CN113013894B - 一种水轮机调速器控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种水轮机调速器控制方法，采用等幅反相叠加原理，针对故障功率波动中低频成分提出主动抑制的控制策略，在水轮机调速器控制单元中加入主动抑制环节，设计调速器信号用于抑制发电机组有功功率低频周期振荡，改善水轮发电稳态运行特性，解决了传统调速器仅能被动抑制低频振荡，且抑制效果不佳的问题，通过为电力系统研究机组稳态运行及其稳定性，以及水力系统控制设计提供一种便捷的方法和手段。

Description

一种水轮机调速器控制方法

技术领域

本申请涉及水轮机及水力机组稳定性分析和控制技术领域，尤其涉及一种水轮机调速器控制方法。

背景技术

随着电网公司对电网动态稳定管理工作的规范和重视，以及电网网架结构的不断加强，电网因系统弱阻尼原因而发生的低频振荡已得到明显改善。而电源侧的安全稳定运行同样直接影响着电网的安全稳定运行，尤其是电源侧有功功率的波动，在一定条件下可能引起电网的低频振荡。近几年通过相关理论研究和实践证明，水轮机组有功功率和水力因素存在耦合，严重时容易发生共振现象，引起机组功率低频振荡，从而容易诱发电网低频振荡。

然而当前工程应用典型并联水轮机调速器设计按照频率和功率的偏差，通过调差环节，换算成相应的导叶开度变化量进行调节。对机组运行中出现的低频功率振荡仅能够被动的抑制，并且抑制效果不佳，使得现有调速器在调节过程中无法较好的处理水力系统引起的低频功率波动，因此，显然不利于电力系统的稳定。

发明内容

本申请提供了一种水轮机调速器控制方法，采用等幅反相叠加原理，针对故障功率波动中低频成分提出主动抑制的控制策略，解决了传统调速器仅能被动抑制低频振荡，且抑制效果不佳的问题。

本申请解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种水轮机调速器控制方法，包括以下步骤：

构建设置有抑制低频功率波动的主动抑制环节，所述低频功率波动为与低频功率波动故障相位相差180度的反相波形；

设计所述主动抑制环节中的调速器信号，所述调速器信号的参数可直接给定或结合实际工程通过仿真计算得到；

采用软件编程将主动抑制环节作为辅助信号输入至调速器控制单元构成新的控制信号；

采用仿真模拟方法，辨识新的控制信号中主动抑制环节调速器信号各项运动方程参数。

可选的，主动抑制环节调速器控制单元输出的运动方程形式如下：

y₂＝-A cos(ωt-2πr₂/λ-2πr/λ-ωt_d)

式中：y₂为主动抑制功率位移；A为低频功率波动振幅；ω为低频功率波动角速度；t为低频功率波动辨识初始时刻；r₂为低频功率波动为与低频功率波动故障波动叠加点距主动抑制功率投入点距离；λ为低频功率波动波长；r为低频功率波动辨识点与主动抑制功率投入点距离；t_d为主动抑制环节控制系统响应滞后时间。

可选的，所述主动抑制环节符合简谐振动的规律。

可选的，所述低频功率波动与低频功率波动故障两组功率波动波形为同振幅、同频率、初相位差为2πr/λ+ωt_d的简谐振动。

可选的，所述低频功率波动故障功率波动运动方程为

y₁＝A cos(ωt-2πr₁/λ)

式中：ω为低频功率波动角速度；y₁为低频功率波动位移；A为低频功率波动振幅；λ为低频功率波动波长；t为低频功率波动辨识初始时刻；r₁为低频功率波动为与低频功率波动故障波动叠加点距低频功率波动辨识点距离。

可选的，低频功率波动为与低频功率波动故障波动叠加处功率波动运动方程为：

y＝A cos(ωt-2πr₁/λ)r₁₀-A cos(ωt-2πr₂/λ-2πr/λ-ωt_d)r₂₀

式中：y为波动叠加点功率波动位移向量；r₁₀为r₁方向的单位矢量；r₂₀为r₂方向的单位矢量。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

本申请提供了一种水轮机调速器控制方法，采用等幅反相叠加原理，针对故障功率波动中低频成分提出主动抑制的控制策略，在水轮机调速器控制单元中加入主动抑制环节，设计调速器信号用于抑制发电机组有功功率低频周期振荡，改善水轮发电稳态运行特性，解决了传统调速器仅能被动抑制低频振荡，且抑制效果不佳的问题，通过为电力系统研究机组稳态运行及其稳定性，以及水力系统控制设计提供一种便捷的方法和手段。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的低频功率波动仿真曲线；

