CN111525594A - 一种水电机组调速系统的控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水电机组调速系统的控制方法及装置，通过获取当前水电机组的运行模式，根据所述运行模式，选择转速模式、开度模式或功率模式，并对水电机组进行对应的调节，解决水电机组一次调频控制水平低的问题。

Description

一种水电机组调速系统的控制方法及装置
技术领域
本申请涉及水力水电领域，具体涉及一种水电机组调速系统的控制方法，同时涉及一种水电机组调速系统的控制装置。
背景技术
随着区域互联电网的形成，水电机组功率调节、一次调频对电力系统稳定控制的影响变得十分敏感，特别是功率调节方式、一次调频的控制特性、响应时间等都对联网系统的频率、有功稳定具有重大影响。
调速控制的基本功能是实现对发电机组的转速调节，并入电网运行后，调速系统承担功率调节和一次调频的基本任务，是由调速器通过频率、功率等外部反馈信号，按照偏差进行比例-积分-微分(PID)计算、速率限制、死区限制、幅度限制等调节特性来实现的。可在电网突发大负荷变化时快速的提供功率支援，提高电力系统的可靠性；对于短时间的负荷波动的调节可以减少二次调频的动作，优化系统的调度、稳定电网频率。若机组一次调频功能不能发挥其应有的作用，不仅是对电网中保证频率稳定的宝贵资源的浪费，而且仅靠自动发电控制(AGC)很难将电网频率控制水平进一步提高。
然而，当前水电站调速器频率、功率控制策略存在较大差异，部分机组控制性能不健全、导致水电机组一次调频控制水平低，因此，亟需提出一种水电机组调速系统控制方法。
发明内容
本申请提供一种水电机组调速系统的控制方法及装置，解决水电机组一次调频控制水平低的问题。
本申请提供一种水电机组调速系统的控制方法，包括：
获取当前水电机组的运行模式；
若根据所述运行模式确定当前水电机组在空转不并网或并入孤立电网运行时，则选择转速模式作为基本调节模式对水电机组的转速进行调节；
若根据所述运行模式确定当前水电机组在空转并网运行时，则选择开度模式作为基本调节模式对水电机组进行调节，维持水电机组的水轮机导叶开度至开度给定值；
若根据所述运行模式确定当前水电机组在并网稳定运行区间，且所述水电机组的发电机电气功率运行平稳工况，则选择功率模式作为基本调节模式对水电机组进行调节，维持发电机电气功率至功率给定值。
优选的，所述选择转速模式作为基本调节模式对水电机组的转速进行调节，包括：
选择转速模式作为基本调节模式，将水电机组的永态转速差值系数bp设置为0，由水电机组的转速或频率值ω0，减去实际转速或频率的测量值ω而形成转速偏差；
通过死区环节和限幅环节后形成实际运算的转速或频率偏差信号，该信号通过PID运算，并经过外部指令叠加、限幅等环节运算后，形成液压系统调节的给定指令YPID，对水电机组的转速进行调节。
优选的，所述选择开度模式作为基本调节模式对水电机组进行调节，维持水电机组的水轮机导叶开度至开度给定值，包括：
选择开度模式作为基本调节模式，由开度给定值Yref，减去实际接力器行程或导叶开度的测量值Pe而形成开度偏差信号，通过死区环节和限幅环节后形成实际运算的转速或频率偏差信号，该信号通过与永态转速差值系数bp进行乘法运算，其输出作为PID环节的积分环节输入信号之一，通过PID运算，并经过外部指令叠加、限幅环节运算后，形成液压系统调节的给定指令YPID，对水电机组调速系统的接力器行程或导叶开度实施闭环控制。
优选的，还包括：在开度模式下，投入转速模式进行电网频率的有差调节。
优选的，还包括：
在开度模式下，独立设置大网、小网、孤网3套调节参数；
当接入到大规模同步电网时，选择开度模式大网参数；
当接入到小规模同步电网或区域异步电网时，选择开度模式小网模式；
当接入到小规模负荷运行电网时，选择孤网参数。
