CN111030136A - 一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法 - Google Patents

一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法 Download PDF

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张建新
蔡卫江
施鑫磊
施海东
赵勇
黄磊
邱建
吴云亮
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China Southern Power Grid Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法，涉及设计方法技术领域，包括以下步骤：S1，采集频率信号并计算得到频差作为GPSS控制通道的输入量；S2，接收频差信号并滤除高频干扰信号，输出超低频振荡控制信号；S3，隔离超低频振荡控制信号中的直流信号，输出交流信号；S4，进行交流信号的相位补偿并通过增益限幅输出GPSS输出信号；S5，由外部投退开关和上位机投退命令共同决定GPSS输出信号是否投入，若投入则将GPSS输出信号叠加至导叶开度给定，否则重复上述步骤，本发明理论上不增加现有机组的硬件成本只是控制策略的优化，故在目前大部分新型水电调速系统控制器上可以直接植入，实现对超低频振荡的抑制。

Description

一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法
技术领域
本发明涉及设计方法技术领域，特别涉及一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法。
背景技术
水轮机的调节是一个复杂的水机电综合控制系统，再加上调节过程中产生的“水锤效应”，大电机的强非线性及惯性环节影响，水力系统的非线性和非最小相移特性可能对电力系统形成负阻尼作用。当前电力系统中，由于特高压远距离输电以及异步联网方式的出现，四川云南水电比重的增加，以及电网一次调频考核要求带来的调速器参数过于灵敏，都为异步联网后系统的稳定运行埋下安全隐患，不时出现电网频率的超低频振荡。常规的PID调节已不能满足系统稳定控制的要求，必须探索新的控制方法满足电网结构变化带来的安全稳定问题。
电力系统稳定器(PSS)技术在电力系统发电机励磁装置上已获得了广泛应用，在抑制电力系统低频振荡(0.2Hz到2Hz)方面已取得了显著效果，目前已成为励磁装置的基本配置。参照励磁PSS技术发展起来的调速器GPSS技术，上世纪90年代国内外就有研究，但主要以火电机组调速器为主，且随着励磁PSS技术的普及而暂时停止了研究和应用。在水电机组调速器上的研究，由于调速器液压执行机构的速度限制，以及“水锤效应”反调的影响，并没有得到实际应用。近年来随着电网超低频振荡现象的出现(0.1Hz以下)，如2016年，云南电网异步联网实验时，网内产生了振荡频率为0.05Hz，持续25分钟的超低频振荡。2017年，锦苏直流孤岛实验期间，出现了振荡频率约为0.07Hz的超低频振荡，由于此类振荡频率较低，励磁PSS控制无法发挥作用，且此类振荡与水电站调速器的控制密切相关，本发明则从水轮机调速器的角度提出了一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法，旨在抑制此类超低频振荡对电网安全的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种抑制超低频振荡的水电机组调速器电力系统稳定器设计方法，解决了大型水电机组调速系统在电力系统受扰动情况下可能存在的负阻尼造成电网超低频振荡问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法，包括以下步骤：
S1，采集频率信号并计算得到频差作为GPSS控制通道的输入量；
S2，接收频差信号并滤除高频干扰信号，输出超低频振荡控制信号；
S3，隔离超低频振荡控制信号中的直流信号，输出交流信号；
S4，进行交流信号的相位补偿并通过增益限幅输出GPSS输出信号；
S5，由外部投退开关和上位机投退命令共同决定GPSS输出信号是否投入，若投入则将GPSS输出信号叠加至导叶开度给定，否则重复上述步骤。
优选地，所述S2中，采用低通滤波环节滤除高频干扰信号，所述低通滤波环节表示为：
Figure BDA0002302290960000021
其中TR1、TR2为低通滤波环节时间常数；m为滤波阶数；s为积分算子。
优选地，上述传递函数
Figure BDA0002302290960000022
写成差分的形式进行算法变换如下：
Figure BDA0002302290960000031
Figure BDA0002302290960000032
yΔt+Ty-Ty0＝xΔt
Figure BDA0002302290960000033
上式中，x为输入的频率偏差；y为经过低通滤波环节后的信号；T为时间常数；y0为初始值；Δt为采样周期。
