本發明涉及電力系統仿真建模技術領域，特別涉及一種考慮調頻及穩定約束的水電機組調速系統運行控制參數協調優化整定方法研究。

背景技術：

隨著大規模、遠距離直流輸電線路的建設，各大區域電網間的聯系愈來愈緊密，電力系統擾動的波及面也越來越廣。為了對擾動原因進行分析并提出改進措施，目前主要采用仿真分析等手段進行事故反演，而這又依賴于合理準確的仿真模型。尤其是2015年1月23日、9月19日藏中電網功率振蕩導致減負荷事件、錦蘇直流閉鎖導致華東電網頻率速降事件，這些都對發電機組調速系統模型準確度及其參數設置提出了更高要求。

近年來，由于仿真分析、事故反演等工程應用的迫切需求，國內各大科研院所、電力企業等相繼開展了發電機組調速系統的實測建模工作，目前主要集中于實測模型研究、模型應用分析等方面，取得了顯著的成果。近年來，由于電網互聯規模的提升，調速系統模型參數對于電網低頻振蕩及動態響應的影響受到越來越多關注。可見調速系統控制參數正確整定方法具有重要的理論和實際工程意義，配置正確參數有助于提高系統穩定性、能夠保障機組涉網性能。采用實測方法結合參數優化，進行機理分析對于定量分析具有積極作用，可以促進參數配置可控性、可觀性。

目前火電機組調速系統模型研究取得了較為顯著的成果，機電暫態、中長期等時間尺度模型已應用于生產實際，相對而言水電機組調速系統建模涉及引水管道及水輪機動態過程建模，對于不同類型(立軸混流式機組、軸流轉漿式機組、抽蓄機組)的水輪機在原動機方面存在較大差異，近年來取得了一定研究成果，但在機組調速控制系統參數整定尤其是水電機組控制參數優化整定等方面研究較為鮮見，使得電力工業界對其技術儲備或重視度不足，藏木電廠“1.23”事件凸顯出水電機組調速系統正確合理整定的重要性。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種考慮調頻及穩定約束的機組調速系統控制參數整定方法。

本發明采用以下技術方案實現：一種考慮調頻及穩定約束的機組調速系統控制參數整定方法，其特征在于，包括以下步驟：s1：對可能孤網運行水電機組調速控制系統穩定性進行分析，確定研究對象；s2：考慮機組一次調頻性能約束，得到了控制參數的取值范圍；s3：在滿足小干擾穩定性前提下給出機組調速系統控制參數的取值范圍；s4：通過實測建模得到機組原動機及調速系統實測參數，基于控制參數取值范圍交集，并將其應用于整定方法的仿真分析驗證實例；s5：針對一次調頻參數整定域、小干擾穩定性參數穩定域進行綜合考慮，并最終得到了既能滿足調頻性能要求、又能滿足小干擾穩定性要求參數取值范圍并對機組控制系統模型參數進行整定。

本發明根據水電機組調速控制系統以及水輪機及引水管道、發電機及負荷傳遞函數模型，分別建立了整個系統的開環傳遞函數以及閉環傳遞函數。針對傳遞函數未知參數進行實測建模；針對開環傳遞函數進行了拉普拉斯變換而后開展時域分析并確定了影響其一次調頻性能的關鍵參數；針對閉環傳遞函數進行了頻域分析，根據自動控制理論確定了其小干擾穩定性的關鍵控制參數及其約束條件；針對一次調頻參數整定域、小干擾穩定性參數穩定域進行綜合考慮，并最終得到了既能滿足調頻性能要求、又能滿足小干擾穩定性要求參數取值范圍并對機組控制系統模型參數進行整定。通過仿真表明此種整定方法，依賴于機組調速控制系統的實測參數，在滿足雙項指標要求前提下，可以獲得兼顧兩者要求參數數值。

附圖說明

圖1為本發明的調速控制系統模型。

圖2為本發明執行機構模型。

圖3為本發明一實施例引水管道及原動機簡化模型。

圖4為本發明一實施例的發電機及負荷模型。

圖5為一實施例的調速控制系統傳遞函數框圖。

圖6為圖5進一步簡化所得的傳遞函數模型。

圖7為本發明控制參數整定方案流程圖。

圖8為pid控制參數整定流程圖。

圖9為本發明一實施例中某水電廠孤立網運行時地理接線圖。

圖10為本發明一實施例的+0.2hz頻差階躍pcv擬合效果圖。

圖11為導葉開度給定+5％階躍仿真、實測對比圖。

圖12為導葉開度給定-5％階躍仿真、實測對比。

圖13為設置不同pi控制參數時的機組一次調頻響應對比(0.20hz階躍擾動)。

圖14設置不同pi控制參數時的機組一次調頻響應對比(0.15hz階躍擾動)。

圖15為設置不同pi控制參數時的機組一次調頻響應對比(0.10hz階躍擾動)。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步解釋說明。

