CN111987736B - 一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法，包括以下步骤：S1：监测扰动后水轮机导叶开度变化率，判断水轮机导叶开度变化率是否超过附加控制死区设定值；S2：如果水轮机导叶开度变化率超过设定值，则直流频率限制控制器响应水轮机导叶开度的变化，基于新附加控制环节，计算得到水锤效应功率补偿参考值ΔP1；S3：监测系统频率变化量是否超过直流频率限制控制器死区范围；S4：如果系统频率变化量超过直流频率限制控制器死区范围，则直流频率限制控制器响应系统频率变化，基于频率响应控制环节，计算得到直流功率参考值ΔP2；S5：根据水锤效应功率补偿参考值ΔP1和直流功率参考值ΔP2，计算得到直流有功功率调整参考值总量ΔPflc‑ref。

Description

一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法
技术领域
本发明涉及一种直流频率限制控制器控制方法，具体涉及一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法。
背景技术
随着我国国民经济的发展，我国的电网规模也在不断扩大，区间电网大容量机组不断增多，区间联网送电规模不断增大。并且随着异步联网直流工程的投运，区域间电网功率交换方式发生转变，低频振荡问题得到有效改善。随着而来的是区域电网频率稳定问题日渐突出，在以水电为主要装机形式的送端区域电网，其水电机组的调频特性直接影响到系统的频率动态响应过程。当送端系统出现功率扰动时，由于水轮机自身结构特性而产生的水锤效应将使得水轮机不能及时响应调速器指令，造成水轮机出力不及时，甚至出现暂时功率反调节的现象，在扰动后的短期时间内造成系统频率的进一步恶化。
直流输电具有功率控制灵活，调节迅速的特点，并且在直流日常的运行过程中通常具有一定的功率调节范围，在调节范围内，可根据需求进行直流功率的调整。直流频率限制控制器将一种重要的直流附加频率控制环节，其结构简单、调节迅速，可辅助网内传统调频资源进行调频。直流频率限制控制器依据网内频率偏差调整直流功率，参与网内频率调节，达到缓解系统频率稳定问题的目的。
已有研究对于改善系统频率响应方面的内容，大多从网内传统调频资源的调速器参数优化入手，对于水轮机水锤效应导致的网内不平衡功率暂时缺额及短期频率进一步恶化考虑较少。并且对于高水电装机比例的电能外送电网，利用直流频率限制控制器以缓解扰动发生时网内水轮机水锤效应的负面影响鲜有研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是当送端区域电网出现功率扰动时，由于水轮机自身结构特性而产生的水锤效应将使得水轮机不能及时响应调速器指令，造成水轮机出力不及时，甚至出现暂时功率反调节的现象，在扰动后的短期时间内造成系统频率的进一步恶化的问题，目的在于提供一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法，解决上述背景技术中遇到的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法，包括以下步骤：
S1：监测扰动后水轮机导叶开度变化率，判断水轮机导叶开度变化率是否超过附加控制死区设定值；
S2：如果水轮机导叶开度变化率超过设定值，则直流频率限制控制器响应水轮机导叶开度的变化，基于新附加控制环节，计算得到水锤效应功率补偿参考值ΔP1；
S3：监测系统频率变化量是否超过直流频率限制控制器死区范围；
S4：如果系统频率变化量超过直流频率限制控制器死区范围，则直流频率限制控制器响应系统频率变化，基于频率响应控制环节，计算得到直流功率参考值ΔP2；
S5：根据水锤效应功率补偿参考值ΔP1和直流功率参考值ΔP2，计算得到直流有功功率调整参考值总量ΔPflc-ref；
S6：依据直流有功功率调整参考值总量ΔPflc-ref，输入对应控制环节生成直流功率控制指令。
进一步地，一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法，所述新附加控制环节包括死区环节、低通滤波环节、参考功率补偿计算环节和限幅环节。
进一步地，一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法，所述水锤效应功率补偿参考值ΔP1应满足：
Figure BDA0002660627140000021
其中，Ka为水锤效应补偿功率放大系数，Ta为附加控制惯性时间常数，
Figure BDA0002660627140000022
为经低通滤波器滤波后的水轮机导叶开度变化率；ΔP1为水锤效应功率补偿参考值。
进一步地，一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法，所述频率响应控制环节根据系统频率偏差Δf，经惯性环节和比例放大环节得到直流功率参考值ΔP2，具体计算表达式如下：
Figure BDA0002660627140000023
