CN111997825B

CN111997825B - 一种水轮机调速器功率频率控制方法

Info

Publication number: CN111997825B
Application number: CN202010921076.3A
Authority: CN
Inventors: 丁占涛; 程远楚; 赵文利; 张雨晗
Original assignee: State Energy Group Xinjiang Kaidu River Basin Hydropower Development Co ltd
Current assignee: State Energy Group Xinjiang Kaidu River Basin Hydropower Development Co ltd
Priority date: 2020-09-04
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2022-02-08
Anticipated expiration: 2040-09-04
Also published as: CN111997825A

Abstract

本发明公开了一种水轮机调速器功率频率控制方法，通过将频率偏差信号折算成目标功率信号与功率给定信号进行叠加，形成实际的目标给定功率，再与实际功率信号进行比较，得出控制偏差进行控制。为实现不同水头下调节控制性能均能取得较好的指标，提出了参考模型控制方法。根据目标控制功率和当前运行水头，由参考模型直接产生所需的控制输出，加快了控制响应速度。为取得较好的控制精度，目标功率与实际功率进行比较，将偏差信号引入校正控制器输出校正控制输出。利用校正环节输出进行参考模型校正，使参考模型具有自完善功能。旨在解决现有技术中存在的响应速度慢、调节精度不高、指标达标率低、控制参数适应性不强的技术问题。

Description

一种水轮机调速器功率频率控制方法

技术领域

本发明涉及水轮机调节系统控制技术领域，尤其涉及一种水轮机调速器功率频率控制方法、系统及终端设备。

背景技术

在现代电力系统中，随着电网容量的不断增大，各区域联网调度频繁，再加上新能源发电设备并网时对电网造成冲击，电力系统对水轮机调节系统的功能性和稳定性有了更高的要求，在更为严苛的电网条件下，水轮机调速器要根据电力系统负荷的变化及时调整输出功率以维持机组转速稳定，一次调频的动作性能要求日益变高。在国外，如欧洲UCTE和美国WECC针对本地的实际情况分别对不同的发电机组的一次调频功能制定了详尽的技术规范，并且只有通过现场试验的达标的机组才能发电。此外，当负荷大幅度变化时，一次调频后的静态频率指标可能存在较大的差值，为满足电网频率的二次调整需要和方便实现电力系统的电力调度，还需要方便地实现自动发电控制(AGC)。为满足水轮发电机组不同运行模式与工况的需要，水轮机调速器往往设有频率调节、开度调节与功率调节三种模式。

在电厂实际运行中，大多采用频率调节模式和功率调节模式两种模式。频率调节模式一般用于单机带孤立负荷、空载自动运行的工况；功率调节模式则广泛地应用于机组并入大电网的运行模式。在目前国内调速器中，频率调节模式与功率调节模式往往共用一个控制器。空载时采用空载控制参数进行控制，实际频率与给定频率的偏差作用于控制器的输入，实现对机组频率的精确控制；并网运行时，实际功率与给定功率的偏差乘以永态转差系数bp(ep)再与超出一次调频死区后的频率偏差叠加，作用于PID控制器的输入；当电网频率在一次调频死区范围内时，通过功率给定指令实现水电机组的功率调整与分配；当电网频率超过一次调频死区范围内时，有频率偏差信号作用于PID控制器的输入，实现一次调频。此种调节模式难以保证一次调频与AGC的调节指标均满足电网两个细则的考核要求，存在一次调频参数与AGC控制参数不好整定的问题。此外，若电网频率是阶跃扰动时，存在响应时间过长、调速器速动性差、过调量大等问题。实际电网频率不可能是阶跃变化，在实测信号(电厂实际频率信号)下，水头较低或者出力较大时，大频差一次调频考核指标更是难以合格。现有调速器控制模式下，当水电站水头变化时，采用相同的PID参数的一次调频过程和AGC调节过程差异较大，若要取得良好的一次调频和AGC控制结果，则需要根据不同的工况调整PID控制参数，若要使AGC和一次调频具有良好的静态特性和动态特性，则又需要采用两组不同的PID控制参数。

