本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于極點配置抑制水電機組超低頻振蕩的調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

中國的水能資源居世界首位，隨著不斷加大對水電資源的開發(fā)與利用，中國已經(jīng)成為世界上水電裝機容量最大的國家。相對于火力發(fā)電，水力發(fā)電更加清潔環(huán)保，符合中國可持續(xù)發(fā)展的國家戰(zhàn)略；而相比于其他清潔能源，水電的成本較低，相關(guān)技術(shù)成熟，建設(shè)大型水電機組是我國開發(fā)利用水電的主要形式，保持水電機組在電網(wǎng)中穩(wěn)定運行是中國電力發(fā)展的必然要求。

我國未來水電的開發(fā)重點地區(qū)主要是四川、云南和西藏，云南電網(wǎng)作為中國西電東送的重要能源基地，裝有大量水電機組。在2016年云南電網(wǎng)同南方電網(wǎng)主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)試驗期間，云南電網(wǎng)出現(xiàn)了長時間、大幅度的超低頻振蕩現(xiàn)象(振蕩頻率約為0.05hz)，當主力機組一次調(diào)頻退出后振蕩逐漸平息。

超低頻振蕩嚴重危害云南電網(wǎng)穩(wěn)定運行，劉春曉、張俊峰、陳亦平等人在標題為異步聯(lián)網(wǎng)方式下云南電網(wǎng)超低頻振蕩的機理分析與仿真(南方電網(wǎng)技術(shù)，2016年，第10卷，29-34)的文獻中指出發(fā)生超低頻振蕩的原因在于調(diào)速器參數(shù)取值不當和水錘效應(yīng)引起的負阻尼效應(yīng)；張建新、劉春曉等人在標題為異步聯(lián)網(wǎng)方式下云南電網(wǎng)超低頻振蕩的抑制措施與試驗(南方電網(wǎng)技術(shù)，2016年，第10卷，35-39)的文獻里研究了調(diào)整死區(qū)與調(diào)整調(diào)速器參數(shù)的方法來抑制超低頻振蕩。

但是上述研究并沒有具體分析水電機組調(diào)速器參數(shù)對超低頻振蕩的影響，對超低頻振蕩的兩種抑制方法中，調(diào)整死區(qū)實際上是讓水電機組退出一次調(diào)頻，這會影響電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性；調(diào)整調(diào)速器參數(shù)的方法也主要依靠經(jīng)驗試探，沒有提出一種有理論依據(jù)的調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種基于極點配置抑制水電機組超低頻振蕩的調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化方法，該方法通過結(jié)合對水電機組引起超低頻振蕩的機理分析，實現(xiàn)對電網(wǎng)中超低頻振蕩的抑制。

一種基于極點配置抑制水電機組超低頻振蕩的調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化方法，包括如下步驟：

(1)將水電機組pid(比例-積分-微分)調(diào)速器的微分參數(shù)kd以及積分參數(shù)ki直接設(shè)定為相對較小值；

(2)利用牛頓法對以下方程組進行求解得到pid調(diào)速器的比例參數(shù)kp，并以求得的比例參數(shù)kp對pid調(diào)速器進行設(shè)定，從而完成水電機組pid調(diào)速器的參數(shù)優(yōu)化過程；

其中：t4＝ty，t5＝tw，t6＝tm，r為pid調(diào)速器的調(diào)差系數(shù)，ty為pid調(diào)速器液壓系統(tǒng)的時間常數(shù)，tw為水輪機水錘效應(yīng)的時間常數(shù)，tm為水電機組所連電網(wǎng)系統(tǒng)中所有發(fā)電機組的等效慣性時間常數(shù)，ξ為設(shè)定的阻尼比，ρ、μ和v均為中間參量。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中將微分參數(shù)kd設(shè)定為0，積分參數(shù)ki設(shè)定為0.2～1.2；其中積分參數(shù)取小有利于防止超低頻振蕩發(fā)生，而過大的微分參數(shù)在發(fā)電機組與互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)系很強時可能導(dǎo)致過度振蕩和不穩(wěn)定。

優(yōu)選地，所述阻尼比設(shè)定為0.1～0.3。

本發(fā)明水電機組調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化方法具有以下優(yōu)點：

(a)本發(fā)明方法理論依據(jù)充分，基于機理分析結(jié)論有針對性的對調(diào)速器參數(shù)進行優(yōu)化，而不是靠經(jīng)驗試探。

(b)本發(fā)明極點配置法不需要進行大量試驗，完全通過數(shù)學解析表達式進行優(yōu)化，可以取得較為精確的控制效果，適合在實際工程中編程實現(xiàn)。

綜合上述兩方面原因，可以看出：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對水電機組調(diào)速器參數(shù)的優(yōu)化整定，進而從根源上抑制水電機組在電力系統(tǒng)中引起超低頻振蕩。

附圖說明

圖1為水電機組pid調(diào)速器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為三機九節(jié)點電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為臨界超低頻振蕩時的電網(wǎng)頻率偏差波形示意圖。

圖4為參數(shù)優(yōu)化之后的電網(wǎng)頻率偏差波形示意圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

