CN109412180A

CN109412180A - 水电机组异步联网场景下的超低频振荡控制方法

Info

Publication number: CN109412180A
Application number: CN201811402459.9A
Authority: CN
Inventors: 李鹏; 徐光虎; 张建新; 邱建; 王波; 马恒瑞
Original assignee: Wuhan University WHU; China Southern Power Grid Co Ltd
Current assignee: Wuhan University WHU; China Southern Power Grid Co Ltd
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2019-03-01

Abstract

一种水电机组异步联网场景下超低频振荡的控制方法，包括1)分析水电机组异步联网场景下超低频振荡现象；2)搭建水轮机调速系统基础模型，并在调速系统中附加GPSS装置；3)计算GPSS的相位及补偿后的调速系统相位；4)时域仿真校核；5)输出时域仿真校核结果。本发明克服云南电网水电机组异步联网后出现的超低频振荡现象问题，从GPSS的控制技术原理出发提出了利用GPSS来抑制超低频振荡现象的方法，并对所提出的方法进行了时域仿真校核，仿真结果证明了所提出方法的有效性和准确性。

Description

水电机组异步联网场景下的超低频振荡控制方法

技术领域

本发明涉及水电机组,特别是一种水电机组异步联网场景下的超低频振荡控制方法，以解决电网水电机组异步联网场景下的超低频振荡问题。

背景技术

过去二十年，中国水电站建设呈现出前所未有的繁荣景象，累计水电开发总量超过3亿千瓦。同时，许多依赖燃煤发电的中国城市饱受空气污染的影响，迫切需要发展太阳能、风能、核能和水电等替代能源。中国拥有全球最丰富的水力资源，可开发水电资源总量达5.4亿千瓦，因此成为了中国实现国民经济发展去碳化的重要组成部分。云南水力资源居全国第3位，占全国水力资源总量的1/7。有着丰富水电资源的云南省已经成为了辐射中国华南地区及越南、老挝、柬埔寨和泰国等下游邻国的区域“电池”。

我国南方电网自2016年采取了异步联网的运行方式后，云南电网具有以下运行特点：首先，水电装机比例高，特别是迎峰度夏期间，火电开机少，网内发电以水电为主；其次，外送比例高，外送电力最大超过本省负荷需求；相对异步前云南电网的总阻尼减小，调速系统的负阻尼问题不能被忽视。由于水电调速器带来的负阻尼和呈现刚性负荷特性带来的负阻尼，共同造成云南电网异步运行后受到超低频振荡的威胁很大。

云南电网在异步运行试验期间，曾经发生明显的0.05Hz超低频振荡。主要原因是由于水轮机水锤效应明显，通过调速系统响应系统频率扰动期间，发生功率-频率的同相位调节过程，提供了负阻尼，导致系统持续振荡。目前在云南电网和西南电网，抑制超低频振荡的主要手段是通过降低水轮机调速器的PID(比例(proportion)、积分(integral)、微分(derivative))参数，以降低调速系统在超低频频段提供的负阻尼，但是对于解决该问题而言，更好的方案应该是在保留调速器PID的调频作用基础上，通过调速器附加阻尼控制器(Governor Power System Stabilizer,GPSS)抑制超低频振荡。通过查阅文献发现，在水电机组占比大、小电网孤网运行或直流孤岛运行方式下，出现过类似的超低频振荡现象，如国内目前在藏中电网、锦苏直流孤岛运行时出现过类似问题。国外在上世纪60—70年代加拿大BC水电局有部分基础研究，在简单电网上进行试验、建模、仿真，总结了部分经验，但近三十年鲜有报道类似问题，见诸于少量文献的只有土耳其电网、哥伦比亚电网。

发明内容

本发明针对云南异步联网后出现的超低频振荡现象，提供一种水电机组异步联网场景下的超低频振荡控制方法，从调速器附加阻尼控制器(Governor Power SystemStabilizer,GPSS)的控制技术原理出发提出了利用GPSS来抑制超低频振荡现象的方法，并对所提出的方法进行了时域仿真校核，仿真结果证明了所提出方法的有效性和准确性，该方法能够有效地对超低频振荡起到抑制作用。

