一种兼顾阻尼特性的水电机组一次调频多目标优化方法技术

本发明专利技术涉及水力发电控制优化技术领域，公开了一种兼顾阻尼特性的水电机组一次调频多目标优化方法，通过建立水电机组调速系统模型、构建调速系统阻尼特性与振荡频率的关系模型、构建用于协调水电机组阻尼特性和一次调频动态性能的多目标函数、构建约束条件、对多目标函数求解，并对Pareto非支配解集进行优选，得出水电机组在一次调频工况下的最优运行参数。本发明专利技术能协调水电机组阻尼特性和一次调频动态性能之间的矛盾关系，保证一次调频动态性能满足国标要求的前提下，提高水电机组的阻尼水平，以抑制超低频振荡的发生，为提高并网水电机组运行可靠性、指导水电机组高占比的孤网和直流送端孤岛的电网安全稳定运行提供了有效的技术手段。

【技术实现步骤摘要】
一种兼顾阻尼特性的水电机组一次调频多目标优化方法
本专利技术涉及水力发电控制优化
，具体涉及一种兼顾阻尼特性的水电机组一次调频多目标优化方法。
技术介绍
在积极有序推进大型水电基地建设，合理布局能源富集地区外送此背景下，大容量特高压直流输电系统与配套大型水电系统构成的直流送端孤岛的运行稳定性成为研究的热点。近年来，在水电机组占比较高的孤网和直流孤岛送出系统中陆续出现超低频振荡现象。2016年，在云南电网与南方电网主网的异步联网调试期间，出现了振荡频率约为0.05Hz，持续20分钟的超低频振荡现象，在相继退出各主力水电站一次调频功能后，振荡得以平息。2012年，锦苏直流孤岛试验中，曾发生频率的异常波动，通过优化调速系统控制参数及减小直流频率控制死区，使得振荡消除。2014年，缅甸某电力系统在并主网转为孤网运行时，出现明显的超低频振荡事件，事故排查分析是由水电机组调速系统的负阻尼作用引起的。此外，藏中电网、哥伦比亚电网、金中直流孤岛系统也曾出现过超低频振荡现象。因此，超低频振荡研究对于促进国内外电力系统的安全稳定运行具有重要意义，该问题也引起了有关部门和学者的高度关注。已有研究表明，异步联网后水电机组调速系统控制参数和流道系统的水锤效应共同作用下的负阻尼特性是导致超低频振荡的主要原因。而在当前系统中，部分电厂为满足一次调频考核指标，将调速系统响应调整得极为灵敏，使得电网扰动后更易诱发超低频振荡现象。超低频振荡是调速系统引起的机械振荡模式，对调速系统参数优化可从根本上解决振荡问题，但同时也降低了机组的一次调频能力。现有研究在侧重提高水电机组调速系统阻尼特性以抑制超低频振荡的同时，往往忽视了机组的一次调频能力。或者在兼顾一次调频性能和超低频振荡抑制的调速系统控制参数优化时，将具有博弈关系的一次调频动态性能指标及低频段阻尼水平指标通过权重叠加，并未协调各指标之间的矛盾。针对上述不足，研究开发了一种兼顾阻尼特性的水电机组一次调频多目标优化方法，有效协调了水电机组调速系统超低频振荡阻尼性能指标与一次调频响应性能指标之间的矛盾关系。在保证一次调频响应满足国标要求的前提下，提高了水电机组的阻尼水平，以抑制超低频振荡的发生。为提高并网水电机组运行可靠性，指导水电机组高占比的孤网和直流送端孤岛的电网安全稳定运行提供了有效的技术手段。
技术实现思路
基于以上问题，本专利技术提供了一种兼顾阻尼特性的水电机组一次调频多目标优化方法，能在保证一次调频响应满足国标要求的前提下，提高水电机组的阻尼水平，以抑制超低频振荡的发生。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种兼顾阻尼特性的水电机组一次调频多目标优化方法，包括如下步骤：步骤1：建立适用于小波动工况的水电机组调速系统模型；步骤2：建立调速系统阻尼特性与振荡频率关系模型；步骤3：构建水电机组阻尼特性和一次调频动态性能的多目标函数，包括水电机组在超低频段的阻尼特性目标函数和一次调频综合性能目标函数；步骤4：构建上升时间及稳定时间约束、最大调整功率限幅约束、最劣阻尼特性约束和决策变量的优化量级约束的约束条件，并执行相应的约束处理策略；步骤5：运用多目标优化算法求解多目标函数，得到Pareto非支配解集；步骤6：对Pareto非支配解集中的非支配解进行优选，得到最佳兼容解即为水电机组调速系统一次调频工况下的最优控制参数。