一種水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的確定方法，步驟包括：1)建立功率模式下一次調(diào)頻的非線性水輪機(jī)調(diào)速器模型，非線性水輪機(jī)調(diào)速器模型包括PID控制環(huán)節(jié)以及非線性環(huán)節(jié)，根據(jù)非線性水輪機(jī)調(diào)速器模型構(gòu)建水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型；2)將PID控制環(huán)節(jié)的PID參數(shù)作為分岔參數(shù)，并根據(jù)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型求解發(fā)生hopf分岔時PID參數(shù)滿足的分岔條件；由分岔條件得到水輪機(jī)調(diào)速器在功率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的邊界，根據(jù)穩(wěn)定域的邊界確定穩(wěn)定域的范圍。本發(fā)明能夠有效確定水輪機(jī)調(diào)速器在功率模式下一次調(diào)頻的穩(wěn)定域，具有實現(xiàn)方法簡單、精度高的優(yōu)點。
【專利說明】-種水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的確定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及水電機(jī)組控制【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其設(shè)及一種水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下一次 調(diào)頻穩(wěn)定域的確定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 電網(wǎng)頻率是反映電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，如果電網(wǎng)頻率的 變動超過了允許值，對用戶和發(fā)電廠的運(yùn)行都將產(chǎn)生不利影響，同時帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失。 電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定主要取決于電力系統(tǒng)內(nèi)發(fā)出功率和消耗功率的平衡，目前電網(wǎng)頻率的 控制手段主要有一次調(diào)頻（PFR)、二次調(diào)頻（SFR)、高頻切機(jī)、自動低頻減負(fù)荷等，其中一次 調(diào)頻由于響應(yīng)速度快，已成為維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的重要手段。相對于火電廠和核電廠，水電 廠具有運(yùn)行方式靈活、調(diào)節(jié)性能優(yōu)越的特點，在電力系統(tǒng)中承擔(dān)了主要的調(diào)頻任務(wù)，同時由 于水電機(jī)組的一次調(diào)頻是由調(diào)速器自身來完成，響應(yīng)速度極快，因此水電機(jī)組的一次調(diào)頻 性能對于電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定具有至關(guān)重要的影響作用。
[0003] 水輪機(jī)調(diào)速器在并網(wǎng)狀態(tài)下一般運(yùn)行于開度模式或功率模式下，相比于開度模 式，功率模式由于在運(yùn)行時使得調(diào)速器形成功率閉環(huán)控制，能夠有效避免一次調(diào)頻與AGC 的矛盾，并且具有負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快、品質(zhì)優(yōu)的優(yōu)點，因此目前并網(wǎng)運(yùn)行的大型水電機(jī)組均優(yōu) 先在功率模式下運(yùn)行。水輪機(jī)調(diào)速器在功率模式下運(yùn)行時，由于一次調(diào)頻由調(diào)速器自身來 完成，通過調(diào)速器完成功率閉環(huán)控制，而整個水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)為一非最小相位系統(tǒng)，如果參 數(shù)整定不合理，就會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致失穩(wěn)或產(chǎn)生周期振蕩。因此為合理整定參 數(shù)，保證一次調(diào)頻過程的穩(wěn)定，需要確定W調(diào)速器參數(shù)為影響參數(shù)的整個系統(tǒng)的穩(wěn)定域。
[0004] 水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下一次調(diào)頻系統(tǒng)具有明顯的非線性特征，但目前水輪機(jī)調(diào) 節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定域的分析方法大多基于線性理論，即將非線性系統(tǒng)近似為線性系統(tǒng)進(jìn)行分析， 該類方法使得整個系統(tǒng)產(chǎn)生了本質(zhì)變化，因而不適用于準(zhǔn)確分析非線性的一次調(diào)頻系統(tǒng)。 另外，目前水輪機(jī)調(diào)速器在功率模式下進(jìn)行一次調(diào)頻的技術(shù)研究尚不成熟，對于水輪機(jī)調(diào) 速器在功率模式一次調(diào)頻穩(wěn)定域的研究較少，目前的研究成果中也均未能給出明確的穩(wěn)定 域求解方法，因而提供一種有效的水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的確定方法是 亟待解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種水輪機(jī)調(diào)速器功率模 式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的確定方法，具有實現(xiàn)方法簡單且精度高的優(yōu)點。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：
[0007] 一種水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的確定方法，步驟包括：
