CN110492483A - 一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置方法和系统，针对含有“死区‑PID控制器‑限幅”环节的一次调频模型，所述配置方法包括以下步骤：用描述函数表示非线性环节；确定非线性环节增益；根据改进的Nyquist判据，确定单一非线性环节及“死区‑PID控制器‑限幅”环节具体参数的稳定范围。本申请为实际应用中一次调频死区限幅环节参数设置提供了一种参考方案，同时本申请改进的Nyquist判据以曲线代替原有的单个特征点，相比于传统的Nyquist判据，可以更好的反应非线性环节内在结构对系统稳定的影响。

Description

一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置方法和系统
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，涉及一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置方法和系统。
背景技术
对于现有的电力系统一次调频过程，参数模型中存在着一些关键的非线性环节，在西南电网抑制超低频振荡调速器优化改造后，降低了其参与电网频率调节的能力，电网频率波动幅度及频率限制增加，频率翻越一次调频调节死区、限幅次数增多，非线性环节影响凸显，以往的线性系统分析方法难以进行有效分析。
目前，对于工程实际中的死区，限幅环节的参数选择主要根据运行人员的现场经验设置，随着对系统一次调频调节量的深入挖掘，亟需通过一种有效地参数确定方法进行细致的研究。
近年来，针对死区等非线性环节的研究逐渐增多。参考文献“单机等值系统调速器死区对频率振荡的影响”基于系统的单机等值模型，采用描述函数法研究了3种不同调速器死区对频率振荡的影响，从理论上分析并总结了单机系统中死区影响频率振荡的规律，为多机系统中分析死区对频率振荡的影响提供基础。参考文献“光伏电站参与大电网一次调频的控制增益研究”建立光伏电站接入前(纯常规电源)、接入后系统的调频控制分析模型，考虑模型中的非线性环节，运用基于描述函数的非线性奈奎斯特稳定性判据分别分析光伏电站接入前、接入后调频控制增益的稳定范围。但对于多机系统下，多非线性环节在同一通道上的参数确定方法仍有待研究。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请基于典型的一次调频环节，提供了一种单机系统下，具有多非线性环节的参数确定方法，为工程实际的参数选择提供了一种参考。
为了实现上述目标，本申请的第一件发明采用如下技术方案：
一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置方法，针对含有“死区-PID控制器-限幅”环节的一次调频模型，所述配置方法包括以下步骤：
步骤1：用描述函数表示非线性环节；
步骤2：确定非线性环节增益；
步骤3：根据改进的Nyquist判据，确定单一非线性环节及“死区-PID控制器-限幅”环节具体参数的稳定范围。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，步骤2所述确定非线性环节增益，具体为：
针对死区环节，根据死区环节输入幅值Ai，得到对应的死区环节增益N(Ai，a)；
针对限幅环节，根据同一通道上限幅环节的输入量幅值Bi，得到对应的限幅环节增益N(Bi,b)；
其中，a和b分别为死区环节和限幅环节的设定值；
对于确定的死区环节设定值a，确定唯一一组N(Ai)值。
优选地，所述死区环节输入幅值Ai根据一次调频调节范围选择，为正弦信号幅值；
所述同一通道上限幅环节的输入量幅值Bi，根据幅值的等效替代，Bi由Ai以及PID控制器参数表示，从而含有同一输入下的非线性环节增益为N(Ai,a,b)。
优选地，步骤3所述改进的Nyquist判据具体为：
根据系统特征方程，将非线性环节特性曲线替代Nyquist判据中关键的点(-1，0)来进行稳定性判断。
优选地，步骤3所述根据改进的Nyquist判据，确定单一非线性环节具体参数的稳定范围，具体为：
绘制相应的G(s)与非线性环节特性曲线，由临界稳定点求出非线性环节增益临界稳定值；
根据非线性环节的描述函数进一步确定具体参数的稳定范围。
优选地，步骤3所述根据改进的Nyquist判据，确定“死区-PID控制器-限幅”环节具体参数的稳定范围，具体为：
绘制相应的G(s)与-1/N(Ai，a，b)曲线，由临界稳定点求出含有同一输入下的非线性环节增益N(Ai，a，b)的稳定范围；
