一种基于临界参数抑制水电机组超低频振荡的调速器参数优化方法

摘要

本发明公开了一种基于临界参数抑制水电机组超低频振荡的调速器参数优化方法，该方法基于水电机组特征方程表达式，找出超低频振荡的根源在于调速器比例参数与积分参数比值过小。由机理分析结论，该方法流程主要包括以下三个阶段：(1)设定调速器积分参数与微分参数；(2)寻找调速器临界比例参数；(3)优化调速器比例参数。经过本发明方法对系统中调速器参数进行优化可以明显抑制超低频振荡发生，且操作简单，适合用于软件离线仿真。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统稳定控制技术领域，具体涉及一种基于临界参数抑制水电机组超低频振荡的调速器参数优化方法。

背景技术

中国的水能资源居世界首位，随着不断加大对水电资源的开发与利用，中国已经成为世界上水电装机容量最大的国家。相对于火力发电，水力发电更加清洁环保，符合中国可持续发展的国家战略；而相比于其他清洁能源，水电的成本较低，相关技术成熟，建设大型水电机组是我国开发利用水电的主要形式，保持水电机组在电网中稳定运行是中国电力发展的必然要求。

我国未来水电的开发重点地区主要是四川、云南和西藏，云南电网作为中国西电东送的重要能源基地，装有大量水电机组。在2016年云南电网同南方电网主网异步联网试验期间，云南电网出现了长时间、大幅度的超低频振荡现象(振荡频率约为0.05Hz)，当主力机组一次调频退出后振荡逐渐平息。

超低频振荡严重危害云南电网稳定运行，刘春晓、张俊峰、陈亦平等人在标题为异步联网方式下云南电网超低频振荡的机理分析与仿真(南方电网技术，2016年，第10卷，29-34)的文献中指出发生超低频振荡的原因在于调速器参数取值不当和水锤效应引起的负阻尼效应；张建新、刘春晓等人在标题为异步联网方式下云南电网超低频振荡的抑制措施与试验(南方电网技术，2016年，第10卷，35-39)的文献里研究了调整死区与调整调速器参数的方法来抑制超低频振荡。

但是上述研究并没有具体分析水电机组调速器参数对超低频振荡的影响，对超低频振荡的两种抑制方法中，调整死区实际上是让水电机组退出一次调频，这会影响电网频率稳定性；调整调速器参数的方法也主要依靠经验试探，没有提出一种有理论依据的调速器参数优化方法。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于临界参数抑制水电机组超低频振荡的调速器参数优化方法，该方法通过结合对水电机组引起超低频振荡的机理分析，实现对电网中超低频振荡的抑制。

一种基于临界参数抑制水电机组超低频振荡的调速器参数优化方法，包括如下步骤：

(1)将水电机组PID(比例-积分-微分)调速器的微分参数K_D以及积分参数K_I直接设定为相对较小值；

(2)初始PID调速器的比例参数K_P为一相对较小值，在水电机组所连电网系统中施加扰动，观测电网频率是否出现超低频振荡，若否则继续减小比例参数K_P，直至超低频振荡出现；

(3)在电网系统出现超低频振荡情况下检测水轮机输出的机械功率，若机械功率超出其限幅环节的设定值，则说明比例参数K_P过小，适当回调比例参数K_P，直至水轮机输出机械功率低于限幅环节设定值，此时的比例参数K_P即作为临界比例参数；

(4)将PID调速器的比例参数K_P最终设定为临界比例参数的N倍，从而完成水电机组PID调速器的参数优化过程，N为大于1的实数。

优选地，所述步骤(1)中将微分参数K_D设定为0，积分参数K_I设定为0.2～1.2；其中积分参数取小有利于防止超低频振荡发生，而过大的微分参数在发电机组与互联系统联系很强时可能导致过度振荡和不稳定。

优选地，所述步骤(4)中将PID调速器的比例参数K_P最终设定为临界比例参数的2～4倍；保证系统能够稳定出力，不再发生超低频振荡现象。

本发明水电机组调速器参数优化方法具有以下优点：

(a)本发明方法具有很强的理论分析依据，明确指出调速器比例参数与积分参数比值过低是造成系统超低频振荡的根源，方法中所要找出的临界参数即为超低频振荡发生时的临界比例参数。

