发电机组一次调频非线性调速侧电力系统稳定器控制方法

摘要

本发明公开了一种发电机组一次调频非线性调速侧电力系统稳定器控制方法，该方法对发电机组一次调频控制回路中的输出指令信号进行非线性限速计算处理，然后将计算处理好后的信号作为新的发电机组一次调频控制输出指令信号，替代原发电机组一次调频控制回路中的控制输出指令进行一次调频控制。由于对发电机组一次调频控制指令进行非线性限速处理，因而，本方法具有实施方便、参数整定容易、鲁棒性强等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及电力技术领域，特别是涉及一种发电机组一次调频非线性调速 侧电力系统稳定器控制方法。

背景技术

低频振荡是一种不利于电力系统安全和稳定运行的现象，会严重影响电力 系统的稳定性和发电机组的安全运行，甚至对电力系统造成破坏、导致大面积 停电。抑制系统低频振荡的一种常用方案是由电力系统稳定装置(PSS)作用于 发电机组的励磁系统。但由于励磁系统与电力系统及其运行方式和工况密切相 关，使得电力系统中PSS的协调设计和安装地点的选择成了PSS能否用于电力 系统的关键和难点。目前，在已经安装了PSS的发电机组中，低频振荡依然时 有发生。

当电网系统发生低频振荡时，电网频率和机组功率也会发生相应的振荡， 导致调速系统和一次调频相应的动作，将发生调速系统与电网系统的共振，进 一步恶化电网系统的低频振荡，严重威胁电网系统的安全。

调速系统附加阻尼控制与PSS在结构和功能上是类似的，也称之为调速器 侧电力系统稳定器(GPSS)，其作用是通过控制量输入调速系统控制产生一个正 阻尼力矩来抑制电力系统的低频振荡。由于汽轮机调速系统与电网状态联系较 弱，因此GPSS对系统运行方式及工况的鲁棒性好，并且具有多机解耦特性。目 前实现GPSS的方法主要是通过在转速反馈通道中加超前校正来实现抑制低频 振荡，超前校正参数设定只是要求相位补偿大于相位滞后，低频振荡的抑制效 果差，同时控制动作太过频繁而引起调速系统负荷较重，增加调速系统的故障 率，导致电力系统的稳定性和发电机组的安全性降低。

另外，汽轮机调速系统的参数选择不当会提供负阻尼恶化系统的低频振荡。 为提高电网频率的控制精度，一般要求并网发电机组投入一次调频功能，电网 相关部门实时监测各台发电机组的一次调频实际动作情况，对一次调频动作不 合格的机组实行考核。由于受电网频率波动的随机性和不确定性等因素影响， 发电机组实际一次调频动作常常出现负荷补偿量不足而被电网考核的情况。为 提高发电机组一次调频负荷补偿量，避免考核，发电机组侧通常采取降低不等 率、增大一次调频负荷指令等措施，虽然提高了一次调频负荷补偿量，但却降 低了系统的稳定性，加剧了汽轮机调门的振荡，增加了调门的故障率，有时甚 至引发汽轮机调门EH油管断裂等恶性事故。

发明内容

针对上述振荡抑制方法对低频振荡的抑制效果差，导致电力系统的稳定性 和发电机组的安全性低的问题，避免汽轮机调速系统提供负阻尼而恶化系统的 低频振荡的发生，本发明的目的是提供一种发电机组一次调频非线性调速侧电 力系统稳定器控制方法。为此，采用的技术方案如下。

一种发电机组一次调频非线性调速侧电力系统稳定器控制方法，对发电机 组一次调频控制回路中的输出指令信号进行非线性限速计算处理，将处理所得 信号替代原发电机组一次调频控制回路中的控制输出指令进行一次调频控制，

所述的对发电机组一次调频控制回路中的输出指令信号进行非线性限速计 算处理，步骤如下：

步骤1，将发电机组一次调频控制回路中的输出指令信号送到计算处理回路 的IN输入端，通过运算将IN信号分解为D₁和D_f两个分量的信号，按如下公式 进行：

D₁＝(1-K_r)·IN

D_f＝K_r·IN

式中，K_r为阻尼作用强度参数常数；

步骤2，对步骤1中得到的D_f信号进行计算处理，拆分为正数值分量信号 D_fP和负数值分量信号D_fN，计算按如下公式进行：

$D_{\mathrm{fP}}=f_1\left(D_f\right)=\left(\begin{array}{cc}{D}_f& (D_f\ge 0)\\ 0& (D_f<0)\end{array}\right)$

