CN109445273B - 一种水轮机调速器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水轮机调速器控制方法，包括以下步骤：1)收集信息；2)计算机组在不同水头下出力为额定功率P_r时的水锤效应时间常数范围；3)根据水锤变化系数对水头进行分段。本发明提出的水轮机调速器控制方法，基于水锤效应是影响调速器阻尼特性的关键因素的基本认识，考虑水轮机工作水头和发电机出力水平对水锤效应的影响，并通过对水头和出力进行分段出力，为每一段分别设计调速器PID参数，并根据水轮发电机组的运行工况选择对应的调速器参数，从而使得高比例水电系统中调速器在满足抑制超低频振荡的阻尼水平的前提下，尽可能的兼顾频率调节能力。

Description

一种水轮机调速器控制方法

技术领域

本发明属于电力系统安全稳定控制技术领域，具体地说是涉及一种水轮机调速器控制方法。

背景技术

近年来，在水电送出孤岛系统或水电高占比电力系统中已陆续出现多起超低频振荡事故，引发调速系统周期性频繁动作，系统频率、功率等均出现大幅度低频率振荡，严重威胁电网安全稳定运行。已有研究和经验表明，这类型振荡与水轮机调速系统一次调频性能及引水系统的“水锤效应”相关性强。目前调速系统常采用的PID调节策略中，为了满足一次调频快速恢复频率的要求，通常设置为较大的参数，在超低频段往往呈现负阻尼，并且随着水锤效应时间常数越大，负阻尼效应愈发明显，在水电为主电网中极易引发超低频振荡。

为防止超低频振荡的发生，工程中常通过降低调速器PID参数的方式提升其在超低频段的阻尼水平，但过小的PID参数意味着一次调频响应速度慢，当系统发生功率不平衡扰动时，频率很难恢复，调速器参数需要在超低频振荡抑制和一次调频性能之间进行协调，难以平衡。在目前的电力系统仿真计算中，通常通过水锤效应时间常数来反映水轮机“水锤效应”的强弱，水锤效应时间常数越大，水锤效应越明显，反之亦然。对于已建成的水电站，在引水管道一定的条件下，水锤效应时间常数跟水轮机导叶处的水头、流速等因素相关。通常，流速越快、水头越低，水锤效应愈发明显，调速系统提供的负阻尼更多，需要适当减小PID参数，以抑制超低频振荡。而当处于高水头、低流速时，水锤效应较小，调速系统提供的负阻尼较少，可适当增大调速器PID参数，以增强系统频率调节能力。

发明内容

本发明针对现有方法的不足，提出了一种水轮机调速器控制方法，改善水轮机调速器的阻尼水平和频率调节性能，为孤立运行的高比例水电系统中水电机组同时兼顾超低频振荡抑制和调频性能提供了技术手段。

本发明通过下述技术方案实现：

一种水轮机调速器控制方法，包括1)收集信息，收集发电机组额定有功出力P_r，机组不同水位下振动区间下限的最大值P_zmin，机组正常工作水头范围，包括最大和最小水头H_max和H_min，若调速器模型和参数已实测，则收集实测水锤效应时间常数

以及实测

时机组的出力P₀和工作水头H₀；若调速器模型和参数未实测，则应在开展调速器模型参数实测试验，获得一组调速器PID参数，并得到可以准确模拟调速器特性的仿真模型和参数。

2)计算机组在不同水头下出力为额定功率P_r时的水锤效应时间常数范围：

最大水锤效应时间常数：

最小水锤效应时间常数：

3)根据水锤变化系数对水头进行分段：

3-1)计算水锤变化系数：

3-2)确定分段间隔b，b≤1；

3-3)若a≤1+b，则不需要对水头进行分段处理；

3-4)若a＞1+b，则需要对水头进行分段，按照分k＝2，3，4，…，p，段的方式对区间[1，a]进行平均分段，确保每段区间长度小于等于b，设第i个区间为[m,n]，则要求n-m≤b，对应的水头区间为

假设得到的分段数为t。

4)根据水轮发电机振动区间，将发电机出力分为两个区间，区间1为振动区以下，即：[0，P_zmin]；区间2为振动区以上，即：[P_zmin,P_r]。

5)根据步骤3和4得到的t个水头区间和2个发电机出力区间按照排列组合的方式对调速器参数进行整定，可得到2t组调速器参数，每组参数在进行调速器参数整定时，考虑水头区间的下限和发电机出力区间的上限。

6)建立调速器的模型，通过仿真分析，对步骤5中每组需要整定的调速器参数进行整定，在确保调速器在0.01～0.1Hz的超低频段提供正阻尼的前提下，尽可能的增大PID参数，从而得到对应的调速器PID参数表。

