專利名稱：水輪發(fā)電機組主動穩(wěn)定控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水輪發(fā)電機組主動穩(wěn)定控制方法，具體涉及對水輪機調(diào)速器和發(fā)電機勵磁控制器進行控制的方法，屬于水輪發(fā)電機組控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
大型水輪發(fā)電機組遠距離聯(lián)網(wǎng)存在的弱阻尼問題是影響電網(wǎng)穩(wěn)定的重要因素。盡管PSS和電網(wǎng)側(cè)FACTS設(shè)備的研究和應(yīng)用為解決這一問題提供了有效的途徑。但是由于電網(wǎng)側(cè)的復(fù)雜性，無論在理論分析和實際應(yīng)用中都存在一些困難。作為電源點的機組的穩(wěn)定性在電力系統(tǒng)振蕩中的作用至關(guān)重要，機組受擾后的振蕩要盡快平息，以保證機組不會成為振源。因此，在機組側(cè)采取有效措施，以改善弱阻尼電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一直是研究的熱點問題。
按傳統(tǒng)控制思維，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生擾動或振蕩時，力圖通過對機組的快速控制與調(diào)節(jié)來適應(yīng)電網(wǎng)的變化。因此，在機組側(cè)改善系統(tǒng)弱阻尼下的穩(wěn)定性最常用的是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)，而且已形成相應(yīng)的參考結(jié)構(gòu)。由于調(diào)速器響應(yīng)和調(diào)節(jié)時間大于低頻振蕩周期，一般認為調(diào)速器僅僅在頻率小于0.2Hz以下的低頻振蕩中可能發(fā)揮作用。盡管利用調(diào)速器改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題存在這種分歧，這方面的研究和努力一直沒有停止過。如早期出現(xiàn)過類似于PSS的調(diào)速側(cè)附加控制，采用調(diào)速和勵磁的聯(lián)合設(shè)計或協(xié)調(diào)設(shè)計，以及采用一些新的調(diào)速器控制算法來改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定等。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種水輪發(fā)電機組主動穩(wěn)定控制方法，即基于廣義哈密頓理論，采取在機組側(cè)主動穩(wěn)定的控制方法，來改善水輪發(fā)電機組遠距離聯(lián)網(wǎng)存在的弱阻尼問題，以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
本發(fā)明提出的機組側(cè)主動穩(wěn)定控制的核心是在機組控制器設(shè)計中，盡量減小機組與電力系統(tǒng)之間的擾動關(guān)聯(lián)度，使得機組不響應(yīng)或少響應(yīng)來自電網(wǎng)的擾動，即以機組本身運行的穩(wěn)定性來改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實現(xiàn)這一控制的思路是利用水輪發(fā)電機組哈密頓模型，求出水輪發(fā)電機組在給定輸出下的鎮(zhèn)定控制值，確定鎮(zhèn)定控制值的限制條件，以設(shè)計鎮(zhèn)定控制策略，最終得到實用的鎮(zhèn)定控制器構(gòu)成方案。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種水輪發(fā)電機組主動穩(wěn)定控制方法，包括利用水輪發(fā)電機組哈密頓模型，計算水輪發(fā)電機組在給定輸出下的鎮(zhèn)定控制值，其特征在于有以下步驟 A、計算給定輸出下的鎮(zhèn)定控制值 給定期望的系統(tǒng)輸出pe*，Qe*，利用下述方程組求解鎮(zhèn)定控制值v* 其中pe*，Qe*分別為給定的輸出有功功率和無功功率； B、確定鎮(zhèn)定控制值的限制條件 機組在并網(wǎng)運行時的限制條件為 實際選擇時，按機組并網(wǎng)運行并且所帶負荷大于10％額定負荷，即可滿足這一鎮(zhèn)定條件； C、鎮(zhèn)定控制算法 調(diào)速器輸出控制為 勵磁控制輸出為 D、實際控制器構(gòu)造方案 鎮(zhèn)定控制策略與傳統(tǒng)調(diào)速和勵磁PID控制策略結(jié)合，構(gòu)成變結(jié)構(gòu)控制策略；在機組并網(wǎng)帶10％額定負荷之后切換為鎮(zhèn)定控制，其它工況即機組起、停、空載，采用傳統(tǒng)時PID控制。