本發明提供一種考慮調頻及穩定約束的機組調速系統控制參數整定方法，其特包括以下步驟：s1：對可能孤網運行水電機組調速控制系統穩定性進行分析，確定研究對象；s2：考慮機組一次調頻性能約束，得到了控制參數的取值范圍；s3：在滿足小干擾穩定性前提下給出機組調速系統控制參數的取值范圍；s4：通過實測建模得到機組原動機及調速系統實測參數，基于控制參數取值范圍交集，并將其應用于整定方法的仿真分析驗證實例；s5：針對一次調頻參數整定域、小干擾穩定性參數穩定域進行綜合考慮，并最終得到了既能滿足調頻性能要求、又能滿足小干擾穩定性要求參數取值范圍并對機組控制系統模型參數進行整定。

發電機組調速系統結構主要包括控制系統(如圖1所示)、執行機構、引水管道及原動機模型(如圖3所示)，其中執行機構采用如下所示模型進行描述，根據其傳遞函數可得

其中，pcv表示導葉給定、kp1表示伺服卡放大倍數、t表示全開/全關時間(這里近似認為全開時間＝全關時間)、pgv表示導葉反饋。可將上式變為

如圖2所示模型。其中τ表示慣性時間，τ＝t/kp1。

1機組動態穩定關鍵控制參數取值域分析

從圖1～3所示模型，可得機組調速系統的開環傳遞函數，如下式所示，擾動為頻差△f。

根據小干擾穩定性分析理論，所示為從頻差到原動機之間的整個前向通道開環傳遞函數。在原動機輸出pm后還需經過發電機等環節，然后得到轉速反饋至控制系統作為輸入，形成完整閉環傳遞函數。從上式可見，在不考慮發電機等環節時，傳遞函數已較復雜，若將發電機等傳遞函數模型考慮進去，則對閉環傳遞函數而言會增加其復雜度：一方面發電機參數目前主要通過設計值獲取；另一方面增加發電機等傳遞函數模型會增加傳遞函數分子、分母階數，在高階情況下，其穩定域難以求解甚至無解。

綜上所述，考慮分析模型的實用性兼顧機理分析的有效性，采用簡化發電機及負荷模型，如圖4所示。

為了對可能孤網運行水電機組調速控制系統穩定性進行分析，將圖1～4所示傳遞函數模型拼接得到如下圖5中所示系統開環傳遞函數框圖。

由于執行機構模型采用圖2所示的傳遞函數描述，在實際應用中該傳遞函數的濾波時間τ＝t/kp1，因伺服卡比例增益值kp1較大，所以一般τ較小(0.5s左右)。為了簡化分析，進一步將圖5模型簡化為圖6所示的開環傳遞函數gk(s)模型，如式(4)所示。

gk(s)＝g1(s)g2(s)g3(s)(4)

其中

根據自動控制理論，具有單位反饋的開環傳遞函數，其對應的閉環傳遞函數模型如下式(6)所示。

其中gk1(s)表示開環傳遞函數(式(4)所示)的分子部分。根據式(6)所示的閉環傳遞函數以及自動控制理論，為了滿足系統穩定，gb(s)分母的多項式必須滿足

其中

從式(8)可見，a3、a0均大于0；為了滿足系統穩定充要條件，還需保證a2>0、a1a2－a0a3>0。從式(8)可看出，水輪機組調速系統能否穩定除了與控制系統pi參數有關，還和各個環節(例如引水管道及原動機、機組及負荷慣性時間常數等)實測參數有關。

為了滿足式(8)中有關系數并簡化問題的分析流程，本發明將機組調速實測建模過程中的模型辨識結果作為已知條件代入式(8)傳遞函數分母中分別計算a2以及a1a2－a0a3數值。