因此，如何提高水轮机调速器响应速度、调节精度和指标达标率，是一个亟需解决的技术问题。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种水轮机调速器功率频率控制方法，旨在解决现有技术中存在的响应速度慢、调节精度不高、指标达标率低、控制参数适应性不强的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种水轮机调速器功率频率控制方法，所述功率和频率控制方法包括如下步骤：

获取目标控制功率：根据机组频率与给定频率值求取频率控制偏差信号，并将获得的频率控制偏差信号转换为功率控制增量；利用功率控制增量实现调频限幅的目标功率与给定功率相加得到实际目标控制功率；

构建参考控制模型：构建水轮发电机组输出功率与工作水头、导叶接力器行程的关系曲线，建立参考控制模型；

导叶接力行程计算与校正：根据获得的当前工作水头和目标控制功率，基于建立的参考控制模型计算得到导叶接力器行程，对计算得到的导叶接力器行程进行变化速度限制校正和非线性校正；

获取功率控制偏差信号：获取水轮发电机组的有功功率，根据得到的目标控制功率求得功率差值，并根据该功率差值生成功率控制偏差信号；

功率控制偏差信号校正：将功率控制偏差信号送入PI控制器进行偏差校正，得到偏差校正输出，根据偏差校正输出与参考控制模型的校正输出得到接力器行程的控制目标值；

接力器运行速度限制并输出：对控制目标值进行输出反馈限幅，并对输出反馈限幅结构进行积分输出。

优选的，获取目标控制功率包括如下子步骤：

S101：测量获取机组频率值f，调整给定频率值为cf；由获取的机组频率值f和给定频率值cf求得频率差值ef，其中：ef＝cf-f；

S102：根据计算的频率差值ef计算生成频率控制偏差信号ef1，其中：

e0为一次调频的死区值；

S103：将频率控制偏差信号转换为功率控制增量Pf实现一次调频限幅得到Pf1，其中：

Pf＝ef1/ep，ep为一次调频差值系数；

Pfm为一次调频最大功率限制值；

S104：获取功率给定值P0，将给定功率P0与一次调频的目标功率Pf1相加得到实际的目标控制功率CP＝P0+Pf1。

优选的，构建参考控制模型包括如下子步骤：

S201：测量获取当前工作水头H；

S202：由水轮发电机组的运行特性与记录得到水轮发电机组的出力与水头和导叶接力器行程的关系：P＝f(y,H)；根据该关系建立参考控制模型：y＝g(H，P)，即建立水轮发电机组输出功率与工作水头、导叶接力器行程的关系曲线，作为参考控制模型。

优选的，导叶接力器行程计算与校正包括如下子步骤：

S301：根据当前运行水头H和所需要的目标控制功率CP，直接由构建的参考控制模型得到当前应对应的导叶接力行程yc0，其中：

yc0＝g(H，CP)；

S302：利用速度限制模型对得到的导叶接力器行程yc0的变化速度进行变化速度限制校正，得到yc1；

S303：利用非线性校正系数模型对参考模型的变化速度限制校正输出yc1进行非线性校正，得到yc2，所述非线性校正系数ky为实际目标功率与工作水头的非线性函数；其中：

ky＝f1(H，CP)；

yc2＝ky*yc1，在初始状态下，ky＝1。

优选的，获取功率控制偏差信号包括如下子步骤：

S401：测量获取得到水轮发电机组的有功功率P，进而由目标控制功率CP和有功功率P求得功率差值pe，其中：pe＝CP-P；

S402：计算获得功率控制偏差信号pe1，其中：

pe0为功率调节的死区值。

优选的，功率控制偏差信号校正包括如下子步骤：

S501：将将功率控制偏差信号送入PI控制器进行偏差校正，包括：通过调整比例控制系数，获取的比例控制信号Pp；通过调整积分控制系数，获取的积分控制信号Pi；对比例控制和积分控制进行综合得到校正输出ym；

