一种基于灵敏度分析的水轮机调速器参数整定方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于灵敏度分析的水轮机调速器参数整定方法及系统，方法包括：计算异步联网送端系统负荷的频率响应系数；建立水轮机系统开环传递函数，并求解相应的阶跃响应函数；根据计算的频率响应系数建立异步联网下水轮机及其调速闭环系统的状态空间方程，并求解建立的状态空间方程实部最大的特征值及其对应的阻尼比；根据建立的状态空间方程及其实部最大的特征值，对水轮机及其调速闭环系统进行特征值灵敏度分析；根据特征值灵敏度分析的结果结合求解的阶跃响应函数以及求解的阻尼比，以水电机组在阶跃响应下的一次调频动作特性最优为目标，迭代求解水轮机调速器的最优参数。本发明专利技术鲁棒性强且一次调频性能好，可广泛应用于电力系统领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于灵敏度分析的水轮机调速器参数整定方法及系统
本专利技术涉及电力系统领域，尤其是一种基于灵敏度分析的水轮机调速器参数整定方法及系统。
技术介绍
在异步联网高水电比例送端系统中，水轮机的水锤效应可能引起调速器不稳定，由于负荷频率调节效应系数较小，系统阻尼较低，进而引发超低频振荡。而水电机组呈现负阻尼特性是导致低频振荡的主要原因。一般而言，水轮机和调速器在低频段会产生负阻尼，汽轮机本身的相位滞后较小，当调速器的相位滞后也很小时，在低频段会产生正阻尼。这些都和水轮机调速器的参数整定有关。南方电网异步联网方案实施后，云南电网独立运行，经直流与主网相连。云南电网的发电负荷重，水电比例超过75％，火电比例小于10％，其余为风电和光伏，是个典型的高水电比例电网。云南电网省内负荷占总发电约1/3，直流外送负荷占总发电约2/3，由于直流负荷在频率限制器死区内近似为刚性负荷，使得在49.9Hz～50.1Hz频率范围内负荷能够提供的阻尼大幅减少。外部阻尼系数的减小和水锤效应的影响，造成超低频振荡。云南电网异步试验和仿真报告也证明，若仍采用同步联网参数，云南电网将发生超低频振荡；而大幅度降低参数又将导致水电机组的一次调频速率过慢。目前应对水轮机调速器负阻尼特性导致的低频振荡时，一般采取的解决方案是将发电机一次调频死区设置为大于直流频率限制器(FrequencyLimitController，FLC)死区，但这种方法并不适用于异步联网送端系统。因此，业内亟需一种针对异步联网送端系统的水轮机调速器参数整定方案，在避免产生超低频振荡的同时最大限度地保证水电机组的一次调频动作特性。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于：提供一种鲁棒性强和一次调频性能好的，基于灵敏度分析的水轮机调速器参数整定方法及系统。本专利技术所采取的第一技术方案是：一种基于灵敏度分析的水轮机调速器参数整定方法，包括以下步骤：计算异步联网送端系统负荷的频率响应系数；建立水轮机系统开环传递函数，并求解相应的阶跃响应函数；根据计算的频率响应系数建立异步联网下水轮机及其调速闭环系统的状态空间方程，并求解建立的状态空间方程实部最大的特征值及其对应的阻尼比；根据建立的状态空间方程及其实部最大的特征值，对水轮机及其调速闭环系统进行特征值灵敏度分析；根据特征值灵敏度分析的结果结合求解的阶跃响应函数以及求解的阻尼比，以水电机组在阶跃响应下的一次调频动作特性最优为目标，迭代求解水轮机调速器的最优参数。进一步，所述计算异步联网送端系统负荷的频率响应系数这一步骤，具体为：选取接近异步联网送端系统在丰小极限运行方式下发生的扰动，计算异步联网送端系统负荷的频率响应系数，所述丰小极限运行方式是指运行在丰水小负荷模式，所述异步联网送端系统负荷的频率响应系数Kf的计算公式为：其中，ΔP/P0为功率脱落百分比，ΔP为扰动发生前后异步联网送端系统的功率变化值，P0为扰动发生前异步联网送端系统的功率，Δf/f0为稳态频降百分比，Δf为扰动发生前后异步联网送端系统的频率偏差，Δf不超出频率限制器死区，f0为扰动发生前异步联网送端系统的频率，R为机组的调差系数。