CN109149602A - 一种水电机组调速系统附加阻尼控制器模型及其构建方法 - Google Patents

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周剑
张建新
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戴仲覆
蔡东阳
刘蔚
洪潮
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Abstract

本发明公开了一种水电机组调速系统附加阻尼控制器模型及其构建方法，该模型包括：延时及惯性环节、超低频带通滤波器环节、超前滞后环节、输出处理环节，其中，延时及惯性环节的输出端与超低频带通滤波器环节的输入端连接，超低频带通滤波器环节的输出端与超前滞后环节的输入端连接，超前滞后环节的输出端与输出处理环节的输入端连接，输出处理环节的输出端作为水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输出端；该模型以频差信号作为输入信号，输出信号用于叠加到原调速器的开度指令环节，附加阻尼控制器以抑制电网超低频振荡模式作为控制目标。该模型既适用于调速器的功率模式，也可用于其开度模式，能够有效抑制电网超低频振荡现象。

Description

一种水电机组调速系统附加阻尼控制器模型及其构建方法
技术领域
本发明涉及发电控制及电力系统稳定控制技术领域，具体涉及一种水电机组调速系统附加阻尼控制器模型及其构建方法。
背景技术
在超低频振荡问题方面(振荡频率均低于0.1Hz)，20世纪60～70年代加拿大BC水电局曾开展了部分基础研究，在简单电网上进行了试验、建模和仿真，总结了部分经验。近30年仅在土耳其电网、哥伦比亚电网有少量报道。近年来随着国内异步联网的推进以及同步电网规模缩小，在藏中电网、锦苏直流孤岛运行以及云南与南方电网异步联网试验时，均出现过超低频振荡问题。已有研究表明，在小电网孤网运行或直流孤岛运行方式下，机组调速系统的稳定性明显恶化，调速系统的参数设置与孤网的稳定性密切相关。
目前,作为励磁系统附加阻尼控制的电力系统稳定器(EPSS)是世界上使用最广泛、最经济且技术较为成熟的抑制低频振荡的措施。但是,励磁系统与系统运行方式及工况之间有着密切的联系,所以,装在某台机上的在给本机带来正阻尼的同时,也可能给它机带来负阻尼，应用于多机系统时,一般得要安装多台,并对其参数进行动态协调控制。然而,由于励磁系统与电力系统运行方式密切相关,EPSS存在安装地点选择和参数协调设计的问题。尽管国内外专家学者对此进行了大量的研究，但至今仍未找到工程实用有效的通用对策。
实际上，附加阻尼控制器也可以装设在同步发电机组的调速系统侧,可简称为GPSS。GPSS只改变本机组原动机的输入功率,而不参与系统电磁功率的改变。与励磁系统相比，调速系统与系统运行方式的联系就弱很多,可调参数也很少,运行稳定,具有很好的鲁棒性与多机解耦性。这样就既解决了鲁棒性差与多机耦合的问题,又可以达到抑制低频振荡的目的,为低频振荡的抑制提供了新的思路。但是，由于长期以来,调速系统都广泛采用机械液压式调速器,整个调速系统存在较大“死区”与惯性,对控制系统的动态响应远不如励磁系统来得快,同时受限于控制技术和机械制造水平，GPSS一直未引起人们的重视，相关研究一直停滞不前。
如今,控制理论及技术的发展和机械制造水平的提高，数字式电液调速器得到广泛应用，发电机组基本全部采用响应速度快、调节精度高、调节死区小的电气液压式的调速器，能够对电力系统各种干扰快速响应，GPSS重新受到了专家学者的重视,关于汽轮发电机组GPSS的研究已经取得了一定的进展。现代汽轮机调速系统对控制作用响应的快速性并不低于励磁系统,在提高电力系统稳定性、抑制系统低频振荡方面,采用调速系统的控制也许更为有效。
水轮发电机组调节系统是一个涉及水机电因素的综合控制系统。由于水轮机调节过程中的存在水锤效应、水机电各环节的强非线性和大惯性以及模型参数的时变性,使得水轮发电机组的GPSS设计和实现十分困难。相对于汽轮发电机组GPSS的研究而言,关于水轮发电机组GPSS的研究还较为薄弱。
发明内容
基于此，本发明提供了一种水电机组调速系统附加阻尼控制器模型及其构建方法，能够有效抑制电网的超低频振荡现象。
