2πf；
理想水轮机模型的传递函数Gw(s)：
Figure GDA0003082099730000065
其中，Tw为水锤效应的时间常数，s为拉普拉斯算子，s＝2πf。
在此基础上，就可以根据比例积分环节模型、执行机构模型和理想水轮机模型，水轮机调速系统的简化模型的传递函数GM(s)：
Figure GDA0003082099730000071
其中，kp为调速器的比例系数，kI为调速器的积分系数，Tz为执行机构的时间常数，Tw为水锤效应的时间常数，s为拉普拉斯算子，s＝2πf。
具体实施时，根据水轮机调速系统的简化模型的传递函数，得到在超低频段下水轮机的阻尼转矩的方法为：
根据发电机的实测转速值与水轮机调速系统简化模型中的转速参考值的差值，得到转速变化量Δw；
根据转速变化量Δw和水轮机调速系统的传递函数GM(s)得到水轮机的阻尼转矩的幅值α和水轮机的阻尼转矩的相角∠β：
Figure GDA0003082099730000072
水轮机的阻尼转矩ΔTM为：
ΔTM＝-Δw·α∠β，
而由于
Figure GDA0003082099730000073
因此，可以通过水轮机调速系统的简化模型的传递函数GM(s)分析不同频段下水轮机的阻尼转矩，以确定水轮机调速器参数设置对超低频振荡的影响。
进一步，当本实施例中所说的超低频段为0.01Hz至0.1Hz(对应周期为20s至30s的超低频振荡)，因此，可将超低频段内的数值带入到阻尼转矩的推倒公式中，得到在超低频段下水轮机的阻尼转矩相角和水轮机的阻尼幅值，并根据在相角-转速坐标系中的位置来分析水轮机调速器参数设置对超低频振荡的影响。示例性的，从图4可知，水轮机在超低频段一般对超低频振荡起抑制作用。
另外，本实施例提供的水轮机调速系统的阻尼特性分析方法还可以作为制定调速器参数的整定原则，具体方法如下：
将任一组调速器参数带入到本实施例中任一水轮机调速系统的简化模型的传递函数中，即可得到对应的水轮机调速系统的阻尼转矩，根据得到的对应的水轮机调速系统的阻尼转矩在相角-转速坐标系中的位置，从而确定水轮机的阻尼转矩对超低频段的振荡起抑制或放大作用，若对应的水轮机调速系统的阻尼转矩对超低频振荡起放大的作用，则该组调速器参数对于水轮机调速系统不合理，需要将调速器的参数进行调整；若对应的水轮机调速系统的阻尼转矩对超低频振荡起抑制的作用，则该组调速器参数对于水轮机调速系统合理，不需要调整调速器的参数。
而且，请参阅图3，当考虑调速器的积分系数和调速器的比例系数的影响时，在其他参数保持不变的情况下，当kI＝b时，对应的水轮机调速系统的阻尼转矩落在相角-转速坐标系中的第三象限；当kI＝a时，对应的水轮机调速系统的阻尼转矩落在相角-转速坐标系中的第二象限，其中，a＞b。在此基础上可以得到，若kI取较小值，则阻尼转矩落在第三象限，即对振荡起抑制作用；若进一步增大参数kI，则阻尼转矩会跨过横坐标进入第二象限，即对振荡起放大作用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种水轮机调速系统的阻尼特性分析方法，其特征在于，包括：
建立水轮机调速系统的简化模型，根据所述水轮机调速系统的简化模型建立水轮机调速系统的传递函数；
根据所述水轮机调速系统的传递函数，得到在超低频段下水轮机的阻尼转矩；
确定所述水轮机的阻尼转矩在相角-转速坐标系中的位置；其中，所述相角-转速坐标系的横坐标为相角变化量，纵坐标为转速变化量；
判断所述水轮机的阻尼转矩处在所述相角-转速坐标系中的位置，若所述水轮机的阻尼转矩落在所述相角-转速坐标系中的第一象限、第二象限或纵坐标的正半轴，则所述水轮机的阻尼转矩对超低频段的振荡起放大作用；若所述水轮机的阻尼转矩落在所述相角-转速坐标系中的第三象限、第四象限或纵坐标的负半轴，则所述水轮机的阻尼转矩对超低频段的振荡起抑制作用；
所述水轮机调速系统的简化模型包括调速器模型、执行机构模型和理想水轮机模型；
根据所述水轮机调速系统的简化模型的传递函数，得到在超低频段下水轮机的阻尼转矩的方法为：
根据发电机的实测转速值与所述水轮机调速系统简化模型中的转速参考值的差值，得到转速变化量Δw；
根据所述转速变化量Δw和所述水轮机调速系统的传递函数GM(s)得到所述水轮机的阻尼转矩的幅值和所述水轮机的阻尼转矩的相角：
GM(s)＝α∠β，
所述水轮机的阻尼转矩为：
ΔTM＝-Δw·α∠β,
其中，GM(s)为水轮机调速系统的简化模型的传递函数，Δw为转速变化量，α为所述水轮机的阻尼转矩的幅值，∠β为所述水轮机的阻尼转矩的相角，ΔTM为水轮机的阻尼转矩。
2.根据权利要求1所述的水轮机调速系统的阻尼特性分析方法，其特征在于，所述执行机构模型的传递函数Gz(s)为：
Figure FDA0003082099720000021
其中，Tz为执行机构的时间常数，s为拉普拉斯算子；
所述理想水轮机模型的传递函数Gw(s)为：
Figure FDA0003082099720000022
其中，Tw为水锤效应的时间常数。
3.根据权利要求1所述的水轮机调速系统的阻尼特性分析方法，其特征在于，
当所述调速器模型为比例环节模型，所述比例环节模型的传递函数Gk(s)为：
Gk(s)＝kp，
其中，kp为调速器的比例系数。
4.根据权利要求2或3所述的水轮机调速系统的阻尼特性分析方法，其特征在于，所述水轮机调速系统的简化模型的传递函数GM(s)为：
Figure FDA0003082099720000023
其中，kp为调速器的比例系数，Tz为执行机构的时间常数，Tw为水锤效应的时间常数，s为拉普拉斯算子。
5.根据权利要求1所述的水轮机调速系统的阻尼特性分析方法，其特征在于，当所述调速器模型为比例积分环节模型，所述比例积分环节模型的传递函数GI(s)为：
Figure FDA0003082099720000024
其中，kp为调速器的比例系数，kI为调速器的积分系数，s为拉普拉斯算子。
6.根据权利要求2或5所述的水轮机调速系统的阻尼特性分析方法，其特征在于，所述水轮机调速系统的简化模型的传递函数GM(s)为：
Figure FDA0003082099720000031
其中，kp为调速器的比例系数，kI为调速器的积分系数，Tz为执行机构的时间常数，Tw为水锤效应的时间常数，s为拉普拉斯算子。
7.根据权利要求1所述的水轮机调速系统的阻尼特性分析方法，其特征在于，所述超低频段为0.01Hz至0.1Hz。
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