其中，Kr为比例放大系数；Δf为系统频率变化量，即系统频率与频率参考值的频差；Tr为频率控制环节惯性时间常数；ΔP2为直流功率参考值。
进一步地，一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法，所述直流有功功率调整参考值总量ΔPflc-ref应满足：
ΔPflc-ref＝ΔP1+ΔP2
其中，ΔP1为水锤效应功率补偿参考值；ΔP2为直流功率参考值。
进一步地，一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法，S6中，所述对应控制环节为PI控制器，具体为：将直流有功功率调整参考值总量ΔPflc-ref输入PI控制器生成直流功率控制指令。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法，利用直流功率功率快速可控性，补偿系统功率扰动后水轮机水锤效应造成的暂时功率缺额，缓解对于系统频率的负面影响。
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为直流频率控制器补偿水锤效应控制策略流程图。
图2为直流频率限制控制器控制策略。
图3为直流频率限制控制器补偿水锤效应简化模型。
图4为采用三种不同控制策略下仿真系统频率偏差曲线图。
图5为三种控制策略对应的扰动后系统调频资源有功变化量曲线。
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。
实施例
为使直流频率限制控制器能够有效补偿水轮机水锤效应导致的系统功率缺额，本发明在直流频率限制控制器基础上，设计新的附加控制环节，使得直流频率限制控制器能够响应水轮机导叶开度的变化，改变直流功率调整量，补偿因水轮机水锤效应导致的暂时功率缺额。
如图1所示，本发明一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法，包括以下步骤：
S1：监测扰动后水轮机导叶开度变化率，判断水轮机导叶开度变化率是否超过附加控制死区设定值；
S2：如果水轮机导叶开度变化率超过设定值，则直流频率限制控制器响应水轮机导叶开度的变化，基于新附加控制环节，计算得到水锤效应功率补偿参考值ΔP1；
S3：监测系统频率变化量是否超过直流频率限制控制器死区范围；
S4：如果系统频率变化量超过直流频率限制控制器死区范围，则直流频率限制控制器响应系统频率变化，基于频率响应控制环节，计算得到直流功率参考值ΔP2；
S5：根据水锤效应功率补偿参考值ΔP1和直流功率参考值ΔP2，计算得到直流有功功率调整参考值总量ΔPflc-ref；
S6：依据直流有功功率调整参考值总量ΔPflc-ref，输入对应控制环节生成直流功率控制指令。
控制器包含频率响应控制环节和新附加控制环节，使得直流频率限制控制器既能够满足响应系统频率响应，又可以根据水轮机导叶开度动作情况补偿水锤效应引起的功率缺额。
如图2所示，所述新附加控制环节包括死区环节、低通滤波环节、参考功率补偿计算环节和限幅环节。当扰动后水轮机导叶开度变化率越过设定死区范围设定值β时，附加控制环节启动，其中控制器将水轮机导叶开度变化率作为输入信号，经低通滤波环节滤波之后，通过补偿计算环节计算用于补偿水轮机水锤效应的直流功率参考值ΔP1，输出该环节直流功率参考值ΔP1。考虑到直流FLC出力限制，设计限幅环节以限制功率参考值ΔP1的大小。当扰动后水轮机导叶开度变化率未超越死区限定范围时，附加控制环节功率参考值则输出0。
所述水锤效应功率补偿参考值ΔP1应满足：
Figure BDA0002660627140000041
其中，Ka为水锤效应补偿功率放大系数，Ta为附加控制惯性时间常数，
Figure BDA0002660627140000042
为经低通滤波器滤波后的水轮机导叶开度变化率；β为附加控制环节死区环节限度设定值；Pmax和Pmin分别为参考值ΔP1限幅环节的上下限度。Tx1则为低通滤波器时间常数；ΔP1为水锤效应功率补偿参考值。
如图2所示，所述频率响应控制环节根据系统频率偏差Δf，经惯性环节和比例放大环节得到直流功率参考值ΔP2，具体计算表达式如下：
Figure BDA0002660627140000043
其中，Kr为比例放大系数；Δf为系统频率变化量，即系统频率与频率参考值的频差；Tr为频率控制环节惯性时间常数；Fmax和Fmin为频率偏差死区限制上下限度；ΔP2为直流功率参考值。
所述直流有功功率调整参考值总量ΔPflc-ref应满足：
ΔPflc-ref＝ΔP1+ΔP2
其中，ΔP1为水锤效应功率补偿参考值；ΔP2为直流功率参考值。
进一步地，一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法，S6中，所述对应控制环节为PI控制器，具体为：将直流有功功率调整参考值总量ΔPflc-ref输入PI控制器生成直流功率控制指令。
