CN115776256A - 一管多机水电机组励磁系统和调速系统联合控制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一管多机水电机组励磁系统和调速系统联合控制的方法,属于水电机组分析控制技术领域。该方法包括:给出水轮机水力模型,对水轮机力矩模型微分化,结合发电机模型建立一管多机水轮发电机组弹性水击非线性模型;引入协同控制理论,分别对励磁系统和调速系统的宏变量进行选取,代入到协同控制宏观变量收敛的动态中;导出协同控制后励磁系统的控制率,并将其加到调速系统的控制中,导出协同控制后调速系统的控制率,作为励磁系统和调速系统联合控制的输出控制率。本发明将协同控制理论应用到水电机组的集成控制中,能够协调两个系统和参数,能够改善忽略系统之间和状态参数之间互相影响对控制系统造成的性能下降,控制效果更优。
Description
技术领域
本发明属于水电机组分析控制技术领域,具体涉及一种一管多机水电机组励磁系统和调速系统联合控制的方法。
背景技术
水电机组是水电系统的必备设备,在目前的建设中,广泛的采用一管多机的布置方式,通过共用压力管引水至电站厂房前,然后通过支管分别连接到每一台水轮发电机组上。水轮机的动作变化会对共用管道产生影响,因此其快速有效的控制关系到电厂运行的安全稳定。基于水力耦合效应,目前对一管多机系统非线性模型的建立与控制的研究越来越多。
CN112651180A中公开了一种一管多机水电机组调节系统微分方程计算方法,该方法利用机组动态参数及状态变量构建了刚性水击下一管多机水力系统微分方程模型,与水轮机力矩微分方程模型、液压调速系统模型、三阶发电机系统模型共同构成了一管多机水电机组调节系统微分方程,有利于水-机-电多因素耦合条件下机组动态性能的研究,但该方法主要研究的是刚性水击条件下机组动态性能的变化,不适用于弹性水击条件下的实际水电站机组运行情况和动态性能的研究。CN112947076A公开了一种一管多机水电机组协同控制器设计方法。该方法将协同控制理论引入到刚性水击条件下一管多机水电机组调节系统微分方程中设计了一种协同控制器,对调节系统的稳定控制有明显效果,但在一管多机水电机组协同控制器设计过程中只考虑了水轮机侧调速系统方面的影响,未考虑发电机侧励磁系统的影响,不利于一管多机水电机组整个调节系统的稳定控制。
上述技术方案虽然也是立足与协同控制,但其与传统水电机组控制过程一样,调速系统和励磁系统是分开控制的,容易忽略两者参数和系统之间的相互联系,导致控制效果差。一管多机水电机组励磁系统和调速系统联合控制方法利用调速系统与励磁系统的特征参数,共同构造了一管多机水电机组协同控制器,相比于传统控制过程,使整个调节系统能同时兼顾调速系统和励磁系统的影响,将控制系统之间及参数之间的相互影响考虑其中,有效提高了机组的动态性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一管多机水电机组励磁系统和调速系统联合控制的方法,解决现有水轮发电机组上水轮机的调速系统与发电机的励磁系统分开控制而导致的效果差的问题,减小由于忽略两个系统间参数的联系的影响,实现两者的联合控制。
为解决上述的技术问题,本发明采用以下技术方案:一种一管多机水电机组励磁系统和调速系统联合控制的方法,其特征在于建立励磁系统和调速系统的相关性联系,具体包括如下步骤:
(1)给出水轮机水力模型,对水轮机力矩模型微分化,结合发电机模型建立一管多机水轮发电机组弹性水击非线性模型;
(2)引入协同控制理论,分别对励磁系统和调速系统的宏变量进行选取,代入到协同控制宏观变量收敛的动态中;
(3)导出协同控制后励磁系统的控制率,并将其加到调速系统的控制中,导出协同控制后调速系统的控制率,作为励磁系统和调速系统联合控制的输出控制率;
