CN109904863B - 一种附加阻尼控制器、水轮机调速器及水轮机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种附加阻尼控制器、水轮机调速器及水轮机控制系统，所述附加阻尼控制器与水轮机调速器配合使用；所述附加阻尼控制器的输入为调速器的输入量；所述附加阻尼控制器的输出作为调速器的控制器输出叠加值；在所述水轮机调速器附加阻尼控制器的输入、输出之间，设置有相互串联的低通滤波器、隔直环节、多个相位补偿环节、增益调节环节。在此基础上，还构建了水轮机调速器及水轮机控制系统。通过本发明，使得系统超低频振荡得到了有效抑制，小干扰稳定性得到提升。

Description

一种附加阻尼控制器、水轮机调速器及水轮机控制系统

技术领域

本发明涉及控制领域，尤其涉及一种附加阻尼控制器、水轮机调速器及水轮机控制系统。

背景技术

传统的低频振荡是指振荡频率在0.1～2.5Hz，由于系统阻尼不足引发的发电机转子之间的相对振荡，可采用小干扰稳定的分析方法进行研究。但近年来，在水电机组占比较高的直流送出系统中陆续出现振荡频率低于0.1Hz的超低频率振荡现象。2016年3月，南方电网在进行云南异步联网试验时，出现持续时间25min，周期为20s的频率振荡[5]。当超低频振荡发生时，系统内所有发电机转速同调变化，现有分析方法均无法准确定位超低频振荡扰动源。同时研究发现当渝鄂背靠背柔直工程投入运行后，川渝电网将与华中电网实现异步联网，与云南电网情况十分类似，川渝电网也存在发生超低频振荡的风险。

对此，本发明设计了一种阻尼控制器，基于附加阻尼控制器，构建了新型的水轮机调速器，实现了对水轮机调速器的相位补偿。

在此基础上，引入了水轮机的模型，搭建了整个水轮机控制系统，并给出了水轮机模型的构建方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种附加阻尼控制器，所述附加阻尼控制器与水轮机调速器配合使用；所述附加阻尼控制器的输入为调速器的输入量；所述附加阻尼控制器的输出作为调速器的控制器输出叠加值；在所述水轮机调速器附加阻尼控制器的输入、输出之间，设置有相互串联的低通滤波器、隔直环节、多个相位补偿环节、增益调节环节。

作为本发明的优选设计，所述低通滤波器的结构为：

所述隔直环节的结构为：

所述相位补偿环节的结构为：

所述增益调节环节为K；所述相位补偿环节为3个。

作为本发明的优选设计，本发明还涉及到一种水轮机调速器，包含调速器和附加阻尼控制器；

所述调速器的输入、输出之间，设置依次串联的PI环节、机械系统，

所述PI环节为相并联的比例环节、积分环节，所述比例环节的输出、积分环节的输出、附加阻尼控制器的输出进行正叠加，产生控制叠加信号，作用于机械系统；

所述控制叠加信号作为负反馈信号，与调速器的输入量相叠加。

作为本发明的优选设计，所述的附加阻尼控制器如前所述。

作为本发明的优选设计，所述比例环节的结构为K_p，所述积分环节的结构为K_I/s，所述调差环节的结构为B_p，所述机械系统的结构为

本发明还涉及一种水轮机控制系统，其特征在于，所述水轮机控制系统包含水轮机控制器，以及系统模型，所述水轮机控制器、系统模型依次连接；

所述水轮机控制器为如前所述的水轮机控制器。

所述系统模型的辨识方法包括如下步骤：

SS1：采集稳态运行时系统频率信号x₁(n)，同一采样时间范围内，在发电机调速器施加功率低幅值阶跃扰动后，采集系统频率信号x₂(n)；

SS2：确定待辨识信号x(n)，x(n)＝x₂(n)-x₁(n)，将x(n)表示为：

式中，T_s为采样周期，P的取值为信号实际含有的实正弦分量个数的2倍，c_k＝a_ke^{j θk}，其中，a_k、θ_k、σ_k、ω_k、分别为第k个振荡模式的幅值、相位、衰减因子和角频率，w(n)为白噪声；

