一種水電機組經直流送出系統的調速器參數整定方法技術方案

本發明專利技術公開了一種水電機組經直流送出系統的調速器參數整定方法，包括：建立水輪機調速器穩定性分析模型；得出發電機及其外部系統的傳遞函數，水輪機線性化模型的傳遞函數和調速器線性化模型的傳遞函數；求出水輪機調速器穩定性分析模型對應的閉環傳遞函數以及調速系統的閉環特征方程，然后利用勞斯穩定判據得到使調速系統穩定的暫態下降率取值范圍以及緩沖時間常數取值范圍；在使調速系統穩定的暫態下降率取值范圍以及緩沖時間常數取值范圍內進行時域仿真，得出水輪機調速器的最優參數。本發明專利技術采用了水輪機調速器穩定性分析模型，并結合勞斯穩定判據和時域仿真最終得到水輪機調速器的最優參數，魯棒性更強。本發明專利技術可廣泛應用于電力領域。

Governor parameter setting method of hydroelectric unit through DC delivery system

The invention discloses a hydropower generating unit by governor parameters setting method of DC transmission system, including: establish the analysis model of hydraulic turbine governor stability; the transfer function of the motor and the external system, the transfer function of the linear model of hydraulic turbine governor and the transfer function of the linear model; calculate the closed-loop characteristic equation of hydraulic turbine governor the stability analysis of the closed-loop model corresponding to the transfer function and control system, and then using Routh stability criterion to obtain the transient speed control system stable rate range and time constant value range; the control system in the transient steady decline rate range and time constant within the range of the time domain simulation, the optimal parameters of the hydraulic turbine governor. The invention adopts the stability analysis model of the water turbine governor, and combines the Routh stability criterion and the time domain simulation, finally obtains the optimal parameter of the hydraulic turbine governor, and has stronger robustness. The invention can be widely applied to the electric power field.