进一步，所述建立水轮机系统开环传递函数，并求解相应的阶跃响应函数这一步骤，具体包括：建立水电机组调节系统的开环传递函数，所述水电机组调节系统的开环传递函数GGm(s)的表达式为：其中，KP1、KI1和KD1分别为水电机组调节系统PID控制器的比例增益、积分增益和微分增益，s为拉普拉斯算子，T1v为测量惯性时间常数，bp为调差系数，KW为频率偏差放大倍数，TR1为频率测量环节时间常数；建立电液伺服系统的开环传递函数，所述电液伺服系统的开环传递函数GGA(s)的表达式为：其中，KP2、KI2和KD2分别为电液伺服系统PID控制器的比例增益、积分增益和微分增益，s为拉普拉斯算子，T1为油动机行程反馈环节时间，Toc为油动机开启或关闭时间常数；建立原动机的开环传递函数，所述原动机的开环传递函数GTw(s)的表达式为：其中，s为拉普拉斯算子，Tw为开环水启动时间；根据水电机组调节系统、电液伺服系统和原动机的开环传递函数得到水轮机系统开环传递函数，所述水轮机系统开环传递函数Gsys(s)的表达式为：Gsys(s)＝GGm(s)·GGA(s)·GTw(s)；根据水轮机系统开环传递函数，求解相应的阶跃响应函数x(t)。进一步，所述根据计算的频率响应系数建立异步联网下水轮机及其调速闭环系统的状态空间方程，并求解建立的状态空间方程实部最大的特征值及其对应的阻尼比这一步骤，具体包括：获取水电机组调节系统、电液伺服系统、原动机和同步机的线性化状态空间方程，进而组成异步联网下水轮机及其调速闭环系统的状态空间方程，所述异步联网下水轮机及其调速闭环系统的状态空间方程为：其中，x为水轮机及其调速闭环系统的状态变量，t为时间，KP1、KI1和KD1分别为水电机组调节系统PID控制器的比例增益、积分增益和微分增益，T1v为测量惯性时间常数，bp为调差系数，KW为频率偏差放大倍数，TR1为频率测量环节时间常数，KP2、KI2和KD2分别为电液伺服系统PID控制器的比例增益、积分增益和微分增益，T1为油动机行程反馈环节时间，Toc为油动机开启或关闭时间常数，TW为闭环系统的水启动时间，TJ为惯性时间常数，Kf为异步联网送端系统负荷的频率响应系数，D为同步机阻尼系数；求解异步联网下水轮机及其调速闭环系统的状态空间方程实部最大的特征值λ＝σ±jω，并求出其对应的阻尼比进一步，所述根据建立的状态空间方程及其实部最大的特征值，对水轮机及其调速闭环系统进行特征值灵敏度分析这一步骤，具体包括：根据建立的状态空间方程实部最大的特征值计算水电机组调节系统的比例特征灵敏度，所述水电机组调节系统的比例特征灵敏度的计算公式为：其中，u和v分别为左特征向量和右特征向量，uH为u的转置共轭向量，(0)15×15和(0)17×17分别为15×15大小和17×17大小的0值矩阵；根据建立的状态空间方程实部最大的特征值计算水电机组调节系统的积分特征灵敏度，所述水电机组调节系统的积分特征灵敏度的计算公式为：其中，(0)3×3和(0)12×12分别为3×3大小和12×12大小的0值矩阵；根据建立的状态空间方程实部最大的特征值计算水电机组调节系统的微分特征灵敏度，所述水电机组调节系统的微分特征灵敏度的计算公式为：其中，进一步，所述根据特征值灵敏度分析的结果结合求解的阶跃响应函数以及求解的阻尼比，以水电机组在阶跃响应下的一次调频动作特性最优为目标，迭代求解水轮机调速器的最优参数这一步骤，具体包括以下步骤：初始化水电机组调节系统的比例增益KP1、积分增益KI1和微分增益KD1；根据建立的状态空间方程，求解其实部最大的特征值λ＝σ±jω，并求出其对应的阻尼比ξ；设置更新的步长L；根据设置的步长L结合特征值灵敏度分析的结果，计算候选更新的比例增益候选更新的积分增益和候选更新的微分增益所述的表达式为：其中，rand1,rand2和rand3均为(0,1)内的随机数；根据求解的阶跃响应函数，判断采用后水电机组的一次调频动态性能是否已得到提升，若是，则更新水电机组调节系统的PID参数，反之，则返回设置更新的步长L这一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于灵敏度分析的水轮机调速器参数整定方法，其特征在于：包括以下步骤：计算异步联网送端系统负荷的频率响应系数；建立水轮机系统开环传递函数，并求解相应的阶跃响应函数；根据计算的频率响应系数建立异步联网下水轮机及其调速闭环系统的状态空间方程，并求解建立的状态空间方程实部最大的特征值及其对应的阻尼比；根据建立的状态空间方程及其实部最大的特征值，对水轮机及其调速闭环系统进行特征值灵敏度分析；根据特征值灵敏度分析的结果结合求解的阶跃响应函数以及求解的阻尼比，以水电机组在阶跃响应下的一次调频动作特性最优为目标，迭代求解水轮机调速器的最优参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于灵敏度分析的水轮机调速器参数整定方法，其特征在于：包括以下步骤：计算异步联网送端系统负荷的频率响应系数；建立水轮机系统开环传递函数，并求解相应的阶跃响应函数；根据计算的频率响应系数建立异步联网下水轮机及其调速闭环系统的状态空间方程，并求解建立的状态空间方程实部最大的特征值及其对应的阻尼比；根据建立的状态空间方程及其实部最大的特征值，对水轮机及其调速闭环系统进行特征值灵敏度分析；根据特征值灵敏度分析的结果结合求解的阶跃响应函数以及求解的阻尼比，以水电机组在阶跃响应下的一次调频动作特性最优为目标，迭代求解水轮机调速器的最优参数。