本发明实施例提供的一种水电机组调速系统附加阻尼控制器模型，包括：延时及惯性环节、超低频带通滤波器环节、超前滞后环节、输出处理环节，其中，所述延时及惯性环节的输入端为水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输入端，所述延时及惯性环节的输出端与所述超低频带通滤波器环节的输入端连接，所述超低频带通滤波器环节的输出端与所述超前滞后环节的输入端连接，所述超前滞后环节的输出端与所述输出处理环节的输入端连接，所述输出处理环节的输出端作为所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输出端；所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输入信号为输入到水电机组的原动机及其调速器动态模型的频差信号，其输出信号用于叠加到所述水电机组的原动机及其调速器动态模型中的调速器的开度指令环节，以使得附加阻尼控制器以抑制电网超低频振荡模式作为控制目标。
优选地，所述超低频带通滤波器环节包括二阶隔直环节和斜坡跟踪函数。
优选地，所述超前滞后环节为四级超前滞后环节。
优选地，所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的传递函数为：
其中，s拉普拉斯算子；在延时及惯性环节中，τ为延时时间，TR为惯性时间常数；在超低频带通滤波器环节中，TW1,TW2为隔直时间常数，T8,T9为斜坡跟踪函数的时间常数，n,m为斜坡跟踪函数阶数；在超前滞后环节中，Ti1,Ti2(i＝1,2,3,4)为各个超前、滞后环节时间常数。
优选地，所述输出处理环节包括依次相连的信号放大环节、死区环节以及限幅环节。
本发明还提供了一种水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的构建方法，包括：
以抑制电网超低频振荡模式作为控制目标，以频差信号作为输入信号，依次建立延时及惯性环节、超低频带通滤波器环节、超前滞后环节、输出处理环节，以建立水电机组调速系统附加阻尼控制器模型；
其中，所述延时及惯性环节的输入端为所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输入端，所述延时及惯性环节的输出端与所述超低频带通滤波器环节的输入端连接，所述超低频带通滤波器环节的输出端与所述超前滞后环节的输入端连接，所述超前滞后环节的输出端与所述输出处理环节的输入端连接，所述输出处理环节的输出端作为所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输出端；所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输出信号用于叠加到所述水电机组的原动机及其调速器动态模型中的调速器的开度指令环节。
优选地，所述超低频带通滤波器环节包括二阶隔直环节和斜坡跟踪函数。
优选地，所述超前滞后环节为四级超前滞后环节。
优选地，所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的传递函数为：
其中，s拉普拉斯算子；在延时及惯性环节中，τ为延时时间，TR为惯性时间常数；在超低频带通滤波器环节中，TW1,TW2为隔直时间常数，T8,T9为斜坡跟踪函数的时间常数，n,m为斜坡跟踪函数阶数；在超前滞后环节中，Ti1,Ti2(i＝1,2,3,4)为各个超前、滞后环节时间常数。
优选地，所述输出处理环节包括依次相连的信号放大环节、死区环节以及限幅环节。
相对于现有技术，本发明实施例提供的一种水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的有益效果在于：以抑制电网超低频振荡作为目标控制模式，以输入到水电机组的原动机及其调速器动态模型的频差信号作为输入信号，依次输入到延时及惯性环节、超低频带通滤波器环节、超前滞后环节、输出处理环节进行处理，并将输出信号并叠加到调速器的开度指令环节中，该水电机组调速系统附加阻尼控制器模型既适用于功率模式的水电调速器，也可用于开度模式的水电调速器，能够有效抑制电网超低频振荡现象。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的示意图；
图2是本发明实施例提供的一种水电机组调速系统附加阻尼控制器模型应用于功率模式的水电调速器的示意图；
图3是本发明实施例提供的一种水电机组调速系统附加阻尼控制器模型应用于水电开度模式的水电调速器的示意图。
图4是本发明实施例提供的一种水电机组调速系统附加阻尼控制器模型构建方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的水电机组调速系统附加阻尼控制器模型(简称：YGPSS模型)用于装设在同步发电机组的调速系统侧，如图2和图3所示。图2是水电机组调速系统附加阻尼控制器模型(YGPSS模型)应用于功率模式水电调速器的示意图；图3是水电机组调速系统附加阻尼控制器模型(YGPSS模型)应用于开度模式水电调速器的示意图。