本发明所采用的技术方案是：

一种水电机组异步联网场景下的超低频振荡控制方法，包括以下步骤：

步骤1：分析水电机组异步联网场景下的频率特性

分析水电机组异步联网场景下的频率特性，获取其影响参数，包括调速系统PID的主要参数，比例积分参数、微分参数、负荷模型中的负荷频率因子。图1为实测的电力系统超低频振荡波形图。

在直流孤岛或孤网系统中，电气功率决定于直流功率和负荷大小，机械功率决定于原动机输出功率大小。典型的孤网或孤岛系统频率低频振荡时发电机功率和转速的变化如图2所示。

当系统出现功率缺额，电网频率或发生变化。此时，发电机组一次调频功能根据转速的变化调节机械功率P_M增大，但由于电气功率P_E受直流和负荷钳制，P_M＞P_E，造成发电机转速升高；当转速升高到一次调频反向动作时，调速系统减小机组导叶开度以减小机械功率至P_M＜P_E，然后发电机减速。上述过程造成系统频率持续振荡。

步骤2：分析调速系统中比例积分微分参数的影响

调速系统PID的主要参数包括调节器比例、积分系数、微分系数、永态差值系数、死区、限幅、液压执行机构放大倍数、接力器时间常数以及原动机特征参数等。图3为PID参数变化下的根轨迹。

步骤3：搭建水轮机调速系统模型

水轮机调节系统由引水系统、水轮机、机械液压系统和调节系统等组成，是一个包含水力、机械、电气的复杂的控制系统。在对实际环境模拟中，还应加入水头、水流扰动模块，该模型可以简单的如图5所示；

步骤4：搭建调速器附加阻尼控制器(Governor Power System Stabilizer,GPSS)模型

GPSS模型如图8所示，该模型输入为机组频率或功率，输入为机械转矩，对应于原动机输出功率，KA为功率或频率频差放大倍数，对应于调速系统转速不等率，T_G为液压系统时间常数，T_CH为汽室容积时间常数；

步骤5：搭建包含GPSS的水轮机调速系统模型

引入GPSS后的水轮机调速系统模如图9所示，该模型中含有测量环节、隔直环节、三级超前/滞后补偿环节、放大环节及限幅环节。其中，T_W1为隔直时间常数，T₁、T₃、T₅为超前时间常数，T₂、T₄、T₆为滞后时间常数；

步骤6：配置包含GPSS的水轮机调速系统参数

调速器和原动机系统的传递函数为：

G＝G_调速G_{水/汽轮机}

ΔP_m＝D_GΔω+K_GΔδ

由ΔP_m与Δω之间的传递函数可知，D_G＞0时发电机将向系统提供正阻尼。分析水轮机调速系统及原动机开环传递函数的阻尼特性，将调速系统提供的转矩投影在ω轴上，即调速系统提供的阻尼转矩分量，定义为调速系统的阻尼系数，借此评估调速系统的阻尼性能并计算得到GPSS配置参数。

步骤7：使用便携式电力系统全数字实时仿真装置ADPSS，对GPSS装置施加设定好的几组振荡频率的超低频率振荡，录取GPSS输出、原调速系统控制输出以及调速系统接力器行程等曲线，检验GPSS对振荡的响应，判断GPSS的投入是否具有抑制作用。