优选地，所述S3中，采用隔直环节隔离超低频振荡信号中的直流信号，所述隔直环节表示为：
Figure BDA0002302290960000034
其中Tw1为隔直环节时间常数；s为积分算子。
优选地，上述传递函数
Figure BDA0002302290960000035
写成差分的形式进行算法变换如下：
Figure BDA0002302290960000036
Figure BDA0002302290960000037
yΔt+Ty-Ty0＝Tx-Tx0
Figure BDA0002302290960000038
上式中，x为频差经过低通滤波环节后的信号；y为频差经过低通滤波环节和隔直环节后的信号；T为时间常数；x0、y0为初始值；Δt为采样周期。
优选地，所述S4中，采用相位补偿环节一、相位补偿环节二进行交流信号的相位补偿，所述相位补偿环节一表示为：
Figure BDA0002302290960000039
所述相位补偿环节二表示为：
Figure BDA00023022909600000310
其中T1、T2是相位补偿环节一时间常数；T3、T4是相位补偿环节二时间常数；s为积分算子。
优选地，上述传递函数
Figure BDA0002302290960000041
写成差分的形式进行算法变换如下：
Figure BDA0002302290960000042
Figure BDA0002302290960000043
yΔt+T2y-T2y0＝xΔt+T1x-T1x0
Figure BDA0002302290960000044
上式中，x为频差经过低通滤波环节、隔直环节后的信号；y为频差经过低通滤波环节、隔直环节、相位补偿环节后的信号，T1、T2为时间常数；x0、y0为初始值，Δt为采样周期。
优选地，所述S4中，采用比例环节和限幅环节实现增益限幅，所述比例环节表示为KGPSS；所述限幅环节包括上限幅环节和下限幅环节依次表示为YGPSS_MAX和YGPSS_MIN。
优选地，还包括基本参数的选取方法，选取步骤如下：
建立GPSS控制通道的Simulink仿真控制框图；
对GPSS控制通道进行幅频特性曲线绘制；
根据典型振荡频率做时域分析，验证各个频段下GPSS控制通道的幅相补偿特性。
本发明的有益效果如下：
本发明理论上不增加现有机组的硬件成本只是控制策略的优化，故在目前大部分新型水电调速系统控制器上可以直接植入，实现对超低频振荡的抑制。
附图说明
图1为根据本发明实施例提供的一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法的流程图；
图2为根据本发明实施例提供的含GPSS附加阻尼控制的调速器框图；
图3为根据本发明实施例提供的GPSS附加阻尼控制框图；
图4为根据本发明实施例提供的参数表；
图5为图4基于参数1时域仿真波形；
图6为图4基于参数1频域仿真波形。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后…)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1、图3所示，是根据本发明实施例提供的一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法的流程图，具体包括如下步骤：
S1，采集频率信号并由微机控制器计算得到频差作为GPSS控制通道的输入量；
S2，接收频差信号并滤除高频干扰信号，输出超低频振荡控制信号；
S3，隔离超低频振荡控制信号中的直流信号，输出交流信号；
S4，进行交流信号的相位补偿并通过增益限幅输出GPSS输出信号；
S5，由外部投退开关和上位机投退命令共同决定GPSS输出信号是否投入，若投入则将GPSS输出信号叠加至导叶开度给定，否则重复上述步骤。
上述S2中，采用低通滤波环节滤除高频干扰信号，通过0.1Hz以下的超低频振荡信号，低通滤波环节表示为：
Figure BDA0002302290960000061
其中TR1、TR2为低通滤波环节时间常数；m为滤波阶数，一般m>2；s为积分算子，高阶低通滤波器组成。
上述S3中，采用隔直环节隔离超低频振荡信号中的直流信号，通过交流信号，隔直环节表示为：
Figure BDA0002302290960000062
其中Tw1为隔直环节时间常数；s为积分算子。
上述S4中，采用相位补偿环节一、相位补偿环节二进行交流信号的相位补偿，主要起到相位超前或滞后补偿的效果，相位补偿环节一表示为：
Figure BDA0002302290960000063
相位补偿环节二表示为：
Figure BDA0002302290960000064
其中T1、T2是相位补偿环节一时间常数；T3、T4是相位补偿环节二时间常数；s为积分算子。
上述S4中，采用比例环节和限幅环节实现增益限幅，比例环节表示为KGPSS，KGPSS为GPSS阻尼比例调节系数；限幅环节包括上限幅环节和下限幅环节依次表示为YGPSS_MAX和YGPSS_MIN。