图2为本申请实施例提供的主动抑制波动仿真曲线；

图3为本申请实施例提供的叠加后波动仿真曲线。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请中的技术方案综合考虑水力发电机组低频功率波动物理特性，将低频功率波动时域曲线看作无阻尼自由振动运动模型，采用如传统控制器中预置反馈、罚函数等方式人为提供与低频功率波动故障相位相差180°的反相波形与原故障波形进行叠加抵消，从而抑制发电机组有功功率低频周期振荡，改善水轮发电稳态运行特性。

本申请实施例提供的一种水轮机调速器控制方法，在水轮机调速器控制单元中加入主动抑制环节，设计调速器信号用于抑制发电机组有功功率低频周期振荡，主动抑制环节运动方程的各项参数可直接给定或结合实际工程通过仿真计算得到，具体包括以下步骤：

S1：构建设置有抑制低频功率波动的主动抑制环节，所述低频功率波动为与低频功率波动故障相位相差180度的反相波形。

其中，低频功率波动故障和主动抑制环节调速器控制单元输出的运动方程形式如下：

y₁＝A cos(ωt-2πr₁/λ)

y₂＝-A cos(ωt-2πr₂/λ-2πr/λ-ωt_d)

其中：ω为低频功率波动角速度；y₁为低频功率波动位移；y₂为主动抑制功率位移；A为低频功率波动振幅；λ为低频功率波动波长；t为低频功率波动辨识初始时刻；r₁为低频功率波动为与低频功率波动故障波动叠加点距低频功率波动辨识点距离；r₂为低频功率波动为与低频功率波动故障波动叠加点距主动抑制功率投入点距离；r为低频功率波动辨识点与主动抑制功率投入点距离；t_d为主动抑制环节控制系统响应滞后时间。

该主动抑制环节的参数可直接给定或结合实际工程通过仿真计算得到，同时该环节满足下列三个条件：

1、对比振动力学中无阻尼自由振动中的内容，该主动抑制环节符合简谐振动的规律；

2、低频功率波动与低频功率波动故障两组功率波动波形为同振幅、同频率、初相位差为2πr/λ+ωt_d的简谐振动；

3、低频功率波动为与低频功率波动故障波动叠加处功率波动运动方程为：

y＝A cos(ωt-2πr₁/λ)r₁₀-A cos(ωt-2πr₂/λ-2πr/λ-ωt_d)r₂₀

式中：y为波动叠加点功率波动位移向量；r₁₀为r₁方向的单位矢量；r₂₀为r₂方向的单位矢量。

S2：设计所述主动抑制环节中的调速器信号，所述调速器信号的参数可直接给定或结合实际工程通过仿真计算得到。

S3：采用软件编程将主动抑制环节作为辅助信号输入至调速器控制单元构成新的控制信号。

将S1中的主动抑制环节通过软件编程实现，并加入到执行调节(PID)控制单元构成主动抑制低频功率波动的水轮机调速器控制单元，可以利用微机调速器的运算处理单元完成。

S4：采用仿真模拟方法，辨识新的控制信号中主动抑制环节调速器信号各项运动方程参数。

构成主动抑制低频功率波动的水轮机调速器控制单元后，采用试验或仿真模拟方法，确定主动抑制环节的各项参数值。

以下以一种具体的实施例对本申请中的技术方案进行进一步解释说明。

以某水电站的数据进行的计算。

单机单管引水系统，主要参数设置为：管道长度L＝1000(米)，管径D＝3.5(米)，额定流量Q_r＝53.5(立方米/秒)，额定水头H_r＝312(米)，水击波速α＝1100(米/秒)，主接力器时间常数T_y＝0.5(秒)。

为了模拟机组的实际运行情况，构建具有一定完整性的水轮发电机组运行模拟系统。调速器采用典型的并联PID控制，参数：K_P＝5.0、K_I＝1.7、K_D＝1.3、T_1n＝0.2s、b_p＝0.04；励磁控制系统采用机端电压的PI控制，参数：K_{P_Ef}＝1.0、K_{I_Ef}＝1.5。水力系统及水轮机采用刚性水击水轮机模型，发电机及电网采用单机无穷大系统三阶发电机模型，机组惯性时间常数T_j＝8.999(秒)，发电机等效阻尼系数D＝5。

仿真工况：机组并网带负荷运行，调速器工作在“功率模式”。励磁系统工作采用恒功率因素方式。机组运行初始有功Pe＝50％额定负荷，进行负荷调节，设定目标工况90％额定负荷。

该主动抑制低频功率波动的水轮机调速器控制单元，在水轮机调速器的PID控制单元中加入主动抑制环节运动方程形式如下：y₂＝-A cos(ωt-2πr₂/λ-2πr/λ-ωt_d)，A为低频功率波动振幅；ω为低频功率波动角速度；t为低频功率波动辨识初始时刻；r₂为波动叠加点距主动抑制功率投入点距离；λ为低频功率波动波长；r为低频功率波动辨识点与主动抑制功率投入点距离；t_d为主动抑制环节控制系统响应滞后时间。通过仿真分析后，选取参数：A＝0.08，ω＝2π，t＝10s，r₂＝0.5，λ＝1，r＝3.5，t_d＝0.25。