S502：将校正输出ym与参考控制模型的校正输出yc2综合得到接力器行程的控制目标值yc3；其中，yc3＝yc2+ym。

优选的，接力器运行速度限制并输出包括如下子步骤：

S601：将输出的控制目标值yc3与yc4进行比较，得到差值ey＝yc3-yc4；

S602：对得到的差值ey进行限幅得到限幅输出ey1，其中：

S603：对ey1进行积分得到输出yc4，并输出接力器控制信号输出yc4。

优选的，调速器功率和频率控制方法还包括非线性校正系数修正步骤，具体包括如下子步骤：

A1：若ym不等于0，执行步骤A2；若ym等于0，执行步骤A3；

A2：令ky＝ky0，yc3＝yc30，ym＝ym0,yc40＝ym0+yc30；计算修正系数ky1，其中ky1＝yc40/yc30*ky0；将ky从ky0缓慢地调整至ky1,与此同时，逐步减小积分器的输出Pi，保持yc4＝yc40；当积分器的输出调整至0时，结束非线性校正系数的修正；

A3：结束非线性校正系数的修正。

本发明的第二方面，提供一种水轮机调速器功率频率控制系统，所述调速器功率和频率控制系统包括模块：

目标控制功率获取模块：根据机组频率与给定频率值求取频率控制偏差信号，并将获得的频率控制偏差信号转换为功率控制增量；利用功率控制增量实现调频限幅的目标功率与给定功率相加得到实际目标控制功率；

参考控制模型构建模块：构建水轮发电机组输出功率与工作水头、导叶接力器行程的关系曲线，建立参考控制模型；

导叶接力器行程计算与校正模块：根据获得的当前工作水头和目标控制功率，基于建立的参考控制模型计算得到导叶接力器行程，对计算得到的导叶接力器行程进行变化速度限制校正和非线性校正；

功率控制偏差信号获取模块：获取水轮发电机组的有功功率，根据得到的目标控制功率求得功率差值，并根据该功率差值生成功率控制偏差信号；

功率控制偏差信号校正模块：将功率控制偏差信号送入PI控制器进行偏差校正，得到偏差校正输出，根据偏差校正输出与参考控制模型的校正输出得到接力器行程的控制目标值；

接力器运行速度限制与输出模块：对控制目标值进行输出反馈限幅，并对输出反馈限幅结构进行积分输出。

本发明的第三方面，提供一种实现水轮机调速器功率频率控制的终端设备，所述终端设备包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如上所述的水轮机调速器功率频率控制的方法。

本申请的有益效果：

(1)一次调频与AGC采用同一控制器且为相同的调节过程，因此，AGC与一次调频可以共用一组参数，使得AGC和一次调频均有较好的动、静态特性。

(2)调节参数的适应性加强，在不同的水头与负荷下，可以采用同一组控制参数，避免了不同工况下的调节参数频繁切换及切换可能的带来的冲击与扰动；

(3)具有模型自校正功能，动态特性和静态特性更好；

(4)参数易整定；

(5)可提高一次调频的合格率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提出的水轮机调速器功率/频率控制方法的实施框图；

图2为本发明提出本方法的具体实施实例示意图；

附图标号说明：

1-频率测量模块；2-频率给定模块；3-水头输入模块；4-功率给定模块；5-功率测量模块；6-频率差值形成模块；7-目标功率形成模块；8-功率偏差形成模块；9-参考模型控制模块；10-功率偏差校正控制模块；11-参考模型校正模块；12-控制综合模块；13一阶惯性环节模块；14-控制输出模块；15-频率差值形成；16-频率控制偏差产生；17-频率-功率偏差转换模块；18一次调频限幅模块；19-目标功率产生模块；20-功率差值形成；21-功率控制偏差产生；22-参考控制模型；23-速度限制环节；24-非线性校正系数；25-比例控制环节；26-积分系数；27-积分控制环节；28-PI求和环节；29-差值求取环节；30-差值限幅环节；31-积分环节。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种实施例，参照图1。

