一种水轮机调速器功率模式下一次调频稳定域的确定方法技术

本发明专利技术公开一种水轮机调速器功率模式下一次调频稳定域的确定方法，步骤包括：1)建立功率模式下一次调频的非线性水轮机调速器模型，非线性水轮机调速器模型包括PID控制环节以及非线性环节，根据非线性水轮机调速器模型构建水轮机调节系统模型；2)将PID控制环节的PID参数作为分岔参数，并根据水轮机调节系统模型求解发生hopf分岔时PID参数满足的分岔条件；由分岔条件得到水轮机调速器在功率模式下一次调频稳定域的边界，根据稳定域的边界确定稳定域的范围。本发明专利技术能够有效确定水轮机调速器在功率模式下一次调频的稳定域，具有实现方法简单、精度高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种水轮机调速器功率模式下一次调频稳定域的确定方法
本专利技术涉及水电机组控制
，尤其涉及一种水轮机调速器功率模式下一次调频稳定域的确定方法。
技术介绍
电网频率是反映电力系统安全稳定运行和电能质量的重要指标，如果电网频率的变动超过了允许值，对用户和发电厂的运行都将产生不利影响，同时带来极大的经济损失。电力系统频率的稳定主要取决于电力系统内发出功率和消耗功率的平衡，目前电网频率的控制手段主要有一次调频(PFR)、二次调频(SFR)、高频切机、自动低频减负荷等，其中一次调频由于响应速度快，已成为维持电网频率稳定的重要手段。相对于火电厂和核电厂，水电厂具有运行方式灵活、调节性能优越的特点，在电力系统中承担了主要的调频任务，同时由于水电机组的一次调频是由调速器自身来完成，响应速度极快，因此水电机组的一次调频性能对于电网频率的稳定具有至关重要的影响作用。水轮机调速器在并网状态下一般运行于开度模式或功率模式下，相比于开度模式，功率模式由于在运行时使得调速器形成功率闭环控制，能够有效避免一次调频与AGC的矛盾，并且具有负荷调节速度快、品质优的优点，因此目前并网运行的大型水电机组均优先在功率模式下运行。水轮机调速器在功率模式下运行时，由于一次调频由调速器自身来完成，通过调速器完成功率闭环控制，而整个水轮机调节系统为一非最小相位系统，如果参数整定不合理，就会影响整个系统的稳定性，导致失稳或产生周期振荡。因此为合理整定参数，保证一次调频过程的稳定，需要确定以调速器参数为影响参数的整个系统的稳定域。水轮机调速器功率模式下一次调频系统具有明显的非线性特征，但目前水轮机调节系统稳定域的分析方法大多基于线性理论，即将非线性系统近似为线性系统进行分析，该类方法使得整个系统产生了本质变化，因而不适用于准确分析非线性的一次调频系统。另外，目前水轮机调速器在功率模式下进行一次调频的技术研究尚不成熟，对于水轮机调速器在功率模式一次调频稳定域的研究较少，目前的研究成果中也均未能给出明确的稳定域求解方法，因而提供一种有效的水轮机调速器功率模式下一次调频稳定域的确定方法是亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种水轮机调速器功率模式下一次调频稳定域的确定方法，具有实现方法简单且精度高的优点。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种水轮机调速器功率模式下一次调频稳定域的确定方法，步骤包括：1)建立功率模式下一次调频的非线性水轮机调速器模型，所述非线性水轮机调速器模型包括PID控制环节以及非线性环节，根据所述非线性水轮机调速器模型构建水轮机调节系统模型；2)将所述PID控制环节的PID参数作为分岔参数，并根据所述水轮机调节系统模型求解发生hopf分岔时所述PID参数满足的分岔条件；由所述分岔条件得到水轮机调速器在功率模式下一次调频稳定域的边界，根据所述稳定域的边界确定稳定域的范围。作为本专利技术的进一步改进：所述非线性水轮机调速器模型的输入参数包括机组频率、机组功率以及给定的频率、功率，所述非线性水轮机调速器模型将输入参数依次经过人工死区非线性环节、PID控制环节、调节限幅非线性环节以及电液随动系统后输出导叶开度。作为本专利技术的进一步改进：所述人工死区非线性环节包括人工频率死区以及人工功率死区，所述人工频率死区以及人工功率死区分别采用多项式函数表示；所述调节限幅非线性环节采用双曲函数表示；所述电液随动系统采用如式(1)所示的一阶线性模型表示；式(1)中，Y1、Y分别为电液随动系统的输入、输出导叶开度，Ty为接力器反应时间常数。作为本专利技术的进一步改进：所述步骤1)还包括非线性水轮机调速器模型参数核定流程，具体实施方法为：通过对水轮机调速器进行静态试验核定所述机组频率、所述PID参数、所述人工死区非线性环节的绝对值以及调节限幅非线性环节的饱和非线性系数，辨识所述电液随动系统中接力器反应时间常数Ty。作为本专利技术的进一步改进：所述水轮机调节系统模型是结合水轮机模型、引水系统模型以及所述非线性水轮机调速器模型构建得到。作为本专利技术的进一步改进：所述水轮机模型采用如式(2)所示的线性模型；所述引水系统模型采用如式(3)所示的刚性水击模型；q＝eqxx+eqyy+eqhhmt＝exx+eyy+ehh(2)式(2)中，q为水轮机流量的标幺值，mt为水轮机动力力矩的标幺值，x为机组转速的标幺值，y为导叶开度的标幺值，h为水轮机工作水头的标幺值；eqx、eqy、eqh和ex、ey和eh分别为传递系数；式(3)中，Tw为水流加速时间常数。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤1)还包括水轮机模型与引水系统模型参数计算流程，具体实施方法为：通过水轮机的综合特性曲线获取所述水轮机模型中传递系数；通过模型辨识方法辨识出所述引水系统模型中水流加速时间常数Tw。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤2)中求解发生hopf分岔时所述PID参数满足的分岔条件的具体实施步骤为：2.1)根据所述水轮机调节系统模型构建如式(4)所示的状态方程；式(4)中，x为状态变量，为状态响应，μ为分岔参数且即为PID参数，Rn为n维的实数集；2.2)构建如式(5)所示的平衡点方程，得到状态方程在平衡点的Jacobian矩阵；由所述Jacobian矩阵的特征方程的系数构造如式(6)所示的Hurwitz行列式；A(μ)＝Dx(0,μ)(5)式(5)中，Dx(0,μ)表示所述状态方程在平衡点f(x,μ)＝0处含分岔参数μ的方程组的系数矩阵，A(μ)表示所述状态方程在平衡点的Jacobian矩阵；式(6)中，a1～am为Jacobian矩阵A(μ)的特征方程的系数，且m＝1,2,…,n，n为维数，Δm为m维的Hurwitz行列式，其中如果i>n则ai＝0；2.3)由所述Hurwitz行列式得到发生hopf分岔时PID参数满足的分岔条件，所述分岔条件的表达式如式(7)所示；0Δn-1(μc)=0---(7)]]>式(7)中，μc表示发生hopf分岔时的分岔参数。作为本专利技术的进一步改进：所述步骤2)中采用PID参数中缓冲时间常数Td和暂态转差系数bt作为分岔参数。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1)本专利技术通过建立包含非线性环节的非线性水轮机调速器模型，引入hopf分岔理论分析非线性的水轮机调节系统的稳定性，由发生hopf分岔时PID参数满足的分岔条件得到水轮机调速器在功率模式下一次调频稳定域的边界，从而确定稳定域的范围，有效解决了一次调频稳定域的确定问题，实现方法简单且精度高。2)本专利技术考虑人工死区以及调节限幅的非线性特征建立非线性水轮机调速器模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水轮机调速器功率模式下一次调频稳定域的确定方法，其特征在于，步骤包括：1)建立功率模式下一次调频的非线性水轮机调速器模型，所述非线性水轮机调速器模型包括PID控制环节以及非线性环节，根据所述非线性水轮机调速器模型构建水轮机调节系统模型；2)将所述PID控制环节的PID参数作为分岔参数，并根据所述水轮机调节系统模型求解发生hopf分岔时所述PID参数满足的分岔条件；由所述分岔条件得到水轮机调速器在功率模式下一次调频稳定域的边界，根据所述稳定域的边界确定稳定域的范围。

