本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術領域，具體涉及一種基于臨界參數(shù)抑制水電機組超低頻振蕩的調速器參數(shù)優(yōu)化方法。

背景技術：

中國的水能資源居世界首位，隨著不斷加大對水電資源的開發(fā)與利用，中國已經成為世界上水電裝機容量最大的國家。相對于火力發(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，相關技術成熟，建設大型水電機組是我國開發(fā)利用水電的主要形式，保持水電機組在電網中穩(wěn)定運行是中國電力發(fā)展的必然要求。

我國未來水電的開發(fā)重點地區(qū)主要是四川、云南和西藏，云南電網作為中國西電東送的重要能源基地，裝有大量水電機組。在2016年云南電網同南方電網主網異步聯(lián)網試驗期間，云南電網出現(xiàn)了長時間、大幅度的超低頻振蕩現(xiàn)象(振蕩頻率約為0.05hz)，當主力機組一次調頻退出后振蕩逐漸平息。

超低頻振蕩嚴重危害云南電網穩(wěn)定運行，劉春曉、張俊峰、陳亦平等人在標題為異步聯(lián)網方式下云南電網超低頻振蕩的機理分析與仿真(南方電網技術，2016年，第10卷，29-34)的文獻中指出發(fā)生超低頻振蕩的原因在于調速器參數(shù)取值不當和水錘效應引起的負阻尼效應；張建新、劉春曉等人在標題為異步聯(lián)網方式下云南電網超低頻振蕩的抑制措施與試驗(南方電網技術，2016年，第10卷，35-39)的文獻里研究了調整死區(qū)與調整調速器參數(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組調速器參數(shù)對超低頻振蕩的影響，對超低頻振蕩的兩種抑制方法中，調整死區(qū)實際上是讓水電機組退出一次調頻，這會影響電網頻率穩(wěn)定性；調整調速器參數(shù)的方法也主要依靠經驗試探，沒有提出一種有理論依據的調速器參數(shù)優(yōu)化方法。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于上述，本發(fā)明提供了一種基于臨界參數(shù)抑制水電機組超低頻振蕩的調速器參數(shù)優(yōu)化方法，該方法通過結合對水電機組引起超低頻振蕩的機理分析，實現(xiàn)對電網中超低頻振蕩的抑制。

一種基于臨界參數(shù)抑制水電機組超低頻振蕩的調速器參數(shù)優(yōu)化方法，包括如下步驟：

(1)將水電機組pid(比例-積分-微分)調速器的微分參數(shù)kd以及積分參數(shù)ki直接設定為相對較小值；

(2)初始pid調速器的比例參數(shù)kp為一相對較小值，在水電機組所連電網系統(tǒng)中施加擾動，觀測電網頻率是否出現(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)在電網系統(tǒng)出現(xiàn)超低頻振蕩情況下檢測水輪機輸出的機械功率，若機械功率超出其限幅環(huán)節(jié)的設定值，則說明比例參數(shù)kp過小，適當回調比例參數(shù)kp，直至水輪機輸出機械功率低于限幅環(huán)節(jié)設定值，此時的比例參數(shù)kp即作為臨界比例參數(shù)；

(4)將pid調速器的比例參數(shù)kp最終設定為臨界比例參數(shù)的n倍，從而完成水電機組pid調速器的參數(shù)優(yōu)化過程，n為大于1的實數(shù)。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中將微分參數(shù)kd設定為0，積分參數(shù)ki設定為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)電機組與互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)系很強時可能導致過度振蕩和不穩(wěn)定。

優(yōu)選地，所述步驟(4)中將pid調速器的比例參數(shù)kp最終設定為臨界比例參數(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)明水電機組調速器參數(shù)優(yōu)化方法具有以下優(yōu)點：

(a)本發(fā)明方法具有很強的理論分析依據，明確指出調速器比例參數(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)生時的臨界比例參數(shù)。

(b)本發(fā)明臨界參數(shù)法實施過程中不需要進行過多數(shù)值計算，通過電力系統(tǒng)仿真軟件離線仿真就可實現(xiàn)，操作較為簡單。

綜合上述兩方面原因，可以看出：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明能夠實現(xiàn)對水電機組調速器參數(shù)的優(yōu)化整定，進而從根源上抑制水電機組在系統(tǒng)中引起超低頻振蕩。