所述水輪發(fā)電機組哈密頓模型為 系統(tǒng)的哈密頓函數(shù)為 其中x＝[x1 x2 x3 x4 x5]T＝[q y δ ω Eq′]T； 式中，q為水輪機流量(pu)；qn1為空載流量(pu)；y為導(dǎo)葉開度(pu)；y0為導(dǎo)葉開度初值(pu)；Tw為水流慣性時間常數(shù)(秒)；fp為水頭損失系數(shù)；Ty為主接力器時間常數(shù)(秒)；At為水輪機增益；up為調(diào)速器控制回路輸出信號；δ為機組功角(rad)；ω為機組角速度(pu)；Eq′為q軸瞬變電動勢(pu)；Tj為機組慣性時間常數(shù)(秒)；ωB＝314(rad/s)；Us為無窮大系統(tǒng)電壓(pu)；D為機組等效阻尼系數(shù)；Xd∑＝Xd+XT+XL；Xd為發(fā)電機d軸電抗；XT為變壓器等效電抗；XL為線路等效電抗；Xq∑＝Xq+XT+XL；Xq為發(fā)電機q軸電抗；Xd∑′＝Xd′+XT+XL；Xd′為發(fā)電機d軸次暫態(tài)電抗；Xf為勵磁繞組電抗；Xad為d軸電樞反應(yīng)電抗，各電抗均為標么值(pu)；Td0′為d軸開路暫態(tài)時間常數(shù)(秒)；Ef為勵磁控制輸出。
所述A步驟的計算給定輸出下的鎮(zhèn)定控制值，是給定期望的系統(tǒng)輸出pe*，Qe*，利用下述方程組求解鎮(zhèn)定控制值v* 其中pe*，Qe*分別為給定的輸出有功功率和無功功率； 所述B步驟的確定鎮(zhèn)定控制值的限制條件，是利用基于Lyapunov函數(shù)方法來獲得鎮(zhèn)定控制值的限制條件 直接計算知[J(x)-R(x)]可逆，則定義下面的函數(shù) 其中As1＝r2+CT2， 為了簡化問題，用給定平衡點參數(shù)，使得K(x)中r(x)和CT(x)變成常量，相應(yīng)參數(shù)加下標“*”表示，因此，選擇如下形式的函數(shù) 則式(1)化為 哈密頓函數(shù)修正為 其中ξ1＝C1(x)，ξ2＝C2(x)，c，c′，c″是由初始條件決定的常數(shù)； 由于x*是式(1)在控制v*和給定輸出下的平衡點，所以x*也是(7)式的平衡點，即 閉環(huán)系統(tǒng)的海森矩陣選擇為 直接計算各階順序主子式，當(dāng)滿足下列條件時，海森矩陣各階主子式大于零為正定矩陣 其中 海森矩陣在平衡點為正定矩陣，則Hα(x)是x*的極小點，Hα(x)是一個真正的Lyapunov函數(shù)，并且系統(tǒng)能夠被控制v*鎮(zhèn)定，使輸出穩(wěn)定于給定的平衡點； 式(11)為鎮(zhèn)定控制的限制條件，對于實際運行機組，自然滿足S1＞0，S2＞0，因此，實際限制條件為 機組并網(wǎng)運行并且所帶負荷大于10％額定負荷，即可滿足這一鎮(zhèn)定條件。
所述步驟C的鎮(zhèn)定控制值算法是由于鎮(zhèn)定控制值是以平衡點為目標的常值控制，它包括水輪機控制和勵磁控制器輸出兩路信號；其中水輪機控制部分采用反饋耗散實現(xiàn)方法，其耗散模型的控制信號up與原來水輪機輸入信號u存在以下關(guān)系 其中 在平衡點x*，f1＝0，有 當(dāng)機組給定有功(或無功)發(fā)生變化，即給定平衡點改變時，控制器進行計算得出以新平衡點為目標的常值控制v*，以階躍形式輸出。從舊平衡點到新平衡點的這種階躍控制信號，會造成超調(diào)量過大。為此，采用簡單的指數(shù)輸出方式改善參數(shù)響應(yīng)特性。
以下標“0”、“1”表示初始工況和新平衡點的參數(shù)，則水輪機輸入控制為 勵磁輸出為 其中Ttout、TEfout分別表示水輪機部分輸入和勵磁輸出階躍信號的衰減時間常數(shù)，根據(jù)實際機組速動性和過渡過程品質(zhì)要求確定；由于控制器計算模型和對象實際模型存在差異，其輸出目標值會出現(xiàn)偏差，因此將該偏差作為反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。則控制律可描述如下 調(diào)速器輸出控制為 勵磁控制輸出為 其中kt為水輪機輸出的補償因子，kc是勵磁控制的補償因子；補償因子是線性補償，或者采用PI補充。