2機組一次調頻關鍵控制參數取值域分析

2.1一次調頻性能指標轉換

根據機組調速系統傳遞函數模型(圖1～圖3)，同時考慮現有一次調頻響應幅度、速度性能要求：采用開度作為反饋的機組，至接力器到達目標值90％的上升時間t0.9不超過12s，機組在時域內響應幅度與控制系統的參數kp、ki、bp有關，采用公式表示如下：

一般情況，為了迅速響應電網功率需求，機組一次調頻參數不會設置微分系數kd。

為了能在時域內對其進行分析并判斷其性能是否能滿足技術導則性能要求，這里采用階躍頻差進行擾動，并將式(9)變換如下：

從上式可看出，當輸入為階躍量△f時，導葉開度給定pcv的變化量取決于式(11)～(12)所示的傳遞函數。

kkp(11)

由于式(11)對應的傳遞函數所產生的響應是階躍，可忽略其時間；所以pcv變化趨勢主要根據式(12)確定。

為滿足導則t0.9要求，分析導葉開度指令pcv上升時間的相關因素，需要在時域上對pcv變化趨勢進行分析。本發明將式(12)進行拉普拉斯反變換，如下所示：

從式(13)可看出，時域環境中在△f階躍作用下調速控制系統導葉開度指令輸出pcv變化幅度a可為：

△fkkp+△fk(1/bp-kp)(14)

即幅度有a＝△fk/bp，所以90％整體幅度等于：0.9△fk/bp，根據導則要求，從時域角度看，第2項式(12)對應的時域函數在t0.9時需達到：

0.9△fk/bp-△fkkp(15)

根據上文時域函數可得：

進一步地可得：

因此，可得

將上式變換即可得：

進一步變換可得到：

2.2一次調頻關鍵控制參數

由于調速控制系統死區、不等率一般由電力調度機構下發定值，本次分析所針對的孤網機組不等率為4％，因此在不等率bp一定的前提下，根據上文可得控制參數kp、ki必須滿足：

考慮極端情況，當ki很小時，kp≥25；或者當kp很小時，ki≥4.798都可以滿足上式的關系。在死區、不等率固定的情況下，一次調頻關鍵控制參數即為比例控制參數kp、積分控制參數ki。

3pi控制參數整定實現技術方案及其流程

3.1pi控制參數整定實現技術方案

目前機組孤網控制參數切換機理主要基于頻率擾動大小進行判斷，一般情況下采用這種切換機制是合適的，但在特定情況下(例如2015年9月19日因直流線路閉鎖導致華東電網頻率發生短時大幅波動)，此時頻率雖然發生較大幅度波動，但實際上機組并未進入孤網運行，若采用上述參數切換機制，則機組調速系統就會進入孤網模式運行。如果機組調速系統調頻、孤網控制參數分開設置，一般孤網控制參數比例、積分系數較小，進入孤網模式運行后，機組調頻性能將難以滿足相關標準要求。而頻率跌落過程正需要機組提供出力支撐，因此采用此種切換機制可能會導致電網需要機組提供支撐時機組卻無力提供出力的局面。在水電機組容量占比較多的區域，功率缺額將會進一步造成頻率的跌落從而產生更為嚴重的后果，顯然不利于電網的安全、穩定運行。

由于控制設備以及采樣精度存在一定程度不確定性，因此本發明選擇以下方案作為水電機組調速系統運行優化控制策略：采用一套控制參數，既要實現一次調頻性能、又要實現機組并網以及小干擾穩定性。考慮到小干擾穩定性與一次調頻時間尺度不一樣，若先滿足小干擾穩定性則容易出現取保守值而導致無法滿足一次調頻性能的情況出現；因此本發明分析思路為先滿足一次調頻性能的最低要求，其次再滿足小干擾穩定性的要求。

基于上文分析，調速系統pi控制參數整定實現方案如下圖7中所示：

(1)確定可能孤網運行機組及其所在孤立網的拓撲結構；

(2)原動機及調速系統實測建模，獲得模型實測參數；

(3)頻域/時域模型轉換；

(4)時域模型性能分析并求出pi參數域1；

(5)代入模型實測參數，開展頻域模型穩定分析，并求出pi參數域2；

(6)根據(4)、(5)所得pi參數域取交集，然后輸出整定pi控制參數約束域，使得其既滿足調頻性能、又滿足小干擾穩定性。

3.2pid控制參數整定流程

根據上文提出的控制參數整定方案，提出了控制參數整定流程，如圖8所示。

4實例

在本發明一具體實施例中，首先，進行各個環節模型參數辨識(控制系統、執行機構、引水管道及原動機、發電機及負荷)，由于執行機構、引水管道及原動機、發電機及負荷模型參數為機組及其所在孤網固有特性的展示，一般不去調整或者調整空間不大，可以調整的參數為控制系統pi控制參數。現結合上文的參數整定思路，開展pi控制參數優化。

