本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于臨界參數(shù)抑制水電機(jī)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(duì)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(jī)容量最大的國家。相對(duì)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(jī)組是我國開發(fā)利用水電的主要形式，保持水電機(jī)組在電網(wǎng)中穩(wěn)定運(yùn)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(diǎn)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(jī)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(yàn)期間，云南電網(wǎng)出現(xiàn)了長時(shí)間、大幅度的超低頻振蕩現(xiàn)象(振蕩頻率約為0.05hz)，當(dāng)主力機(jī)組一次調(diào)頻退出后振蕩逐漸平息。

超低頻振蕩嚴(yán)重危害云南電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，劉春曉、張俊峰、陳亦平等人在標(biāo)題為異步聯(lián)網(wǎng)方式下云南電網(wǎng)超低頻振蕩的機(jī)理分析與仿真(南方電網(wǎng)技術(shù)，2016年，第10卷，29-34)的文獻(xiàn)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(dāng)和水錘效應(yīng)引起的負(fù)阻尼效應(yīng)；張建新、劉春曉等人在標(biāo)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(yàn)(南方電網(wǎng)技術(shù)，2016年，第10卷，35-39)的文獻(xiàn)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(jī)組調(diào)速器參數(shù)對(duì)超低頻振蕩的影響，對(duì)超低頻振蕩的兩種抑制方法中，調(diào)整死區(qū)實(shí)際上是讓水電機(jī)組退出一次調(diào)頻，這會(huì)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(yàn)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(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種基于臨界參數(shù)抑制水電機(jī)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(duì)水電機(jī)組引起超低頻振蕩的機(jī)理分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)中超低頻振蕩的抑制。

一種基于臨界參數(shù)抑制水電機(jī)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(jī)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(duì)較小值；

(2)初始pid調(diào)速器的比例參數(shù)kp為一相對(duì)較小值，在水電機(jī)組所連電網(wǎng)系統(tǒng)中施加擾動(dòng)，觀測(cè)電網(wǎng)頻率是否出現(xiàn)超低頻振蕩，若否則繼續(xù)減小比例參數(shù)kp，直至超低頻振蕩出現(xiàn)；

(3)在電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)超低頻振蕩情況下檢測(cè)水輪機(jī)輸出的機(jī)械功率，若機(jī)械功率超出其限幅環(huán)節(jié)的設(shè)定值，則說明比例參數(shù)kp過小，適當(dāng)回調(diào)比例參數(shù)kp，直至水輪機(jī)輸出機(jī)械功率低于限幅環(huán)節(jié)設(shè)定值，此時(shí)的比例參數(shù)kp即作為臨界比例參數(shù)；

(4)將pid調(diào)速器的比例參數(shù)kp最終設(shè)定為臨界比例參數(shù)的n倍，從而完成水電機(jī)組pid調(diào)速器的參數(shù)優(yōu)化過程，n為大于1的實(shí)數(shù)。

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(jī)組與互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)系很強(qiáng)時(shí)可能導(dǎo)致過度振蕩和不穩(wěn)定。

優(yōu)選地，所述步驟(4)中將pid調(diào)速器的比例參數(shù)kp最終設(shè)定為臨界比例參數(shù)的2～4倍；保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定出力，不再發(fā)生超低頻振蕩現(xiàn)象。

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

(a)本發(fā)明方法具有很強(qiáng)的理論分析依據(jù)，明確指出調(diào)速器比例參數(shù)與積分參數(shù)比值過低是造成系統(tǒng)超低頻振蕩的根源，方法中所要找出的臨界參數(shù)即為超低頻振蕩發(fā)生時(shí)的臨界比例參數(shù)。

(b)本發(fā)明臨界參數(shù)法實(shí)施過程中不需要進(jìn)行過多數(shù)值計(jì)算，通過電力系統(tǒng)仿真軟件離線仿真就可實(shí)現(xiàn)，操作較為簡(jiǎn)單。