进一步地，水电机组调速系统模型主要由调速器、有压引水系统、水轮机、发电机及负载组成；调速器包括PID控制器和液压执行机构。进一步地，调速系统阻尼特性与振荡频率关系模型表达式如下：A0＝bpTyKp+Ty；A1＝bpKp+bpTyKi+1；A2＝bpKi；A3＝eqhTwB0＝(eqyeh-eqhey)Tw；B1＝-(A0+A1A3)KpB0-A0A3Kpey+A0A3KiB0；B2＝KpB0A2-Kiey(A0+A1A3)+(A1+A2A3)Kpey-(A1+A2A3)KiB0；B3＝KieyA2其中，Kp为比例环节参数，Ki为微分环节参数，bp为永态转差系数，Ty为液压执行机构惯性时间常数，Tw为引水系统惯性时间常数，f为系统振荡频率，DG为调速系统阻尼系数，ey,eh,eqy,eqh分别为水轮机传递系数，由综合特性曲线求取。进一步地，水电机组在超低频段的阻尼特性目标函数表达式如下：其中，n＝(fmax-f0)/Δf，为关注频带内的频率采样点个数；Δf为频率点采样步长，对第i个频率点有fi＝f0+(i-1)Δf。进一步地，一次调频性能综合目标函数表达式如下：MinObj2(Kp,Ki)＝k1T′r+k2T′s+k3P′m其中，k1、k2、k3为对应的权重系数，通过设置其大小可以灵活地调整各指标对一次调频性能综合指标的贡献率；Tr′、Ts′、P′m分别为无量纲的上升时间、稳定时间和最大反调功率指标。进一步地，无量纲上升时间Tr′、无量纲稳定时间Ts′及无量纲最大反调功率P′m处理方法分别如下式：式中，Tr、Ts、Pm分别为上升时间实际值、稳定时间实际值及最大反调功率实际值，Tr_min和Tr_max为优化范围内得到的上升时间的最小值和最大值，Ts_min和Ts_max为优化范围内得到的稳定时间的最小值和最大值，Pm_min和Pm_max为优化范围内得到的最大反调功率的最小值和最大值。进一步地，上升时间及稳定时间约束表达式如下：式中，Tr_g、Ts_g为国标要求的机组功率响应上升时间、稳定时间极限值；最大调整功率限幅约束表达式如下：Ps≤6％·Pr式中，Ps为一次调频的有功功率变化量，Pr为机组额定出力；最劣阻尼特性约束表达式如下：min(DG(f0),…,DG(fi),…,DG(fn))≥Dampmin式中，Dampmin为水电机组最劣阻尼系数；决策变量的优化量级约束表达式如下：式中，M[Kp]为决策变量Kp的量级，M[Ki]为决策变量Ki的量级。进一步地，约束处理策略由预先处理策略和后处理策略组成，决策变量的优化量级约束采用预先处理策略，上升时间及稳定时间约束、最大调整功率限幅约束、最劣阻尼特性约束采用后处理策略；其中，预先处理策略是在将决策变量输入到水电机组调速系统模型模型、调速系统阻尼特性与振荡频率关系模型之前，判断决策变量是否满足约束条件，对不满足约束的决策变量进行相应的数值精度处理；后处理策略采用基于约束违反度的可行解增强方法，通过在原始的适应度函数基础上考虑总体的约束违反度，以增加不可行解的适应度值，从而恶化违反约束的个体，增强可行解的支配性，后处理策略表达式如下：式中，fm(Xi(t))为第m个目标的第i个个体的适应度函数值，为第m个目标的最差适应度函数值，Xi(t)为第i个个体在第t次迭代的决策变量值，后处理约束指上升时间及稳定时间约束、最大调整功率限幅约束、最劣阻尼特性约束，v(Xi(t))为总体的约束违反度，由下式给出：式中，vj_normalized(X(t))是第j个目标的标准化约束违反度；v(X(t))为X(t)的总体约束违反度，即越限指标与对应约束值的差值；vmax为第j个目标的所有X(t)个体的违反度最大值。进一步地，多目标优化算法为多目标粒子群优化算法、多目标遗传算法、多目标引力搜索算法、人工羊群算法或多目标灰狼算法中的一种。