优选的，所述选择功率模式作为基本调节模式对水电机组进行调节，维持发电机电气功率至功率给定值，包括：
选择功率模式作为基本调节模式，由有功功率给定值Pref，减去实际有功功率的测量值Pe而形成有功功率偏差，通过死区环节和限幅环节后形成实际运算的转速或频率偏差信号，该信号通过与永态功率差值系数ep进行乘法运算，其输出作为PID环节的积分环节输入信号之一，通过PID运算，并经过外部指令叠加、限幅环节运算后，形成液压系统调节的给定指令YPID。
优选的，还包括：
在功率模式下，投入转速模式进行电网频率的有差调节。
优选的，还包括：
在功率模式下，独立设置大网、小网、孤网3套调节参数；
当接入到大规模同步电网时，选择开度模式大网参数；
当接入到小规模同步电网或区域异步电网时，选择开度模式小网模式；
当接入到小规模负荷运行电网时，选择孤网参数。
优选的，还包括：
功率模式和开度模式，根据电网频率或功率自动切换。
本申请同时提供一种水电机组调速系统的控制装置，包括：
运行模式获取单元，获取当前水电机组的运行模式；
转速模式选择单元，若当前水电机组在空转不并网或并入孤立电网运行时，则选择转速模式作为基本调节模式对水电机组的转速进行调节；
开度模式选择单元，若当前水电机组在空转并网运行时，则选择开度模式作为基本调节模式对水电机组进行调节，维持水电机组的水轮机导叶开度至开度给定值；
功率模式选择单元，或当前水电机组在并网稳定运行区间，且所述水电机组的发电机电气功率运行平稳工况，则选择功率模式作为基本调节模式对水电机组进行调节，维持发电机电气功率至功率给定值。
本申请提供一种水电机组调速系统的控制方法及装置，通过获取当前水电机组的运行模式，根据所述运行模式，选择转速模式、开度模式或功率模式，并对水电机组进行对应的调节，解决水电机组一次调频控制水平低的问题。
附图说明
图1是本申请提供的一种水电机组调速系统的控制方法的流程示意图；
图2是本申请涉及的水电机组调速系统控制模型示意图；
图3是本申请涉及的调速系统液压系统传递函数状态变量示意图；
图4是本申请涉及的混流式水轮机传递函数状态变量示意图；
图5是本申请涉及的一种水电机组调速系统的控制装置示意图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
图1是本申请提供的一种水电机组调速系统的控制方法的流程示意图，下面结合图1对本申请提供的方法进行详细说明。
步骤S101，获取当前水电机组的运行模式。
水电机组的运行模式，通常包括，空转不并网运行、并入孤立电网运行、空转并网运行、并网稳定运行等运行模式。获取当前水电机组的运行模式，以便后续根据水电机组的运行模式过行对应的模式调节。
步骤S102，若根据所述运行模式确定当前水电机组在空转不并网或并入孤立电网运行时，则选择转速模式作为基本调节模式对水电机组的转速进行调节。
水电机组调整系统运行调节的数字控制部分模型如图2所示，该模型主要实现转速或频率调节、功率调节、导叶开度调节3个基本功能。其中，各参数含义如下：KYCO和KYCC分别为开启方向开度给定积分器放大系数和关闭方向开度给定积分器放大系数；YjkMAX和YjkMIN分别为开度给定积分器输入的最大、最小幅度限制值；KFR1和KFR2为前馈系数；Y为水轮机导叶开度；T1、T2和T3为延时时间；TR1、TR2和TR3为测量时间常数；U1表示输出信号去往调速器开度给定，U2表示调速系统投入功率模式，输出信号去往调速器功率PID输出，U3表示调速系统投入开度模式，输出信号去往调速器开度模式PID输出，R1表示将信号送至调速系统功率闭环调节的功率给定值参考点上；DB1为一次调频死区；DB2为功率偏差死区；DB3为开度偏差死区；KP、KD和KI分别为调节系统PID调节比例系数、调节系统PID调节微分系数和调节系统PID调节积分系数；T1V为微分时间常数；INTMAX和INTMIN为调节系统积分调节输出上、下限；YC为手动方式开度给定值，当控制方式选为手动调节时有效。