SS3：构建Hankel矩阵：

式中，L>P，M>P，L+M-1＝N；

SS4：奇异值分解Hankel矩阵：

X＝UΛV^H

将矩阵X的奇异值作为对角元素照大小排列形成对角阵Λ，将矩阵V按奇异值的大小划分成信号子空间V_S和噪声子空间V_N，上标H表示共轭转置；

令V₁为V_s去掉最后一行得到的矩阵、V2为Vs去掉第一行得到的矩阵，将[V1、V2]构成的矩阵进行特征值分解，[V1][V2]＝QΛR^T，将R分成四个P×P的矩阵

计算R₁₂R^-1 ₂₂的特征根λ_K(k＝1,2,…，P)，从而可知信号中各分量的频率、衰减因子和阻尼比分别为：

SS5：采用最小二乘法计算出幅值和初始相位，得到阶跃扰动下系统时域表达式，进而求得系统低阶线性化模型G(s)。

作为本发明的优选涉及，所述SS5的具体实现方法为：

考察N点采样信号，有：

Y＝λC

式中，

Y＝[x(0),x(1),…,x(N-1)]^T

C＝[c₁,c₂,…,c_p]^T

用最小二乘法求解可得

C＝(λ^Hλ)^-1λ^HY

从而，信号中各个分量的幅值和相位分别为

a_jk＝2|c_jk|

θ_jk＝argc_jk。

再据此获取系统低阶线性化模型G(s)。

本发明的有益效果在于：通过本发明，阻尼比从-0.003提高到0.325，系统超低频振荡得到了有效抑制，小干扰稳定性得到提升。

附图说明

图1是调速器和附加阻尼控制器框图；

图2是有无附加阻尼控制器发电机调速器和原动机传递函数伯德图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提出一种附加阻尼控制器，所述附加阻尼控制器与水轮机调速器配合使用；所述附加阻尼控制器的输入为调速器的输入量；所述附加阻尼控制器的输出作为调速器的控制器输出叠加值；在所述水轮机调速器附加阻尼控制器的输入、输出之间，设置有相互串联的低通滤波器、隔直环节、多个相位补偿环节、增益调节环节。

作为本发明的优选设计，所述低通滤波器的结构为：

所述隔直环节的结构为：

所述相位补偿环节的结构为：

所述增益调节环节为K；所述相位补偿环节为3个。

作为本发明的优选设计，本发明还涉及到一种水轮机调速器，包含调速器和附加阻尼控制器；

所述调速器的输入、输出之间，设置依次串联的PI环节、机械系统，

所述PI环节为相并联的比例环节、积分环节，所述比例环节的输出、积分环节的输出、附加阻尼控制器的输出进行正叠加，产生控制叠加信号，作用于机械系统；

所述控制叠加信号作为负反馈信号，与调速器的输入量相叠加。

作为本发明的优选设计，所述的附加阻尼控制器如前所述。

作为本发明的优选设计，所述比例环节的结构为K_p，所述积分环节的结构为K_I/s，所述调差环节的结构为B_p，所述机械系统的结构为

本发明还涉及一种水轮机控制系统，其特征在于，所述水轮机控制系统包含水轮机控制器，以及系统模型，所述水轮机控制器、系统模型依次连接；

所述水轮机控制器为如前所述的水轮机控制器。

所述系统模型的辨识方法包括如下步骤：

SS1：采集稳态运行时系统频率信号x₁(n)，同一采样时间范围内，在发电机调速器施加功率低幅值阶跃扰动后，采集系统频率信号x₂(n)；

SS2：确定待辨识信号x(n)，x(n)＝x₂(n)-x₁(n)，将x(n)表示为：

式中，T_s为采样周期，P的取值为信号实际含有的实正弦分量个数的2倍，c_k＝a_ke^{j θk}，其中，a_k、θ_k、σ_k、ω_k、分别为第k个振荡模式的幅值、相位、衰减因子和角频率，w(n)为白噪声；

