一种水轮机调速器控制方法技术

本发明专利技术公开了一种水轮机调速器控制方法，包括以下步骤：1)收集信息；2)计算机组在不同水头下出力为额定功率Pr时的水锤效应时间常数范围；3)根据水锤变化系数对水头进行分段。本发明专利技术提出的水轮机调速器控制方法，基于水锤效应是影响调速器阻尼特性的关键因素的基本认识，考虑水轮机工作水头和发电机出力水平对水锤效应的影响，并通过对水头和出力进行分段出力，为每一段分别设计调速器PID参数，并根据水轮发电机组的运行工况选择对应的调速器参数，从而使得高比例水电系统中调速器在满足抑制超低频振荡的阻尼水平的前提下，尽可能的兼顾频率调节能力。

A Control Method of Hydraulic Turbine Governor

The invention discloses a control method of a hydraulic turbine governor, which comprises the following steps: 1) collecting information; 2) time constant range of water hammer effect when the output of computer group is rated power Pr under different water heads; 3) dividing water head according to the variation coefficient of water hammer. Based on the basic understanding that the water hammer effect is the key factor affecting the damp characteristics of the governor, the control method of the hydro-turbine governor proposed in the present invention considers the influence of the working head of the turbine and the output level of the generator on the water hammer effect, and designs the PID parameters of the governor for each section by means of the sectional output of the head and the output, and chooses the parameters according to the operation conditions of the hydro-generator set. By choosing the corresponding parameters of the governor, the governor in the high proportion hydropower system can take into account the frequency regulation ability as much as possible under the premise of meeting the damping level of restraining the ultra-low frequency oscillation.