水轮机调速器附加阻尼控制(GPSS)是以频差为输入量经过低通滤波环节，隔直环节，相位补偿环节，比例环节和限幅环节后叠加输出到水轮机开度给定的，其本质是基于相位补偿原理的超前校正控制通道，含附加阻尼控制器(GPSS)的水轮机调速系统具有恒正阻尼，多机解耦，灵活补偿的特性，其配置在水轮机调速器侧的结构如图2所示。
如图4、图5、图6所示，综合时域仿真和频域仿真方法及相位补偿和限幅的要求可完成基本参数的选取，具体参数选取方法分为如下四步：
1)建立GPSS控制通道的Simulink仿真控制框图；
2)对GPSS控制通道进行幅频特性曲线绘制；
3)重点关注GPSS超低频段的幅相补偿特性，希望该段的幅值相位补偿随频率的变化尽可能小(即曲线尽可能平坦)；
4)根据典型振荡频率再做时域分析，验证各个频段下GPSS控制通道的幅相补偿特性。
低通滤波环节采用高阶低通滤波(5阶或6阶)可以较好的滤除高频干扰信号，保证0.1Hz以下的超低频振荡信号通过，通过计算截止频率(0.1Hz)可以确定相应的参数如图4：其中参数1为采用5阶低通滤波器(m＝5)所获得参数，TR1＝0.06，TR2＝0.1；参数2为采用6阶低通滤波器(m＝6)所获得参数，TR1＝1.77，TR2＝9.36。
隔直环节可通过非过渡过程的振荡信号，其参数确定可根据时域仿真的方法确定。最终可得：m＝5时，TW1＝4；m＝6时，TW1＝15。
相位补偿环节一、相位补偿环节二中的参数T1,T2,T3,T4均为正实数，可以通过时域-频域仿真的方法结合相位补偿角度加以确定，以ω＝0.314rad/s(周期为20s)的正弦振荡信号为例给出图4中的典型参数及对应的补偿相位，基于参数1时域仿真和频域仿真的幅相补偿波形如图5和图6。最终可得：
m＝5时，T1＝3.71，T2＝0.98，T3＝5.21，T4＝1.33；补偿角度为104.11°，补偿幅值为15.16，
m＝6时，T1＝26.1，T2＝1.23，T3＝14.5，T4＝0.78；补偿角度为33.46°，补偿幅值为14.97；
比例环节参数KGPSS＝7.54；比例环节参数KGPSS＝0.32；
限幅环节一般控制在±5％。
由于计算机只能处理和接受时间离散的数码，对于连续型的传递函数必须转换成时间上离散的函数，一般方法就是将传递函数写成差分的形式再进一步变换。
一阶低通滤波环节算法变换如下：
Figure BDA0002302290960000081
Figure BDA0002302290960000082
yΔt+Ty-Ty0＝xΔt
Figure BDA0002302290960000083
上式中，x为输入信号(频率偏差)；y为经过一阶低通滤波环节后的输出信号，T为时间常数，y0为初始值，Δt为采样周期，一般取10ms。
隔直环节算法变换如下：
Figure BDA0002302290960000084
Figure BDA0002302290960000085
yΔt+Ty-Ty0＝Tx-Tx0
Figure BDA0002302290960000086
上式中，T为时间常数，x0，y0为初始值，Δt为采样周期，一般取10ms。
相位补偿环节一算法变换如下：
Figure BDA0002302290960000087
Figure BDA0002302290960000091
yΔt+T2y-T2y0＝xΔt+T1x-T1x0
Figure BDA0002302290960000092
上式中，T1，T2为时间常数，x0，y0为初始值，Δt为采样周期，一般取10ms。
相位补偿环节二算法变换只需将上式中的T1，T2换成T3、T4即可。
通过上面处理，采用10ms周期循环程序，x0，y0初始值一般取0，选择好时间常数T，输入x值，便可以经过相应环节得到y值，调速器微控制器上很容易实现。
比例环节参数一般和相位补偿环节的时间常数相匹配，一般在0.5到10，限幅环节一般限制在±5％。
本发明基于现有的水电机组调速器电力系统稳定器进行了控制方法的优化，由图2可知GPSS控制通道与PID控制通道是并行的关系，有如下优势：1)控制策略优，采用调速器附加阻尼控制来抑制超低频振荡的方案免去了以往只靠调速器PID调节完成振荡抑制的局限性，可以解决目前依靠参数优化(缩小参数)带来的大扰动恢复过程过长的弊端。2)整定方法灵活，目前对励磁侧的电力系统稳定器控制参数的建模方法和工程整定已经比较完善，利用本发明中提出了基于时域和频域仿真的参数整定方法也可以准确进行控制通道的幅相补偿，从而避免了小网PID参数整定的困难。3)应用前景广，本发明理论上不增加现有机组的硬件成本只是控制策略的优化，故在目前大部分新型水电调速系统控制器上可以直接植入，实现对超低频振荡的抑制。部分水电机组受限于硬件资源或者软件版本问题，可以选择外挂独立机箱的方式实现GPSS控制。
相关技术术语的名词解释：
GPSS：调速器电力系统稳定器(GPSS,Power System Stabilizer on Governors)是以频差为输入量经过低通滤波环节，隔直环节，相位补偿环节，比例环节和限幅环节后叠加输出到水轮机开度给定，其本质是基于相位补偿原理的超前校正控制通道。