请参阅图1，其是本发明实施例提供的水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的示意图。
所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型包括：延时及惯性环节、超低频带通滤波器环节、超前滞后环节、输出处理环节，其中，所述延时及惯性环节的输入端为水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输入端，所述延时及惯性环节的输出端与所述超低频带通滤波器环节的输入端连接，所述超低频带通滤波器环节的输出端与所述超前滞后环节的输入端连接，所述超前滞后环节的输出端与所述输出处理环节的输入端连接，所述输出处理环节的输出端作为所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输出端；所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输入信号为输入到水电机组的原动机及其调速器动态模型的频差信号，其输出信号用于叠加到所述水电机组的原动机及其调速器动态模型中的调速器的开度指令环节，以使得附加阻尼控制器以抑制电网超低频振荡模式作为控制目标。
该YGPSS模型充分考虑信号的传输延迟的影响，超低频带通滤波环节可有效地保留信号中的超低频分量，通过四阶超前滞后环节进行期望的相位补偿，为调速器提供更多的正阻尼。具体，基于该YGPSS模型，仿真表明可将电网的超低频振荡的阻尼比提升至设定阈值(如20％)以上，较标准规定的2％-3％最低阻尼比，实现了阻尼比的大幅提高。
具体地，所述超低频振荡频段为0.01Hz～0.1Hz。
在一种可选的实施例中，所述超低频带通滤波器环节包括二阶隔直环节和斜坡跟踪函数。
在一种可选的实施例中，所述超前滞后环节为四级超前滞后环节。
在一种可选的实施例中，所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的传递函数为：
其中，s拉普拉斯算子；在延时及惯性环节中，τ为延时时间，TR为惯性时间常数；在超低频带通滤波器环节中，TW1,TW2为隔直时间常数，T8,T9为斜坡跟踪函数的时间常数，n,m为斜坡跟踪函数阶数；在超前滞后环节中，Ti1,Ti2(i＝1,2,3,4)为各个超前、滞后环节时间常数。
具体地，所述延时及惯性环节的传递函数为：
所述超低频带通滤波器环节的传递函数为：其中，为二阶隔直环节，为斜坡跟踪函数；
所述超前滞后环节的传递函数为：
当调速器处于功率模式时，水电机组的原动机及其调速器动态模型以频差信号-DW作为输入信号，同时在Bp环节输入设定的参考信号REF、以及在Delay2环节输入功率反馈(例如1.111PT)，进一步地，将该YGPSS模型的输出信号叠加到在水电机组的原动机及其调速器动态模型的调速器的开度指令环节中；当调速器处于开度模式时，水电机组的原动机及其调速器动态模型以频差信号-DW作为输入信号，同时在Bp环节输入设定的参考信号REF，进一步地，将该YGPSS模型的输出信号叠加到在水电机组的原动机及其调速器动态模型的调速器的开度指令环节中；在使得当水电机组的原动机及其调速器动态模型无论处于功率模式，还是开度模式，该YGPSS模型均能够以电网的超低频振荡模式作为控制目标，有效抑制电网超低频振荡现象。
请参阅图4，本发明提供的一种水电机组调速系统附加阻尼控制器模型构建方法的流程图，该方法包括：
S100：以抑制电网超低频振荡模式作为控制目标，以频差信号作为输入信号，依次建立延时及惯性环节、超低频带通滤波器环节、超前滞后环节、输出处理环节，以建立水电机组调速系统附加阻尼控制器模型；
其中，所述延时及惯性环节的输入端为所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输入端，所述延时及惯性环节的输出端与所述超低频带通滤波器环节的输入端连接，所述超低频带通滤波器环节的输出端与所述超前滞后环节的输入端连接，所述超前滞后环节的输出端与所述输出处理环节的输入端连接，所述输出处理环节的输出端作为所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输出端；所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输出信号用于叠加到所述水电机组的原动机及其调速器动态模型中的调速器的开度指令环节。