【技术实现步骤摘要】
一种水轮机调速器控制方法
本专利技术属于电力系统安全稳定控制
，具体地说是涉及一种水轮机调速器控制方法。
技术介绍
近年来，在水电送出孤岛系统或水电高占比电力系统中已陆续出现多起超低频振荡事故，引发调速系统周期性频繁动作，系统频率、功率等均出现大幅度低频率振荡，严重威胁电网安全稳定运行。已有研究和经验表明，这类型振荡与水轮机调速系统一次调频性能及引水系统的“水锤效应”相关性强。目前调速系统常采用的PID调节策略中，为了满足一次调频快速恢复频率的要求，通常设置为较大的参数，在超低频段往往呈现负阻尼，并且随着水锤效应时间常数越大，负阻尼效应愈专利技术显，在水电为主电网中极易引发超低频振荡。为防止超低频振荡的发生，工程中常通过降低调速器PID参数的方式提升其在超低频段的阻尼水平，但过小的PID参数意味着一次调频响应速度慢，当系统发生功率不平衡扰动时，频率很难恢复，调速器参数需要在超低频振荡抑制和一次调频性能之间进行协调，难以平衡。在目前的电力系统仿真计算中，通常通过水锤效应时间常数来反映水轮机“水锤效应”的强弱，水锤效应时间常数越大，水锤效应越明显，反之亦然。对于已建成的水电站，在引水管道一定的条件下，水锤效应时间常数跟水轮机导叶处的水头、流速等因素相关。通常，流速越快、水头越低，水锤效应愈专利技术显，调速系统提供的负阻尼更多，需要适当减小PID参数，以抑制超低频振荡。而当处于高水头、低流速时，水锤效应较小，调速系统提供的负阻尼较少，可适当增大调速器PID参数，以增强系统频率调节能力。
技术实现思路
本专利技术针对现有方法的不足，提出了一种水轮机调速器控制方法，改善水轮机调速器的阻尼水平和频率调节性能，为孤立运行的高比例水电系统中水电机组同时兼顾超低频振荡抑制和调频性能提供了技术手段。本专利技术通过下述技术方案实现：一种水轮机调速器控制方法，包括1)收集信息，收集发电机组额定有功出力Pr，机组不同水位下振动区间下限的最大值Pzmin，机组正常工作水头范围，包括最大和最小水头Hmax和Hmin，若调速器模型和参数已实测，则收集实测水锤效应时间常数以及实测时机组的出力P0和工作水头H0；若调速器模型和参数未实测，则应在开展调速器模型参数实测试验，获得一组调速器PID参数，并得到可以准确模拟调速器特性的仿真模型和参数。2)计算机组在不同水头下出力为额定功率Pr时的水锤效应时间常数范围：最大水锤效应时间常数：最小水锤效应时间常数：3)根据水锤变化系数对水头进行分段：3-1)计算水锤变化系数：3-2)确定分段间隔b，b≤1；3-3)若a≤1+b，则不需要对水头进行分段处理；3-4)若a＞1+b，则需要对水头进行分段，按照分2、3、4，…，段的方式对区间[1,a]进行平均分段，确保每段区间长度小于等于b，设第i个区间为[m,n]，则要求n-m≤b，对应的水头区间为假设得到的分段数为t。4)根据水轮发电机振动区间，将发电机出力分为两个区间，区间1为振动区以下，即：[0，Pzmin]；区间2为振动区以上，即：[Pzmin,Pr]。5)根据步骤3和4得到的t个水头区间和2个发电机出力区间按照排列组合的方式对调速器参数进行整定，可得到2t组调速器参数，每组参数在进行调速器参数整定时，考虑水头区间的下限和发电机出力区间的上限。6)建立调速器的模型，通过仿真分析，对步骤5中每组需要整定的调速器参数进行整定，在确保调速器在0.01～0.1Hz的超低频段提供正阻尼的前提下，尽可能的增大PID参数，从而得到对应的调速器PID参数表。6-1)根据所建立的模型，分别得到调速系统、水轮机的开环传递函数G调速、G水轮机。6-2)得到原动机输出机械功率ΔPm和调速器输出频率偏差Δω之间的开环传递函数G开环，即由调速器和原动机组织系统的开环传递函数，可表示为下式：6-3)将s＝jω＝j2πf代入式(1)获得的开环传递函数可计算出调速器和原动机系统在各频率下的阻尼系数，在确保调速系统在超低频段0.01Hz～0.1Hz内提供正阻尼的前提下，尽可能增大调速器PID参数。6-4)在实际操作过程中，为保持系统稳定性，可直接设置微分环节常数Kd为0，设置积分环节常数Kp为某一固定值3～5，通过调整积分时间常数Ki，并保持比例环节常数与积分环节常数比值Kp/Ki>5。7)将水轮机工作的水头和出力信号引入调速器，修改调速器控制逻辑，使得调速器可根据水轮机工作水头和出力水平，自动选择对应PID控制参数。本专利技术提出的水轮机调速器控制方法，其基本原理为：对机组水头和出力进行分段，分别针对每一段进行PID参数优化设计，机组运行中调速器根据水头和出力的变化自动选择对应的PID控制参数，满足水电为主电网中对调速器阻尼和调频性能的要求。本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本专利技术提出的水轮机调速器控制方法，基于水锤效应是影响调速器阻尼特性的关键因素的基本认识，考虑水轮机工作水头和发电机出力水平对水锤效应的影响，并通过对水头和出力进行分段出力，为每一段分别设计调速器PID参数，并根据水轮发电机组的运行工况选择对应的调速器参数，从而使得高比例水电系统中调速器在满足抑制超低频振荡的阻尼水平的前提下，尽可能的兼顾频率调节能力。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1为考虑水变水锤效应的调速器控制示意图。图2为包含调速器、原动机的水轮机开环调节系统模型框图。图3为水轮机调速器PID控制器模型框图。图4为液压执行机构模型框图。图5为水轮机模型框图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本专利技术作进一步的详细说明，本专利技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本专利技术，并不作为对本专利技术的限定。针对现有方法的不足，本专利技术提出了一种水轮机调速器控制方法，为孤立运行的高比例水电系统中水电机组同时兼顾超低频振荡抑制和调频性能提供了技术手段。实施例1如图1-4所示，水轮机调速器控制方法具体包括以下步骤：1)收集信息以四川某大型水电机组为例，机组额定有功出力600MW，机组正常工作水头范围，包括最大和最小水头114.3m和181.7m，调速器模型和参数已实测，实测水锤效应时间常数实测时机组的出力470MW和工作水头H0＝177m，该机组在上游不同水位下振动区如下表所示，取不同水位下振动区下限值的最大值作为机组出力的分段制，即Pzmin＝350MW。序号上游水位振动区间一振动区间二最大负荷1795.1米20MW～130MW200MW～330MW420MW2800.3米210MW～340MW440MW3811.0米250MW～380MW490MW4819.4米270MW～410MW540MW5830.5米300MW～440MW590MW6846.7米20MW～210MW350MW～490MW600MW2)计算机组在不同水头下出力为额定功率Pr时的水锤效应时间常数范围：最大水锤效应时间常数：最小水锤效应时间常数：3)根据水锤变化系数对水头进行分段：3-1)计算水锤变化系数：3-2)确定分段间隔b＝0.5；3-3)由于a＝2.4＞1+b＝1.5，需要对水头进行分段，将[1,a]平均分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水轮机调速器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)收集信息；2)计算机组在不同水头下出力为额定功率Pr时的水锤效应时间常数范围：3)根据水锤变化系数对水头进行分段；4)根据水轮发电机振动区间，将发电机出力分为两个区间，区间1为振动区以下，区间2为振动区以上；5)根据步骤3和4得到的t个水头区间和2个发电机出力区间按照排列组合的方式对调速器参数进行整定，可得到2t组调速器参数，每组参数在进行调速器参数整定时，考虑水头区间的下限和发电机出力区间的上限；6)建立调速器的模型，通过仿真分析，对步骤5中每组需要整定的调速器参数进行整定；7)将水轮机工作的水头和出力信号引入调速器，修改调速器控制逻辑，使得调速器可根据水轮机工作水头和出力水平，选择对应PID控制参数。