【技術實現步驟摘要】
一種水電機組經直流送出系統的調速器參數整定方法
本專利技術涉及電力領域，尤其是一種水電機組經直流送出系統的調速器參數整定方法。
技術介紹
孤島系統中，水輪機的水錘效應可能會導致調速器不穩定，進而引發低頻振蕩。而水電機組呈現負阻尼特性是導致低頻振蕩的主要原因。一般而言，水輪機和調速器在低頻段會產生負阻尼，汽輪機本身的相位滯后較小，當調速器的相位滯后也很小時，在低頻段會產生正阻尼。這些都和水輪機調速器的參數整定有關。云南電網與南方電網主網異步聯網后，云南電網高水電比例和直流外送負荷高占比的特點，與大型水電廠經直流孤島送出系統非常相似，外部阻尼的降低和水輪機的水錘效應會在低頻段產生較大的相位滯后，造成超低頻振蕩問題。異步聯網的特性實驗也證明，如果云南水電機組仍采用同步聯網時的參數，將會造成振蕩頻率為0.05Hz，波動范圍在49.9Hz～50.1Hz之間的持續超低頻振蕩，魯棒性較弱。在孤島系統中，應對水輪機調速器負阻尼特性導致的低頻振蕩時，一般采取的解決方案是將發電機一次調頻死區設置大于直流頻率限制器(FrequencyLimitController，FLC)死區，但這種方法并不適應于區域電網通過直流來實現的異步互聯系統。因此，亟需從源頭入手，提出一種水電機組經直流送出系統的調速器參數整定方法，在相應頻段進行相位補償以避免產生超低頻振蕩。
技術實現思路
為解決上述技術問題，本專利技術的目的在于：提供一種魯棒性強的水電機組經直流送出系統的調速器參數整定方法。本專利技術所采取的技術方案是：一種水電機組經直流送出系統的調速器參數整定方法，其特征在于：包括以下步驟：建立水輪機調速器穩定性分析模型；根據水輪機調速器穩定性分析模型得出發電機及其外部系統的傳遞函數，水輪機線性化模型的傳遞函數和調速器線性化模型的傳遞函數；根據發電機及其外部系統的傳遞函數，水輪機線性化模型的傳遞函數和調速器線性化模型的傳遞函數求出水輪機調速器穩定性分析模型對應的閉環傳遞函數以及調速系統的閉環特征方程，然后根據調速系統的閉環特征方程利用勞斯穩定判據得到使調速系統穩定的暫態下降率取值范圍以及緩沖時間常數取值范圍；在使調速系統穩定的暫態下降率取值范圍以及緩沖時間常數取值范圍內進行時域仿真，得出水輪機調速器的最優參數。進一步，所述發電機及其外部系統的傳遞函數Gd(s)的表達式為：其中，ΔP(s)為機械功率變化量與電磁功率變化量的差值，Δf(s)為頻率變化量，TM為發電機的慣性時間常數，D為發電機內部阻尼系數，Kf為外部阻尼系數，s為拉普拉斯算子。進一步，所述水輪機線性化模型的傳遞函數Ght(s)的表達式為：其中，Tw為水啟動時間，s為拉普拉斯算子。進一步，所述水輪機調速器為加速-緩沖型調速器，所述加速-緩沖型調速器線性化模型的傳遞函數Ggov(s)的表達式為：其中，bp為永態下降率；bt為暫態下降率；Td為緩沖時間常數；Tn為測量加速時間常數，T1v為測量慣性時間常數；Ty為主配壓閥和主接力器時間常數，TG為導葉伺服電動機時間常數，s為拉普拉斯算子。進一步，所述加速度-緩沖型調速器的暫態下降率bt、緩沖時間常數Td、測量加速度時間常數Tn與PID型微機調速器的比例增益KP、積分增益KI、微分增益KD的轉換關系為：進一步，所述根據發電機及其外部系統的傳遞函數，水輪機線性化模型的傳遞函數和調速器線性化模型的傳遞函數求出水輪機調速器穩定性分析模型對應的閉環傳遞函數以及調速系統的閉環特征方程，然后根據調速系統的閉環特征方程利用勞斯穩定判據得到使調速系統穩定的暫態下降率取值范圍以及緩沖時間常數取值范圍這一步驟，其包括：根據發電機及其外部系統的傳遞函數Gd(s)，水輪機線性化模型的傳遞函數Ght(s)和調速器線性化模型的傳遞函數Ggov(s)求出水輪機調速器穩定性分析模型對應的閉環傳遞函數Gbh(s)，所述閉環傳遞函數Gbh(s)的表達式為：根據閉環傳遞函數Gbh(s)的表達式得到調速系統的閉環特征方程，所述調速系統的閉環特征方程為：1+Ggov(s)Ght(s)Gd(s)＝0；采用勞斯穩定判據對調速系統的閉環特征方程進行求解，得到使調速系統穩定的暫態下降率bt取值范圍以及緩沖時間常數Td取值范圍，所述勞斯穩定判據為：調速系統的特征方程各項系數符號相同且不為零，且由各項系數組成的勞斯排列陣的第一列所有項均為正。進一步，所述采用勞斯穩定判據對調速系統的閉環特征方程進行求解，得到使調速系統穩定的暫態下降率bt取值范圍以及緩沖時間常數Td取值范圍這一步驟，其包括：采用簡化的調速器線性化模型的傳遞函數Ggov(s)對調速系統的閉環特征方程進行化簡，得到化簡后的閉環特征方程；采用勞斯穩定判據對化簡后的閉環特征方程進行求解，得到使調速系統穩定的暫態下降率bt取值范圍以及緩沖時間常數Td取值范圍。進一步，所述簡化的調速器線性化模型的傳遞函數Ggov(s)的表達式為：或其中，bp為永態下降率；Tn為測量加速時間常數，TG為導葉伺服電動機時間常數，s為拉普拉斯算子。進一步，所述在使調速系統穩定的暫態下降率取值范圍以及緩沖時間常數取值范圍內進行時域仿真，得出水輪機調速器的最優參數這一步驟，其具體為：若調速器線性化模型的傳遞函數Ggov(s)的表達式為則在使調速系統穩定的暫態下降率bt取值范圍以及緩沖時間常數Td取值范圍內進行時域仿真，得出水輪機調速器的最優參數范圍，所述水輪機調速器的最優參數范圍為：Td＝4Tw，其中，s為拉普拉斯算子，Tw為水啟動時間，TM為發電機的慣性時間常數；若調速器線性化模型的傳遞函數Ggov(s)的表達式為則在使調速系統穩定的暫態下降率bt取值范圍以及緩沖時間常數Td取值范圍內進行時域仿真，得出水輪機調速器的最優參數范圍，所述水輪機調速器的最優參數范圍為：Td＝[5-0.5(Tw-1)]Tw，其中，bp為永態下降率，s為拉普拉斯算子，Tw為水啟動時間，TM為發電機的慣性時間常數，TG為導葉伺服電動機時間常數；若調速器線性化模型的傳遞函數Ggov(s)的表達式為則在使調速系統穩定的暫態下降率bt取值范圍以及緩沖時間常數Td取值范圍內進行時域仿真，得出水輪機調速器的最優參數范圍，所述水輪機調速器的最優參數范圍為：Tn＝(0.3～0.5)Tw，3Tw＜Td<5Tw，其中，s為拉普拉斯算子，Tw為水啟動時間，TM為發電機的慣性時間常數，Tn為測量加速時間常數。進一步，所述水輪機調速器的最優參數為阻尼特性最好且恢復速度最快時對應的暫態下降率取值以及緩沖時間常數取值。本專利技術的有益效果是：包括建立水輪機調速器穩定性分析模型，獲取水輪機調速器穩定性分析模型的閉環傳遞函數和調速系統的閉環特征方程，利用勞斯穩定判據得到使調速系統穩定的暫態下降率取值范圍以及緩沖時間常數取值范圍以及時域仿真得出水輪機調速器的最優參數的過程，采用了水輪機調速器穩定性分析模型，并結合勞斯穩定判據和時域仿真最終得到使調速系統穩定的水輪機調速器最優參數，能夠有效避免外部阻尼的降低和水輪機的水錘效應造成的超低頻振蕩，魯棒性更強。附圖說明圖1為本專利技術一種水電機組經直流送出系統的調速器參數整定方法的整體流程圖；圖2為本專利技術的水輪機調速器穩定性分析模型的結構示意圖；圖3為本專利技術的水輪機加速-緩沖型調速器的結本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種水電機組經直流送出系統的調速器參數整定方法，其特征在于：包括以下步驟：建立水輪機調速器穩定性分析模型；根據水輪機調速器穩定性分析模型得出發電機及其外部系統的傳遞函數，水輪機線性化模型的傳遞函數和調速器線性化模型的傳遞函數；根據發電機及其外部系統的傳遞函數，水輪機線性化模型的傳遞函數和調速器線性化模型的傳遞函數求出水輪機調速器穩定性分析模型對應的閉環傳遞函數以及調速系統的閉環特征方程，然后根據調速系統的閉環特征方程利用勞斯穩定判據得到使調速系統穩定的暫態下降率取值范圍以及緩沖時間常數取值范圍；在使調速系統穩定的暫態下降率取值范圍以及緩沖時間常數取值范圍內進行時域仿真，得出水輪機調速器的最優參數。