在一种可选的实施例中，所述超低频带通滤波器环节包括二阶隔直环节和斜坡跟踪函数。
在一种可选的实施例中，所述超前滞后环节为四级超前滞后环节。
在一种可选的实施例中，所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的传递函数为：
其中，s拉普拉斯算子；在延时及惯性环节中，τ为延时时间，TR为惯性时间常数；在超低频带通滤波器环节中，TW1,TW2为隔直时间常数，T8,T9为斜坡跟踪函数的时间常数，n,m为斜坡跟踪函数阶数；在超前滞后环节中，Ti1,Ti2(i＝1,2,3,4)为各个超前、滞后环节时间常数。
具体地，所述延时及惯性环节的传递函数为：
所述超低频带通滤波器环节的传递函数为：其中，为二阶隔直环节，为斜坡跟踪函数；
所述超前滞后环节的传递函数为：
当调速器处于功率模式时，水电机组的原动机及其调速器动态模型以频差信号-DW作为输入信号，同时在Bp环节输入设定参考信号REF、以及在Delay2环节输入功率反馈信号(例如1.111PT)，进一步地，将该YGPSS模型的输出信号叠加到在水电机组的原动机及其调速器动态模型的调速器的开度指令环节中；当处于调速器开度模式时，水电机组的原动机及其调速器动态模型以频差信号-DW作为输入信号，同时在Bp环节输入设定的参考信号REF，进一步地，将该YGPSS模型的输出信号叠加到在水电机组的原动机及其调速器动态模型的调速器的开度指令环节中；在使得当水电机组的原动机及其调速器动态模型无论处于功率模式，还是开度模式，该YGPSS模型均能够以抑制电网超低频振荡模式作为控制目标模式，有效抑制电网超低频振荡现象。
该YGPSS模型充分考虑信号的传输延迟的影响，超低频带通滤波环节可有效地保留信号中的超低频分量，通过四阶超前滞后环节进行期望的相位补偿，为调速器提供更多的正阻尼。具体，基于该YGPSS模型，仿真表明可以将电网的阻尼比提升至设定阈值(如20％)以上，较标准规定的2％-3％的最低阻尼比，实现阻尼比的大幅提高。
在一种可选的实施例中，所述输出处理环节包括依次相连的信号放大环节、死区环节以及限幅环节。
在一种可选的实施例中，所述方法还包括如下参数整定步骤：
基于原动机和调速器的在超低频振荡频段的频率特性，采用相位补偿法对所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型进行参数整定，以使得调速器附加阻尼控制器输出在超低频振荡频段内的相位趋向于负频差轴。
进一步地，采用时域仿真法验证所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的整定参数的有效性，当电网的阻尼比未达到设定阈值(如20％)，则重新对所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型进行参数整定，当电网的阻尼比达到设定阈值(如20％)，则确定所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型构建成功。通过对所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型进行参数整定以及有效性验证，可以实现该YGPSS模型的迭代优化，使得该YGPSS模型具有很好的抑制电网超低频振荡的功能。
在一种可选的实施例中，所述超低频振荡频段为为0.01Hz～0.1Hz。
相对于现有技术，本发明实施例提供的一种水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的构建方法的有益效果在于：以抑制电网超低频振荡模式作为控制目标，以频差信号作为输入信号，依次建立延时及惯性环节、超低频带通滤波器环节、超前滞后环节、输出处理环节，以建立水电机组调速系统附加阻尼控制器模型；频差信号首先经延时及惯性环节处理，再经超低频带通滤波器环节处理，再经过超前滞后环节进行相位补偿，最后经输出环节处理后进行输出并叠加到调速器的开度指令环节中，该水电机组调速系统附加阻尼控制器模型既适用于功率模式调速器，也可用于开度模式调速器，能够有效抑制电网超低频振荡现象。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水电机组调速系统附加阻尼控制器模型，其特征在于,包括：延时及惯性环节、超低频带通滤波器环节、超前滞后环节、输出处理环节，其中，所述延时及惯性环节的输入端为水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输入端，所述延时及惯性环节的输出端与所述超低频带通滤波器环节的输入端连接，所述超低频带通滤波器环节的输出端与所述超前滞后环节的输入端连接，所述超前滞后环节的输出端与所述输出处理环节的输入端连接，所述输出处理环节的输出端作为所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输出端；所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输入信号为输入到水电机组的原动机及其调速器动态模型的频差信号，其输出信号用于叠加到所述水电机组的原动机及其调速器动态模型中的调速器的开度指令环节，以使得附加阻尼控制器以抑制电网超低频振荡模式作为控制目标。