(4)将励磁系统和调速系统联合控制与PID控制进行仿真对比。
进一步的,所述步骤(1)的具体步骤如下,弹性水击水轮机水力模型表示为:
其中,x1i、x2i和x3i是第i个支管瞬态水力计算的状态变量;Zni是第i条支管水力冲击阻抗的归一化值,Tei是第i条支管的弹性时间常数;h0为水电站静压头的相对值;fPT是公共管道的水头损失系数;qT是公用管道的相对流量值;fpi是第i个支管的水头损失系数;qi是第i个分叉管道的流量;Δhq(i)T为第i支管流量变化引起的普通压力钢管动态水头变化;Tyi是第i台机组主伺服电机的时间常数;ui是第i台机组调速器控制回路的输出控制信号;y0i是第i机组主伺服马达的初始位移值,yi为主接力器位移标幺值;yri为额定负荷时主接力器位移标幺值;
水轮机力矩原有模型为
微分化后可得
其中,Ati是第i台机组的涡轮增益系数;qnli是第i个机组的涡轮机空载流量的单位值;
结合发电机三阶模型,得到一管多机水轮发电机组弹性水击非线性模型表示为:
其中,δi是转子q轴与第i台发电机x轴的电角度;ωBi是第i台电机转子的同步速度;ωi是第i个发电机角速度的相对值;Tji是第i台发电机组的惯性时间常数;pti是第i台发电机涡轮的输出扭矩,即有效扭矩;pgi是第i台发电机的电磁转矩;Di是第i个发电机的阻尼因数;E'qi是发电机的q轴瞬态电动势;Efi是励磁系统的输出励磁电压;Xd∑是d轴同步电抗;X'd∑为d轴瞬态电抗;Us是机器终端电压;Td0i是第i个发电机的励磁时间常数。
进一步的,所述步骤(2)中基于协同控制理论分别对励磁系统和调速系统的宏变量进行选取步骤如下:
步骤2-1.选择状态变量ω、δ和E'q的线性组合作为励磁系统的宏观变量:ψ1i=Ke1i(ωi-ωrefi)+Ke2i(δi-δrefi)+Ke3i(E'qi-E'qrefi)
将选取的宏变量代入到协同控制宏观变量收敛的动态中
可得
步骤2-2.选择状态变量ω、y、pt和E'q的线性组合作为调速系统的宏观变量:ψ2i=kg1i(ωi-ωrefi)+kg2i(yi-yrefi)+kg3i(pti-ptrefi)+kg4i(E'qi-E'qrefi)
其中,wrefi、δrefi和E'qrefi分别表示角速度、功率角和励磁电压的参考值。Ke1i、Ke2i和Ke3i是用于描述角速度偏差、功率角偏差和励磁电压偏差的值关系的设计参数;yrefi和ptrefi分别表示导叶开度和涡轮功率的参考值。kg1i、kg2i、kg3i和kg4i分别用于描述角速度偏差、导叶开度偏差、机械功率偏差和励磁电压偏差的值关系的设计参数;
代入协同控制宏观变量收敛的动态中可得
进一步的,所述步骤(3)中导出协同控制后励磁系统的控制率,具体如下:
同样,导出协同控制后调速系统的控制率:
得到励磁系统和调速系统联合控制的输出控制率为ui,从调速系统导出的控制率可以看出励磁系统控制率Ef被加入到调速系统控制中,实现了两者的协同控制。
本发明的有益效果是:
1.本发明微分化水轮机力矩模型,建立了水电机组弹性水击非线性模型,引入协同控制理论,分别建立了励磁系统和调速系统控制,并将励磁控制输出引入到调速控制中,形成了两个系统协同控制,建立了两个系统之间的联系,使得水轮发电机的运行更加平稳。
2.将水轮机力矩模型微分化,重新建立了水电机组弹性水击模型,更能反应系统的本质。
3.引入协同控制理论,选取宏变量时涉及水轮机和发电机,将系统间的参数联系起来,可降低参数之间的相互影响。
附图说明
图1是一管两机水电机组的示意图。
图2是本发明中步骤(3)的流程示意图;
图3是本发明的流程示意图;
图4是功率扰动下两台水电机组协同控制与PID控制下的功率变化图;