分别代回求解死区环节和限幅环节的描述函数，以及由Ai和PID控制器参数表示的Bi公式，确定其各自参数稳定域。
优选地，所述含有“死区-PID控制器-限幅”环节的一次调频模型包括水电、火电和直流FC一次调频模型。
本申请还公开了另一件发明，即一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置系统，针对含有“死区-PID控制器-限幅”环节的一次调频模型，所述配置系统包括非线性环节表示单元、非线性环节增益确定单元和参数稳定范围确定单元；
所述非线性环节表示单元，用于用描述函数表示非线性环节；
所述非线性环节增益确定单元，用于确定非线性环节增益；
所述参数稳定范围确定单元包括单一非线性环节参数稳定范围确定单元和“死区-PID控制器-限幅”环节参数稳定范围确定单元，分别用于根据改进的Nyquist判据，确定单一非线性环节及“死区-PID控制器-限幅”环节具体参数的稳定范围。
优选地，所述非线性环节增益确定单元包括死区环节增益确定单元和限幅环节增益确定单元；
所述死区环节增益确定单元，用于针对死区环节，根据死区环节输入幅值Ai，得到对应的死区环节增益N(Ai，a)；
所述限幅环节增益确定单元，用于针对限幅环节，根据同一通道上限幅环节的输入量幅值Bi，得到对应的限幅环节增益N(Bi,b)；
其中，a和b分别为死区环节和限幅环节的设定值；
对于确定的死区环节设定值a，确定唯一一组N(Ai)值。
优选地，所述死区环节输入幅值Ai根据一次调频调节范围选择，为正弦信号幅值；
所述同一通道上限幅环节的输入量幅值Bi，根据幅值的等效替代，Bi由Ai以及PID控制器参数表示，从而含有同一输入下的非线性环节增益为N(Ai,a,b)。
优选地，所述改进的Nyquist判据通过将系统特征方程所表示的非线性环节特性曲线替代Nyquist判据中关键的点(-1，0)进行稳定性判断。
优选地，所述单一非线性环节参数稳定范围确定单元包括单一非线性环节绘制单元和单一非线性环节确定单元；
所述单一非线性环节绘制单元，用于绘制相应的G(s)与非线性环节特性曲线，由临界稳定点求出非线性环节增益临界稳定值；
所述单一非线性环节确定单元，用于根据非线性环节的描述函数进一步确定具体参数的稳定范围。
优选地，所述“死区-PID控制器-限幅”环节参数稳定范围确定单元包括“死区-PID控制器-限幅”环节绘制单元和“死区-PID控制器-限幅”环节确定单元；
所述“死区-PID控制器-限幅”环节绘制单元，用于绘制相应的G(s)与-1/N(Ai，a，b)曲线，由临界稳定点求出含有同一输入下的非线性环节增益N(Ai，a，b)的稳定范围；
所述“死区-PID控制器-限幅”环节确定单元，用于分别代回求解死区环节和限幅环节的描述函数，以及由Ai和PID控制器参数表示的Bi公式，确定其各自参数稳定域。
优选地，所述含有“死区-PID控制器-限幅”环节的一次调频模型包括水电、火电和直流FC一次调频模型。
本申请所达到的有益效果：
本申请为实际应用中一次调频死区限幅环节参数设置提供了一种参考方案，同时本申请改进的Nyquist判据以曲线代替原有的单个特征点，相比于传统的Nyquist判据，可以更好的反应非线性环节内在结构对系统稳定的影响。
附图说明
图1为本申请的一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置方法流程图；
图2为本申请实施例中水电一次调频模型框图；
图3为本申请实施例中应用描述函数的传递函数化简图；
图4为本申请改进的Nyquist判据判稳依据示例图；
图5为本申请实施例中G(s)与-1/N(Ai，a，b)的Nyquist图；
图6为本申请实施例中死区环节增益与输入量幅值Ai及死区环节设定值a的关系图；
图7为本申请实施例中死区与限幅等效增益与输入量幅值Ai及限幅环节设定值b的关系图；
图8为本申请的一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置系统的结构框图；
图9为本申请实施例中不同死区及限幅环节设定值下的频率响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
本申请的一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置方法，针对含有“死区-PID控制器-限幅”环节的一次调频模型(例如水电、火电和直流FC一次调频模型)。
以下以常规的水电一次调频为例进行实施例说明，常规的水电一次调频模型框图如图2所示。其中，传递函数主通道为一单机系统模型，Heq为发电机组的惯性时间常数，Deq为发电机组的阻尼系数,KL为负荷的自调节系数。反馈回路依次为死区环节、PID控制器包括比例环节系数Kp，微分环节系数Kd及时间常数TD,积分环节系数Ki,以及调差系数Bp、限幅环节、伺服机时间常数TG及水轮机水锤效应系数Tw等；主要变量包括死区环节门槛值a,限幅环节最大输出限制b。