所述步驟D的實際控制器構(gòu)造方案是根據(jù)海森矩陣鎮(zhèn)定條件，只有當(dāng)機組并網(wǎng)帶負荷＞10％額定負荷時，才能滿足海森矩陣鎮(zhèn)定條件；由于鎮(zhèn)定控制器的這種限制，不能處理機組啟動、停機以及空載運行工況；因此，需要與傳統(tǒng)調(diào)速和勵磁PID控制策略結(jié)合，構(gòu)成變結(jié)構(gòu)控制策略；在機組并網(wǎng)帶10％額定負荷之后切換為鎮(zhèn)定控制，其它工況如機組起、停、空載等工況采用傳統(tǒng)PID控制策略。
所述水輪發(fā)電機組哈密頓模型是以單機單管剛性水擊下非線性水輪發(fā)電機模型為基礎(chǔ)，，采用哈密頓正交分解和耗散實現(xiàn)理論導(dǎo)出，發(fā)電機采用單機無窮大系統(tǒng)三階哈密頓模型，連接后的非線性水輪發(fā)電機。
本發(fā)明具有下列優(yōu)點和效果 1、控制思想與傳統(tǒng)方式不同，以機組的主動穩(wěn)定來改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。避開了電力系統(tǒng)復(fù)雜性對機組控制器設(shè)計的影響，簡化了設(shè)計過程。
2、鎮(zhèn)定控制方式以給定輸出目標值為控制依據(jù)，減小了機組與電力系統(tǒng)之間的耦合作用。
3、以輸出偏差為反饋補償，解決了鎮(zhèn)定控制器模型誤差造成的輸出偏差問題。
4、鎮(zhèn)定控制器能在較低的阻尼下保持機組的運行穩(wěn)定性。



圖1為水輪發(fā)電機組鎮(zhèn)定控制器； 圖2為D＝2的有功調(diào)節(jié)下主要參數(shù)響應(yīng)； 圖3為無功調(diào)節(jié)時，機組無功的響應(yīng)；
具體實施例方式 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步描述。
實施例 本實施例是對某水電站水輪發(fā)電機組鎮(zhèn)定控制的仿真實例。
電站機組特征參數(shù)At＝1.127；Tw＝2.242s；Ty＝0.5s；Tj＝8.999s；Td0′＝5.4s；Xd＝1.07；Xd′＝0.34；Xq＝0.66；Xf＝1.29；Xad＝0.97；將這些參數(shù)設(shè)置到控制器中作為控制器基本計算參數(shù)。
選擇一種典型的機組控制結(jié)構(gòu)進行仿真對比，調(diào)速器部分采用典型并聯(lián)PID控制，Kp＝5.0；KI＝3.5；KD＝1.5；勵磁系統(tǒng)采用PI，Kpe＝1.0；KIe＝1.5。調(diào)速器工作于功率調(diào)節(jié)模式，勵磁調(diào)節(jié)器工作于恒無功方式。采用仿真方法，確定控制器參數(shù)Ttout＝0.4s；TEfout＝0.2s；kc＝0.1，kt＝0.1。
(1)有功調(diào)節(jié)例子 機組進行有功調(diào)節(jié)，有功從0.5(pu)增加到0.9(pu)，取等效阻尼系數(shù)為D＝2。
初始平衡點為x0＝
。
初始值 采用以下步驟實現(xiàn) A、計算給定輸出下的鎮(zhèn)定控制值 給定期望的系統(tǒng)輸出pe*＝0.9，Qe*＝0.3，利用下述方程組求解鎮(zhèn)定控制值v* 解出新平衡點為x*＝
。
鎮(zhèn)定控制值為 B、確定鎮(zhèn)定控制值的限制條件 流量x1＝0.9398，qn1＝0.1265，滿足鎮(zhèn)定限制條件式(11)； 或者機組有功pm1＝pe*＝0.9(pu)，即90％額定負荷，滿足鎮(zhèn)定控制限制條件。
C、鎮(zhèn)定控制算法 采用公式(14)計算調(diào)速器控制u0＝0，u1＝0.3725； 采用公式(17)計算調(diào)速器輸出控制為 u＝0.3725(1-e-0.4t)+0.1(0.9-pe)(19) 采用公式(18)計算勵磁控制輸出為 Ef＝1.5803+0.3101(1-e-0.2t)+0.1(0.3-Qe)(20) D、實際控制器構(gòu)造方案 此時，機組并網(wǎng)帶負荷大于10％額定負荷，滿足鎮(zhèn)定限制條件，機組處于鎮(zhèn)定控制模式。機組測量單元實時檢測pe和Qe的變化，按(19)、(20)的控制律實現(xiàn)閉環(huán)控制調(diào)節(jié)。