若当前水电机组在空转不并网或并入孤立电网运行时；选择将图2的转速模式作为基本调节模式，将水电机组的永态转速差值系数bp设置为0，由水电机组的转速或频率值ω0，减去实际转速或频率的测量值ω而形成转速偏差；通过死区环节和限幅环节后形成实际运算的转速或频率偏差信号，该信号通过PID运算，并经过外部指令叠加、限幅等环节运算后，形成液压系统调节的给定指令YPID，对水电机组的转速进行调节。
步骤S103，若根据所述运行模式确定当前水电机组在空转并网运行时，则选择开度模式作为基本调节模式对水电机组进行调节，维持水电机组的水轮机导叶开度至开度给定值。
若当前水电机组在空转并网运行时；选择将图2的开度模式作为基本调节模式，由开度给定值Yref，减去实际接力器行程或导叶开度的测量值Pe而形成开度偏差信号，通过死区环节和限幅环节后形成实际运算的转速或频率偏差信号，该信号通过与永态转速差值系数bp进行乘法运算，其输出作为PID环节的积分环节输入信号之一，通过PID运算，并经过外部指令叠加、限幅环节运算后，形成液压系统调节的给定指令YPID，对水电机组调速系统的接力器行程或导叶开度实施闭环控制。
开度模式下投入转速模式进行电网频率的有差调节，即永态转速偏差差值系数bp设置不为0，进行一次调频调节。或在功率模式下存在水力因素导致机组转速不稳定、机组明显振动、机组功率大幅度波动或振荡，频率大幅度波动或振荡、或者机组在并入地区小电网或者孤立电网运行时也切换至开度模式运行。
开度模式下独立设置大网、小网、孤网3套调节参数(主要参数有：一次调频死区DB1、一次调频限幅MIN1及MAX1、PID调节KP、KD和KI调节系数、永态转速差值系数bp)以应对电网不用状态下的运行模式，当接入到大规模同步电网时选择开度模式大网参数，当接入到较小规模同步电网或区域异步电网时选择开度模式小网参数，当接入地区小电网或带厂用电等小规模负荷运行选择孤网参数。开度模式大网、小网、孤网参数组可根据外部控制信息或人工选择。
开度模式大网参数和孤网参数可根据电网频率及调速器内部计算信号。大网参数自动切换为孤网参数判据为|f0-f|≥fswitch1(f0为机组频率给定值，f为机组频率，f与ω具有相同意义)且持续时间超过Tf-switch1。孤网参数自动切换为大网参数判据为|f0-f|＜fswitch2且持续时间超过Tf-switch2。
开度模式小网参数和孤网参数可根据电网频率及调速器内部计算信号。小网参数自动切换为孤网参数判据为|f0-f|≥fswitch3且持续时间超过Tf-switch3。孤网参数自动切换为小网参数判据为|f0-f|＜fswitch4且持续时间超过Tf-switch4。
步骤S104，若根据所述运行模式确定当前水电机组在并网稳定运行区间，且所述水电机组的发电机电气功率运行平稳工况，则选择功率模式作为基本调节模式对水电机组进行调节，维持发电机电气功率至功率给定值。
若当前水电机组在并网稳定运行区间，且所述水电机组的发电机电气功率运行平稳工况；选择将图2的功率模式作为基本调节模式，由有功功率给定值Pref，减去实际有功功率的测量值Pe而形成有功功率偏差，通过死区环节和限幅环节后形成实际运算的转速或频率偏差信号，该信号通过与永态功率差值系数ep进行乘法运算，其输出作为PID环节的积分环节输入信号之一，通过PID运算，并经过外部指令叠加、限幅环节运算后，形成液压系统调节的给定指令YPID。
在功率模式下，投入转速模式进行电网频率的有差调节。
功率模式下独立设置大网、小网、孤网3套调节参数(一次调频死区DB1、一次调频限幅MIN1及MAX1、PID调节KP、KD和KI调节系数、功率差值系数ep)以应对电网不用状态下的运行模式，当接入到大规模同步电网时选择开度模式大网参数，当接入到较小规模同步电网或区域异步电网时选择开度模式小网参数，当接入地区小电网或带厂用电等小规模负荷运行选择孤网参数。功率模式大网、小网、孤网参数组可根据外部控制信息或人工选择。