$D_{\mathrm{fN}}=f_2\left(D_f\right)=\left(\begin{array}{cc}0& (D_f\ge 0)\\ D_f& (D_f<0)\end{array}\right)$

步骤3，对步骤2中得到的D_fP和D_fN信号分别进行非线性限速运算处理， 得到D₂信号和D₃信号，

非线性限速运算处理的限速运算函数有3个输入信号，分别为输入信号R_in、 上一周期运算结果R_out(n-1)和速率限制设置参数R，限速运算函数有1个输出信号 R_out，限速运算函数根据以下2种情况来进行运算：

第1种情况：

T为运算周期时间常数，工程单位为s，当满足时，则本次 运算R_out输出按下公式进行计算：

R_out＝RL(R_in,R_out(n-1),R)＝R_in

得到R_out后，将其值赋给R_out(n-1)，以便在下一运算周期时被调用：

R_out(n-1)＝R_out

第2种情况：

当时，则本次运算R_out输出按下公式进行计算：

$R_{\mathrm{out}}=\mathrm{RL}(R_{\mathrm{in}},R_{\mathrm{out}(n-1)},R)=\left(\begin{array}{cc}{R}_{\mathrm{out}(n-1)}+R& \left(R_{\mathrm{in}}{>R}_{\mathrm{out}(n-1)}\right)\\ R_{\mathrm{out}(n-1)}-R& (R_{\mathrm{in}}\le R_{\mathrm{out}(n-1)})\end{array}\right)$

得到R_out后，将其值赋给R_out(n-1)，以便在下一运算周期时被调用：

R_out(n-1)＝R_out

步骤3.1：正数值分量信号D_fP的非线性限速运算处理，若是上升的运算， 则选择较高的限速参数值；若是下降的运算，则选择较慢的限速参数值。按以 下公式进行限速参数值R_P的选择计算：

$R_P=f_{\mathrm{RP}}(R_{\mathrm{in}},R_{\mathrm{out}(n-1)})=\left(\begin{array}{cc}{R}_f& \left(R_{\mathrm{in}}{>R}_{\mathrm{out}(n-1)}\right)\\ R_s& (R_{\mathrm{in}}\le R_{\mathrm{out}(n-1)})\end{array}\right)$

式中，R_f为较高的速率限制参数常数，R_s为较慢的速率限制参数常数，

得到R_P后，对D_fP进行RL限速函数运算，得到D₂信号，计算如下：

D₂＝RL(D_fP,D_2(n-1),R_P)

得到D₂后，将其值赋给D_2(n-1)，以便在下一运算周期时被调用：

D_2(n-1)＝D₂

步骤3.2：负数值分量信号D_fN非线性限速运算处理，若是上升的运算，则 选择较慢的限速参数值；若是下降的运算，则选择较高的限速参数值。按下公 式进行限速参数值R_N的选择计算：

$R_N=f_{\mathrm{RN}}(R_{\mathrm{in}},R_{\mathrm{out}(n-1)})=\left(\begin{array}{cc}{R}_s& \left(R_{\mathrm{in}}{>R}_{\mathrm{out}(n-1)}\right)\\ R_f& (R_{\mathrm{in}}\le R_{\mathrm{out}(n-1)})\end{array}\right)$

得到R_N后，对D_fN进行RL限速函数运算，得到D₃信号，计算如下：

D₃＝RL(D_fN,D_3(n-1),R_N)

得到D₃后，将其值赋给D_3(n-1)，以便在下一运算周期时被调用：

D_3(n-1)＝D₃

步骤4：将步骤1中计算得到的D₁、步骤3中计算得到的D₂和D₃相加起来， 得到计算处理回路的输出信号OUT：

OUT＝D₁+D₂+D₃

将计算得到的计算处理回路OUT信号替代原发电机组一次调频控制回路中 的控制输出指令进行一次调频控制。

采用本发明的发电机组一次调频非线性调速侧电力系统稳定器控制方法， 在电网频率波动偏离额定值过程中，能够更加有效地增加发电机组实际一次调 频动作的负荷补偿量，尤其是电网负荷发生大的负荷扰动时，负荷补偿量的增 加将更加明显；在电网频率回到额定值的过程中，能够提供一个较强的阻尼作 用，防止系统低频振荡的发生；在电网频率偏离额定值的激烈波动期间，在其 阻尼的作用下，除了能够提供较大的一次调频动作的负荷补偿量外，还能有效 避免出现汽轮机调门反复的调节波动，防止汽轮机调门发生振荡；在电网发生 系统低频振荡时，在其阻尼的作用下，机组一次调频将不参与系统振荡过程的 调节，防止发生调速系统与电网系统共振，有利于抑制电网系统的低频振荡， 提高电网系统安全稳定性。