所述配置方法包括以下步骤：
步骤1：用描述函数表示非线性环节；
实施例中，对死区及限幅环节应用描述函数，死区的描述函数表示为
限幅环节的描述函数为：
其中A，B分别为死区，限幅环节的输入量，a，b分别对应死区，限幅环节的设定值。
对上述模型框图进行传递函数变换简化，如图3所示。其中，非线性环节表示为：G1＝N(A)GPIDM(B)；线性环节传递函数表示为：G2＝G电网G水轮机G伺服。
步骤2：确定非线性环节增益，具体为：
针对死区环节，根据死区环节输入幅值Ai，得到对应的死区环节增益N(Ai，a)；
针对限幅环节，根据同一通道上限幅环节的输入量幅值Bi，得到对应的限幅环节增益N(Bi,b)；
其中，a和b分别为死区环节和限幅环节的设定值；
对于确定的死区环节设定值a，确定唯一一组N(Ai)值。
实施例中，所述死区环节输入幅值Ai根据一次调频调节范围选择，为正弦信号幅值；根据电网一次调频规程，大电网频率变化不超过±0.2，本实施例选取一次调频的频率变化范围为0-0.02Hz，死区的输入信号是幅值Ai的一组等差变化值。
所述同一通道上限幅环节的输入量幅值Bi，根据幅值的等效替代，Bi由Ai以及PID控制器参数表示，从而含有同一输入下的非线性环节增益为N(Ai,a,b)。
步骤3：根据改进的Nyquist判据，确定单一非线性环节及“死区-PID控制器-限幅”环节具体参数的稳定范围；
实施例中，步骤3所述改进的Nyquist判据具体为：
根据系统特征方程，将非线性环节特性曲线替代Nyquist判据中关键的点(-1，0)来进行稳定性判断。
根据图4，-1/N(A)曲线在G(s)包围之外为系统稳定反之失稳，若产生交点为临界稳定点，表示由包围的不稳定区随参数变化过渡为稳定状态。
相比于传统的Nyquist判据，本申请以曲线代替原有的单个特征点可以更好的反应非线性环节内在结构对系统稳定的影响。
实施例中，根据改进的Nyquist判据，确定单一非线性环节具体参数的稳定范围，具体为：
绘制相应的G(s)与非线性环节特性曲线，由临界稳定点求出非线性环节增益临界稳定值；
根据非线性环节的描述函数进一步确定具体参数的稳定范围。
例如，只考虑死区环节可得到对应的N(Ai，a)集合；
选取一次调频参数的一组典型值，参数选择如下：2Heq＝8；Bp＝0.04；Kp＝4；Ki＝0.4；Kd＝0.3；Tw＝3；
绘制相应的G(s)与-1/N(Ai，a)曲线，由临界稳定点求出单一死区环节下N(Ai，a)临界稳定值；
根据死区环节的描述函数进一步确定Ai及a的稳定边界和对应的参数稳定范围，即参照公式(1)中死区设定值a与等效增益N(Ai，a)的关系，进一步确定Ai及a的稳定边界和对应的参数稳定范围，如图6。
实施例中，根据改进的Nyquist判据，确定“死区-PID控制器-限幅”环节具体参数的稳定范围，具体为：
绘制相应的G(s)与-1/N(Ai，a，b)曲线，如图5所示，由临界稳定点(图5中的交点)求出含有同一输入下的非线性环节增益N(Ai，a，b)的稳定范围；
分别代回求解死区环节和限幅环节的描述函数，以及由Ai和PID控制器参数表示的Bi公式，确定其各自参数稳定域。
实施例中，对于“死区-PID控制器-限幅”环节，其死区与限幅环节中间存在一个PID控制器，可以通过幅值的等效替代，将限幅环节的输入Bi与死区环节输入Ai联系起来。
限幅环节的输入Bi用死区环节输入Ai表示的表达式为：
单一的非线性环节用描述函数表示，通过幅值等效可以对死区，限幅环节的增益合并表示为N(Ai,a)N(Bi,b)，其中Bi与Ai存在公式(3)的转换关系式，即含有同一输入下的非线性环节增益为N(Ai,a,b)。
对于确定的死区设定值a，由公式(1)中N(A)与a关系可唯一确定一组N(Ai)值；同时根据上述单一非线性环节的参数范围确定方法，及公式(2)中N(B)与b关系，可确定出Bi与b为变量下的N(Bi，b)曲面；
根据公式(3)，可确定N(Bi，b)转换为N(Ai,b)后，频率偏差输入Ai与限幅设定值b的函数关系，如图7所示；
最后根据图5，可确定N(Ai，a，b)的稳定范围，分别由公式(1)、(2)、(3)代回原方程求解，可确定其各自参数稳定域。
如图8所示，本申请的一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置系统，针对含有“死区-PID控制器-限幅”环节的一次调频模型(包括水电、火电和直流FC一次调频模型)，所述配置系统包括非线性环节表示单元、非线性环节增益确定单元和参数稳定范围确定单元；