附图说明

图1是实测的电力系统超低频振荡波形图；

图2是频率振荡时发电机功率及转速曲线图；

图3是PID参数变化下的根轨迹图；

图4是负荷模型中有功频率因子的影响图；

图5是水轮机模型图；

图6是功率闭环控制下调速系统的阻尼特性图；

图7是转速闭环控制下调速系统的阻尼特性；

图8是简化的GPSS模型图；

图9是含有原动机调节附加控制系统模型框图；

图10是相位补偿效果；

图11是振荡频率为0.021Hz时GPSS投入及退出的影响图；

图12是振荡频率为0.0085Hz时GPSS投入及退出的影响图；

图13是振荡频率为0.17Hz时GPSS投入及退出的影响图；

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明基于深度置信网络的配电网故障诊断方法，包括以下步骤：

1)分析水电机组异步联网场景下超低频振荡现象，获取其影响参数，包括调速系统PID的主要参数，比例积分参数、微分参数、负荷模型中的负荷频率因子；

发电机是电力系统最重要的动态元件，电力系统的频率发生振荡时，体现在发电机上就是发电机转速角速度交替增速和减速，这个过程由发电机转子运动方程决定：

其中，ω为转子机械角速度，rad/s；J为转子的转动惯量，kg·m²；在忽略阻尼分量的情况下，机组转速的变化主要取决于机械转矩ΔM_T和电气转矩ΔM。当ΔM_T＞ΔM_E时，发电机会加速运行，系统频率响应升高，当ΔM_T＜ΔM_E时，发电机减速运行，系统频率降低。由此可见,当发电机电气功率和机械功率不平衡是孤岛系统频率振荡的直接原因。图1为实测的电力系统超低频振荡波形图。

调速系统PID的主要参数包括调节器比例、积分系数、微分系数、永态差值系数、死区、限幅、液压执行机构放大倍数、接力器时间常数以及原动机特征参数等，在合理范围内对这些参数进行定量分析。表1为调速系统PID参数中比例放大倍数的变化对特征值的影响，在研究的电网方式下，比例放大倍数越大，振荡频率越高，阻尼比亦逐步下降。

表1

图3为PID参数变化下的根轨迹。

电网中重要工业负荷采用静态负荷(简称为ZIP负荷，恒阻抗Z+恒电流I+恒功率P)，负荷表达式：

P_E＝P₀(P₁V²+P₂V+P₃)(1+ΔfL_DP)

其中，P₁+P₂+P₃＝1，L_DP为负荷有功频率因子，V为计算系数，Δf为频率变化量。所研究的系统中，ZIP负荷分配比例由25％恒阻抗+65％恒电流+10％恒功率构成。

负荷特性，特别是负荷的有功频率因子对受扰后的系统的有功功率有较大影响。计算分别采用了2组频率因子，即L_DP(1)＝0.2、L_DP(2)＝0.4，计算结果如图4所示，由图4可知，受扰后的系统频率仍持续振荡，但当负荷具有较大频率因子时频率振荡幅值较小，更有利于系统频率的稳定。

2)搭建水轮机调速系统模型，在调速系统中附加GPSS，简化GPSS模型；

当系统内安装有调速器附加阻尼控制器(Governor Power System Stabilizer,GPSS)时，对于给定的输入信号，考察原动机调节系统在系统低频振荡频段的相频特性即可知原动机调节系统对电力系统动态稳定的影响；功率闭环调节对电力系统动态稳定的作用除与原动机调节系统本身的特性、振荡频率有关外，还与系统参数直接相关。原动机调节系统在功率闭环调节和转速闭环调节方式下的阻尼特性分布如图6和图7所示；

简化的GPSS模型如图8所示，该模型输入为机组频率或功率，输入为机械转矩，对应于原动机输出功率，KA为功率或频率频差放大倍数，对应于调速系统转速不等率，T_G为液压系统时间常数，T_CH为汽室容积时间常数；

将调速系统提供的机械转矩分解为同步转矩和阻尼转矩两个分量，其中阻尼转矩分量的性质决定了调速系统给系统提供的阻尼是正阻尼还是负阻尼。在某些频率下，调速系统给系统提供的阻尼是负的，当系统薄弱时，调速系统负阻尼会影响到系统稳定水平；

在调速系统中引入附加控制是解决调速系统负阻尼的措施之一，引入附加控制后的简化模型如图9所示，该模型中含有测量环节、隔直环节、三级超前/滞后补偿环节、放大环节及限幅环节。其中，T_W1为隔直时间常数，T₁、T₃、T₅为超前时间常数，T₂、T₄、T₆为滞后时间常数；