附图说明

图1为本发明的控制回路实施方案图；

图2为一个典型的发电机组一次调频控制回路示意图；

图3为本发明的具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明可以在DCS(Distributed Control System,DCS)、PLC(Programmable  Logic Controller,PLC)、单片机或计算机上编程实现。为使本专利更加容易理解， 下面结合附图对本专利作进一步阐述，但附图中的实施例不构成对本专利的任 何限制。

如图1所示，按如下步骤1～步骤4的计算处理，对发电机组一次调频控制 回路中的输出指令信号进行非线性限速计算处理，步骤如下：

步骤1，将发电机组一次调频控制回路中的输出指令信号送到计算处理回路 的IN输入端，通过运算将IN信号分解为D₁和D_f两个分量的信号，按如下公式 进行：

D₁＝(1-K_r)·IN

D_f＝K_r·IN

式中，K_r为阻尼作用强度参数常数，该常数为可调参数，其取值范围0～1， 典型值为0.8。

步骤2，对步骤1中得到的D_f信号进行计算处理，拆分为正数值分量信号 D_fP和负数值分量信号D_fN，计算按如下公式进行：

$D_{\mathrm{fP}}=f_1\left(D_f\right)=\left(\begin{array}{cc}{D}_f& (D_f\ge 0)\\ 0& (D_f<0)\end{array}\right)$

$D_{\mathrm{fN}}=f_2\left(D_f\right)=\left(\begin{array}{cc}0& (D_f\ge 0)\\ D_f& (D_f<0)\end{array}\right)$

在DCS组态回路中，可以使用DCS的输出限制块或分段线性插值函数块f(x) 来实现正数值分量信号D_fP和负数值分量信号D_fN的计算。

例如，使用分段线性插值函数块f(x)来实现，则：

D_fP的f(x)计算由如下函数点通过分段线性插值计算：

f(x)输入％ -100 0 100 f(x)输出％ 0 0 100

D_fN的f(x)计算由如下函数点通过分段线性插值计算：

f(x)输入％ -100 0 100 f(x)输出％ -100 0 0

步骤3，对步骤2中得到的D_fP和D_fN信号分别进行非线性RL限速(Rate Limit, RL)运算处理得到D₂信号和D₃信号，

非线性限速运算处理的RL限速运算函数有3个输入信号，分别为输入信号 R_in、上一周期运算结果R_out(n-1)和速率限制设置参数R，RL限速运算函数有1个 输出信号R_out，RL限速运算函数根据以下2种情况来进行运算：

第1种情况：

T为运算周期时间常数，工程单位为s，一般选取范围为0.05s～1s，当满足 时，则本次运算R_out输出按下公式进行计算：

R_out＝RL(R_in,R_out(n-1),R)＝R_in

得到R_out后，将其值赋给R_out(n-1)，以便在下一运算周期时被调用：

R_out(n-1)＝R_out

第2种情况：

当时，则本次运算R_out输出按下公式进行计算：

$R_{\mathrm{out}}=\mathrm{RL}(R_{\mathrm{in}},R_{\mathrm{out}(n-1)},R)=\left(\begin{array}{cc}{R}_{\mathrm{out}(n-1)}+R& \left(R_{\mathrm{in}}{>R}_{\mathrm{out}(n-1)}\right)\\ R_{\mathrm{out}(n-1)}-R& (R_{\mathrm{in}}\le R_{\mathrm{out}(n-1)})\end{array}\right)$

得到R_out后，将其值赋给R_out(n-1)，以便在下一运算周期时被调用：

R_out(n-1)＝R_out

在DCS组态回路中，可以直接使用DCS的速率限制块RL来实现RL限速 运算。

步骤3.1：正数值分量信号D_fP的非线性限速运算处理，若是上升的运算， 则选择较大的限速参数值；若是下降的运算，则选择较慢的限速参数值。按以 下公式进行限速参数值R_P的选择计算：

$R_P=f_{\mathrm{RP}}(R_{\mathrm{in}},R_{\mathrm{out}(n-1)})=\left(\begin{array}{cc}{R}_f& \left(R_{\mathrm{in}}{>R}_{\mathrm{out}(n-1)}\right)\\ R_s& (R_{\mathrm{in}}\le R_{\mathrm{out}(n-1)})\end{array}\right)$