附圖說明

圖1為水電機組pid調速器的結構示意圖。

圖2為三機九節(jié)點電力系統(tǒng)的結構示意圖。

圖3為臨界超低頻振蕩時的電網頻率偏差波形示意圖。

圖4為臨界超低頻振蕩時的水輪機機械功率波形示意圖。

圖5為參數(shù)優(yōu)化之后的電網頻率偏差波形示意圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結合附圖及具體實施方式對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。

本實施方式采用如圖1所示的調速器結構進行說明，該結構是目前水電機組普遍采用的pid調速器結構?；趫D1所示的調速器結構可以得到整個水電機組傳遞函數(shù)對應的特征方程為：

式(1)中：t4＝ty，t5＝tw，t6＝tm，kp,ki,kd分別為調速器的pid參數(shù)，r為調差系數(shù)，y為調速器開度，ty(單位s)為液壓系統(tǒng)時間常數(shù)，tw(單位s)為水輪機水錘效應時間常數(shù)，tm(單位s)為系統(tǒng)中所有發(fā)電機組的等效慣性時間常數(shù)。

通過勞斯判據對式(1)進行穩(wěn)定分析，可得特征方程的勞斯判據系數(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

由勞斯判據分析可得：當調速器比例參數(shù)過大或者過小時，水電機組將會失穩(wěn)，為便于進一步分析，可將式(1)表示為式(2)的形式：

s⁴+α3s³+α2s²+α1s+α0＝0(2)

式(2)中：

設式(2)的四個極點分別為-σ±jω和λ1、λ2，其中λ1、λ2可以是2個實根，也可以是一對共軛復根。令主導極點為-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：

當式(4)中主導極點實部-σ＝0，系統(tǒng)將發(fā)生臨界振蕩，式(2)中的三次項系數(shù)和一次項系數(shù)在式(4)中為：

α3＝-(λ1+λ2)(5)

α1＝-ω²(λ1+λ2)(6)

因此，系統(tǒng)發(fā)生臨界振蕩時的振蕩頻率為：

結合式(4)可得振蕩頻率如式(8)所表示：

式(8)中t2＝kp/ki，t2過小時對應的振蕩頻率將小于t2過大時對應的振蕩頻率，即t2過小時發(fā)生的振蕩為超低頻振蕩。由此可得：水電機組發(fā)生超低頻振蕩的根源在于調速器的比例參數(shù)與積分參數(shù)的比值過小。

本實施方式所研究的電力系統(tǒng)為如圖2所示的三機九節(jié)點系統(tǒng)，研究目的是抑制該系統(tǒng)發(fā)生超低頻振蕩。針對該電力系統(tǒng)，采用基于臨界參數(shù)抑制水電機組超低頻振蕩的調速器參數(shù)優(yōu)化方法流程如下：

(1)將水電機組pid調速器的微分參數(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)電機組與互聯(lián)系統(tǒng)聯(lián)系很強時可能導致過度振蕩和不穩(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調速器的比例參數(shù)調小，在電網中設置小擾動，觀察電網頻率是否出現(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)當調速器比例參數(shù)取為2時，電網中出現(xiàn)超低頻振蕩，但是水輪機出力已經受到限幅環(huán)節(jié)控制，說明比例參數(shù)取值過小。逐漸提高調速器比例參數(shù)，當比例參數(shù)為2.2時，水輪機出力不再受到限幅環(huán)節(jié)影響，對應的電網頻率偏差和水輪機機械功率如圖3和圖4分別所示，說明調速器比例參數(shù)設為2.2時，電網發(fā)生臨界超低頻振蕩，調速器的臨界比例參數(shù)即為2.2；

(4)將調速器比例參數(shù)設為臨界比例參數(shù)的2倍，即kp＝4.4，完成水電機組調速器的參數(shù)優(yōu)化過程，重新進行仿真可得電網頻率偏差如圖5所示，證明本發(fā)明實現(xiàn)了對超低頻振蕩的抑制。

上述對實施例的描述是為便于本技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā)明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對上述實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，本領域技術人員根據本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內。