该主动抑制低频功率波动的水轮机调速器控制单元的建立方法，其具体步骤如下：

步骤1.构建主动抑制低频功率波动环节，主动抑制环节运动方程形式如下：y₂＝-A cos(ωt-2πr₂/λ-2πr/λ-ωt_d)，A为低频功率波动振幅；ω为低频功率波动角速度；t为低频功率波动辨识初始时刻；r₂为波动叠加点距主动抑制功率投入点距离；λ为低频功率波动波长；r为低频功率波动辨识点与主动抑制功率投入点距离；t_d为主动抑制环节控制系统响应滞后时间。通过仿真分析后，选取参数：A＝0.08，ω＝2π，t＝10s，r₂＝0.5，λ＝1，r＝3.5，t_d＝0.25。

步骤2.将步骤1的主动抑制环节通过软件编程实现，并加入到PID控制单元构成主动抑制低频功率波动的水轮机调速器控制单元；最后采用仿真模拟方法，确定主动抑制环节调速器信号各项运动方程参数。

主动抑制低频功率波动的水轮机调速器控制单元仿真曲线如图2所示。图1为提取的发电机组有功功率低频波动仿真曲线，其运动方程形式可整理为：y₁＝Acos(ωt-2πr₁/λ)，参数r₁＝0.25。从图3中可以看出，投入主动抑制环节后，波动叠加点功率波动位移y＝0，说明原故障波形被抵消，该主动抑制低频功率波动的水轮机调速器控制单元能有效阻隔低频振荡成分。

综上，本申请提供的水轮机调速器控制方法，采用等幅反相叠加原理，针对故障功率波动中低频成分提出主动抑制的控制策略，解决了传统调速器等被动控制策略仅能阻隔相对高频振荡成分，但低频效果很弱的问题。本申请所提出的主动抑制低频功率波动的水轮机调速器控制单元，可采用软件算法模块实现，在现有调速器控制单元中替换主动抑制环节运动方程的算法模块即可实现，应用方便。另外，需要说明的是，本申请提供的主动抑制低频功率波动的水轮机调速器控制单元，也适用于其他类型的调速器控制单元，只需将本发明的主动抑制环节算法模块作为辅助信号加入调速器控制单元即可。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.一种水轮机调速器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建设置有抑制低频功率波动的主动抑制环节，所述低频功率波动为与低频功率波动故障相位相差180度的反相波形；

设计所述主动抑制环节中的调速器信号，所述调速器信号的参数可直接给定或结合实际工程通过仿真计算得到；

采用软件编程将主动抑制环节作为辅助信号输入至调速器控制单元构成新的控制信号；

采用仿真模拟方法，辨识新的控制信号中主动抑制环节调速器信号各项运动方程参数；主动抑制环节调速器控制单元输出的所述运动方程形式如下：

y₂＝-Acos(ωt-2πr₂/λ-2πr/λ-ωt_d)

式中：y₂为主动抑制功率位移；A为低频功率波动振幅；ω为低频功率波动角速度；t为低频功率波动辨识初始时刻；r₂为低频功率波动与低频功率波动故障波动叠加点距主动抑制功率投入点距离；λ为低频功率波动波长；r为低频功率波动辨识点与主动抑制功率投入点距离；t_d为主动抑制环节控制系统响应滞后时间。

2.根据权利要求1所述的水轮机调速器控制方法，其特征在于，所述主动抑制环节符合简谐振动的规律。

3.根据权利要求1所述的水轮机调速器控制方法，其特征在于，所述低频功率波动与低频功率波动故障两组功率波动波形为同振幅、同频率、初相位差为2πr/λ+ωt_d的简谐振动。

4.根据权利要求1所述的水轮机调速器控制方法，其特征在于，所述低频功率波动故障功率波动运动方程为y₁＝Acos(ωt-2πr₁/λ)

式中：ω为低频功率波动角速度；y₁为低频功率波动位移；A为低频功率波动振幅；λ为低频功率波动波长；t为低频功率波动辨识初始时刻；r₁为低频功率波动与低频功率波动故障波动叠加点距低频功率波动辨识点距离。

5.根据权利要求4所述的水轮机调速器控制方法，其特征在于，低频功率波动与低频功率波动故障波动叠加处功率波动运动方程为：

y＝Acos(ωt-2πr₁/λ)r₁₀-Acos(ωt-2πr₂/λ-2πr/λ-ωt_d)r₂₀

式中：y为波动叠加点功率波动位移向量；r₁₀为r₁方向的单位矢量；r₂₀为r₂方向的单位矢量。

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