如圖9所示為某水電廠孤立網運行時地理接線圖。電廠通過2回220kv線路與大電網相連接，有2臺額定出力為50mw的水輪發電機組，機組開機情況如表1，通過調節#1機組出力實現潮流平衡；機組為立軸混流式機組，采用某型號調速系統(控制框圖詳見圖1中所示)。

表1網內機組出力情況

本發明模擬220kv連接線n-2故障情況下孤網內機組調頻、穩定性能仿真，內有4個變電站，這里分別采用s1、s2、s3、s4表示，如表2所示。

表2網內主要負荷情況

5機組調速控制系統實測建模

5.1控制參數實測建模

通過在頻差處施加+0.2hz階躍擾動(含死區+0.05hz)，分別記錄頻差、導葉開度給定pcv數值，依次進行比例、積分、比例+積分+bp測試，通過實測數據辨識可得kp、ki、bp分別為kp＝4.5p.u.、ki＝6.4p.u.、bp＝4％。與控制系統設置值對比可見兩者基本一致，因此人機交換界面設置數值即為控制參數實際作用數值，擬合效果見圖10所示。本發明將會根據上文提出的兼顧小擾動穩定性及調頻性能的參數優化策略對pi控制參數數值進行優化。導葉開度給+5％、-5％定階躍實測、仿真數據對比參見表3。

表3導葉開度給+5％、-5％定階躍實測、仿真數據對比

5.2執行機構實測建模

執行機構模型辨識如下：通過在主接力器入口處施加導葉開度給定±100％階躍擾動，分別得到全開、全關時間to＝tc＝9.6s，在此基礎上辨識得執行機構伺服卡pid控制參數為：kp1＝20.0p.u.。所以執行機構慣性時間常數τ＝0.48s。執行機構擬合效果見圖11～12所示。

5.3引水管道及原動機實測建模

某水電廠1號發電機組引水管道及水輪機采用圖3所示模型描述，在開環方式下，通過實測數據辨識得到水輪機等效模型的參數：k1＝2.0，tw＝1.36s。

5.4發電機及負荷模型辨識

根據實測數據，經過辨識可得發電機及負荷簡化模型參數en＝3.0p.u.，ta＝2.6p.u.。

5.5動態穩定分析以及調頻性能分析

5.5.1小干擾穩定性分析

根據5.2辨識所得發電機組原動機及其調速系統的實測參數，代入式(8)中進行計算，分別可得a0、a1、a2、a3，見式(22)所示。

通過式(22)結合式(8)，即可得式(23)，pi控制參數必須滿足式(23)方可以滿足小干擾穩定性。通過結合式(21)、(23)即可得到pi控制參數性能以及穩定約束域。選取穩定約束域內的幾組pi控制參數進行分析，如表4所示。

表4基于本文算法所得控制參數組合的穩定性分析

為了進一步從側面證明本發明方法的有效性，采用小干擾穩定性分析軟件，依據表4中控制參數設定以及原動機及其調速系統各環節實測參數，根據表2～3所示的機組、負荷出力搭建圖12所示的網絡并進行小干擾穩定性分析，結果如表5所示。由于特征根的實部在s副半軸，且具備較大的阻尼比，因此表4中pi控制參數組合可以滿足小干擾穩定性。

表5采用小干擾穩定性分析軟件所得特征根及阻尼比

5.5.2調頻性能分析

構建圖9所示的孤立電網仿真平臺，通過表4中所得pi控制參數組合，進行±0.10hz、±0.15hz、±0.20hz頻差階躍擾動，并觀察調速系統開度給定pcv的響應特性，如圖13～15所示，導則規定的響應特性分析如表6中所示。

表6基于本文算法所得控制參數組合的一次調頻響應性能分析

可以看出，隨著積分系數增大，機組一次調頻能力逐漸提高。所選pi控制參數也能滿足一次調頻性能要求。

以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發明技術方案的范圍時，均屬于本發明的保護范圍。