基于频率响应的水轮机PID型调速器参数设计方法技术

本发明专利技术涉及基于频率响应的水轮机PID型调速器参数设计方法，该方法包括：建立含有系统主要发电机组的统一频率模型；选择调速器参数设计目标机组；扫频测量得到各个运行方式下统一频率系统的开环频率响应数据；求解各个运行方式下考虑系统稳定约束的参数解空间S1；求解各个运行方式下考虑调节性能约束的参数解空间S2；求解各个运行方式下同时考虑系统稳定与调节性能的参数解空间S；求解多运行方式下同时考虑系统稳定与调节性能的参数解空间S

【技术实现步骤摘要】
基于频率响应的水轮机PID型调速器参数设计方法
本专利技术属于电网安全
，涉及一种水轮机PID型调速器参数设计方法，具体涉及一种基于电力系统频率响应的多运行方式下多机电力系统水轮机PID型调速器参数设计方法。
技术介绍
交流系统超低频振荡现象在国内、外实际电网运行中均有发现，具有持续时间长、振荡频率极低(小于0.1Hz)的特点，威胁系统安全稳定运行。自从云南电网与南方电网主网异步联网后，云南电网也出现了超低频振荡现象。已有研究对超低频振荡问题的机理做了较为深入的剖析，发现水电机组在超低频段内无法为系统提供足够的阻尼转矩，超低频振荡与系统中的水电机组一次调频关系密切。抑制超低频振荡最简单且有效的手段是切除水电机组调速器，然而切除调速器会降低机组跟踪负荷波动的性能，只能作为应急手段。调速器参数设计需综合考虑系统稳定性与调节性能，且应能应对多运行方式下电力系统的稳定需求。如何克服现有技术的不足是目前电网安全
亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种抑制超低频振荡问题的水轮机调速器参数设计方法，该方法兼顾了系统的稳定性要求与调节性能要求，不需要推导系统的传递函数，而仅依靠测量得到的系统频率响应数据。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：1、基于频率响应的水轮机PID型调速器参数设计方法，包括以下步骤：1)建立含有系统主要发电机组在内的统一频率模型；2)选择调速器参数设计的目标电厂机组；3)扫频测量得到各个运行方式下统一频率模型的开环频率响应数据；4)根据3)得到的统一频率模型的开环频率响应数据，求解各个运行方式下考虑系统稳定约束的参数解空间S1；5)根据3)得到的统一频率模型的开环频率响应数据，求解各个运行方式下考虑调节性能约束的参数解空间S2；6)根据4)得到参数解空间S1的和5)得到的参数解空间S2，求解各个运行方式下同时考虑系统稳定与调节性能的参数解空间S；7)根据6)得到参数解空间S，求解多运行方式下同时考虑系统稳定与调节性能的参数解空间Sm；8)基于参数解空间Sm设计调速器参数。进一步，优选的是，所述的步骤1)中的建立含有系统主要发电机组的统一频率模型步骤：(1)统计系统所含发电机组调速器和原动机模型的类型以及它们各自占系统总容量的比例；(2)对超低频振荡发生时各电厂机组有功功率振幅从大到小排列，选择排列在第一个或前几个的电厂机组单独建模；将各类型调速器和原动机模型按照其各自占系统总容量的比例从大到小排序，选择其中占比最大的1～4种模型搭建于统一频率模型中；(3)对于(2)中选定的调速器和原动机模型，将其参数设置为系统中出力最大的该类型机组的参数；同时按照以下方式设置统一频率模型中各类型机组的台数：统计各类型机组在系统中的总有功出力，则统一频率模型中各类型机组的台数等于其在系统中的总有功出力除以它的单台有功出力；(4)根据系统自动发电控制的安排设置统一频率模型中参与自动发电控制的机组台数：将统一频率模型中参与自动发电控制的机组台数设置为系统中参与自动发电控制的机组总有功出力除以单台机组的有功出力的值。进一步，优选的是，所述的步骤2)中的选择调速器参数设计的目标电厂机组步骤：(1)计算所有单独建模电厂机组的阻尼系数MD；对第i台机组，其阻尼系数MDi为：其中，Re()为取实部运算，GTi(s)为电厂机组调速器-原动机传递函数，s为拉普拉斯算子，j为虚数单位，ωc为振荡频率，单位为rad/s；(2)对于阻尼系数MD从小到大排列，选择排列在第一个或前几个的电厂机组为调速器参数设计目标电厂机组。