进一步地，最佳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种兼顾阻尼特性的水电机组一次调频多目标优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立适用于小波动工况的水电机组调速系统模型；步骤2：建立调速系统阻尼特性与振荡频率关系模型；步骤3：构建水电机组阻尼特性和一次调频动态性能的多目标函数，包括水电机组在超低频段的阻尼特性目标函数和一次调频综合性能目标函数；步骤4：构建上升时间及稳定时间约束、最大调整功率限幅约束、最劣阻尼特性约束和决策变量的优化量级约束的约束条件，并执行相应的约束处理策略；步骤5：运用多目标优化算法求解水电机组阻尼特性和一次调频动态性能的多目标函数，得到Pareto非支配解集；步骤6：对Pareto非支配解集中的非支配解进行优选，得到最佳兼容解即为水电机组调速系统一次调频工况下的最优控制参数。

【技术特征摘要】
1.一种兼顾阻尼特性的水电机组一次调频多目标优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立适用于小波动工况的水电机组调速系统模型；步骤2：建立调速系统阻尼特性与振荡频率关系模型；步骤3：构建水电机组阻尼特性和一次调频动态性能的多目标函数，包括水电机组在超低频段的阻尼特性目标函数和一次调频综合性能目标函数；步骤4：构建上升时间及稳定时间约束、最大调整功率限幅约束、最劣阻尼特性约束和决策变量的优化量级约束的约束条件，并执行相应的约束处理策略；步骤5：运用多目标优化算法求解水电机组阻尼特性和一次调频动态性能的多目标函数，得到Pareto非支配解集；步骤6：对Pareto非支配解集中的非支配解进行优选，得到最佳兼容解即为水电机组调速系统一次调频工况下的最优控制参数。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水电机组调速系统模型主要由调速器、有压引水系统、水轮机、发电机及负载组成；所述调速器包括PID控制器和液压执行机构。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调速系统阻尼特性与振荡频率关系模型表达式如下：A0＝bpTyKp+Ty；A1＝bpKp+bpTyKi+1；A2＝bpKi；A3＝eqhTwB0＝(eqyeh-eqhey)Tw；B1＝-(A0+A1A3)KpB0-A0A3Kpey+A0A3KiB0；B2＝KpB0A2-Kiey(A0+A1A3)+(A1+A2A3)Kpey-(A1+A2A3)KiB0；B3＝KieyA2其中，Kp为比例环节参数，Ki为微分环节参数，bp为永态转差系数，Ty为液压执行机构惯性时间常数，Tw为引水系统惯性时间常数，f为系统振荡频率，DG为调速系统阻尼系数，ey,eh,eqy,eqh分别为水轮机传递系数，由综合特性曲线求取。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，水电机组在超低频段的阻尼特性目标函数表达式如下：其中，n＝(fmax-f0)/Δf，为关注频带内的频率采样点个数；Δf为频率点采样步长，对第i个频率点有fi＝f0+(i-1)Δf。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，一次调频性能综合目标函数表达式如下：MinObj2(Kp,Ki)＝k1Tr′+k2Ts′+k3P′m其中，k1、k2、k3为对应的权重系数，通过设置其大小可以灵活地调整各指标对一次调频性能综合指标的贡献率；Tr′、Ts′、P′m分别为无量纲的上升时间、稳定时间和最大反调功率指标。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，无量纲上升时间Tr′、无量纲稳定时间Ts′及无量纲最大反调功率P′m处理方法分别如下式：式中，Tr、Ts、Pm分别为上升时间实际值、稳定时间实际值及最大反调功...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵志高，杨建东，刘洁，杨威嘉，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42