6-1)根据所建立的模型，分别得到调速系统、水轮机的开环传递函数G_调速、G_水轮机。

6-2)得到原动机输出机械功率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，即由调速器和原动机组织系统的开环传递函数，可表示为下式：

6-3)将s＝jω＝j2πf代入式(1)获得的开环传递函数可计算出调速器和原动机系统在各频率下的阻尼系数，在确保调速系统在超低频段0.01Hz～0.1Hz内提供正阻尼的前提下，尽可能增大调速器PID参数。

6-4)在实际操作过程中，为保持系统稳定性，可直接设置微分环节常数K_d为0，设置积分环节常数K_p为某一固定值3～5，通过调整积分时间常数K_i，并保持比例环节常数与积分环节常数比值K_p/K_i>5。

7)将水轮机工作的水头和出力信号引入调速器，修改调速器控制逻辑，使得调速器可根据水轮机工作水头和出力水平，自动选择对应PID控制参数。

本发明提出的水轮机调速器控制方法，其基本原理为：对机组水头和出力进行分段，分别针对每一段进行PID参数优化设计，机组运行中调速器根据水头和出力的变化自动选择对应的PID控制参数，满足水电为主电网中对调速器阻尼和调频性能的要求。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提出的水轮机调速器控制方法，基于水锤效应是影响调速器阻尼特性的关键因素的基本认识，考虑水轮机工作水头和发电机出力水平对水锤效应的影响，并通过对水头和出力进行分段出力，为每一段分别设计调速器PID参数，并根据水轮发电机组的运行工况选择对应的调速器参数，从而使得高比例水电系统中调速器在满足抑制超低频振荡的阻尼水平的前提下，尽可能的兼顾频率调节能力。

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。在附图中：

图1为考虑水变水锤效应的调速器控制示意图。

图2为包含调速器、原动机的水轮机开环调节系统模型框图。

图3为水轮机调速器PID控制器模型框图。

图4为液压执行机构模型框图。

图5为水轮机模型框图。

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。

针对现有方法的不足，本发明提出了一种水轮机调速器控制方法，为孤立运行的高比例水电系统中水电机组同时兼顾超低频振荡抑制和调频性能提供了技术手段。

实施例1

如图1-4所示，水轮机调速器控制方法具体包括以下步骤：

1)收集信息

以四川某大型水电机组为例，机组额定有功出力600MW，机组正常工作水头范围，包括最大和最小水头114.3m和181.7m，调速器模型和参数已实测，实测水锤效应时间常数

实测

时机组的出力470MW和工作水头H₀＝177m，该机组在上游不同水位下振动区如下表所示，取不同水位下振动区下限值的最大值作为机组出力的分段制，即P_zmin＝350M W。

序号	上游水位	振动区间一	振动区间二	最大负荷
					1	795.1米	20MW～130MW	200MW～330MW	420MW
2	800.3米		210MW～340MW	440MW
					3	811.0米		250MW～380MW	490MW
4	819.4米		270MW～410MW	540MW
					5	830.5米		300MW～440MW	590MW
6	846.7米	20MW～210MW	350MW～490MW	600MW

2)计算机组在不同水头下出力为额定功率P_r时的水锤效应时间常数范围：

最大水锤效应时间常数：

最小水锤效应时间常数：

3)根据水锤变化系数对水头进行分段：

3-1)计算水锤变化系数：

3-2)确定分段间隔b＝0.5；

3-3)由于a＝2.4＞1+b＝1.5，需要对水头进行分段，将[1,a]平均分为3段，每段区间长度小于b＝0.5，则每段分别为：[1,1.47]、[1.47,1.94]、[1.94,2.4]，对应的水头区间分别为[114.3,138.3]，[138.3,158.9]，[158.9,181.7]。

4)根据收资，不同水位下振动区下限值的最大值P_zmin＝350MW，以此对发电机出力进行分段，即：[0,350]、[350,600]。

5)根据步骤3和4得到的3个水头区间和2个发电机出力区间按照排列组合的方式对调速器参数进行整定，可得到6组调速器参数，每组参数在进行调速器参数整定时，考虑水头区间的下限和发电机出力区间的上限。

6)建立调速器的模型，通过仿真分析，对步骤5中每组需要整定的调速器参数进行整定，在确保调速器在0.01～0.1Hz的超低频段提供正阻尼的前提下，尽可能的增大PID参数，从而得到对应的调速器PID参数表。