在功率闭环方式下，原动机调节系统提供的阻尼转矩分量在滞后0～180°时提供负阻尼，滞后角度在90°左右时提供的负阻尼分量最大；在超前0～180°时提供正阻尼；

3)配置汽轮机调节系统参数，基于配置参数计算得到GPSS的相位及补偿后的调速系统相位，获取GPSS参数；

基于训练样本量和输入数据的实际情况，设置模型输入、输出节点、最大层数、每层的节点数和最大迭代次数等超参数；

为准确掌握调速系统特性，近年来，针对国内外主力原动机调节系统，进行了详细的调查研究和实测建模工作。获取典型参数下的汽轮机调节系统的相频特性如下表所示，配置的参数如下：

T_W1＝4s，T₁＝0.5s，T₂＝0.03s，T₃＝0.5s，T₄＝0.03s，T₅＝0，T₆＝0，YGACMAX＝0.1、YGACMIN＝-0.1

调节系统的滞后相位和补偿后的相位见图10。

设置某水电站调速系统的频率特性如表2所示：

表2

GPSS基本模型如图9所示，其配置参数如表3所示。

表3

基于以上参数配置可以计算得到GPSS的相位及补偿后的调速系统相位如表4所示，由表可见调速系统对低于0.16Hz的低频振荡可以提供正阻尼。

表4

4)时域仿真校核，使用便携式电力系统全数字实时仿真装置ADPSS，对GPSS装置施加振荡频率分别为0.021Hz、0.085Hz、0.17Hz的超低频率振荡，录取GPSS输出、原调速系统控制输出以及调速系统接力器行程等曲线，检验GPSS对振荡的响应；

5)对比分析不同振荡频率下的时域仿真结果，得到GPSS可对低频振荡有很好的抑制作用的结论；

实施例1

采用上文所述的一种水电机组异步联网场景下的超低频振荡控制方法对频率为0.021Hz的超低频振荡的抑制作用。

使用便携式电力系统全数字实时仿真装置ADPSS，对GPSS装置施加振荡频率为0.021Hz的超低频率振荡，录取GPSS输出、原调速系统控制输出以及调速系统接力器行程等曲线，检验GPSS对振荡的响应。

振荡频率为0.021Hz扰动实施例如图11所示，“频率”为模拟电网频率，该频率为ADPSS调制输出信号，“PIDOUT”为调速系统主环控制PID环节的输出信号，“GPSSOUT”为GPSS附加控制的输出信号，“开度”为调速系统液压系统接力器行程。输入频率扰动信号的频差由0逐步加大至正负0.55Hz，当GPSS不投入时，在此电网频率扰动下，调速系统控制输出逐步加大，出现增幅振荡趋势，当GPSS投入后，GPSS有明显输出，且输出相位与原始GPSS输出相位基本反向，开度波动在54％至52.3％之间波动，波动峰峰值为1.7％。GPSS退出后，调速系统波动明显变大，开度信号在51％至55％范围内等幅振荡，波动峰峰值为4％。GPSS对该频率振荡具有明显的抑制作用。

实施例2

采用上文所述的一种水电机组异步联网场景下的超低频振荡控制方法对频率为0.085Hz的超低频振荡的抑制作用。

使用便携式ADPSS，对GPSS装置施加振荡频率为0.085Hz的超低频率振荡，录取GPSS输出、原调速系统控制输出以及调速系统接力器行程等曲线，检验GPSS对振荡的响应。试验曲线如图12所示。

振荡频率为0.085Hz扰动试验如图12所示，输入频率扰动信号的频差由0逐步加大至正负0.55Hz，当GPSS不投入时，在此电网频率扰动下，调速系统控制输出逐步加大，出现增幅振荡趋势，当GPSS投入后，GPSS有明显输出，且输出相位与原始GPSS输出相位基本反向，开度波动在52.8％至53.6％之间波动，波动峰峰值为0.8％。GPSS退出后，调速系统波动明显变大，开度信号在52.7％至53.8％范围内等幅振荡，波动峰峰值为1.1％。GPSS对该频率振荡具有一定的抑制作用。