本實施方式采用如圖1所示的調(diào)速器結(jié)構(gòu)進行說明，該結(jié)構(gòu)是目前水電機組普遍采用的pid調(diào)速器結(jié)構(gòu)。基于圖1所示的調(diào)速器結(jié)構(gòu)可以得到整個水電機組傳遞函數(shù)對應(yīng)的特征方程為：

式(1)中：t4＝ty，t5＝tw，t6＝tm，kp,ki,kd分別為調(diào)速器的pid參數(shù)，r為調(diào)差系數(shù)，y為調(diào)速器開度，ty(單位s)為液壓系統(tǒng)時間常數(shù)，tw(單位s)為水輪機水錘效應(yīng)時間常數(shù)，tm(單位s)為系統(tǒng)中所有發(fā)電機組的等效慣性時間常數(shù)。

通過勞斯判據(jù)對式(1)進行穩(wěn)定分析，可得特征方程的勞斯判據(jù)系數(shù)為：

a0＝0.5t3t4t5t6a1＝0.5t3t5t6+0.5t4t5t6+t3t4t6-kt1t5

a2＝t3t6+t4t6+0.5t5t6-kt2t5+kt1a3＝t6+k(t2-t5)

a4＝kb2＝a4

由勞斯判據(jù)分析可得：當調(diào)速器比例參數(shù)過大或者過小時，水電機組將會失穩(wěn)，為便于進一步分析，可將式(1)表示為式(2)的形式：

s⁴+α3s³+α2s²+α1s+α0＝0(2)

式(2)中：

設(shè)式(2)的四個極點分別為-σ±jω和λ1、λ2，其中λ1、λ2可以是2個實根，也可以是一對共軛復(fù)根。令主導(dǎo)極點為-σ±jω，則式(2)可化為：

(s-λ1)(s-λ2)(s+σ+jω)(s+σ-jω)＝0(3)

將式(3)展開可得：

當式(4)中主導(dǎo)極點實部-σ＝0，系統(tǒng)將發(fā)生臨界振蕩，式(2)中的三次項系數(shù)和一次項系數(shù)在式(4)中為：

α3＝-(λ1+λ2)(5)

α1＝-ω²(λ1+λ2)(6)

因此，系統(tǒng)發(fā)生臨界振蕩時的振蕩頻率為：

結(jié)合式(4)可得振蕩頻率如式(8)所表示：

式(8)中t2＝kp/ki，t2過小時對應(yīng)的振蕩頻率將小于t2過大時對應(yīng)的振蕩頻率，即t2過小時發(fā)生的振蕩為超低頻振蕩。由此可得：水電機組發(fā)生超低頻振蕩的根源在于調(diào)速器的比例參數(shù)與積分參數(shù)的比值過小。

本實施方式所研究的電力系統(tǒng)為如圖2所示的三機九節(jié)點系統(tǒng)，研究目的是抑制水電機組引起超低頻振蕩。針對該電力系統(tǒng)，在調(diào)速器比例參數(shù)取值較小的情況下(kp＝2.2)進行小擾動試驗，電網(wǎng)頻率偏差如圖3所示，電網(wǎng)發(fā)生超低頻振蕩。針對該電力系統(tǒng)，采用基于極點配置抑制水電機組超低頻振蕩的調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化方法流程如下：

(1)將水電機組pid調(diào)速器的微分參數(shù)取為0，積分參數(shù)取為1。其中積分參數(shù)取小可以避免t2取值過小，有利于防止超低頻振蕩發(fā)生；而過大的微分參數(shù)在發(fā)電機組與互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)系很強時可能導(dǎo)致過度振蕩和不穩(wěn)定，因此本發(fā)明建議微分參數(shù)在大系統(tǒng)中直接取零；

(2)根據(jù)式(1)可知，若系統(tǒng)中只有調(diào)速器比例參數(shù)未確定時，對應(yīng)式(2)中的特征方程的四次項、三次項和常數(shù)項系數(shù)為定值。如果重新配置后的系統(tǒng)特征方程主導(dǎo)極點為-σ±jω時，則特征方程的阻尼比為：

令：

令式(2)和式(4)的多項式各系數(shù)相等：

進一步令：

則式(11)可以改寫為：

在選定阻尼比ξ后，式(13)有4個方程和4個未知數(shù)，4個未知數(shù)分別為μ、ν、ρ和kp，利用牛頓法很容易求出式(13)的解。

本實施方式選取阻尼比ξ＝0.15，求解式(13)方程組可得：μ＝-2.984，ν＝1.364，ρ＝0.221和kp＝4.044，對應(yīng)的主導(dǎo)極點為sd＝-0.0331±0.2186j。

(3)由式(13)求得的比例參數(shù)kp即為比例參數(shù)優(yōu)化值，將調(diào)速器參數(shù)設(shè)置為優(yōu)化值，進行仿真驗證，觀測系統(tǒng)是否滿足控制要求，若不滿足要求，應(yīng)重新選取阻尼比整定。

本實施方式將調(diào)速器比例參數(shù)設(shè)置為優(yōu)化值kp＝4.044，進行仿真試驗，電網(wǎng)頻率偏差如圖4所示，電網(wǎng)中的超低頻振蕩被抑制，證明了本發(fā)明方法的有效性。

上述對實施例的描述是為便于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對上述實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。