(b)本发明临界参数法实施过程中不需要进行过多数值计算，通过电力系统仿真软件离线仿真就可实现，操作较为简单。

综合上述两方面原因，可以看出：与现有技术相比，本发明能够实现对水电机组调速器参数的优化整定，进而从根源上抑制水电机组在系统中引起超低频振荡。

附图说明

图1为水电机组PID调速器的结构示意图。

图2为三机九节点电力系统的结构示意图。

图3为临界超低频振荡时的电网频率偏差波形示意图。

图4为临界超低频振荡时的水轮机机械功率波形示意图。

图5为参数优化之后的电网频率偏差波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本实施方式采用如图1所示的调速器结构进行说明，该结构是目前水电机组普遍采用的PID调速器结构。基于图1所示的调速器结构可以得到整个水电机组传递函数对应的特征方程为：

式(1)中：T₄＝T_y，T₅＝T_w，T₆＝T_m，K_P,K_I,K_D分别为调速器的PID参数，R为调差系数，y为调速器开度，T_y(单位s)为液压系统时间常数，T_w(单位s)为水轮机水锤效应时间常数，T_m(单位s)为系统中所有发电机组的等效惯性时间常数。

通过劳斯判据对式(1)进行稳定分析，可得特征方程的劳斯判据系数为：

a₀＝0.5T₃T₄T₅T₆>1＝0.5T₃T₅T₆+0.5T₄T₅T₆+T₃T₄T₆-KT₁T₅

a₂＝T₃T₆+T₄T₆+0.5T₅T₆-KT₂T₅+KT₁>3＝T₆+K(T₂-T₅)

a₄＝Kb₂＝a₄

由劳斯判据分析可得：当调速器比例参数过大或者过小时，水电机组将会失稳，为便于进一步分析，可将式(1)表示为式(2)的形式：

s⁴+α₃s³+α₂s²+α₁s+α₀＝0>

式(2)中：

设式(2)的四个极点分别为-σ±jω和λ₁、λ₂，其中λ₁、λ₂可以是2个实根，也可以是一对共轭复根。令主导极点为-σ±jω，则式(2)可化为：

(s-λ₁)(s-λ₂)(s+σ+jω)(s+σ-jω)＝0>

将式(3)展开可得：

当式(4)中主导极点实部-σ＝0，系统将发生临界振荡，式(2)中的三次项系数和一次项系数在式(4)中为：

α₃＝-(λ₁+λ₂)>

α₁＝-ω²(λ₁+λ₂)>

因此，系统发生临界振荡时的振荡频率为：

结合式(4)可得振荡频率如式(8)所表示：

式(8)中T₂＝K_P/K_I，T₂过小时对应的振荡频率将小于T₂过大时对应的振荡频率，即T₂过小时发生的振荡为超低频振荡。由此可得：水电机组发生超低频振荡的根源在于调速器的比例参数与积分参数的比值过小。

本实施方式所研究的电力系统为如图2所示的三机九节点系统，研究目的是抑制该系统发生超低频振荡。针对该电力系统，采用基于临界参数抑制水电机组超低频振荡的调速器参数优化方法流程如下：

(1)将水电机组PID调速器的微分参数取为0，积分参数取为1。其中积分参数取小可以避免T₂取值过小，有利于防止超低频振荡发生；而过大的微分参数在发电机组与互联系统联系很强时可能导致过度振荡和不稳定，因此本发明建议微分参数在大系统中直接取0；

(2)将PID调速器的比例参数调小，在电网中设置小扰动，观察电网频率是否出现超低频振荡，若没有出现超低频振荡，继续减小比例参数，直到超低频振荡出现；

(3)当调速器比例参数取为2时，电网中出现超低频振荡，但是水轮机出力已经受到限幅环节控制，说明比例参数取值过小。逐渐提高调速器比例参数，当比例参数为2.2时，水轮机出力不再受到限幅环节影响，对应的电网频率偏差和水轮机机械功率如图3和图4分别所示，说明调速器比例参数设为2.2时，电网发生临界超低频振荡，调速器的临界比例参数即为2.2；

(4)将调速器比例参数设为临界比例参数的2倍，即K_P＝4.4，完成水电机组调速器的参数优化过程，重新进行仿真可得电网频率偏差如图5所示，证明本发明实现了对超低频振荡的抑制。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。