进一步，优选的是，所述的步骤3)中的扫频测量得到各个运行方式下统一频率模型的开环频率响应数据步骤：在统一频率模型中，将除调速器参数设计目标电厂机组调速器以外的系统统一为开环系统P(s)；通过扫频测量得到各个运行方式下统一频率模型的开环频率响应数据，即P(s)的频率响应数据，其中，P(s)的频率响应数据包括P(s)的幅频特性数据|P(jω)|与相频特性数据∠P(jω)。进一步，优选的是，所述的步骤4)中的求解各个运行方式下考虑系统稳定约束的参数解空间S1步骤：(1)目标电厂调速器与开环系统P(s)构成的反馈系统闭环稳定的等价条件为：回差矩阵行列式F(s)＝1+(KP·s+KI+KD·s2)/s·P(s)不存在右半平面的零点，其中，KP、KI、KD为PID调速器待设计参数；(2)定义开环系统P(s)的相移数为σ＝(∠P(j∞)-∠P(-j∞))/(π/2)；(3)定义开环系统P(s)的相对次数为(4)将KP参数离散采样得到[KP1,KP2,…,KPn]；定义如下函数：对于每一个KP采样点，根据上式函数曲线求解的奇数重根集为{ω1,ω2,...,ωl-1}；(5)定义并求解如下序列：I＝{i1,i2,...,il-1}其中，it∈{+1,-1},t＝1,2,...,l-1；如果rP-1是偶数，求解如下序列：[2i1-2i2+2i3+…+(-1)l-12il-1]·Sx＝-σ-2如果rP-1是奇数，求解如下序列：[2i1-2i2+2i3+…+(-1)l-12il-1]·Sx＝-σ-2(6)对于求得的第k条序列Ik＝{i1,k,i2,k,...,il-1,k}，求得如下参数解空间：由上式可知每条序列Ik对应的解空间是由线性约束构成的解空间，记为再将所有序列的解空间求并集就得到考虑系统稳定的解空间其中U为求并集运算。进一步，优选的是，所述的步骤5)中的求解各个运行方式下考虑调节性能约束的参数解空间S2步骤：(1)电力系统调节性能的约束条件描述如下：||w(s)S(s)||∞<1其中：w(s)为性能权函数，S(s)为系统的灵敏度函数，其表达式如下：式中：s为拉普拉斯算子，M为灵敏度函数峰值上界，ωB*为带宽频率下界，A为最大稳态跟踪误差；该约束条件等价于目标电厂调速器与如下定义的复系数传递函数Pc(s,θr)构成的反馈系统闭环稳定：对θ进行采样得到样本集[θ1θ2…θm]，即对于每一个样本θr，目标电厂调速器与Pc(s,θr)构成的反馈系统的回差矩阵行列式F(s)＝1+(KP·s+KI+KD·s2)/s·Pc(s,θr)不存在右半平面的零点；(2)定义Pc(s,θr)的相移数为σ＝(∠Pc(j∞,θr)-∠Pc(-j∞,θr))/(π/2)；(3)定义Pc(s,θr)的相对次数为(4)将KP参数离散采样得到[KP1,KP2,…,KPn]；定义如下函数：对于每一个KP采样点，根据上式函数曲线求解的奇数重根集为{ω1,ω2,...,ωl-1}；(5)定义并求解如下序列：I′＝{i′1,i′2,...,i′l-1}其中，i′t∈{+1,-1},t＝1,2,...,l-1；求解如下序列：[2i′1-2i′2+2i′3+…+(-1)l-12i′l-1]]·Sx＝-σ-2(6)对于求得的第k条序列I′k＝{i′1,k,i′2,k,...,i′l-1,k}可求得如下参数解空间：由上式可知每条序列I′k对应的解空间是由线性约束构成的解空间，记为再将所有序列的解空间求并集就得到θr对应的解空间其中∪为求并集运算；(7)将根据(6)求得的所有θr对应的解空间求交集就得到考虑系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于频率响应的水轮机PID型调速器参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立含有系统主要发电机组在内的统一频率模型；2)选择调速器参数设计的目标电厂机组；3)扫频测量得到各个运行方式下统一频率模型的开环频率响应数据；4)根据3)得到的统一频率模型的开环频率响应数据，求解各个运行方式下考虑系统稳定约束的参数解空间S1；5)根据3)得到的统一频率模型的开环频率响应数据，求解各个运行方式下考虑调节性能约束的参数解空间S2；6)根据4)得到参数解空间S1的和5)得到的参数解空间S2，求解各个运行方式下同时考虑系统稳定与调节性能的参数解空间S；7)根据6)得到参数解空间S，求解多运行方式下同时考虑系统稳定与调节性能的参数解空间Sm；8)基于参数解空间Sm设计调速器参数。