如图1所示，在本实施例中，一种水轮机调速器功率频率控制方法，具体实现原理如下：

目标功率形成：模块1测量的频率信号和模块2的频率给定送至模块6形成频率偏差信号，并将模块6输出的信号送入模块7中，在模块7中，当前频率偏差信号折算成对应的功率偏差信号，并与模块4的功率给定信号进行综合，形成目标功率控制信号。综合后的信号送至控制信号产生部分。

(2)控制信号产生：控制信号产生由两部分构成。一是模型参考部分，参考模型模块9接收来自模块3的水头信号与模块7输出的目标功率信号，一并输入到参考模型9中，输出对应的开度信号至模块12；二是功率误差校正部分，模块7输出的目标功率信号与模块5测量的实际功率信号输入到模块8中形成功率偏差信号，再将偏差信号送入模块10中进行信号校正，输出一个功率偏差校正信号。功率偏差校正信号有两个作用：一是输出到模块12对实际开度进行校正；二是输出到模块11用于对参考模型9进行自修正。

(3)控制信号输出：参考模型9的输出的开度信号和校正控制器10输出的功率偏差校正信号送入模块12进行综合控制，综合控制信号送至模块13的一阶惯性环节产生实际的控制输出，由模块14送出控制信号。

在本实施例中，提供一种水轮机调速器功率频率控制方法，如图2所示，具体包括如下实现步骤：

步骤1：由频率测量模块1测量机组频率值为f；

步骤2：调整频率给定模块2的值为cf；

步骤3：由cf和f求得频率差值ef＝cf-f(模块15)；

步骤4：由模块16产生频率控制偏差信号ef1(其中e0为一次调频的死区值)：

步骤5：由模块17将频率控制偏差转换为功率控制增量Pf(其中ep为一次调频差值系数)；

Pf＝ef1/ep

步骤6：由模块18实现一次调频限幅(Pfm为一次调频最大功率限制值)；

步骤7：由功率给定模块4得到功率给定值P0；

步骤8：由目标功率产生模块19将给定功率P0与一次调频的目标功率Pf1相加得到实际的目标控制功率CP＝P0+Pf1

步骤9：由水头测量模块3测量当前工作水头H；

步骤10：由水轮发电机组的运行特性与记录得到水轮发电机组的出力与水头和导叶接力器行程的关系：P＝f(y,H)。根据该关系建立本发明的参考模型：y＝g(H，P)，即建立水轮发电机组输出功率与工作水头、导叶接力器行程的关系曲线，作为本方法的参考控制模型。根据当前运行水头H和所需要的目标控制功率CP，可以直接由模块22的参考模型得到当前应对应的导叶接力行程yc0：

yc0＝g(H，CP)

步骤11：为避免接力器产生大的冲击，由速度限制模块23对yc0的变化速度进行限制，得到yc1；

步骤12：为便于对参考模型的输出进行校正，建立了非线性校正系数模块24，非线性校正系数ky为实际目标功率与工作水头的非线性函数：ky＝f1(H，CP)，有：

yc2＝ky*yc1

在初始状态下，ky＝1；

步骤13：由功率测量模块4测量得到水轮发电机组的有功功率P

步骤14：由CP和P求得功率差值pe＝CP-P(模块20)；

步骤15：由模块21产生功率控制偏差信号pe1(其中pe0为功率调节的死区值)：

步骤16：将功率控制偏差信号送入PI控制器进行偏差校正，积分环节用以消除静态误差，提高系统的调节精度；比例环节主要用于控制调节速度，适当增大比例增益，能够提高系统速动性。具体如下：

由模块25产生比例控制信号Pp，并通过该模块调整比例控制系数；

由模块27产生积分控制信号Pi，并通过模块26调整积分控制系数；

由模块28对比例控制和积分控制进行综合得到校正输出ym。

步骤17：由模块12将校正控制输出ym与参考模型控制输出yc2综合得到接力器行程的控制目标值yc3；

yc3＝yc2+ym

步骤18：为限制接力器的运行速度，防止接力器振荡，由模块13对接力器的运行速度进行限制。具体如下：

由模块29将模块12的输出yc3与模块13(模块31)的输出yc4进行比较，得到差值ey＝yc3-yc4

由模块30对ey进行限幅

由模块31对ey1进行积分，得到输出yc4.