6-1)根据附图2、3、4所示的调速器模型，可得到调速系统的传递函数G_调速如下：

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_PID为PID控制器输出开度值。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。

根据附图5所示的水轮机模型，可到水轮机的传递函数G_水轮机如下：

其中，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，

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

6-2)得到原动机输出机械功率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，即由调速器和原动机组织系统的开环传递函数，可表示为下式：

6-3)将s＝jω＝j2πf代入式(3)获得的开环传递函数可计算出调速器和原动机系统在各频率下的阻尼系数，在确保调速系统在超低频段0.01Hz～0.1Hz内提供正阻尼的前提下，尽可能增大调速器PID参数。

6-4)在实际操作过程中，为保持系统稳定性，可直接设置微分环节常数K_d为0，并保持比例环节常数与积分环节常数比值K_p/K_i>5。

根据上述条件，可以得到调速器PID参数表为：

7)将水轮机工作的水头和出力信号引入调速器，修改调速器控制逻辑，使得调速器可根据水轮机工作水头和出力水平，自动选择对应PID控制参数。

总之，该发明给出了一种考虑时变水锤效应的调速器控制方法，为在满足调速器阻尼水平以抑制超低频振荡的条件下，尽可能的兼顾一次调频性能提供了技术手段，具有很强的可实施性。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义，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 (6)

1.一种水轮机调速器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)收集信息；

2)计算机组在不同水头下出力为额定功率P_r时的水锤效应时间常数范围；

3)根据水锤变化系数对水头进行分段；

4)根据水轮发电机振动区间，将发电机出力分为两个区间，区间1为振动区以下，区间2为振动区以上；

5)根据步骤3和4得到的t个水头区间和2个发电机出力区间按照排列组合的方式对调速器参数进行整定，可得到2t组调速器参数，每组参数在进行调速器参数整定时，考虑水头区间的下限和发电机出力区间的上限；

6)建立调速器的模型，通过仿真分析，对步骤5中每组需要整定的调速器参数进行整定；

7)将水轮机工作的水头和出力信号引入调速器，修改调速器控制逻辑，使得调速器可根据水轮机工作水头和出力水平，选择对应PID控制参数；

所述收集信息具体为：

(1)收集发电机组额定功率P_r；

(2)机组不同水位下振动区间下限的最大值P_zmin；

(3)机组正常工作水头范围，包括最大水头H_max和最小水头H_min；

(4)在收集信息时，若调速器模型和参数已实测，则收集实测水锤效应时间常数

以及实测

时机组的出力P₀和工作水头H₀；

水锤效应时间常数范围为

最大水锤效应时间常数：

最小水锤效应时间常数：

2.根据权利要求1所述的水轮机调速器控制方法，其特征在于，发动机出力区间中，区间1为[0，P_zmin]；区间2为[P_zmin,P_r]。

3.根据权利要求1所述的水轮机调速器控制方法，其特征在于，收集信息时，若调速器模型和参数未实测，则应在开展调速器模型参数实测试验，获得一组调速器PID参数，并得到可准确模拟调速器特性的仿真模型和参数。

4.根据权利要求1所述的水轮机调速器控制方法，其特征在于，

步骤3)根据水锤变化系数对水头进行分段具体为：

3-1)计算水锤变化系数：

3-2)确定分段间隔b，b≤1；

3-3)若a≤1+b，则不需要对水头进行分段处理；

3-4)若a＞1+b，则需要对水头进行分段，按照分k＝2，3，4，…，p，段的方式对区间[1，a]进行平均分段，确保每段区间长度小于等于b，设第i个区间为[m,n]，则要求n-m≤b，对应的水头区间为

假设得到的分段数为t。

5.根据权利要求1所述的水轮机调速器控制方法，其特征在于，步骤6)具体包括：

6-1)根据所建立的模型，分别得到调速系统、水轮机的开环传递函数G_调速、G_水轮机；

6-2)得到原动机输出机械功率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，即由调速器和原动机组织系统的开环传递函数，表示为下式：

6-3)将s＝jω＝j2πf代入式(1)获得的开环传递函数可计算出调速器和原动机系统在各频率下的阻尼系数，在确保调速系统在超低频段0.01Hz～0.1Hz内提供正阻尼的前提下，尽可能增大调速器PID参数。

6.根据权利要求4所述的水轮机调速器控制方法，其特征在于，步骤6)还包括：

6-4)在实际操作过程中，为保持系统稳定性，设置微分环节常数K_d为0，设置积分环节常数K_p为一固定值，固定值取值范围为3～5，通过调整积分时间常数K_i，并保持比例环节常数与积分环节常数比值K_p/K_i>5。

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