图2中，上述3个调节模式需要获取的外部给定信号主要有：转速或频率给定值ω0、有功功率给定值Pref、开度给定值Yref，这3个信号通过调速器操作面板、内部程序指定，或者根据外部信号(如机组计算机监控系统)直接给定或者计算形成，常规的做法是，由计算机监控系统给出开度增减脉冲信号，经过积分放大、计算、限幅等形成开度给定信号Yref，或由计算机监控系统给出功率增减脉冲信号，经过积分放大、计算、限幅等形成开度给定信号Pref。
图2中，上述3个调节模式需要获取的外部测量反馈信号主要有：转速或频率ω通过调速器测频装置测量；有功功率Pe通过功率变送器或直接采样发电机定子电压、定子电流计算得到；开度Y通过装设在接力器上的行程位置传感器测量得到。或者接受外部信号(如机组计算机监控系统)。
功率模式和开度模式，可根据电网频率、功率及调速器内部计算信号等自动切换选择。
图3是液压执行机构的模型，该模型中的输入信号y为图2的输出信号YPID，与测量得到的接力器位置行程或导叶开度信号Y比较行程偏差信号，通过PID计算、限幅、关闭或开启方向的积分运算，控制接力器位置。各参数含义如下：KP1、KD1和KI1分别为液压系统PID调节比例系数、液压系统PID调节微分系数和液压系统PID调节积分系数；VELO和VELC分别为油动机最大开启速度和油动机最大关闭速度；To和Tc分别为油动机开启时间常数和油动机关闭时间常数；Pmax和Pmin分别为原动机最大输出功率和原动机最小输出功率；Tf为功率延时时间。
图4是引水系统及水轮机的模型，该模型中的输入信号PCV为图2的输出信号PGV，PGV经线性转换、非最小相位特征计算得到机械功率PM。其余参数含义如下：TW为水轮机水锤效应时间常数；a和b为系数。
基于同一发明构思，本申请同时提供一种水电机组调速系统的控制装置500，如图5所示，包括：
运行模式获取单元510，获取当前水电机组的运行模式；
转速模式选择单元520，若根据所述运行模式确定当前水电机组在空转不并网或并入孤立电网运行时，则选择转速模式作为基本调节模式对水电机组的转速进行调节；
开度模式选择单元530，若根据所述运行模式确定当前水电机组在空转并网运行时，则选择开度模式作为基本调节模式对水电机组进行调节，维持水电机组的水轮机导叶开度至开度给定值；
功率模式选择单元540，若根据所述运行模式确定当前水电机组在并网稳定运行区间，且所述水电机组的发电机电气功率运行平稳工况，则选择功率模式作为基本调节模式对水电机组进行调节，维持发电机电气功率至功率给定值。
本申请提供一种水电机组调速系统的控制方法及装置，通过获取当前水电机组的运行模式，根据所述运行模式，选择转速模式、开度模式或功率模式，并对水电机组进行对应的调节，解决水电机组一次调频控制水平低的问题。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种水电机组调速系统的控制方法，其特征在于，包括：
获取当前水电机组的运行模式；
若根据所述运行模式确定当前水电机组在空转不并网或并入孤立电网运行时，则选择转速模式作为基本调节模式对水电机组的转速进行调节；
若根据所述运行模式确定当前水电机组在空转并网运行时，则选择开度模式作为基本调节模式对水电机组进行调节，维持水电机组的水轮机导叶开度至开度给定值；
若根据所述运行模式确定当前水电机组在并网稳定运行区间，且所述水电机组的发电机电气功率运行平稳工况，则选择功率模式作为基本调节模式对水电机组进行调节，维持发电机电气功率至功率给定值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选择转速模式作为基本调节模式对水电机组的转速进行调节，包括：