各參數(shù)響應(yīng)曲線如圖2。由圖2可見，所選擇的常值控制器能夠鎮(zhèn)定系統(tǒng)，使得系統(tǒng)漸近穩(wěn)定于給定的平衡點。
(2)無功調(diào)節(jié)例子 機組進行無功調(diào)節(jié)，無功從0.3(pu)增加到0.5(pu)，取等效阻尼系數(shù)為D＝5； 初始平衡點為x0＝
。
初始值 采用以下步驟實現(xiàn) A、計算給定輸出下的鎮(zhèn)定控制值 給定期望的系統(tǒng)輸出pe*＝0.5，Qe*＝0.5，利用下述方程組求解鎮(zhèn)定控制值v* 解出新平衡點為x*＝
。
鎮(zhèn)定控制值為 B、確定鎮(zhèn)定控制值的限制條件 流量x1＝0.5738，qn1＝0.1265，滿足鎮(zhèn)定限制條件式(11)； 或者機組有功pm1＝pe*＝0.5(pu)，即50％額定負荷，滿足鎮(zhèn)定控制限制條件； C、鎮(zhèn)定控制算法 采用公式(14)計算調(diào)速器控制u0＝0，u1＝0； 采用公式(17)計算調(diào)速器輸出控制為 u＝0.1(0.5-pe)(21) 采用公式(18)計算勵磁控制輸出為 Ef＝1.5803+0.2586(1-e-0.2t)+0.1(0.3-Qe)(22) D、實際控制器構(gòu)造方案 此時，機組并網(wǎng)帶負荷大于10％額定負荷，滿足鎮(zhèn)定限制條件，機組處于鎮(zhèn)定控制模式。機組測量單元實時檢測pe和Qe的變化，按(21)、(22)的控制律實現(xiàn)閉環(huán)控制調(diào)節(jié)。
各參數(shù)響應(yīng)曲線如圖3。由圖3可見，所選擇的常值控制器能夠鎮(zhèn)定系統(tǒng)，使得系統(tǒng)漸近穩(wěn)定于給定的平衡點。
權(quán)利要求
1.一種水輪發(fā)電機組主動穩(wěn)定控制方法，包括利用水輪發(fā)電機組哈密頓模型，計算水輪發(fā)電機組在給定輸出下的鎮(zhèn)定控制值，其特征在于有以下步驟
A、計算給定輸出下的鎮(zhèn)定控制值
給定期望的系統(tǒng)輸出
利用下述方程組求解鎮(zhèn)定控制值
B、確定鎮(zhèn)定控制值的限制條件
機組在并網(wǎng)運行時的限制條件為
實際選擇時，按機組并網(wǎng)運行并且所帶負荷大于10％額定負荷，即可滿足這一鎮(zhèn)定條件；
C、鎮(zhèn)定控制算法
調(diào)速器輸出控制為
勵磁控制輸出為
D、實際控制器構(gòu)造方案
鎮(zhèn)定控制策略與傳統(tǒng)調(diào)速和勵磁PID控制策略結(jié)合，構(gòu)成變結(jié)構(gòu)控制策略；在機組并網(wǎng)帶10％額定負荷之后切換為鎮(zhèn)定控制，其它工況即機組起、停、空載，采用傳統(tǒng)時PID控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水輪發(fā)電機組主動穩(wěn)定控制方法。利用水輪發(fā)電機組哈密頓模型，計算水輪發(fā)電機組在給定輸出下的鎮(zhèn)定控制值，確定鎮(zhèn)定控制值的限制條件，鎮(zhèn)定控制算法的改進，確定實際控制器構(gòu)造方案。本發(fā)明以機組的主動穩(wěn)定來改善電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，避開了電力系統(tǒng)復(fù)雜性對機組控制器設(shè)計的影響，簡化了設(shè)計過程，鎮(zhèn)定控制方式以給定輸出目標值為控制依據(jù)，減小了機組與電力系統(tǒng)之間的耦合作用，以輸出偏差為反饋補償，解決了鎮(zhèn)定控制器模型誤差造成的輸出偏差問題，鎮(zhèn)定控制器能在較低的阻尼下保持機組的運行穩(wěn)定性。
文檔編號F03B15/00GK101718248SQ20091016320
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者曾云, 張立翔, 武亮, 王文全, 閆妍, 李澤, 姚激 申請人:昆明理工大學(xué)