超低频振荡：超低频振荡(ULFO,Ultralow-Frequency Oscillations)是指在水电高占比电网内由水电机组原动机控制系统不稳定所引发的电网频率同调振荡现象，其振荡频率低于0.1Hz故称为超低频振荡。

Claims (9)

1.一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，采集频率信号并计算得到频差作为GPSS控制通道的输入量；
S2，接收频差信号并滤除高频干扰信号，输出超低频振荡控制信号；
S3，隔离超低频振荡控制信号中的直流信号，输出交流信号；
S4，进行交流信号的相位补偿并通过增益限幅输出GPSS输出信号；
S5，由外部投退开关和上位机投退命令共同决定GPSS输出信号是否投入，若投入则将GPSS输出信号叠加至导叶开度给定，否则重复上述步骤。
2.根据权利要求1所述的一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法，其特征在于，所述S2中，采用低通滤波环节滤除高频干扰信号，所述低通滤波环节表示为：
Figure FDA0002302290950000011
其中TR1、TR2为低通滤波环节时间常数；m为滤波阶数；s为积分算子。
3.根据权利要求2所述的一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法，其特征在于，上述传递函数
Figure FDA0002302290950000012
写成差分的形式进行算法变换如下：
Figure FDA0002302290950000013
Figure FDA0002302290950000014
yΔt+Ty-Ty0＝xΔt
Figure FDA0002302290950000015
上式中，x为输入的频率偏差；y为经过低通滤波环节后的信号；T为时间常数；y0为初始值；Δt为采样周期。
4.根据权利要求3所述的一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法，其特征在于，所述S3中，采用隔直环节隔离超低频振荡信号中的直流信号，所述隔直环节表示为：
Figure FDA0002302290950000021
其中Tw1为隔直环节时间常数；s为积分算子。
5.根据权利要求4所述的一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法，其特征在于，上述传递函数
Figure FDA0002302290950000022
写成差分的形式进行算法变换如下：
Figure FDA0002302290950000023
Figure FDA0002302290950000024
yΔt+Ty-Ty0＝Tx-Tx0
Figure FDA0002302290950000025
上式中，x为频差经过低通滤波环节后的信号；y为频差经过低通滤波环节和隔直环节后的信号；T为时间常数；x0、y0为初始值；Δt为采样周期。
6.根据权利要求5所述的一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法，其特征在于，所述S4中，采用相位补偿环节一、相位补偿环节二进行交流信号的相位补偿，所述相位补偿环节一表示为：
Figure FDA0002302290950000026
所述相位补偿环节二表示为：
Figure FDA0002302290950000027
其中T1、T2是相位补偿环节一时间常数；T3、T4是相位补偿环节二时间常数；s为积分算子。
7.根据权利要求6所述的一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法，其特征在于，上述传递函数
Figure FDA0002302290950000028
写成差分的形式进行算法变换如下：
Figure FDA0002302290950000031
Figure FDA0002302290950000032
yΔt+T2y-T2y0＝xΔt+T1x-T1x0
Figure FDA0002302290950000033
上式中，x为频差经过低通滤波环节、隔直环节后的信号；y为频差经过低通滤波环节、隔直环节、相位补偿环节后的信号，T1、T2为时间常数；x0、y0为初始值，Δt为采样周期。
8.根据权利要求1所述的一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法，其特征在于，所述S4中，采用比例环节和限幅环节实现增益限幅，所述比例环节表示为KGPSS；所述限幅环节包括上限幅环节和下限幅环节依次表示为YGPSS_MAX和YGPSS_MIN。
9.根据权利要求2或4或6所述的一种水电机组调速器电力系统稳定器设计方法，其特征在于，还包括基本参数的选取方法，选取步骤如下：
建立GPSS控制通道的Simulink仿真控制框图；
对GPSS控制通道进行幅频特性曲线绘制；
根据典型振荡频率做时域分析，验证各个频段下GPSS控制通道的幅相补偿特性。
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