所述非线性环节表示单元，用于用描述函数表示非线性环节；
所述非线性环节增益确定单元，用于确定非线性环节增益；
实施例中，所述非线性环节增益确定单元包括死区环节增益确定单元和限幅环节增益确定单元；
所述死区环节增益确定单元，用于针对死区环节，根据死区环节输入幅值Ai，得到对应的死区环节增益N(Ai，a)；
所述限幅环节增益确定单元，用于针对限幅环节，根据同一通道上限幅环节的输入量幅值Bi，得到对应的限幅环节增益N(Bi,b)；
其中，a和b分别为死区环节和限幅环节的设定值；
对于确定的死区环节设定值a，确定唯一一组N(Ai)值。
所述死区环节输入幅值Ai根据一次调频调节范围选择，为正弦信号幅值；
所述同一通道上限幅环节的输入量幅值Bi，根据幅值的等效替代，Bi由Ai以及PID控制器参数表示，从而含有同一输入下的非线性环节增益为N(Ai,a,b)。
所述参数稳定范围确定单元包括单一非线性环节参数稳定范围确定单元和“死区-PID控制器-限幅”环节参数稳定范围确定单元，分别用于根据改进的Nyquist判据，确定单一非线性环节及“死区-PID控制器-限幅”环节具体参数的稳定范围。
实施例中，所述改进的Nyquist判据通过将系统特征方程所表示的非线性环节特性曲线替代Nyquist判据中关键的点(-1，0)进行稳定性判断。
所述单一非线性环节参数稳定范围确定单元包括单一非线性环节绘制单元和单一非线性环节确定单元；
所述单一非线性环节绘制单元，用于绘制相应的G(s)与非线性环节特性曲线，由临界稳定点求出非线性环节增益临界稳定值；
所述单一非线性环节确定单元，用于根据非线性环节的描述函数进一步确定具体参数的稳定范围。
所述“死区-PID控制器-限幅”环节参数稳定范围确定单元包括“死区-PID控制器-限幅”环节绘制单元和“死区-PID控制器-限幅”环节确定单元；
所述“死区-PID控制器-限幅”环节绘制单元，用于绘制相应的G(s)与-1/N(Ai，a，b)曲线，由临界稳定点求出含有同一输入下的非线性环节增益N(Ai，a，b)的稳定范围；
所述“死区-PID控制器-限幅”环节确定单元，用于分别代回求解死区环节和限幅环节的描述函数，以及由Ai和PID控制器参数表示的Bi公式，确定其各自参数稳定域。
在Matlab中搭建模型，可验证本申请的正确性。参数选择如下：2Heq＝8；Bp＝0.04；Kp＝4；Ki＝0.4；Kd＝0.3；Tw＝3；非线性环节参数组1：a1＝0.02；b1＝0.1；参数组2：a2＝0.015；b2＝0.2；参数组3：a3＝0.015；b3＝0.1。其中参数组1选择参数稳定域内参数，参数组2,3为临界稳定边界参数。
图9给出三组不同死区限幅设置值下频率响应曲线。其中参数组1选择参数稳定域内参数，参数组2,3为临界稳定边界参数。
仿真结果显示在一次调频频率调节范围内，随着输入量的幅值增加，死区的正向增加而限幅的反向减小，可以降低系统中非线性环节的等效增益，进而提高系统的稳定性。而参数组2,3为临界稳定边界参数，最终系统会趋向于零阻尼振荡。与理论部分相符。
综上，本申请为实际应用中一次调频死区限幅环节参数设置提供了一种参考方案，同时根据MATlab/Simulink建立了详细的水电模型并进行了相应的仿真验证。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置方法，针对含有“死区-PID控制器-限幅”环节的一次调频模型，其中，含有“死区-PID控制器-限幅”环节的一次调频模型包括水电、火电和直流FC一次调频模型；其特征在于：
所述配置方法包括以下步骤：
步骤1：用描述函数表示非线性环节；
步骤2：确定非线性环节增益；
步骤3：根据改进的Nyquist判据，确定单一非线性环节及“死区-PID控制器-限幅”环节具体参数的稳定范围。
2.根据权利要求1所述的一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置方法，其特征在于：
步骤2所述确定非线性环节增益，具体为：
针对死区环节，根据死区环节输入幅值Ai，得到对应的死区环节增益N(Ai，a)；
针对限幅环节，根据同一通道上限幅环节的输入量幅值Bi，得到对应的限幅环节增益N(Bi,b)；
其中，a和b分别为死区环节和限幅环节的设定值；
对于确定的死区环节设定值a，确定唯一一组N(Ai)值。
3.根据权利要求2所述的一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置方法，其特征在于：
所述死区环节输入幅值Ai根据一次调频调节范围选择，为正弦信号幅值；