实施例3

采用上文所述的一种水电机组异步联网场景下的超低频振荡控制方法对频率为0.17Hz的超低频振荡的抑制作用。

使用便携式ADPSS，对GPSS装置施加振荡频率为0.170Hz的超低频率振荡，录取GPSS输出、原调速系统控制输出以及调速系统接力器行程等曲线，检验GPSS对振荡的响应。试验曲线图13所示。

振荡频率为0.17Hz扰动试验如图13所示，输入频率扰动信号的频差由0逐步加大至正负0.55Hz，当GPSS不投入时，在此电网频率扰动下，调速系统控制输出逐步加大，出现增幅振荡趋势，当GPSS投入后，GPSS有明显输出，且输出相位与原始GPSS输出相位基本反向，开度波动在53.12％至53.4％之间波动，波动峰峰值为0.18％。GPSS退出后，调速系统波动明显变大，开度信号在53.11％至53.44％范围内等幅振荡，波动峰峰值为0.33％。

本发明针对云南异步联网后出现的超低频振荡现象，基于理论模型详细分析了水电机组异步联网场景下的超低频振荡现象及其影响因素，得出了以下结论：

1)基于实测的电力系统超低频振荡波形图分析得出发电机电气功率和机械功率不平衡是孤岛系统频率振荡的直接原因；

2)GPSS对超低频振荡有很好的抑制作用，但是对于低频振荡的效果并不明显。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种水电机组异步联网场景下超低频振荡的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)分析水电机组异步联网场景下超低频振荡现象，获取影响参数，包括调速系统中比例积分参数、微分参数、负荷模型中的负荷有功频率因子；

2)搭建水轮机调速系统基础模型，并在调速系统中附加GPSS装置；

3)计算GPSS的相位及补偿后的调速系统相位：根据振荡特性和调速系统本身的无补偿频率特性，基于超前时间常数、滞后时间常数等配置参数得到，获取GPSS装置参数；

4)时域仿真校核：使用便携式电力系统全数字实时仿真装置对GPSS装置施加振荡频率，记录输出曲线，检验GPSS对振荡的响应，若响应微弱，则此时GPSS的投入没有明显的抑制作用；

5)输出时域仿真校核结果。

2.根据权利要求1所述的水电机组异步联网场景下的超低频振荡控制方法，其特征在于：获取影响参数时，调速系统中比例积分参数、微分参数从给定的调速系统中获取，负荷有功频率因子是指对受扰后的系统有功功率有较大影响，即受扰后的系统频率会持续振荡，但当负荷具有较大频率因子时频率振荡幅值较小，更有利于系统频率的稳定；计算分别采用了2组频率因子，即L_DP(1)＝0.2、L_DP(2)＝0.4。

3.根据权利要求1所述的水电机组异步联网场景下的超低频振荡控制方法，其特征在于：在调速系统中附加GPSS，将调速系统提供的机械转矩分解为同步转矩和阻尼转矩两个分量，其中阻尼转矩分量的性质决定了调速系统给系统提供的阻尼是正阻尼还是负阻尼，在某些频率下，调速系统给系统提供的阻尼是负的，当系统薄弱时，调速系统负阻尼会影响到系统稳定水平。

4.根据权利要求1所述的水电机组异步联网场景下的超低频振荡控制方法，其特征在于：配置参数，获取汽轮机调节系统的相频特性配置的参数如下，其中，TW1为隔直时间常数，T1、T3、T5为超前时间常数，T2、T4、T6为滞后时间常数：

TW1＝4s，T1＝0.5s，T2＝0.03s，T3＝0.5s，T4＝0.03s，T5＝0，T6＝0，YGACMAX＝0.1、YGACMIN＝-0.1。