2.如权利要求1所述的水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的构建方法，其特征在于，所述超低频带通滤波器环节包括二阶隔直环节和斜坡跟踪函数。
3.如权利要求1所述的水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的构建方法，其特征在于，所述超前滞后环节为四级超前滞后环节。
4.如权利要求1-3任一项所述的水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的构建方法，其特征在于，
所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的传递函数为：
其中，s拉普拉斯算子；在延时及惯性环节中，τ为延时时间，TR为惯性时间常数；在超低频带通滤波器环节中，TW1,TW2为隔直时间常数，T8,T9为斜坡跟踪函数的时间常数，n,m为斜坡跟踪函数阶数；在超前滞后环节中，Ti1,Ti2(i＝1,2,3,4)为各个超前、滞后环节时间常数。
5.如权利要求1所述的水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的构建方法，其特征在于，所述输出处理环节包括依次相连的信号放大环节、死区环节以及限幅环节。
6.一种水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的构建方法，其特征在于，包括：
以抑制电网超低频振荡模式作为控制目标，以频差信号作为输入信号，依次建立延时及惯性环节、超低频带通滤波器环节、超前滞后环节、输出处理环节，以建立水电机组调速系统附加阻尼控制器模型；
其中，所述延时及惯性环节的输入端为所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输入端，所述延时及惯性环节的输出端与所述超低频带通滤波器环节的输入端连接，所述超低频带通滤波器环节的输出端与所述超前滞后环节的输入端连接，所述超前滞后环节的输出端与所述输出处理环节的输入端连接，所述输出处理环节的输出端作为所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输出端；所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的输出信号用于叠加到所述水电机组的原动机及其调速器动态模型中的调速器的开度指令环节。
7.如权利要求6所述的水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的构建方法，其特征在于，所述超低频带通滤波器环节包括二阶隔直环节和斜坡跟踪函数。
8.如权利要求6所述的水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的构建方法，其特征在于，所述超前滞后环节为四级超前滞后环节。
9.如权利要求6-8任一项所述的水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的构建方法，其特征在于，
所述水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的传递函数为：
其中，s拉普拉斯算子；在延时及惯性环节中，τ为延时时间，TR为惯性时间常数；在超低频带通滤波器环节中，TW1,TW2为隔直时间常数，T8,T9为斜坡跟踪函数的时间常数，n,m为斜坡跟踪函数阶数；在超前滞后环节中，Ti1,Ti2(i＝1,2,3,4)为各个超前、滞后环节时间常数。
10.如权利要求6所述的水电机组调速系统附加阻尼控制器模型的构建方法，其特征在于，所述输出处理环节包括依次相连的信号放大环节、死区环节以及限幅环节。
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