选择转速模式作为基本调节模式，将水电机组的永态转速差值系数bp设置为0，由水电机组的转速或频率值ω0，减去实际转速或频率的测量值ω而形成转速偏差；
通过死区环节和限幅环节后形成实际运算的转速或频率偏差信号，该信号通过PID运算，并经过外部指令叠加、限幅等环节运算后，形成液压系统调节的给定指令YPID，对水电机组的转速进行调节。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选择开度模式作为基本调节模式对水电机组进行调节，维持水电机组的水轮机导叶开度至开度给定值，包括：
选择开度模式作为基本调节模式，由开度给定值Yref，减去实际接力器行程或导叶开度的测量值Pe而形成开度偏差信号，通过死区环节和限幅环节后形成实际运算的转速或频率偏差信号，该信号通过与永态转速差值系数bp进行乘法运算，其输出作为PID环节的积分环节输入信号之一，通过PID运算，并经过外部指令叠加、限幅环节运算后，形成液压系统调节的给定指令YPID，对水电机组调速系统的接力器行程或导叶开度实施闭环控制。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：在开度模式下，投入转速模式进行电网频率的有差调节。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在开度模式下，独立设置大网、小网、孤网3套调节参数；
当接入到大规模同步电网时，选择开度模式大网参数；
当接入到小规模同步电网或区域异步电网时，选择开度模式小网模式；
当接入到小规模负荷运行电网时，选择孤网参数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选择功率模式作为基本调节模式对水电机组进行调节，维持发电机电气功率至功率给定值，包括：
选择功率模式作为基本调节模式，由有功功率给定值Pref，减去实际有功功率的测量值Pe而形成有功功率偏差，通过死区环节和限幅环节后形成实际运算的转速或频率偏差信号，该信号通过与永态功率差值系数ep进行乘法运算，其输出作为PID环节的积分环节输入信号之一，通过PID运算，并经过外部指令叠加、限幅环节运算后，形成液压系统调节的给定指令YPID。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在功率模式下，投入转速模式进行电网频率的有差调节。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在功率模式下，独立设置大网、小网、孤网3套调节参数；
当接入到大规模同步电网时，选择开度模式大网参数；
当接入到小规模同步电网或区域异步电网时，选择开度模式小网模式；
当接入到小规模负荷运行电网时，选择孤网参数。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
功率模式和开度模式，根据电网频率或功率自动切换。
10.一种水电机组调速系统的控制装置，其特征在于，包括：
运行模式获取单元，获取当前水电机组的运行模式；
转速模式选择单元，若根据所述运行模式确定当前水电机组在空转不并网或并入孤立电网运行时，则选择转速模式作为基本调节模式对水电机组的转速进行调节；
开度模式选择单元，若根据所述运行模式确定当前水电机组在空转并网运行时，则选择开度模式作为基本调节模式对水电机组进行调节，维持水电机组的水轮机导叶开度至开度给定值；
功率模式选择单元，若根据所述运行模式确定当前水电机组在并网稳定运行区间，且所述水电机组的发电机电气功率运行平稳工况，则选择功率模式作为基本调节模式对水电机组进行调节，维持发电机电气功率至功率给定值。
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