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(duì)水電機(jī)組調(diào)速器參數(shù)的優(yōu)化整定，進(jìn)而從根源上抑制水電機(jī)組在系統(tǒng)中引起超低頻振蕩。

附圖說明

圖1為水電機(jī)組pid調(diào)速器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為三機(jī)九節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為臨界超低頻振蕩時(shí)的電網(wǎng)頻率偏差波形示意圖。

圖4為臨界超低頻振蕩時(shí)的水輪機(jī)機(jī)械功率波形示意圖。

圖5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(shí)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(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

本實(shí)施方式采用如圖1所示的調(diào)速器結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明，該結(jié)構(gòu)是目前水電機(jī)組普遍采用的pid調(diào)速器結(jié)構(gòu)?；趫D1所示的調(diào)速器結(jié)構(gòu)可以得到整個(gè)水電機(jī)組傳遞函數(shù)對(duì)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(shí)間常數(shù)，tw(單位s)為水輪機(jī)水錘效應(yīng)時(shí)間常數(shù)，tm(單位s)為系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)組的等效慣性時(shí)間常數(shù)。

通過勞斯判據(jù)對(duì)式(1)進(jìn)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(dāng)調(diào)速器比例參數(shù)過大或者過小時(shí)，水電機(jī)組將會(huì)失穩(wěn)，為便于進(jìn)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(gè)極點(diǎn)分別為-σ±jω和λ1、λ2，其中λ1、λ2可以是2個(gè)實(shí)根，也可以是一對(duì)共軛復(fù)根。令主導(dǎo)極點(diǎn)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(dāng)式(4)中主導(dǎo)極點(diǎn)實(shí)部-σ＝0，系統(tǒng)將發(fā)生臨界振蕩，式(2)中的三次項(xiàng)系數(shù)和一次項(xiàng)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(shí)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(shí)對(duì)應(yīng)的振蕩頻率將小于t2過大時(shí)對(duì)應(yīng)的振蕩頻率，即t2過小時(shí)發(fā)生的振蕩為超低頻振蕩。由此可得：水電機(jī)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(shí)施方式所研究的電力系統(tǒng)為如圖2所示的三機(jī)九節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，研究目的是抑制該系統(tǒng)發(fā)生超低頻振蕩。針對(duì)該電力系統(tǒng)，采用基于臨界參數(shù)抑制水電機(jī)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(jī)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(jī)組與互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)系很強(qiáng)時(shí)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0；

(2)將pid調(diào)速器的比例參數(shù)調(diào)小，在電網(wǎng)中設(shè)置小擾動(dòng)，觀察電網(wǎng)頻率是否出現(xiàn)超低頻振蕩，若沒有出現(xiàn)超低頻振蕩，繼續(xù)減小比例參數(shù)，直到超低頻振蕩出現(xiàn)；

(3)當(dāng)調(diào)速器比例參數(shù)取為2時(shí)，電網(wǎng)中出現(xiàn)超低頻振蕩，但是水輪機(jī)出力已經(jīng)受到限幅環(huán)節(jié)控制，說明比例參數(shù)取值過小。逐漸提高調(diào)速器比例參數(shù)，當(dāng)比例參數(shù)為2.2時(shí)，水輪機(jī)出力不再受到限幅環(huán)節(jié)影響，對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)頻率偏差和水輪機(jī)機(jī)械功率如圖3和圖4分別所示，說明調(diào)速器比例參數(shù)設(shè)為2.2時(shí)，電網(wǎng)發(fā)生臨界超低頻振蕩，調(diào)速器的臨界比例參數(shù)即為2.2；

(4)將調(diào)速器比例參數(shù)設(shè)為臨界比例參數(shù)的2倍，即kp＝4.4，完成水電機(jī)組調(diào)速器的參數(shù)優(yōu)化過程，重新進(jìn)行仿真可得電網(wǎng)頻率偏差如圖5所示，證明本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)超低頻振蕩的抑制。

上述對(duì)實(shí)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(duì)上述實(shí)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(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。