所述同一通道上限幅环节的输入量幅值Bi，根据幅值的等效替代，Bi由Ai以及PID控制器参数表示，从而含有同一输入下的非线性环节增益为N(Ai,a,b)。
4.根据权利要求1所述的一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置方法，其特征在于：
步骤3所述改进的Nyquist判据具体为：
根据系统特征方程，将非线性环节特性曲线替代Nyquist判据中关键的点(-1，0)来进行稳定性判断；
所述根据改进的Nyquist判据，确定单一非线性环节具体参数的稳定范围，具体为：
绘制相应的G(s)与非线性环节特性曲线，由临界稳定点求出非线性环节增益临界稳定值；
根据非线性环节的描述函数进一步确定具体参数的稳定范围。
5.根据权利要求4所述的一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置方法，其特征在于：
步骤3所述根据改进的Nyquist判据，确定“死区-PID控制器-限幅”环节具体参数的稳定范围，具体为：
绘制相应的G(s)与-1/N(Ai，a，b)曲线，由临界稳定点求出含有同一输入下的非线性环节增益N(Ai，a，b)的稳定范围；
分别代回求解死区环节和限幅环节的描述函数，以及由Ai和PID控制器参数表示的Bi公式，确定其各自参数稳定域。
6.一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置系统，针对含有“死区-PID控制器-限幅”环节的一次调频模型，其特征在于：
所述配置系统包括非线性环节表示单元、非线性环节增益确定单元和参数稳定范围确定单元；
所述非线性环节表示单元，用于用描述函数表示非线性环节；
所述非线性环节增益确定单元，用于确定非线性环节增益；
所述参数稳定范围确定单元包括单一非线性环节参数稳定范围确定单元和“死区-PID控制器-限幅”环节参数稳定范围确定单元，分别用于根据改进的Nyquist判据，确定单一非线性环节及“死区-PID控制器-限幅”环节具体参数的稳定范围。
7.根据权利要求6所述的一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置系统，其特征在于：
所述非线性环节增益确定单元包括死区环节增益确定单元和限幅环节增益确定单元；
所述死区环节增益确定单元，用于针对死区环节，根据死区环节输入幅值Ai，得到对应的死区环节增益N(Ai，a)；
所述限幅环节增益确定单元，用于针对限幅环节，根据同一通道上限幅环节的输入量幅值Bi，得到对应的限幅环节增益N(Bi,b)；
其中，a和b分别为死区环节和限幅环节的设定值；
对于确定的死区环节设定值a，确定唯一一组N(Ai)值；
所述死区环节输入幅值Ai根据一次调频调节范围选择，为正弦信号幅值；
所述同一通道上限幅环节的输入量幅值Bi，根据幅值的等效替代，Bi由Ai以及PID控制器参数表示，从而含有同一输入下的非线性环节增益为N(Ai,a,b)。
8.根据权利要求6所述的一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置系统，其特征在于：
所述改进的Nyquist判据通过将系统特征方程所表示的非线性环节特性曲线替代Nyquist判据中关键的点(-1，0)进行稳定性判断。
9.根据权利要求8所述的一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置系统，其特征在于：
所述单一非线性环节参数稳定范围确定单元包括单一非线性环节绘制单元和单一非线性环节确定单元；
所述单一非线性环节绘制单元，用于绘制相应的G(s)与非线性环节特性曲线，由临界稳定点求出非线性环节增益临界稳定值；
所述单一非线性环节确定单元，用于根据非线性环节的描述函数进一步确定具体参数的稳定范围。
10.根据权利要求8所述的一种一次调频反馈通道非线性环节参数配置系统，其特征在于：
所述“死区-PID控制器-限幅”环节参数稳定范围确定单元包括“死区-PID控制器-限幅”环节绘制单元和“死区-PID控制器-限幅”环节确定单元；
所述“死区-PID控制器-限幅”环节绘制单元，用于绘制相应的G(s)与-1/N(Ai，a，b)曲线，由临界稳定点求出含有同一输入下的非线性环节增益N(Ai，a，b)的稳定范围；
所述“死区-PID控制器-限幅”环节确定单元，用于分别代回求解死区环节和限幅环节的描述函数，以及由Ai和PID控制器参数表示的Bi公式，确定其各自参数稳定域。
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