【技术特征摘要】
1.一种水轮机调速器功率模式下一次调频稳定域的确定方法，其特征在于，步骤包括：1)建立功率模式下一次调频的非线性水轮机调速器模型，所述非线性水轮机调速器模型包括PID控制环节以及非线性环节，根据所述非线性水轮机调速器模型构建水轮机调节系统模型；所述水轮机调节系统模型是结合水轮机模型、引水系统模型以及所述非线性水轮机调速器模型构建得到，所述水轮机模型采用如式(2)所示的线性模型；所述引水系统模型采用如式(3)所示的刚性水击模型；式(2)中，q为水轮机流量的标幺值，mt为水轮机动力力矩的标幺值，x为机组转速的标幺值，y为导叶开度的标幺值，h为水轮机工作水头的标幺值；eqx、eqy、eqh和ex、ey和eh分别为传递系数；式(3)中，Tw为水流加速时间常数；2)将所述PID控制环节的PID参数作为分岔参数，并根据所述水轮机调节系统模型求解发生hopf分岔时所述PID参数满足的分岔条件；由所述分岔条件得到水轮机调速器在功率模式下一次调频稳定域的边界，根据所述稳定域的边界确定稳定域的范围。2.根据权利要求1所述的水轮机调速器功率模式下一次调频稳定域的确定方法，其特征在于：所述非线性水轮机调速器模型的输入参数包括机组频率、机组功率以及给定的频率、功率，所述非线性水轮机调速器模型将输入参数依次经过人工死区非线性环节、PID控制环节、调节限幅非线性环节以及电液随动系统后输出导叶开度。3.根据权利要求2中所述的水轮机调速器功率模式下一次调频稳定域的确定方法，其特征在于：所述人工死区非线性环节包括人工频率死区以及人工功率死区，所述人工频率死区以及人工功率死区分别采用多项式函数表示；所述调节限幅非线性环节采用双曲函数表示；所述电液随动系统采用如式(1)所示的一阶线性模型表示；式(1)中，Y1、Y分别为电液随动系统的输入、输出导叶开度，Ty为接力器反应时间常数。4.根据权利要求3所述的水轮机调速器功率模式下一次调频稳定域的确定方法，其特征在于：所述步骤1)还包括非线性水轮机调速器模型参数核定流程，具体实施方法为：通过对水轮机调速器进行静态试验核定所述机组频率、所述PID参数、所述人工死...

【专利技术属性】
技术研发人员：付亮，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网湖南省电力公司，国网湖南省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11