【技术特征摘要】
1.一种水轮机调速器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)收集信息；2)计算机组在不同水头下出力为额定功率Pr时的水锤效应时间常数范围：3)根据水锤变化系数对水头进行分段；4)根据水轮发电机振动区间，将发电机出力分为两个区间，区间1为振动区以下，区间2为振动区以上；5)根据步骤3和4得到的t个水头区间和2个发电机出力区间按照排列组合的方式对调速器参数进行整定，可得到2t组调速器参数，每组参数在进行调速器参数整定时，考虑水头区间的下限和发电机出力区间的上限；6)建立调速器的模型，通过仿真分析，对步骤5中每组需要整定的调速器参数进行整定；7)将水轮机工作的水头和出力信号引入调速器，修改调速器控制逻辑，使得调速器可根据水轮机工作水头和出力水平，选择对应PID控制参数。2.根据权利要求1所述的水轮机调速器控制方法，其特征在于，所述收集信息具体为：(1)收集发电机组额定功率Pr；(2)机组不同水位下振动区间下限的最大值Pzmin；(3)机组正常工作水头范围，包括最大水头Hmax和最小水头Hmin；(4)在收集信息时，若调速器模型和参数已实测，则收集实测水锤效应时间常数以及实测时机组的出力P0和工作水头H0。3.根据权利要求2所述的水轮机调速器控制方法，其特征在于，发动机出力区间中，区间1为[0，Pzmin]；区间2为[Pzmin,Pr]。4.根据权利要求2所述的水轮机调速器控制方法，其特征在于，收集信息时，若调速器模型和参数未实测，则应在开展调速器模型参数实测试验，获得一组调速器PID参数，并得到可准确模拟调速器特性的仿真模型和...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈刚，史华勃，韩晓言，常晓青，王曦，张华，王亮，刘畅，
申请(专利权)人：国网四川省电力公司电力科学研究院，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51