[000引 1)建立功率模式下一次調(diào)頻的非線性水輪機(jī)調(diào)速器模型，所述非線性水輪機(jī)調(diào)速 器模型包括PID控制環(huán)節(jié)W及非線性環(huán)節(jié)，根據(jù)所述非線性水輪機(jī)調(diào)速器模型構(gòu)建水輪機(jī) 調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型；
[0009] 2)將所述PID控制環(huán)節(jié)的PID參數(shù)作為分岔參數(shù)，并根據(jù)所述水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模 型求解發(fā)生hopf分岔時所述PID參數(shù)滿足的分岔條件；由所述分岔條件得到水輪機(jī)調(diào)速器 在功率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的邊界，根據(jù)所述穩(wěn)定域的邊界確定穩(wěn)定域的范圍。
[0010] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)；所述非線性水輪機(jī)調(diào)速器模型的輸入?yún)?shù)包括機(jī)組頻 率、機(jī)組功率W及給定的頻率、功率，所述非線性水輪機(jī)調(diào)速器模型將輸入?yún)?shù)依次經(jīng)過人 工死區(qū)非線性環(huán)節(jié)、PID控制環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)限幅非線性環(huán)節(jié)W及電液隨動系統(tǒng)后輸出導(dǎo)葉開 度。
[0011] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)；所述人工死區(qū)非線性環(huán)節(jié)包括人工頻率死區(qū)W及人工 功率死區(qū)，所述人工頻率死區(qū)W及人工功率死區(qū)分別采用多項式函數(shù)表示；所述調(diào)節(jié)限幅 非線性環(huán)節(jié)采用雙曲函數(shù)表示；所述電液隨動系統(tǒng)采用如式（1)所示的一階線性模型表 示；
[0012] -Z. + Y = Y, (1) dt
[0013] 式（1)中，Yi、Y分別為電液隨動系統(tǒng)的輸入、輸出導(dǎo)葉開度，Ty為接力器反應(yīng)時間 常數(shù)。
[0014] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)；所述步驟1)還包括非線性水輪機(jī)調(diào)速器模型參數(shù)核 定流程，具體實施方法為；通過對水輪機(jī)調(diào)速器進(jìn)行靜態(tài)試驗核定所述機(jī)組頻率、所述PID 參數(shù)、所述人工死區(qū)非線性環(huán)節(jié)的絕對值W及調(diào)節(jié)限幅非線性環(huán)節(jié)的飽和非線性系數(shù)，辨 識所述電液隨動系統(tǒng)中接力器反應(yīng)時間常數(shù)Ty。
[0015] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)；所述水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型是結(jié)合水輪機(jī)模型、引水系 統(tǒng)模型W及所述非線性水輪機(jī)調(diào)速器模型構(gòu)建得到。
[0016] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)；所述水輪機(jī)模型采用如式（2)所示的線性模型；所述 引水系統(tǒng)模型采用如式（3)所示的剛性水擊模型；
[0017] q = e,,x+e,yy+e,hh
[001引 （2)
[0019] m^= e ^x+e^y+e^h
[0020] 式（2)中，q為水輪機(jī)流量的標(biāo)么值，nit為水輪機(jī)動力力矩的標(biāo)么值，X為機(jī)組轉(zhuǎn) 速的標(biāo)么值，y為導(dǎo)葉開度的標(biāo)么值，h為水輪機(jī)工作水頭的標(biāo)么值；e。,、Ggy、Gqh和e ,、和 6h分別為傳遞系數(shù)；
[002U h 二-T、冉 (3) dt
[0022] 式（3)中，I；為水流加速時間常數(shù)。
[0023] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟1)還包括水輪機(jī)模型與引水系統(tǒng)模型參數(shù) 計算流程，具體實施方法為；通過水輪機(jī)的綜合特性曲線獲取所述水輪機(jī)模型中傳遞系數(shù)； 通過模型辨識方法辨識出所述引水系統(tǒng)模型中水流加速時間常數(shù)T，。
[0024] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟2)中求解發(fā)生hopf分岔時所述PID參數(shù)滿 足的分岔條件的具體實施步驟為：
[0025] 2. 1)根據(jù)所述水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型構(gòu)建如式（4)所示的狀態(tài)方程；
[0026] 義= xeR", //gR。 (4)
[0027] 式（4)中，X為狀態(tài)變量，丈為狀態(tài)響應(yīng)，y為分岔參數(shù)且即為PID參數(shù)，RD為n維 的實數(shù)集；
[002引 2. 2)構(gòu)建如式（5)所示的平衡點方程，得到狀態(tài)方程在平衡點的化cobian矩陣； 由所述化cobian矩陣的特征方程的系數(shù)構(gòu)造如式（6)所示的化rwitz行列式；
[0029] A(i〇 = Dx〇)，iO 妨
[0030] 式妨中，Dx化y)表示所述狀態(tài)方程在平衡點f (X，y) = 0處含分岔參數(shù)y的 方程組的系數(shù)矩陣，A( y )表示所述狀態(tài)方程在平衡點的化cobian矩陣；
[0031]

【權(quán)利要求】