【技术特征摘要】
1.基于频率响应的水轮机PID型调速器参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立含有系统主要发电机组在内的统一频率模型；2)选择调速器参数设计的目标电厂机组；3)扫频测量得到各个运行方式下统一频率模型的开环频率响应数据；4)根据3)得到的统一频率模型的开环频率响应数据，求解各个运行方式下考虑系统稳定约束的参数解空间S1；5)根据3)得到的统一频率模型的开环频率响应数据，求解各个运行方式下考虑调节性能约束的参数解空间S2；6)根据4)得到参数解空间S1的和5)得到的参数解空间S2，求解各个运行方式下同时考虑系统稳定与调节性能的参数解空间S；7)根据6)得到参数解空间S，求解多运行方式下同时考虑系统稳定与调节性能的参数解空间Sm；8)基于参数解空间Sm设计调速器参数。2.根据权利要求1所述的基于频率响应的水轮机PID型调速器参数设计方法，其特征在于，所述的步骤1)中的建立含有系统主要发电机组的统一频率模型步骤：(1)统计系统所含发电机组调速器和原动机模型的类型以及它们各自占系统总容量的比例；(2)对超低频振荡发生时各电厂机组有功功率振幅从大到小排列，选择排列在第一个或前几个的电厂机组单独建模；将各类型调速器和原动机模型按照其各自占系统总容量的比例从大到小排序，选择其中占比最大的1～4种模型搭建于统一频率模型中；(3)对于(2)中选定的调速器和原动机模型，将其参数设置为系统中出力最大的该类型机组的参数；同时按照以下方式设置统一频率模型中各类型机组的台数：统计各类型机组在系统中的总有功出力，则统一频率模型中各类型机组的台数等于其在系统中的总有功出力除以它的单台有功出力；(4)根据系统自动发电控制的安排设置统一频率模型中参与自动发电控制的机组台数：将统一频率模型中参与自动发电控制的机组台数设置为系统中参与自动发电控制的机组总有功出力除以单台机组的有功出力的值。3.根据权利要求1所述的基于频率响应的水轮机PID型调速器参数设计方法，其特征在于，所述的步骤2)中的选择调速器参数设计的目标电厂机组步骤：(1)计算所有单独建模电厂机组的阻尼系数MD；对第i台机组，其阻尼系数MDi为：其中，Re()为取实部运算，GTi(s)为电厂机组调速器-原动机传递函数，s为拉普拉斯算子，j为虚数单位，ωc为振荡频率，单位为rad/s；(2)对于阻尼系数MD从小到大排列，选择排列在第一个或前几个的电厂机组为调速器参数设计目标电厂机组。4.根据权利要求1所述的基于频率响应的水轮机PID型调速器参数设计方法，其特征在于，所述的步骤3)中的扫频测量得到各个运行方式下统一频率模型的开环频率响应数据步骤：在统一频率模型中，将除调速器参数设计目标电厂机组调速器以外的系统统一为开环系统P(s)；通过扫频测量得到各个运行方式下统一频率模型的开环频率响应数据，即P(s)的频率响应数据，其中，P(s)的频率响应数据包括P(s)的幅频特性数据|P(jω)|与相频特性数据∠P(jω)。5.根据权利要求4所述的基于频率响应的水轮机PID型调速器参数设计方法，其特征在于，所述的步骤4)中的求解各个运行方式下考虑系统稳定约束的参数解空间S1步骤：(1)目标电厂调速器与开环系统P(s)构成的反馈系统闭环稳定的等价条件为：回差矩阵行列式F(s)＝1+(KP·s+KI+KD·s2)/s·P(s)不存在右半平面的零点，其中，KP、KI、KD为PID调速器待设计参数；(2)定义开环系统P(s)的相移数为σ＝(∠P(j∞)-∠P(-j∞))/(π/2)；(3)定义开环系统P(s)的相对次数为(4)将KP参数离散采样得到[KP1,KP2,…,KP...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄润，黄伟，吴琛，张杰，
申请(专利权)人：云南电网有限责任公司，
类型：发明
国别省市：云南,53