式中，R_f为较高的速率限制参数常数，该常数为可调参数，单位为％/s，典 型值为1000％/s；R_s为较慢的速率限制参数常数，该常数为可调参数，根据具体 电网的低频振荡特征频率和发电机组容量来调整，典型值为0.25％/s。

在DCS组态回路中，可以使用DCS的偏差计算块△、高限值报警块H/、 信号切换块T来实现R_P的计算。如图1所示，当D₂-D_fp>0时，则信号切换块 T选择R_f作为输出信号，并将输出值赋给R_P；当D₂-D_fp≤0时，则信号切换块 T选择R_s为输出信号，并将输出值赋给R_P。

得到R_P后，对D_fP进行RL限速函数运算，得到D₂信号，计算如下：

D₂＝RL(D_fP,D_2(n-1),R_P)

得到D₂后，将其值赋给D_2(n-1)，以便在下一运算周期时被调用：

D_2(n-1)＝D₂

步骤3.2：负数值分量信号D_fN非线性限速运算处理，若是上升的运算，则 选择较慢的限速参数值；若是下降的运算，则选择较高的限速参数值。按下公 式进行限速参数值R_N的选择计算：

$R_N=f_{\mathrm{RN}}(R_{\mathrm{in}},R_{\mathrm{out}(n-1)})=\left(\begin{array}{cc}{R}_s& \left(R_{\mathrm{in}}{>R}_{\mathrm{out}(n-1)}\right)\\ R_f& (R_{\mathrm{in}}\le R_{\mathrm{out}(n-1)})\end{array}\right)$

在DCS组态回路中，可以使用DCS的偏差计算块△、高限值报警块H/、 信号切换块T来实现R_N的计算。如图1所示，当D₃-D_fN>0时，则信号切换块 T选择R_s作为输出信号，并将输出值赋给R_N；当D₃-D_fN≤0时，则信号切换块 T选择R_f为输出信号，并将输出值赋给R_N。

得到R_N后，对D_fN进行RL限速函数运算，得到D₃信号，计算如下：

D₃＝RL(D_fN,D_3(n-1),R_N)

得到D₃后，将其值赋给D_3(n-1)，以便在下一运算周期时被调用：

D_3(n-1)＝D₃

步骤4：将步骤1中计算得到的D₁、步骤3中计算得到的D₂和D₃相加起来， 得到计算处理回路的输出信号OUT：

OUT＝D₁+D₂+D₃

将计算得到的计算处理回路OUT信号替代原发电机组一次调频控制回路中 的控制输出指令进行一次调频控制。

图2为一个典型的由DCS构成的600MW发电机组一次调频控制回路图， 图中的WS为汽轮机转速信号，单位为r/min；WS_r为额定转，为常数值3000r/min； DEH_X151为以％量纲的一次调频指令信号，单位为％，该信号送到DEH(Digital  Electro-Hydraulic Control System,DEH)的调门指令回路，直接叠加到DEH调门 指令上；DEH_X为转换为量纲MW后的一次调频指令信号，单位为MW，该信 号送到CCS(Coordinated Control System,CCS)功率指令回路，作为CCS系统的 一次调频指令信号。

在图2中，首先利用偏差计算块△来计算频差(WS_r–WS)，然后利用一个分 段线性插值函数块f(x)来实现5％转速不等率、2r/min调频死区和6％调频指令限 幅等功能，由如下函数点通过分段线性插值计算来实现：

f(x)输入r/min -150 -11 -2 0 2 11 150 f(x)输出％ 6 6 0 0 0 -6 -6

在图2中，当一次调频投入时，通过信号切换块T，选择分段线性插值函数 块f(x)的输出作为DEH_X151一次调频指令信号；当退出一次调频时，一次调 频指令信号DEH_X151为0％。该机组额定功率为600MW，则从％的量纲到MW 的量纲转换系数为3.6，DEH_X151×3.6就得到量纲为MW的一次调频指令信号 DEH_X。

在该机组实施本发明，只需串联接入本发明到图2中的分段线性插值函数 块f(x)的输出端即可，如图3所示。

在图3中，为了使控制回路图简洁、清晰，将本发明用DCS组态封装成一 个宏运算模块，并起名为NLGPSS。阻尼作用分配系数K_r参数取值为0.8；速率 限制参数R_f取值为1000％/s；速率限制参数R_s取值为0.25％/s。

为了实现GPSS功能的投入/退出操作，在图3中，还增加了一个信号切换 块T，当投入GPSS功能时，选择本发明的OUT作为信号切换块T的输出；当 退出GPSS功能时，选择原来的分段线性插值函数块f(x)的输出作为信号切换块 T的输出。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。