1. 一種水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的確定方法，其特征在于，步驟包 括： 1) 建立功率模式下一次調(diào)頻的非線性水輪機(jī)調(diào)速器模型，所述非線性水輪機(jī)調(diào)速器模 型包括PID控制環(huán)節(jié)以及非線性環(huán)節(jié)，根據(jù)所述非線性水輪機(jī)調(diào)速器模型構(gòu)建水輪機(jī)調(diào)節(jié) 系統(tǒng)模型； 2) 將所述PID控制環(huán)節(jié)的PID參數(shù)作為分岔參數(shù)，并根據(jù)所述水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型求 解發(fā)生hopf分岔時所述PID參數(shù)滿足的分岔條件；由所述分岔條件得到水輪機(jī)調(diào)速器在功 率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的邊界，根據(jù)所述穩(wěn)定域的邊界確定穩(wěn)定域的范圍。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的確定方法，其特 征在于：所述非線性水輪機(jī)調(diào)速器模型的輸入?yún)?shù)包括機(jī)組頻率、機(jī)組功率以及給定的頻 率、功率，所述非線性水輪機(jī)調(diào)速器模型將輸入?yún)?shù)依次經(jīng)過人工死區(qū)非線性環(huán)節(jié)、PID控 制環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)限幅非線性環(huán)節(jié)以及電液隨動系統(tǒng)后輸出導(dǎo)葉開度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的確定方法，其 特征在于：所述人工死區(qū)非線性環(huán)節(jié)包括人工頻率死區(qū)以及人工功率死區(qū)，所述人工頻率 死區(qū)以及人工功率死區(qū)分別采用多項式函數(shù)表示；所述調(diào)節(jié)限幅非線性環(huán)節(jié)采用雙曲函數(shù) 表示；所述電液隨動系統(tǒng)采用如式（1)所示的一階線性模型表示；
式（1)中，Y1J分別為電液隨動系統(tǒng)的輸入、輸出導(dǎo)葉開度，Ty為接力器反應(yīng)時間常數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的確定方法，其特 征在于：所述步驟1)還包括非線性水輪機(jī)調(diào)速器模型參數(shù)核定流程，具體實施方法為：通 過對水輪機(jī)調(diào)速器進(jìn)行靜態(tài)試驗核定所述機(jī)組頻率、所述PID參數(shù)、所述人工死區(qū)非線性 環(huán)節(jié)的絕對值以及調(diào)節(jié)限幅非線性環(huán)節(jié)的飽和非線性系數(shù)，辨識所述電液隨動系統(tǒng)中接力 器反應(yīng)時間常數(shù)Ty。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的確定方法，其特 征在于：所述水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型是結(jié)合水輪機(jī)模型、引水系統(tǒng)模型以及所述非線性水輪 機(jī)調(diào)速器模型構(gòu)建得到。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的確定方法，其特 征在于：所述水輪機(jī)模型采用如式（2)所示的線性模型；所述引水系統(tǒng)模型采用如式（3) 所示的剛性水擊模型； Q=eqxx+eqyy+eqhh (2) mt=eXx+eyy+ehh 式（2)中，q為水輪機(jī)流量的標(biāo)么值，mt為水輪機(jī)動力力矩的標(biāo)么值，x為機(jī)組轉(zhuǎn)速的 標(biāo)幺值，y為導(dǎo)葉開度的標(biāo)幺值，h為水輪機(jī)工作水頭的標(biāo)幺值；e^e^e^h和ex、ey和eh分 別為傳遞系數(shù)；
式（3)中，1；為水流加速時間常數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的確定方法，其特 征在于，所述步驟1)還包括水輪機(jī)模型與引水系統(tǒng)模型參數(shù)計算流程，具體實施方法為： 通過水輪機(jī)的綜合特性曲線獲取所述水輪機(jī)模型中傳遞系數(shù)；通過模型辨識方法辨識出所 述引水系統(tǒng)模型中水流加速時間常數(shù)Tw。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1?7中任意一項所述的水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的 確定方法，其特征在于，所述步驟2)中求解發(fā)生hopf分岔時所述PID參數(shù)滿足的分岔條件 的具體實施步驟為： 2. 1)根據(jù)所述水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型構(gòu)建如式（4)所示的狀態(tài)方程； 乂-二，(.\%//)，.re Rn，"e Rn (4) 式（4)中，x為狀態(tài)變量，i為狀態(tài)響應(yīng)，y為分岔參數(shù)且即為PID參數(shù)，Rn為n維的 實數(shù)集； 2.2)構(gòu)建如式（5)所示的平衡點方程，得到狀態(tài)方程在平衡點的Jacobian矩陣油所 述Jacobian矩陣的特征方程的系數(shù)構(gòu)造如式（6)所示的Hurwitz行列式； A(i〇=Dx(0，i〇 (5) 式（5)中，Dx(0,i〇表示所述狀態(tài)方程在平衡點f(x，i〇 =0處含分岔參數(shù)y的方程 組的系數(shù)矩陣，A(i〇表示所述狀態(tài)方程在平衡點的Jacobian矩陣；
式（6)中，afajJacobian矩陣A(y)的特征方程的系數(shù)，且m= 1，2,…，n，n為 維數(shù)，Am維的Hurwitz行列式，其中如果i>n則ai= 0 ; 2. 3)由所述Hurwitz行列式得到發(fā)生hopf分岔時PID參數(shù)滿足的分岔條件，所述分岔 條件的表達(dá)式如式（7)所示；
式（7)中，y。表不發(fā)生hopf分岔時的分岔參數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的水輪機(jī)調(diào)速器功率模式下一次調(diào)頻穩(wěn)定域的確定方法，其特 征在于：所述步驟2)中采用PID參數(shù)中緩沖時間常數(shù)Td和暫態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bt作為分岔參數(shù)。
【文檔編號】G05B13/04GK104503228SQ201410662711
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】付亮 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)湖南省電力公司, 國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院