图5是三相短路下水电机组协同控制与PID控制下的功率变化图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式,对本发明作进一步说明。
本发明是基于协同控制理论的一管多机水电机组励磁系统和调速系统联合控制的方法,其应用到水电机组的控制领域,具有重要的工程应用意义,在水电站中使用可使得系统控制更加稳定。
如图1所示,本发明所述的方法具体包括以下步骤:
步骤一:所述弹性水击水轮机水力模型表示为:
其中,x1i、x2i和x3i是第i个支管瞬态水力计算的状态变量;Zni是第i条支管水力冲击阻抗的归一化值,Tei是第i条支管的弹性时间常数;h0为水电站静压头的相对值;fPT是公共管道的水头损失系数;qT是公用管道的相对流量值;fpi是第i个支管的水头损失系数;qi是第i个分叉管道的流量;Δhq(i)T为第i支管流量变化引起的普通压力钢管动态水头变化;Tyi是第i台机组主伺服电机的时间常数;ui是第i台机组调速器控制回路的输出控制信号;y0i是第i机组主伺服马达的初始位移值,yi为主接力器位移标幺值;yri为额定负荷时主接力器位移标幺值。
对水轮机力矩原有模型微分化:
水轮机力矩原有模型为
微分化后可得
其中,Ati是第i台机组的涡轮增益系数;qnli是第i个机组的涡轮机空载流量的单位值。
加上发电机三阶模型,一起形成整个水电机组模型,一管多机水轮发电机组弹性水击非线性模型表示为:
其中,δi是转子q轴与第i台发电机x轴的电角度;ωBi是第i台电机转子的同步速度;ωi是第i个发电机角速度的相对值;Tji是第i台发电机组的惯性时间常数;pti是第i台发电机涡轮的输出扭矩,即有效扭矩;pgi是第i台发电机的电磁转矩;Di是第i个发电机的阻尼因数;E'qi是发电机的q轴瞬态电动势;Efi是励磁系统的输出励磁电压;Xd∑是d轴同步电抗;X'd∑为d轴瞬态电抗;Us是机器终端电压;Td0i是第i个发电机的励磁时间常数。
基于协同控制理论分别对励磁系统和调速系统的宏变量进行选取的表达如下:
选择状态变量ω、δ和E'q的线性组合作为励磁系统的宏观变量:ψ1i=Ke1i(ωi-ωrefi)+Ke2i(δi-δrefi)+Ke3i(E'qi-E'qrefi)
将选取的宏变量代入到协同控制宏观变量收敛的动态中
可得
而调速器系统,选择状态变量ω、y、pt和E'q的线性组合作为其宏观变量:ψ2i=kg1i(ωi-ωrefi)+kg2i(yi-yrefi)+kg3i(pti-ptrefi)+kg4i(E'qi-E'qrefi)
其中,wrefi、δrefi和E'qrefi分别表示角速度、功率角和励磁电压的参考值。Ke1i、Ke2i和Ke3i是用于描述角速度偏差、功率角偏差和励磁电压偏差的值关系的设计参数。yrefi和ptrefi分别表示导叶开度和涡轮功率的参考值。kg1i、kg2i、kg3i和kg4i是用于描述角速度偏差、导叶开度偏差、机械功率偏差和励磁电压偏差的值关系的设计参数。
同样代入协同控制宏观变量收敛的动态中可得
将相关状态变量微分形式代入可导出励磁协系统的控制率
同样,导出调速系统的控制率:
从调速系统导出的控制率可以看出励磁系统控制率Ef被加入到协同调速控制中,将ui励磁系统和调速系统联合集成控制(SEGC)输出控制率。
本实施以某水电机组的数据进行仿真,为简化计算选择如图1的一管两机机组,验证所述励磁系统和调速系统联合控制的有效性。
表1:水电机组系统的参数
通过本发明构建一管两机水轮发电机组弹性水击非线性模型,分别获得负载扰动和三相短路的水轮机组功率图,如图3,4所示。
从图中可以看出,功率扰动条件下,两个水轮发电机组的初始运行为Pt1=0.8和Pt2=0.8s。当t=1s时,机组2保持其功率恒定,机组1将其功率调整为50%负载,Pt1=0.5。当t=30s时,机组1将功率调整为80%负载。三相短路条件下,由于两台机组变化相同,只分析其中一台机组变化。当t=0时,两台机组均在80%负载的稳态条件下运行。当t=1s时,水轮发电机组高压侧一端设置短路故障,故障线路在0.1s后切除。