2.根据权利要求1所述的一种基于灵敏度分析的水轮机调速器参数整定方法，其特征在于：所述计算异步联网送端系统负荷的频率响应系数这一步骤，具体为：选取接近异步联网送端系统在丰小极限运行方式下发生的扰动，计算异步联网送端系统负荷的频率响应系数，所述丰小极限运行方式是指运行在丰水小负荷模式，所述异步联网送端系统负荷的频率响应系数Kf的计算公式为：其中，ΔP/P0为功率脱落百分比，ΔP为扰动发生前后异步联网送端系统的功率变化值，P0为扰动发生前异步联网送端系统的功率，Δf/f0为稳态频降百分比，Δf为扰动发生前后异步联网送端系统的频率偏差，Δf不超出频率限制器死区，f0为扰动发生前异步联网送端系统的频率，R为机组的调差系数。3.根据权利要求1所述的一种基于灵敏度分析的水轮机调速器参数整定方法，其特征在于：所述建立水轮机系统开环传递函数，并求解相应的阶跃响应函数这一步骤，具体包括：建立水电机组调节系统的开环传递函数，所述水电机组调节系统的开环传递函数GGm(s)的表达式为：其中，KP1、KI1和KD1分别为水电机组调节系统PID控制器的比例增益、积分增益和微分增益，s为拉普拉斯算子，T1v为测量惯性时间常数，bp为调差系数，KW为频率偏差放大倍数，TR1为频率测量环节时间常数；建立电液伺服系统的开环传递函数，所述电液伺服系统的开环传递函数GGA(s)的表达式为：其中，KP2、KI2和KD2分别为电液伺服系统PID控制器的比例增益、积分增益和微分增益，s为拉普拉斯算子，T1为油动机行程反馈环节时间，Toc为油动机开启或关闭时间常数；建立原动机的开环传递函数，所述原动机的开环传递函数GTw(s)的表达式为：其中，s为拉普拉斯算子，Tw为开环水启动时间；根据水电机组调节系统、电液伺服系统和原动机的开环传递函数得到水轮机系统开环传递函数，所述水轮机系统开环传递函数Gsys(s)的表达式为：Gsys(s)＝GGm(s)·GGA(s)·GTw(s)；根据水轮机系统开环传递函数，求解相应的阶跃响应函数x(t)。4.根据权利要求1所述的一种基于灵敏度分析的水轮机调速器参数整定方法，其特征在于：所述根据计算的频率响应系数建立异步联网下水轮机及其调速闭环系统的状态空间方程，并求解建立的状态空间方程实部最大的特征值及其对应的阻尼比这一步骤，具体包括：获取水电机组调节系统、电液伺服系统、原动机和同步机的线性化状态空间方程，进而组成异步联网下水轮机及其调速闭环系统的状态空间方程，所述异步联网下水轮机及其调速闭环系统的状态空间方程为：其中，x为水轮机及其调速闭环系统的状态变量，t为时间，KP1、KI1和KD1分别为水电机组调节系统PID控制器的比例增益、积分增益和微分增益，T1v为测量惯性时间常数，bp为调差系数，KW为频率偏差放大倍数，TR1为频率测量环节时间常数，KP2、KI2和KD2分别为电液伺服系统PID控制器的比例增益、积分增益和微分增益，T1为油动机行程反馈环节时间，Toc为油动机开启或关闭时间常数，TW为闭环系统的水启动时间，TJ为惯性时间常数，Kf为异步联网送端系统负荷的频率响应系数，D为同步机阻尼系数；求解异步联网下水轮机及其调速闭环系统的状态空间方程实部最大的特征值λ＝σ±jω，并求出其对应的阻尼比5.根据权利要求4所述的一种基于灵敏度分析的水轮机调速器参数整定方法，其特征在于：所述根据建立的状态空间方程及其实部最大的特征值，对水轮机及其调速闭环系统进行特征值灵敏度分析这一步骤，具体包括：根据建立的状态空间方程实部最大的特征值计算水电机组调节系统的比例特征灵敏度，所述水电机组调节系统的比例特征灵敏度的计算公式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：陈亦平，莫维科，张勇，侯君，杨林，高琴，杨荣照，郑晓东，黄汉昌，翟哲，杜旭，
申请(专利权)人：中国南方电网有限责任公司，
类型：发明
国别省市：广东,44