SS3：构建Hankel矩阵：

式中，L>P，M>P，L+M-1＝N；

SS4：奇异值分解Hankel矩阵：

X＝UΛV^H

将矩阵X的奇异值作为对角元素照大小排列形成对角阵Λ，将矩阵V按奇异值的大小划分成信号子空间V_S和噪声子空间V_N，上标H表示共轭转置；

令V₁为V_s去掉最后一行得到的矩阵、V2为Vs去掉第一行得到的矩阵，将[V1、V2]构成的矩阵进行特征值分解，[V1][V2]＝QΛR^T，将R分成四个P×P的矩阵

计算R₁₂R-¹ ₂₂的特征根λ_K(k＝1,2,…，P)，从而可知信号中各分量的频率、衰减因子和阻尼比分别为：

SS5：采用最小二乘法计算出幅值和初始相位，得到阶跃扰动下系统时域表达式，进而求得系统低阶线性化模型G(s)。

作为本发明的优选涉及，所述SS5的具体实现方法为：

考察N点采样信号，有：

Y＝λC

式中，

Y＝[x(0),x(1),…,x(N-1)]^T

C＝[c₁,c₂,…,c_p]^T

用最小二乘法求解可得

C＝(λ^Hλ)-¹λ^HY

从而，信号中各个分量的幅值和相位分别为

a_jk＝2|c_jk|

θ_jk＝argc_jk。

再据此获取系统低阶线性化模型G(s)。

以G1发电机为例，分析附加阻尼控制器对机械转矩△TMhydro与系统频率-△ω的相角差θ的影响，画出G1发电机附加阻尼控制器、调速器和原动机传递函数伯德图，如图2所示。

当G1发电机装设附加阻尼控制器后，在超低频振荡模态0.064Hz下相角差θ减小了52°，此时G1发电机为系统提供正阻尼。系统超低频振荡得到了有效抑制，小干扰稳定性得到提升，验证了所提方法的有效性。

需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种水轮机控制系统，其特征在于，所述水轮机控制系统包含水轮机控制器，以及系统模型，所述水轮机控制器、系统模型依次连接；

所述系统模型包含网络中的所有水轮机，系统模型的输入为扰动源水轮机的输入信号，输出为输入电网的频率信号；

所述系统模型执行的一种辨识方法包括如下步骤：

SS1：采集稳态运行时系统频率信号x₁(n)，同一采样时间范围内，在发电机调速器施加功率低幅值阶跃扰动后，采集系统频率信号x₂(n)；

SS2：确定待辨识信号x(n)，x(n)＝x₂(n)-x₁(n)，将x(n)表示为：

式中，T_s为采样周期，P的取值为信号实际含有的实正弦分量个数的2倍，c_k＝a_ke^jθk，其中，a_k、θ_k、σ_k、ω_k、分别为第k个振荡模式的幅值、相位、衰减因子和角频率，w(n)为白噪声；

SS3：构建Hankel矩阵：

式中，L>P，M>P，L+M-1＝N；

SS4：奇异值分解Hankel矩阵：

X＝UΛV^H

将矩阵X的奇异值作为对角元素照大小排列形成对角阵Λ，将矩阵V按奇异值的大小划分成信号子空间V_S和噪声子空间V_N，上标H表示共轭转置；

令V₁为V_s去掉最后一行得到的矩阵、V2为Vs去掉第一行得到的矩阵，将[V1、V2]构成的矩阵进行特征值分解，[V1][V2]＝QΛR^T，将R分成四个P×P的矩阵

计算R₁₂R^-1 ₂₂的特征根λ_K(k＝1,2,…，P)，从而可知信号中各分量的频率、衰减因子和阻尼比分别为：

SS5：采用最小二乘法计算出幅值和初始相位，得到阶跃扰动下系统时域表达式，进而求得系统低阶线性化模型G(s)。

2.一种如权利要求1所述的水轮机控制系统，其特征在于，所述SS5的具体实现方法为：考察N点采样信号，有：

Y＝λC

式中，

Y＝[x(0),x(1),…,x(N-1)]^T

C＝[c₁,c₂,…,c_p]^T

用最小二乘法求解可得

C＝(λ^Hλ)^-1λ^HY

再据此获取系统低阶线性化模型G(s)。

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