当机组1进行负荷调节时,造成共用管道内的水压的变化,影响其他机组水头和流量的变化,造成水力耦合,进而造成其他机组负荷的波动。仿真结果对比PID控制,本发明中励磁系统和调速系统联合控制展示了一定的优越性。仿真结果与工程实践是一致的。
以上结合仿真图形分析说明了本发明中励磁系统和调速系统联合控制的有效性,在实际应用中,可获得更加精确的控制效果。
Claims (4)
1.一种一管多机水电机组励磁系统和调速系统联合控制的方法,其特征在于建立励磁系统和调速系统的相关性联系,具体包括如下步骤:
(1)给出水轮机水力模型,对水轮机力矩模型微分化,结合发电机模型建立一管多机水轮发电机组弹性水击非线性模型;
(2)引入协同控制理论,分别对励磁系统和调速系统的宏变量进行选取,代入到协同控制宏观变量收敛的动态中;
(3)导出协同控制后励磁系统的控制率,并将其加到调速系统的控制中,导出协同控制后调速系统的控制率,作为励磁系统和调速系统联合控制的输出控制率;
(4)将励磁系统和调速系统联合控制与PID控制进行仿真对比。
2.根据权利要求1所述的一种一管多机水电机组励磁系统和调速系统联合控制的方法,其特征在于:所述步骤(1)的具体步骤如下,弹性水击水轮机水力模型表示为:
其中,x1i、x2i和x3i是第i个支管瞬态水力计算的状态变量;Zni是第i条支管水力冲击阻抗的归一化值,Tei是第i条支管的弹性时间常数;h0为水电站静压头的相对值;fPT是公共管道的水头损失系数;qT是公用管道的相对流量值;fpi是第i个支管的水头损失系数;qi是第i个分叉管道的流量;Δhq(i)T为第i支管流量变化引起的普通压力钢管动态水头变化;Tyi是第i台机组主伺服电机的时间常数;ui是第i台机组调速器控制回路的输出控制信号;y0i是第i机组主伺服马达的初始位移值,yi为主接力器位移标幺值;yri为额定负荷时主接力器位移标幺值;
水轮机力矩原有模型为
微分化后可得
其中,Ati是第i台机组的涡轮增益系数;qnli是第i个机组的涡轮机空载流量的单位值;
结合发电机三阶模型,得到一管多机水轮发电机组弹性水击非线性模型表示为:
其中,δi是转子q轴与第i台发电机x轴的电角度;ωBi是第i台电机转子的同步速度;ωi是第i个发电机角速度的相对值;Tji是第i台发电机组的惯性时间常数;pti是第i台发电机涡轮的输出扭矩,即有效扭矩;pgi是第i台发电机的电磁转矩;Di是第i个发电机的阻尼因数;E'qi是发电机的q轴瞬态电动势;Efi是励磁系统的输出励磁电压;Xd∑是d轴同步电抗;X'd∑为d轴瞬态电抗;Us是机器终端电压;Td0i是第i个发电机的励磁时间常数。
3.根据权利要求1所述的一种一管多机水电机组励磁系统和调速系统联合控制的方法,其特征在于:所述步骤(2)中基于协同控制理论分别对励磁系统和调速系统的宏变量进行选取步骤如下:
步骤2-1.选择状态变量ω、δ和E'q的线性组合作为励磁系统的宏观变量:
ψ1i=Ke1i(ωi-ωrefi)+Ke2i(δi-δrefi)+Ke3i(E'qi-E'qrefi)
将选取的宏变量代入到协同控制宏观变量收敛的动态中
可得
步骤2-2.选择状态变量ω、y、pt和E'q的线性组合作为调速系统的宏观变量:
ψ2i=kg1i(ωi-ωrefi)+kg2i(yi-yrefi)+kg3i(pti-ptrefi)+kg4i(E'qi-E'qrefi)
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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