步骤19：由模块14对所需的接力器控制信号进行输出，并根据实际要求进行限幅。

步骤20：当参考模型准确时，调节终了、系统稳定后，校正环节10的输出ym应接近于0。如果ym不等于0，则由模块11对模块24的非线性校正系数进行修正。修正过程如下：

设修正前的ky＝ky0，yc3＝yc30，ym＝ym0,yc40＝ym0+yc30；

计算修正系数ky1＝yc40/yc30*ky0；

将ky从ky0缓慢地调整至ky1,与此同时，逐步减小模块27积分器的输出，保持yc4＝yc40；

当积分器的输出调整至0时，非线性校正系数的修正结束。

本发明所揭露的方法、系统和模块，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的实施例仅是示意性的；例如，所述模块的划分，可以仅仅是一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式；例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以说通过一些接口，系统或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述分立部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例的方案目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、制度存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种水轮机调速器功率频率控制方法，其特征在于，所述功率和频率控制方法包括如下步骤：

导叶接力器行程计算与校正：根据获得的当前工作水头和目标控制功率，基于建立的参考控制模型计算得到导叶接力器行程，对计算得到的导叶接力器行程先进行变化速度限制校正，然后进行非线性校正；

2.如权利要求1所述的一种水轮机调速器功率频率控制方法，其特征在于，所述获取目标控制功率包括如下子步骤：

e0为一次调频的死区值；

Pf＝ef1/ep，ep为一次调频差值系数；

Pfm为一次调频最大功率限制值；

3.如权利要求2所述的一种水轮机调速器功率频率控制方法，其特征在于，所述构建参考控制模型包括如下子步骤：

S201：测量获取当前工作水头H；

4.如权利要求3所述的一种水轮机调速器功率频率控制方法，其特征在于，所述导叶接力器行程计算与校正包括如下子步骤：

S301：根据当前运行水头H和所需要的目标控制功率CP，直接由构建的参考控制模型得到当前对应的导叶接力行程yc0，其中：

yc0＝g(H，CP)；

ky＝f1(H，CP)；

yc2＝ky*yc1，在初始状态下，ky＝1。

5.如权利要求4所述的一种水轮机调速器功率频率控制方法，其特征在于，所述获取功率控制偏差信号包括如下子步骤：

S402：计算获得功率控制偏差信号pe1，其中：

pe0为功率调节的死区值。

6.如权利要求5所述的一种水轮机调速器功率频率控制方法，其特征在于，所述功率控制偏差信号校正包括如下子步骤：

S501：将功率控制偏差信号送入PI控制器进行偏差校正，包括：通过调整比例控制系数，获取的比例控制信号Pp；通过调整积分控制系数，获取的积分控制信号Pi；对比例控制和积分控制进行综合得到校正输出ym；

7.如权利要求6所述的一种水轮机调速器功率频率控制方法，其特征在于，所述接力器运行速度限制并输出包括如下子步骤：

S602：对得到的差值ey进行限幅得到限幅输出ey1，其中：

S603：对ey1进行积分得到yc4，并将yc4作为接力器控制信号输出。

8.如权利要求6所述的一种水轮机调速器功率频率控制方法，其特征在于，所述调速器功率和频率控制方法还包括非线性校正系数修正步骤，具体包括如下子步骤：

A1：若ym不等于0，执行步骤A2；若ym等于0，执行步骤A3；

A2：令修正前的ky＝ky0，yc3＝yc30，ym＝ym0,yc40＝ym0+yc30；计算修正系数ky1，其中ky1＝yc40/yc30*ky0；将ky从ky0缓慢地调整至ky1,与此同时，逐步减小积分器的输出Pi，保持yc4＝yc40；当积分器的输出调整至0时，结束非线性校正系数的修正；

A3：结束非线性校正系数的修正。