本次仿真采用单机简化模型以验证本发明所提策略的有效性，如图3所示，图3模型由水轮机调速器、水轮机、系统发电机等效模型及改进直流频率限制控制器构成。图中R为调差系数，Δμ为水轮机导叶开度变化量，ΔPM为机械功率变化量，ΔPL为系统负荷功率变化量，ΔPflc-ref直流功率变化量，Δf为系统频率变化量，Tg为水轮机调速器时间常数，TR为水轮机复位时间常数，TG为暂态下降补偿时间常数，Tw为水锤效应时间常数，H为系统惯性时间常数，D为系统等效阻尼系数。图3中直流频率限制控制器按照图2所提策略构建相应控制模块，输入信号选取为水轮机导叶开度变化率。
本次仿真实验开始20s后，模拟负荷减少0.2pu，对负荷功率变化量ΔPL施加-0.2pu的阶跃扰动，并就以下三种情况进行仿真分析：1)无直流频率限制控制；2)有直流频率限制控制，无附加控制环节；3)有直流频率限制控制，并附加控制环节，即采用本发明所提新附加控制策略。
如图4所示，图4为采用三种不同控制策略下仿真系统频率偏差曲线图，由仿真结果可知，当无直流频率限制控制器参与系统调频时，系统频率偏差大约在32s附近达到最高点，约为0.12Hz，经系统调整之后，频率偏差稳定在0.084Hz附近。当系统采用常规直流频率限制控制器时，即不采用本发明提出的附加控制环节，系统频率偏差大约在29s左右达到最高点，其值约为0.088Hz，随后频率偏差稳定在0.065Hz左右。当采用本发明所提新附加控制策略时，系统频率偏差量在扰动后约18.5s，即28.5s达到最大值，其值为0.083Hz，稳定频率偏差与常规策略大致相同。由此可见，当采用直流频率限制控制策略作为系统扰动后的辅助调频措施，可快速系统频率变化，调节系统内不平衡功率，有效缓解了系统频率响应，可有效降低系统最高频率偏差点，加快系统频率恢复速度。相比于常规直流频率限制控制策略，本发明提出的附加控制环节，可在扰动后快速响应水轮机水锤效应带来的负面影响，进一步减小系统频率偏差量，明显改善了直流频率限制控制器调节效果。
如图5所示，图5为三种控制策略对应的扰动后系统调频资源有功变化量曲线，当系统内水电机组作为主要方式参与系统调频时，由于水轮机的水锤效应，将在扰动后一段时间内出现功率反调节现象，对应图中黑色三角曲线，此期间将加大系统功率缺额，系统频率进一步恶化。当常规直流限制控制器参与调频时，由于其死区设置通常在水电机组之后，故在其响应后，直流功率变化量可对因水锤效应造成的功率进行一定的补偿，缩短其影响时间，但无法完全消除。本发明提出的附加控制策略则从可以完全实现水锤效应的有效补偿，从水轮机和直流功率调制总功率上，明显不体现水锤效应引起的负面影响，有效抑制了因水锤效应造成的系统频率进一步恶化。三种控制策略相比，本发明无论是在系统扰动后有功功率调节速度方面，还是抑制水锤效应的影响方面都具有显著优势。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (4)

1.一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：监测扰动后水轮机导叶开度变化率，判断水轮机导叶开度变化率是否超过附加控制死区设定值；
S2：如果水轮机导叶开度变化率超过设定值，则直流频率限制控制器响应水轮机导叶开度的变化，基于新附加控制环节，计算得到水锤效应功率补偿参考值ΔP1：
Figure FDA0004239659910000011
其中，Ka为水锤效应补偿功率放大系数，Ta为附加控制惯性时间常数，
Figure FDA0004239659910000012
为经低通滤波器滤波后的水轮机导叶开度变化率；ΔP1为水锤效应功率补偿参考值；
S3：监测系统频率变化量是否超过直流频率限制控制器死区范围；
S4：如果系统频率变化量超过直流频率限制控制器死区范围，则直流频率限制控制器响应系统频率变化，频率响应控制环节根据系统频率变化量Δf，经惯性环节和比例放大环节得到直流功率参考值ΔP2：
Figure FDA0004239659910000013
其中，Kr为比例放大系数；Δf为系统频率变化量，即系统频率与频率参考值的频差；Tr为频率控制环节惯性时间常数；ΔP2为直流功率参考值；
S5：根据水锤效应功率补偿参考值ΔP1和直流功率参考值ΔP2，计算得到直流有功功率调整参考值总量ΔPflc-ref；
S6：依据直流有功功率调整参考值总量ΔPflc-ref，输入对应控制环节生成直流功率控制指令。
2.根据权利要求1所述的一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法，其特征在于，所述新附加控制环节包括死区环节、低通滤波环节、参考功率补偿计算环节和限幅环节。
3.根据权利要求1所述的一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法，其特征在于，所述直流有功功率调整参考值总量ΔPflc-ref应满足：
ΔPflc-ref＝ΔP1+ΔP2
其中，ΔP1为水锤效应功率补偿参考值；ΔP2为直流功率参考值。
4.根据权利要求1所述的一种补偿水轮机水锤效应的直流频率限制控制器控制方法，其特征在于，S6中，所述对应控制环节为PI控制器，具体为：将直流有功功率调整参考值总量ΔPflc-ref输入PI控制器生成直流功率控制指令。
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