【技術特征摘要】
1.一種水電機組經直流送出系統的調速器參數整定方法，其特征在于：包括以下步驟：建立水輪機調速器穩定性分析模型；根據水輪機調速器穩定性分析模型得出發電機及其外部系統的傳遞函數，水輪機線性化模型的傳遞函數和調速器線性化模型的傳遞函數；根據發電機及其外部系統的傳遞函數，水輪機線性化模型的傳遞函數和調速器線性化模型的傳遞函數求出水輪機調速器穩定性分析模型對應的閉環傳遞函數以及調速系統的閉環特征方程，然后根據調速系統的閉環特征方程利用勞斯穩定判據得到使調速系統穩定的暫態下降率取值范圍以及緩沖時間常數取值范圍；在使調速系統穩定的暫態下降率取值范圍以及緩沖時間常數取值范圍內進行時域仿真，得出水輪機調速器的最優參數。2.根據權利要求1所述的一種水電機組經直流送出系統的調速器參數整定方法，其特征在于：所述發電機及其外部系統的傳遞函數Gd(s)的表達式為：其中，ΔP(s)為機械功率變化量與電磁功率變化量的差值，Δf(s)為頻率變化量，TM為發電機的慣性時間常數，D為發電機內部阻尼系數，Kf為外部阻尼系數，s為拉普拉斯算子。3.根據權利要求1所述的一種水電機組經直流送出系統的調速器參數整定方法，其特征在于：所述水輪機線性化模型的傳遞函數Ght(s)的表達式為：其中，Tw為水啟動時間，s為拉普拉斯算子。4.根據權利要求1所述的一種水電機組經直流送出系統的調速器參數整定方法，其特征在于：所述水輪機調速器為加速-緩沖型調速器，所述加速-緩沖型調速器線性化模型的傳遞函數Ggov(s)的表達式為：其中，bp為永態下降率；bt為暫態下降率；Td為緩沖時間常數；Tn為測量加速時間常數，T1v為測量慣性時間常數；Ty為主配壓閥和主接力器時間常數，TG為導葉伺服電動機時間常數，s為拉普拉斯算子。5.根據權利要求4所述的一種水電機組經直流送出系統的調速器參數整定方法，其特征在于：所述加速度-緩沖型調速器的暫態下降率bt、緩沖時間常數Td、測量加速度時間常數Tn與PID型微機調速器的比例增益KP、積分增益KI、微分增益KD的轉換關系為：6.根據權利要求1所述的一種水電機組經直流送出系統的調速器參數整定方法，其特征在于：所述根據發電機及其外部系統的傳遞函數，水輪機線性化模型的傳遞函數和調速器線性化模型的傳遞函數求出水輪機調速器穩定性分析模型對應的閉環傳遞函數以及調速系統的閉環特征方程，然后根據調速系統的閉環特征方程利用勞斯穩定判據得到使調速系統穩定的暫態下降率取值范圍以及緩沖時間常數取值范圍這一步驟，其包括：根據發電機及其外部系統的傳遞函數Gd(s)，水輪機線性化模型的傳遞函數Ght(s)和調速器線性化模型的傳遞函數Ggov(s)求出水輪機調速器穩定性分析模型對應的閉環傳遞函數Gbh(s)，所述閉環傳遞函數Gbh(s)的表達式為：根據閉環傳遞函數Gbh(s)的表...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳亦平，莫維科，高琴，侯君，張勇，王子強，樓楠，鄭曉東，陳巨龍，黃漢昌，徐克強，翁振星，
申請(專利權)人：中國南方電網有限責任公司，華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東,44